JP2023053982A - マリンダクトプロペラジェット推進システム - Google Patents

Abstract

【課題】ディフューザ／コンフューザと、ステアリング制御ノズルアセンブリと、半径とを備える船舶用ジェット推進ユニットを提供する。【解決手段】半径は、ディフューザ／コンフューザとステアリング制御ノズルアセンブリとの間の推移点において導入され、これによって、ディフューザ／コンフューザが推進ユニットから流出する水流の形状を制御することができ、かつ広範囲の船速、操縦、及び海象により提示される大きな圧力差にわたって対応する加速度を制御することができる。【選択図】図１

Description

関連出願の相互参照
本出願は、「ＭＡＲＩＮＥ ＤＵＣＴＥＤ ＰＲＯＰＥＬＬＥＲ ＪＥＴ ＰＲＯＰＵＬＳＩＯＮ ＳＹＳＴＥＭ」と題する、２０１３年３月１５日に出願した、米国仮特許出願第６１／７９９、２７４号に対して優先権を主張し、参照によって本明細書に組み込まれる。

本開示は、マリンダクトプロペラジェット推進装置の代表的な実施形態に関し、より詳細には、マリンダクトプロペラジェット推進ユニットのためのインペラアセンブリ及びダクト設計の代表的な実施形態に関する。

船舶にジェット推進装置を使用することは周知の技術である。ジェット推進エネルギー消費は従来のプロペラシステムほど遥かに効率的ではないけれども、ジェット推進は簡便なプロペラに比べて、特に浅水域、操縦性の観点から、多くの利点を有する。しかしながら、ジェット推進の船舶用への広範囲の受け入れは、マリンジェット推進に伴うある特定の共通の問題が理由で起こらなかった。例えば、マリンジェット推進は、広範囲の速さ、水深、海象、ボーリング（ｂａｌｌｉｎｇ）などを引き起こす可能性のあるジェット推進ユニットインレットにおける過剰吸水にわたって不安定な性能という重要な設計問題を提起する。

キャビテーションはもう１つの共通の問題である。キャビテーションはインペラ上での不均一な圧力荷重（有効吸込ヘッド）を表す。キャビテーションは、流体の過剰な半径方向加速度、過剰スワール及び流体柱の乱流、ならびにインペラ作用によって発生される真空に伴う流体スループットの意図しない部分的気化を引き起こす圧力変化によって発生され得る。

米国特許第５，１２３，８６７号明細書 米国特許第６，０２７，３８３号明細書

したがって、各特徴が相乗的に共に機能して高出力においてでも一定の水柱を供給する及びキャビテーション及び圧力変化効果を排除するためにウォータスループットが乱流でもなく渦流でもない船舶用ジェット推進ユニットを設計することが望ましいであろう。更に、このユニットは上記のボーリング及びキャビテーション効果を生じさせずに船舶の速さ範囲全体及びその原動機のユニットにかかる可変する負荷に対処するための最大の柔軟性を有するべきである。

ディフューザ／コンフューザと、ステアリング制御ノズルアセンブリと、半径とを備える船舶用ジェット推進ユニット。この半径は、ディフューザ／コンフューザが推進ユニットから噴出する水流の形状を制御することができ、かつ広範囲の船速、操縦、及び海象によって提示される大きい圧力差にわたって対応する加速度を制御することができるようにディフューザ／コンフューザとステアリング制御ノズルアセンブリとの間の推移点において導入される。

本開示の上記の及び他の目的は、添付の図面及び請求項と共になされた、以下の詳細な説明を考慮すれば明らかであろう。なお図面において同様な参照符号が同様な部品を示す。

本開示の代表的な実施形態によるマリンダクトプロペラジェット推進装置の一例示である。 図１の代表的な実施形態によるマリンダクトプロペラジェット推進装置の分解図である。 図１の代表的な実施形態によるマリンダクトプロペラジェット推進装置の分解図である。 図１の代表的な実施形態によるマリンダクトプロペラジェット推進装置の分解図である。 図１の代表的な実施形態によるマリンダクトプロペラジェット推進装置用のインペラ及びディフューザの一例示である。 本開示の代表的な実施形態によるマリンダクトプロペラジェット推進装置用のインペラハブ及びディフューザハブの一例示である。 本開示の代表的な実施形態によるマリンダクトプロペラジェット推進装置用のインペラの各種図である。 本開示の代表的な実施形態によるマリンダクトプロペラジェット推進装置用のディフューザ／コンフューザの各種図である。 本開示の代表的な実施形態によるマリンダクトプロペラジェット推進装置の一例示である。 本開示の代表的な実施形態によるマリンダクトプロペラジェット推進装置用のトリムの各種図である。

図面全体にわたって、同一参照番号及び符号は、特段の記述がない限り、例示された実施形態の同様の特徴、要素、構成要素または部分を示すために用いられる。更に、主題開示がここで図面を参照して詳細に説明されるが、例示的な実施形態に関連してそのように行なわれる。変更及び改変が記載実施形態に対して主題開示の真の範囲及び趣旨から逸脱しない範囲で行なわれることが意図される。

本開示の方法及びシステムの代表的な実施形態がここで図面を参照して説明される。特許文献１及び特許文献２はまた従来のジェット推進ユニットを記載しており、これらの両方が参照によって組み込まれる。

本開示は、推進効率を実質的に向上させる推進システムを提供する。（１）ノズルを通る流体流によって提示されるような容積に基づいて通過水質量を収束させる及び（２）流量において容積的にシステムの内部機構の質量を収容することによってこの効率を得ることができ、これによってハウジングによって流れに対して与えられる収束特性を向上させる。使用時に、軸方向流れ断面積は、流れに対して規制または妨害を表す内部機構の質量の抵抗を伴わずにインレットからアウトレットまで実質的に及び規則的に減少する。また、本開示における容積ノズル設計の使用は乱流を低減させかつ水流のソリッドプラグフローまたは連続状態特性をより効率的に向上させる。

１．図１は囲まれた排気ハウジング１を有するマリンダクトプロペラジェット推進装置１００のダイアグラムを例示する。エンジン排気の熱はディフューザ及びステアリングノズルアセンブリのハウジングを加熱することができ、これは流れ制御ハウジングの内側壁部を加熱することによって結果的に粘性係数を改善することができる。これは水に熱を与えることができ、ハウジング材料の表面の抗力係数を低減させかつ流動粘度を増加させる。ノズル流出の周りに存在する排気の利点は、それが存在する水柱のために排気のポケットを提供して、連続水に当たる水柱の抗力損失を低減させ、かつ運動エネルギーまたは推力に対して水柱内のポテンシャルエネルギーの反動効果を改善することである。

図１及び４を参照して、推進システム１０は軸流、ポジティブヘッドポンプまたはタービンポンプと同様に機能し、線Ａ－Ａ～Ｂ－Ｂ間を延出するインテークセクション１００と、線Ｂ－Ｂ～Ｃ－Ｃ間を延出するインペラセクション２００と、線Ｃ－Ｃ～Ｅ－Ｅ間を延出する吐出セクション４００とを有する。大気圧によってインレット通路１０２内に誘起された水柱は、吐出セクション４００を通って付勢及び加速され船舶１２のために推力を提供する。

船舶１２は、推進システム１０のアダプタプレート１６及び吐出セクション４００を使用して推進システム１０のインテークセクション１００が底部船体１８に組み込まれ、トランソム２０によって支持され、通常のプロペラの代わりにボート１２の後部まで延出するように、後部セクション１４に設置されたダクトプロペラジェット推進システム１０を有する。推進システム１０がその推力位置：Ｆ－前進推進位置及びＲ－後進推進位置の２つにおいて模式的に示される。原動機２２はインペラ軸２４に直接取り付けられ、かつステアリングリンケージ２６は推進ユニット１０のステアリングモデュール２８に取り付けられる。

交換可能な推力軸受アセンブリ３０はまた、船舶１２が水中にいるかいないかに応じて駆動軸の端部に位置づけられた駆動カップリングを切り離しかつ固定ボルトを取り外すことによって推力軸受の位置を変えられるように対策が講じられている、次いでシャフト推力軸受アセンブリ３０の交換が可能になる。この推力軸受アセンブリ３０は軸受及びシールが常に潤滑されることを確実なものにするために自己給脂されるように設計されている。

図２及び３に示すように、インテークセクション１００はハウジング１０４内にとりわけインテーク通路１０２を画定して、これにより一端部において船体の底部表面において形成されたインテーク開口１０６と、他端部においてインペラインテーク２０３とインペラセクション２００との間を連通する。通路１１０は、当初は矩形または楕円形であったが、インペラ２０２の面への流れの収束を制御しかつ流れ特性を向上させるやり方で円形状に推移する。図２に示すように、通路１１０は２つの垂直壁部１１２と、長い傾斜壁部１１４と、曲折部１２０における円筒室１１８へ収束する短い傾斜壁部１１６と、を含むことができる。曲折部１２０に従って、通路１２２が円筒状である。通路１２２の収束壁部は乱流の無い流れを容易にするために交差場所において好適に平滑でかつ丸みを帯びている。典型的には、曲折部１２０の角度は、具体的な設計要件に応じて約３０度から約４５度まで変わるがそれらに限定されない、またインペラインテーク２０３の内部機構部品の容積質量を収容するように調節されることができる。

図２に示すように、インペラインテーク２０３は、２３００～４０００の範囲のレイノルズ数（Ｒｅ）を維持しながら、シャフト２０４と、ガイドベーン２０６と、方向性ベーン２０８と、を含むことができるが、典型的には２３００により接近している。インテーク２０３の断面積は、好ましくは、約１．５から約２．５：１まで変わる比率においてインペラ２０２へのインレット１０２における断面積に比例している、かつまたそれに応じて外部寸法を増加することによって駆動軸２０４、整流ベーン２０６及び方向性またはプリスワールベーン２０８の質量の流れにおいて容積挿入を含むように調節されることができる。

上部及び下部インテーク、１１０及び２０３の内部流れ特性は、インテーク入口からインペラ面までのインテーク推移の形状を断面的に調節することによってインテークグリル２１０、シャフト２０４、ガイドベーン２０６及び方向性またはアンチ・プレスワールベーン２０８を収容することができ、インテーク２０３を通ってインペラ２０２への収束流れが制約を受けないことを確実なものにする。そのようにしないことは、流れ規制を生成することができ、これはインペラ２０２への流れに圧力変化を誘起することができ（図４により詳細に示される）、これは流れ、圧力変化及びキャビテーションにおける曝気を誘起することができる。

インペラ羽根幅の２０％に等しい最小長さの直管セクション２１１が、インペラ２０２の前方のインレットハウジング１０４のインテーク壁部に沿って位置しており、そのパラメータ以内に内部機構部品の容積質量を収容するように調節され、そこでは１つ以上の整流ベーン２０８を用いた流れがインペラ２０２の面へ連続状態で流れるように誘起される。他の方向性ベーン２０６はインレットハウジング１０４の側面に沿って半径方向に間隔が置かれ、これにより等しい水容積が整流ベーン２０８を介してインペラ２０２の周辺部へ誘導され得る。ベーン２０８は流体の最適化された流れ効率が得られるようにインペラ２０２にかかる半径方向荷重を最小限にする、その結果、流体がインペラ２０２の面へ連続状態で提示される。ベーン２０８はまたインペラ２０２へのインレット水柱におけるいかなる予備的な予旋回または乱流を減衰するように作用する。インテーク２０３からインペラ面までのインテーク推移の形状に対する断面調節によってインテーク２０３の内部流れ特性が整流ベーン及び方向性ベーン２０６、２０８の容積的侵入を収容し、インテークを通ってインペラ２０２への流れが容積的に抑制されないかまたは規制されることを確実なものにすることが重要である。そのようにしないことが、流れ規制を生成することがあり、これはインペラ２０２への流れの圧力変化を誘起することあり、これは圧力変化ならびに流れとキャビテーションにおける曝気を誘起することがある。

通路１０２内に、インテークグリル２１０が船体開口に隣接して配設される。このグリル２１０の質量は流入流に対する規制を引き起こさないようにインテーク通路１０２において容積的に押しのけられることになる。これが行なわれなければ流れはグリル２１０のインテーク側に低い圧力低下を受けることになり、乱流または低減圧力の曝気液体をインペラ２０２の面へ提示させる。これによりキャビテーションがインペラの面からその翼幅に沿って誘起されることになる。グリル２１０は典型的には船体１８の長さ方向に配設されたあるスパンの平行バーであり、インテークハウジング１０４の後部の下方及び後部まで角度をつけてある。グリル２１０のバーは流入ストリームの方向に流線または水中翼断面を有しており水流に対して最小抵抗を生成する。グリル２１０のバー間の間隔は、好ましくは、インペラ２０２に入り込んでくる最大物体がディフューザベーンを通過するようにディフューザベーン間の間隔を超えるべきではない。

船体船底勾配の相違に対応するようにインテークシステム１００のインダクションプレートを設計によって調節することができ、これによって、インペラ２０２への連続状態流れ入力速度を最大化するための適正な角度及び流れの割合においてインテーク１１０内への連続状態の水の平滑な進入を確保することができる。この部品はまた、インテークの後方にバックアップ圧力を生成することによってインペラ２０２前方の圧力上昇がその設計されたニーズを超えない或いは船体の下に抗力を誘起しないことを保証することによって、インテーク圧力解放バイパス弁と共に機能する。この解放圧力は３～６ｐｓｉの範囲にあることが試験によって決定されてきた。

可変にサイズが設定されるインテークセクション２０３は、推進システム１０の設置がいかなる船種にもそれの船体形状、大きさまたは船底勾配もしくは速さに関係なく適応できるように異なるサイズで提供されることができ、かつカップリングまたはボルトアセンブリ手段によって上部インテークセクション２０５に接続されることになる。インレットセクション２００は、船舶の前進運動及び引き続いての水の表面からの上昇が、船体の計画の場合に、インテークセクション２００を船体の水位より若干下に位置づけ可能にするように船体の後部セクションに設置される。しかしながら、停船または低速における適切な操作のために、ユニット１０は、インペラ２０２の断面積の少なくとも約６０～８０パーセントが没水するように設置されるべきである。インテークセクション２０３は、例えば、船体へフランジ手段によってボルト付けされる。

汚損がハウジング１０４内部に発生する場合には、通路２１２への迅速なアクセスを可能にするようにアームホールダクト２１６が提供される。ダクト２１６は曲折部１２０に位置し、かつ外側フランジ２２２及びプラグ２２４付きの円筒状ハウジング２２０を備える。プラグ２２４は、ダクトハウジング２２０を完全に満たすフランジカバー２２８に固着されたソリッドセクション２２６を備えている。セクション２２６は、ダクト２１６が設置されるときに曲折部１２０において上部インテークハウジング１０４から取り外された表面セクションに整合する平滑な輪郭表面を備えている。ダクト２１６は、所定位置に適切にプラグされるとき、なんら流れの乱れをもたらさない。フランジ２２２は、プラグ２２６が設置時に適切に整列されるように、フランジ２２２のボルト穴内に挿入される直立ねじ切ボルト２３０を備えている。カバー２２８に取り付けられたハンドル２３２は追加の整合表示を付けている。センサーは、原動機２２が運転中であるときプラグ２２４を取り外す試みがある場合、エンジン停止モードを起動するためにフランジ２２２とダクト２１６との間に位置づけされることができる。

バイパス弁アセンブリ（図示せず）はまた、図１及び２に示されるインレット２０３付近のハウジング１０４に装着されることができる。船舶１２の船体とインダクションインレット１０６との間の水圧が３～６ｐｓｉを超えるハンドリング容量を超えた場合、過剰水がバイパス弁アセンブリ（図示せず）を通って放出される。口語的にボーリング（ｂａｌｌｉｎｇ）として知られている、過剰水上昇は、マリンジェット推進ユニットにおいて共通して発生する。船舶が急激な操縦を受けつつあるとき及び／または荒天海象中に高速船速において発生する、過剰なボーリングは船舶１２の船体上に抗力特性を発生させ、かつユニット１０の推進効率に影響を及ぼす。弁アセンブリ（図示せず）は圧力を逃がすボーリング防止装置として機能する。この圧力が３～６ｐｓｉを超えてはならないことが知られている。インテーク圧力解放バイパス弁２３２は、インペラ２０２の前方での過剰な圧力上昇が排気熱交換器２０７内にインペラの周りで解放されることを許容することによってインダクションプレートと共に機能することができる。圧力バイパス弁圧力解放弁（図示せず）は、ユニット性能を改善するように海象または船舶の負荷に従って必要とされると考えられる所望の圧力解放に設定されることができる。これはハウジング１０４の側部に取り付けられた、インペラ２０２の前方の運転圧力を中継する圧力センサーによって自動的に制御され、よって弁がプログラム可能なコントローラ（図示せず）によって調節されることができる。圧力解放能力を有しないことは、インペラ２０２の前方で及びインテークでの圧力上昇の付随事象につながることができ、インテーク入口において抗力効果を生じさせ、また更にはホスト船舶の特性に影響を及ぼす。バイパス弁（図示せず）から放出される流れは推進システム排気ハウジング２０７内へ流出する。

線Ｂ－Ｂから線Ｃ－Ｃまで、図１及び３に見られる、本発明のインペラセクション２００は単段インペラ２０２を組み込むように示される。インペラアセンブリ２００は、２つのより小さいセクションから構成される取り外し可能ハウジング２３６と、インペラハウジング２５１と、インペラ２０２及びディフューザ／コンフューザ２４２を有するディフューザ／コンフューザハウジング２４２と、を備える。インペラハウジング２５１はインレットポート３４４及び吐出ポート３４６において概ね一様な直径を有する円筒状である。ディフューザハウジング２４２は、内側表面がインペラセクション２００に隣接する最大直径から吐出セクション４００に隣接する最小直径まで内向きにテーパーを付けた円筒状である。インペラハウジング２４０の収束内側表面は、好ましくは、羽根２５０及びハブ２５２であるインペラ２０２の内部機構部品の容積質量を収容するように調節された約０．５から０．７５：１まで変わる比率でインペラセクションインテーク断面積に比例したアウトレット断面積を有する。この好ましい比率は、羽根及びハブであるインペラの内部機構部品の容積質量を収容するように調節された、約０．６０～約０．７０：１であり、そしてディフューザ／コンフューザハウジング２４０の押しのけ容積がインペラセクション２００の押しのけ容積未満となるように、最適には約０．６４：１である。ディフューザセクションの押しのけ容積は、羽根及びハブであるインペラの内部機構部品の容積質量を収容するように調節された、約７５から約９０パーセントまでであり、インペラセクションの押しのけ容積の中の羽根及びハブであるインペラの内部機構部品の容積質量を収容するように調節された好ましくは約８０から約９０パーセントまでであり、そして羽根及びハブであるインペラの内部機構部品の容積質量を収容するように調節された最適には約８５パーセントである。更に、インペラハウジングにおいて軸方向インペラ／ディフューザ／コンフューザハブ組み合わせによって提供される環状流路は、乱流境界渦を防止するための平滑で実質的に連続した内側表面及び外側表面を有する。インペラセクション２００の重要な設計基準は、インペラハウジング２５１及びディフューザハウジング２４０の断面積が接合点において同じでなければならないことである。

特にインペラセクション２００の個別の部品に関して、インペラアセンブリ２０２は、ハブ部２５２及びインペラ羽根２５０の両方の形状について多くの試験及び改造を先に受けた独特な設計を有する。交換可能な羽根アセンブリインペラは、損傷したか、もしくは異なる用途のためにインペラ２０２のピッチを変更する場合にインペラ２０２上の個別のインペラ羽根２５０を容易に交換することを可能にする。インペラ２０２の不可欠の局面は、先行技術インペラ設計において典型的であるような平坦セクションではなく、インペラ羽根２５０が取り外し可能なハブ部２５２の外向きにテーパーを付けた凸状表面に沿って固定されていることである。

組付けられたインペラハブ２５２は、好ましくは、外向きにテーパーを付けた凸状表面、及び環状内部を有する、より好ましくは、ハブ２５２は軸方向断面で見たときに凹状部と凸状部を含む外側表面ならびに環状内部を有する。組付けたハブ２５２は、狭い直径先端部を有する外側表面と、増加可変直径中間部と、大直径後端部と、を有する。シャフト２０４の遠位端部は、同心軸方向ボア２６６を通ってハブ２５２の長さにわたって延長する。先端部は、流体流のための平滑な、連続表面を提示させるためにシャフト２０４上の肩部２６４に当接する環状端面を有する。組付けられたハブ２５２の環状壁部は、係合可能な表面羽根セクションリテーナを提供するボア２６６から外向きに延びる遠位環状端部を除いて及びロックシース（係止鞘）を除いて実質的に一定の厚さのものである。

インペラ２０２は、羽根が通過流体にさらされることを最大化し、かつインペラ２０２により加えられる半径方向加速度成分を低減するように設計された傾斜においてハブ２５２の輪郭表面に沿って取り付けられた羽根２５０を有する。羽根２５０は、凸状外側半径２７２と、凹状内側半径２７４と、短い後縁と、長い前縁と、中間点、及び厚さを有する広い表面側部を有する。

インペラ羽根２５０の傾斜は、前縁における及び後縁における組付けられたハブ２５２の外側表面に正接の線に関して垂直から決定されるような平均傾斜または羽根５０の長さにおける捩れの程度として定義される。内側半径２７４または外側半径２７２のいずれかに沿って見たときまたは前翼もしくは後翼縁部のいずれかを見下ろしたとき、前縁と後縁両方の平均傾斜角度は、好ましくは、垂直から約２０～４０度の範囲にある、より好ましくは、垂直から約３０度であり、ハブ２５２表面輪郭に追従するために羽根２５０によって要求されるように一方の縁部が他方の縁部と反対側に傾斜している。前縁がインペラ２０２の前進の方向内に捻られている。前縁が狭い直径を有するハブ２５２の先端部に対応し、かつ後縁がハブ２５２の後端部に対応すること、ならびにインペラ直径が実質的に一定になるように羽根２５０の中間部分半径方向幅がハブ２５２の中間部分の半径の関数であることが理解されるであろう。羽根２５０の全長は組付けられたハブ２５２の長さに角度成分を加えたものに等しい。

半径方向に羽根２５０の厚さ２８４は、先に定義されたように実質的に一様ではなく、改善された設計の結果としてロープロファイルフォイル設計になっている。前縁は実質的に一様なテーパリングを有し、いずれかの縁部からおよそ等距離にある中間点において最大厚さを有する。前縁進入角度はインペラ２０２の回転速度と関連付けられた１３度と１５度との間である必要がある。

図７は組付けられたハブ２５２に沿って延出する５枚羽根の典型的ファンを示す。羽根の数、インペラ直径及び傾斜の程度は原動機２２によって供給される電力及び手元の船舶の要求される設計考慮に関連して最適化され得る。

インペラハウジング２５１の内部流れ特性は、インペラハウジング２５１の形状及びインペラハブ２５２の寸法調節することによって断面によってインペラ羽根２５０及びハブ２５２の押しのけ容積を収容することができる。これによって、インテーク２０３からインペラ２０２を通ってディフューザ／コンフューザ２４２までの流れの推移が規制なしであることが可能となり、かつステアリングノズル４００への適正な流量速度が維持される。そのようにしないことがシステムを通る流れ特性の変化を生じさせることがあり、その結果としてインペラ羽根の前縁においてキャビテーションを発生させ、あるいはディフューザ／コンフューザへの及びステアリングノズルアセンブリ４００内への流れの圧力変化を誘起させ、これが乱流または流れチョーク及び結果得られる背圧を誘起させることがあり、効率を低減させかつ結局油圧制動効果を生じさせる。

継続平行部をアセンブリインペラハブ２５２の端部に及び羽根２５０の既存ピッチの継続を表す羽根の幅に追加することによって要求ピッチ長さを越える翼幅の延長部によってインペラの羽根２５０の加速された流れに及ぼすピッチ効果を向上させることができる。インペラ羽根２５０の設計ピッチは、要求流出速度効率及びインペラ２０２を駆動する電源から利用できる電力の組み合わされた解釈とすることができる。この電源は電気、ガソリン、ディーゼル、ガスまたは代替燃料駆動の如何にかかわらず、いずれの駆動形式でもよい。付加翼幅の効果は交換可能なディフューザ羽根構成要素とともに機能することができ、その結果として、インペラ羽根２５０の背面の回転流出流れ速度を、ディフューザ２４２を通ってステアリングノズルアセンブリ４００上への線形、層流形式の流れへの移行効率を向上させる。従来のプロペラを船舶のニーズに整合させる能力と同様に、直径対ピッチ比を調節することによって、付加翼幅の延長部の調節が駆動に対するインペラ出力の性能及び効率を向上させる能力をもたらす。インペラハウジング２５１の内部流れ特性は、インペラハウジング直径を調節するによってまたは流量におけるインペラハブ押しのけ容積の調節によって断面によってインペラ羽根２５０及び付加ピッチ延長部の押しのけ容積を収容することができる。これによって、インテークからインペラ２０２を通ってディフューザ２４２までの流れの推移が規制なしとすることが可能となり、かつディフューザ／コンフューザ２４２を通ってステアリングノズル４００上への適正な流量及び速度を維持することが可能になる。そのようにしないことが、システムを介した流れ特性の変化を生み出すことができ、結果として不一致に見合った推進効率の低下を招き、結局のところ、急激な速さで、システム故障に至る。

インペラハウジング２５１の摩耗及び破断を停止するために耐久プラスチック取り外し可能及び交換可能なインペラ摩耗スリーブ２６０を提供することができる。羽根先端部と取り外し可能及び交換可能なインペラ摩耗スリーブ内部壁部との間の隙間寸法が極めて重要であり、かつタッチコンタクトを上回ってもいけないし、下回ってもいけない。

ディフューザ／コンフューザハウジング２４２の内部流れ特性は、ディフューザ／コンフューザハウジング２４２の形状を調節するによって断面によってディフューザ２４２及びハブ２４３の羽根の押しのけ容積を収容することができる。これによって、インペラ羽根２５０の背面を離れてディフューザ２４２を通ってノズルアセンブリ４００の上部ノズルまでの流れの推移を規制なしとすることが可能となり、かつ上部ステアリングノズル４０１への適正な流量及び速度を維持することが可能となる。そのようにしないことがシステムを介しての流れ特性の変化を生み出すことがあり、結果的に乱流または流れチョークとともに結果として得られる背圧が生じることになる。これによって、インペラ羽根２５０の前縁においてキャビテーションを招くことがあり、これはディフューザへの及びステアリングノズルアセンブリ４０１上への流れの急激な圧力変化を誘起することがあり、結果的に効率低下及び結局のところシステム故障を招く。

交換可能なディフューザ／コンフューザ羽根構成要素２４５は、ディフューザ２４２に対する前縁羽根の変更を許容し、損傷した場合に取り換え、あるいはインペラ２０２の後縁速度のニーズを満たすように調節される必要がある場合にもしくはインペラ羽根２５０のピッチの変更を必要とする場合にディフューザベーン２４４ａの前縁のピッチを変更する。

ディフューザ羽根２４４の前縁からそれらの直線後縁セクションまでの半径は、インペラ羽根２５０からの流れの乱流の推移の低減化を確実にするために以前の設計における半径よりも大きな半径とすることがあり、これによって回転流れから線形／層流形式の流れへの変化が乱流の余り攻撃的でない低減を可能にすることがある。ディフューザ／コンフューザベーン２４４の進入角は、インペラ２０２後縁の後縁の流れの速度に対応する必要がある。各羽根の前縁半径はディフューザ／コンフューザ羽根長さのおよそ中間まで延出することがある。半径の変化及び結果として生じる羽根形状の変化を、以前に達成可能であったものよりも、続いて起こる流れ特性に及ぼすより厳密な収束流れ効果において、ディフューザ／コンフューザハウジングの内部流れ特性、ならびに／またはディフューザベーン２４４を支持するハブの容積流れ特性に組み込めることができる。

ディフューザ／コンフューザ２４２に対する出口半径２４６を、増加するように調節することができ。ディフューザ／コンフューザ出口からステアリングノズルアセンブリ４００までの鋭角の推移は、ディフューザ／コンフューザ２４２からステアリング制御ノズルアセンブリ４００までの流れ推移として流れの乱れの誘因を引き起こし得る。この急激かつ突然の角度変化は、特許文献１及び特許文献２に示すように、流れを規制しかつ背圧を生成させるディフューザ出口においてより高い流れ速度において流れの乱れを誘起させ、これはインペラ羽根２５０の背面から離れた流れに対する抵抗を引き起こすことによってインペラ２０２の効率に影響を及ぼし得る。この半径を増加させることは、電力を受けているインペラ２０２によって流れに加えられた一定の速度の加速に比例した流れの加速の低減及び設計によって提供された収束流れ特性に備える。乱流を生じさせ、ひいては背圧を誘起する、性質上の乱流にならずに、流れが急激な流れ加速度を介して制御される必要がある。ディフューザ／コンフューザ２４２からステアリング制御ノズルアセンブリ４０１までの推移点における半径を導入することによって、乱流の減少が急激に減少したこと及びディフューザ／コンフューザ２４２とステアリング制御ノズルアセンブリ４００との接触点において提供された半径の半径方向長さの増加に釣り合って減少したことが判明した。

ディフューザ／コンフューザ２４２は、インペラ２０２に直ぐ隣接して配設され、かつインペラ２０２と共に機能する幾つかの重要な性能機能を達成するように設計されている：（１）インペラ２０２により付与される半径方向加速成分を減衰させる、（２）インペラ領域断面全体を横切るウォータスループットの経路を拡散させる、（３）低い人工的な背圧をインペラ２０２上に提供するによってインペラ作用に伴う真空に起因する通過流体の部分的気化を防止する、及び（４）インペラ２０２の最大反応を可能としてかつ原動機２２による利用可能エネルギーをポテンシャルエネルギーにより効率的に転換することを許容する。存在するいかなる程度の蒸気がインペラ２０２上に不均一な負荷及びキャビテーションを導入するであろう。これらの性能機能が、ディフューザ／コンフューザ２４２の内部機構部品の容積質量を収容するように調節されるディフューザ／コンフューザ２４２の容積流れ特性によって改善される。

ディフューザ／コンフューザハブ２４３は、好ましくは、内向きにテーパーを付けた凸状表面及び環状内部を有し、ハブインペラ２５２に関して反対側に配設される。ハブ２４３は、平坦大径先端部、減少可変直径中間部及び小径後端部を備え、その中心を通って穴あけされた同心ボアキャビティ２４６及び中央環状端部延長部を有する丸みを帯びたノーズを形成する。同心外側環状キャビティ２４６は、ハブ２５２ｂに実質的に一定の厚さの壁を提供する過剰重量の軽減を主たる目的としている。同心内側環状ボア２４６は、インペラ２０２を支持するインペラ軸２０４のための支持軸受のために円筒状ハウジングを画定する。ボア２４６は、設計強度基準によって要求されるようにハブ２４３のノーズセクション内に低減された直径を有する。

ディフューザ／コンフューザ羽根設計は、ディフューザハブ２５２ｂの表面輪郭に伴うベーン２４４に組み込まれた重要な変更を除いて、典型的には標準直線ベーン設計に基づいている。このベーン２４４は、ディフューザ２４２が一定の直径を有するように、ハブ２４３の直径の関数である半径方向幅を有する。各ベーン２４４の厚さはエアフォイル形状であってよく、もしくは典型的には、設計微調整が要求するようにとがっていなくてもとがっていてもどちらでもよい縁側部を除いて全体にわたって一様な厚さを有してよい。ベーン２４４はインペラ２０２の方向性前進と反対側の方向に湾曲している交換可能なセクション２４５の交換可能な前縁ポート及び典型的にはハブ表面に対して垂直である直線セクションを有するが、やはり接合点においてハブ２４３を二分する直交平面から離れて及び性能微調整に応じてインペラ２０２の方向性前進とは反対側に最大で約１０度の角度で傾斜してよい。取り外し可能なディフューザ／コンフューザ羽根セクションの湾曲端部は典型的には交換可能な羽根セクションのハブ２４３を二分しかつ直線部を組み込んでいる長手方向平面から離れて約１０～約４０度の角度で傾斜している。ベーン２４４はハブ２４３の輪郭表面に対して一端部及びハウジングの内壁に対して他端部で長さ方向にしっかりと固着されていて、かつハブ２４３の軸受機能のために巻き締め支持（ｇｉｒｄｉｎｇ ｓｕｐｐｏｒｔ）を提供している。ディフューザ／コンフューザベーン２４４の数は、ディフューザ／コンフューザセクションの性能基準が、例えば背圧を提供する及び半径方向加速の減衰が達成されるならびに共振及びノイズレベルが最小限に抑えられるといった関係において、インペラ羽根２５０の数に対して選択される。重要な設計特徴において、インペラ羽根対ディフューザ／コンフューザベーン比は奇数：偶数またはその逆である。例えば、３、５、または７枚のインペラ羽根が与えられれば、ディフューザベーンの対応する枚数は、好ましくは、６、８、または１０枚となるであろう。

全体的に、ディフューザ／コンフューザ２４２は広範囲の船速、操縦、及び海象によって提示される大きな圧力差にわたっての水流の形状及び対応する加速度を制御するように設計される。

インペラアセンブリ２００は円筒状インペラハウジング２５１内で軸方向に対称に配設されていて、ディフューザ／コンフューザ装置２４２が近接してインペラ装置２０２の後方に取り付けられている。回転可能なハブ２５２上の後端部の外側表面は、固定ハブ２４３上の先端部の外側表面と実質的に連続している。インペラアセンブリ２００は、このアセンブリを簡単かつ迅速にさせるように、かつ原動機２２及び船舶設計要件に従ったインペラ２０２と整合ディフューザ２４２のはめ合わせを可能にするように配置されている。インペラハウジング２５１は、インペラ直径の低減に対応してハウジングの直径を低減可能にする交換可能なスリーブを有してよい。そこで、より小さい直径のインペラ配置をより小さいボートに使用することができる。しかしながら、馬力または船の大きさに関して限界がない、また推進システム１０はより大型船のためにもしくはより高速のためにそれに釣り合って拡大された容量を有してよい。

推進システム１０を通って軸方向に延出するインペラ軸２０４は、インレットハウジング２０３上に取り付けられた交換可能な軸受アセンブリ３０によって第１の軸受支持体及び固定ハブ２４３において第２の軸受支持体２４７を備えている。軸受アセンブリ３０はハウジング、ころ軸受及びロッキングリングを含む。軸受アセンブリ３０はまた、特定の原動機要件に従ってユニットギアリングのためのギアハウジング（図示せず）を含んでよい。

シャフト２０４は、肩部及び漸進的に小さくなる同心直径部を有する同心遠位セクションを備えている。インペラ２０２は、流体流のために平滑な連続表面を提示するためにハブ２５２上の前縁の環状端部が肩部に当接するようにシャフト２０４のセクションへ滑り込む。ハブボア２６６から外向きに延出する遠位環状端部の最小直径より大きな直径を有する近位環状端部を有する環状係止スリーブは、シャフト２０４上の肩部に対してインペラ２０２をしっかりと保持する環状端部と係合する。ワッシャ及び止めナットはスリーブをそのように固着する。シャフト２０４の遠位セクションは、標準キー（図示せず）とキーウエイの組み合わせがシャフト２０４上のインペラ２０２と同期的に係合するように止めナットのためにねじ切りされる。

軸受スリーブはハブハウジング２５２の中心環状部内に挿入される。組付けは、ハブ２５２と２４３との間の隙間が約１／８インチとなるように、軸受を介してスリーブを有するシャフト部を挿入することによって完成される。固定式ハブ２４３のノーズ端部におけるボア２６６は、軸受の外部の周りでの水洗のための出口を提供する。軸受は、舶用用途に使われる軸受に特有である、自己潤滑、自己冷却、自己水洗となっている。

大型船のための代替の軸受用途は、方向性ベーン内に軸受をセットすること及び方向性支持体に位置づけられた軸受ハウジングを越えて延出するシャフトのカウンターレバーセクション上にインペラを位置づけることである。

シャフトはまた、支持構造を形成するインペラの前方に方向性ベーンによって支持されたインテーク流れに対して最小抵抗を提供するためにフォイル形状のシャフトハウジング内に収納されることができる。インテークの流れ特性にデザインインするハウジングの質量は、インペラの面に対して流れを予旋回させるシャフトの回転速度の効果を停止させるに伴ってインテーク流れに対して裸のシャフトよりも少ない抵抗を提供することができる。

インペラセクションケーシングをインテークハウジング１０４に接合し、かつ上部ノズルハウジング４０１を吐出ハウジングノズル４０２に接合するための手段は、それぞれのセクションに固着された結合フランジ同士の上に取り付くクランプ内のボルトによって締め付けられている同一リングクランプまたはボルトフランジを備えている。クランプは、典型的にはヒンジにおいて取り付けられた２つの半円形溝付きピースを備えている。追加の接合手段は、インペラハウジング２５１とフランジ及びディフューザケーシングを利用するディフューザハウジング２４２との間のような整合フランジコネクタと、フランジを利用する吐出ケーシングとを備えている。好ましくは、ゴムシール、ガスケットまたはＯ－リングが中間に利用される。推進システム１０の設計はハウジングを有するステアリング手段２８がポンプハウジングセクションの中央上部に位置するようになっている。ハウジングのセクションはまたフランジによって接合されている。

線Ｃ－－Ｃから線Ｅ－－Ｅまで延長するアウトレットまたは吐出セクション４００は３つの円筒セクションを備え、かつ２つの基本的機能を発揮する：流体加速及び制御手段を提供するために流出流を揺動可能に誘導するための手段。吐出セクション４００は吐出点が船舶１２の船体底部と水平に位置合わせされているために好ましくは６０度の余角を組み込む。

線Ｃ－Ｃから中間まで延出する第１セクションは傾斜円筒状ハウジング２９１である。ハウジング４００は３６０度まで水平方向に揺動可能である揺動可能部２９３を備えている。揺動可能な第２セクション２９３及び傾斜セクションは軸受アセンブリによって接合される。軸受アセンブリは、ハウジング２９１の外部表面に取り付けられた内側レースと、セクションの外部表面に取り付けられた外側レースと、両レース間の軸受リングと、を備えている。

ステアリング装置２８は船舶内のステアリングカラムを本発明のジェット推進ユニットの回転可能セクションに連結する。ステアリングリンケージはスリーブ軸受を有するステアリングロッドならびに第１及び第２ユニバーサルジョイントを備えている。ハウジング２９１の内部を通って角度を付けて延出するステアリングロッドの上部に取り付けられている第２ユニバーサルジョイントは、スポークベーンによって回転セクションと関連をもって動作する。アングルスポークベーンは流れに対して妨げにならないように設計及び設置されている。

第３吐出セクション４００は、先述したセクションにクランプされかつ線Ｅ－－Ｅまで延出する余角傾斜ハウジングである。ハウジング２９１は下部ノズル４０２を含み、かつノズルの性能誘導選択を可能にするように交換可能に設計されている。吐出セクション４００内のステアリングアセンブリ２９１の断面積は、好ましくは、約０．２５～約０．５０：１の比率でインペラインレット断面積に比例している。ステアリング軸、スポークベーン及び流量中の流れ制御ベーンの内部機構の容積質量を収容するために、好ましくは、約０．３０～約０．４０：１、最適には約０．３５：１の比率でステアリングアセンブリ２９１の進入直径を調節することによって、吐出ノズルの内部表面は平滑であり、かつアウトレット断面積まで絞られる。

下部ノズル４０２は１つ以上の整流ベーンを含み、好ましくは、セクションの内側表面に垂直に固着される。整流ベーンは、スワールを減衰し、かつ定常層流水柱スループット（ｓｔｅａｄｙ ｌａｍｉｎａｒ ｃｏｌｕｍｎ ｏｆ ｗａｔｅｒ ｔｈｒｏｕｇｈｐｕｔ）がユニット１０から排出可能にするように設計される。加えて、ノズル４０２はノズルの外側縁部に取り付けられたリングを備えている。リングは、リングの縁部周囲の渦によってノズル４０１を通って排出されている水の推進反応を人工的に向上させ流出水のより平滑な推移を許容する。

上部ステアリングノズル４０１の内部流れ特性は、上部ノズル４０１の形状を調節することによって断面によってステアリング軸５０１の押しのけ容積を収容することができる。これによって、ディフューザベーン２４４の背面から離れてノズルアセンブリの上部ノズル４０１を通って下部ノズル４０２までの流れの推移が規制なしであることを可能となり、かつステアリングノズルまでの適正な流量及び速度を維持することが可能となる。そのようにしないことは、システムを通っての流れ特性の変化を生じさせることがあり、結果的に、得られる背圧を伴う乱流を招く。これはステアリングノズルへの流れの急激な圧力変化を誘起させ、結果的にディフューザ２４２の効率に影響を及ぼす乱流及び背圧の生成を招き、これは総合システム効率を低減させることになり、かつ最終的なシステム故障を誘起させる。発見によって上部ノズル４０１の半径の増加は、流れ抵抗及びディフューザ／コンフューザの変更された出口半径との作用を低減させ、上部ノズル４０１を通って流れの効率を改善する。効率の増加は上部ノズル４０１のエルボウ形状の半径方向の長さ及び半径方向長さの増加で得られた改善された内部流れ速度に直接に関連している。

ステアリングノズルステアリング軸受アセンブリ２９１の内部流れ特性は、ステアリング軸受アセンブリの形状を調節することによって断面によってステアリング軸５０１及びスパイダーアームの押しのけ容積を収容することができる。これによって、ノズルアセンブリの上部ノズル４０１から軸受アセンブリを通って下部ノズル４０２までの流れの推移が規制なしとすることが可能となり、かつステアリングノズルへの適正な流量及び速度を維持することが可能となる。そのようにしないことが、システムを通っての流れ特性の変化を生じさせることがあり、結果として得られた背圧を伴った乱流をもたらす。これによって、ステアリングノズルへの流れの急激な圧力変化が誘起されることがあり、結果的に乱流及び背圧の生成ならびに効率低下をもたらす。

下部ステアリングノズル４０２の内部流れ特性は、下部ノズルの形状を調節することによって断面によってガイドベーンの押しのけ容積を収容することができる。これによって、軸受アセンブリから下部ノズル出口点までの流れの推移を規制なしとすることが可能となり、かつステアリングノズルの適正な流量及び速度を維持することが可能となる。そのようにしないことがシステムを通っての流れ特性の変化を生じさせることがあり、結果的に効率低下をもたらす。

下部ステアリングノズル４０２ガイドベーン４０３は、ノズルの外部壁と同じ半径を組み込むために半径の長さの上に持ち上げられることができる。これはノズルの半径を通って流れの流出推移を案内するためにより平滑な推移を提供することができ、かつ効率を介して流れを改良するノズルの半径の変わりにおいて乱流の生成を低減させる。ノズルの内部流れ特性は、ノズルを通る流れが抑制されていないことを確実にするためにノズルの形状に対する断面調節によってガイドベーンのいかなるものも収容することができる。上部ノズル４０１と同様に、下部ステアリングノズル４０２の半径を増加することは流れ抵抗を低減することになり、かつ下部ノズルを通る流れの効率を改良することになる。効率の増加は下部ノズル４０２のエルボウ形状の半径方向長さ及び内部流れ速度に直接に関連している。下部ステアリングノズル４０２の交換可能性は、異なる半径長さのノズルを使用することによって既存流出の高さを調節することを可能にする。これは結果として流出出口点を上昇または降下させ、下部ステアリングノズルの半径方向長さの変化に対して推力点及びそれが船舶に及ぼす効果を変化させる。

下部ノズル４０２内のジャンプアップステアリングベーン４０５は低い角度の船底勾配を有する船舶の追跡及びより良い制御において支援することができる。ジャンプアップステアリングベーン４０５は、動物または鉱物を問わず水中のいかなる障害物に遭遇した場合にステアリングノズル内に引っ込めることになる。下部ステアリングノズルハウジング直径は、寸法によって流量内のジャンプアップステアリングベーン３０５の内部機構の容積質量を収納する。

吐出ハウジング４００はまた、ユニット１０内に導入された捕捉空気が逃げられかつユニット１０が自吸できるようにディフューザハブ２４３の端部とおよそ同一直線上に穴あけしたエア抜き穴を含む。エア抜き穴からの流れは大気へまたは排気ハウジング５００内へ出ることができる。

吐出セクション４００の制御機能は、ステアリング装置２８によって提供されるようなノズル推力の誘導によって組み込まれている。方向性ヘッディングは位置Ｆ、Ｒ及び中間の半径方向位置におけるノズルの動作と関連付けられる。

ゴム製プロテクタ７０１を有する後進バンパー７００は、後部からまたは船舶が後進しているときもしくは曳航のためのアンカーとしてラミングによる損傷からステアリングノズルアセンブリ４０９を保護するように設計されることがある。

図９及び１０に見られる、油圧ボールポイント構成要素６０１、６０２及び６０３を組み込んだ油圧トリム６００は、駆動の流れ効率に不当に影響を及ぼすことなく航行中に船舶のアップまたはダウントリミングを許容することができる。利用可能なトリム６００はノズル流出の位置決めにおいて約２０度のアップまたはダウン変化を可能にする。油圧トリム６００の内部流れ特性は平行とすることができ、かつトリム装置の入口及び出口流れ速度は可能な限り等しくすることができる。トリム６００を、排気シュラウド付きまたは無しで含めることができる。

本発明のマリンジェット推進ユニット１０は、好ましくは、腐食特性に対するそれの強度及び耐性のために選択されたステンレス鋼から製造及び組立がなされるが、しかしながら、錆びにくいエンジニアリングアルミニウム、または優れた粘着性、衝撃・構造強度を有するプラスチックはまた推進ユニット１０の１つ以上の部品に適しているであろう。

マリンジェット推進システム１０の性能が、各個別のセクションの機能の相乗的な相互関係に依存していることが理解されるであろう。各個別のセクションは、ジェット推進ユニット１０が効率的に機能することを可能にするのに必要とされ要求圧力及び流れバランスに考慮を払って釣り合ってかつ対称的に製作及び組立がなされなければならない。

ジェット推進ユニット１０の電力要件についての性能の予測可能性は、インペラ羽根、関連ディフューザベーン及びノズルの設計基準を守っている特定の原動機に、ユニットが微調整されることを可能にする。

本発明についての以上の記載は、それを例示し、かつ説明するものである。採用される材料、装置、及び特定の部品の様々な変更が当業者に想到するであろう。添付の請求項の範囲及び精神の範囲内のすべてのこのような変形が、それによって包含されることが意図される。

Claims (13)

1. 船舶用の装置であって、
   ディフューザ／コンフューザと、
   ステアリング制御ノズルアセンブリと、
   増加半径であって、前記半径が前記ディフューザ／コンフューザとステアリング制御ノズルアセンブリとの間の推移点において導入される、増加半径と、を備え、前記ディフューザ／コンフューザが広範囲の船速、操縦、及び海象により提示される大きな圧力差にわたって水流の形状及び対応する加速度を制御するように設計される、装置。
2. ハブであって、
   前記ハブが大きい平坦な直径先端部と、減少可変直径中間部と、小径後端部であって、その中央を穴あけされた同心ボアを有する丸みを帯びたノーズを形成する小径後端部と、中央環状端部延長部と、を含むハブを更に備える、請求項１に記載の装置。
3. 前記ディフューザ／コンフューザが、前記ハブに対して反対側に配設される、内向きにテーパーを付けた凸状表面及び環状内部を含む、請求項２に記載の装置。
4. 同心外側環状キャビティであって、
   前記ハブに実質的に一定の厚さの壁を提供する過剰重量の軽減を主たる目的とする、同心外側環状キャビティを更に備える、請求項３に記載の装置。
5. 同心内側環状ボアを更に備える、
   請求項４に記載の装置。
6. ディフューザ／コンフューザ羽根と、
   ディフューザ／コンフューザベーンであって、
   前記ディフューザ／コンフューザが一定の直径を有するように前記ベーンが前記ハブの直径の関数である半径方向幅を有するディフューザ／コンフューザベーンと、を更に備える、請求項２に記載の装置。
7. 各羽根の厚さがエアフォイル形状であってよく、かつとがっていないまたはとがっているのいずれでもよい縁側部を除いて全体にわたって一様な厚さを有してよい、請求項６に記載の装置。
8. 前記ベーンが、インペラの方向性前進とは反対の方向に湾曲している前縁及び典型的にはハブ表面に対して垂直である直線セクションを含む、請求項７に記載の装置。
9. 前記ベーンの湾曲端部が、前記ハブを二分しかつ前記直線セクションを組み込む長手方向平面から離れて約１０～約４０度の角度で傾斜している、請求項８に記載の装置。
10. 前記ベーンが、前記組付けられたハブの輪郭表面に一端部で長さ方向にしっかりと取り付けられている、請求項９に記載の装置。
11. インペラであって、
    前記ディフューザ／コンフューザに直ぐ隣接して配設されているインペラと、
    インペラ羽根であって、前記ハブの外向きにテーパーを付けた凸状表面に沿って固定される、インペラ羽根と、を更に備える、請求項１０に記載の装置。
12. ディフューザ／コンフューザベーンの数が、インペラ羽根の数に対して選択される、請求項１１に記載の装置。
13. インペラ羽根対ディフューザ／コンフューザベーンの比率は奇数、偶数またはその逆である、請求項１２に記載の装置。

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