DRIVE FOR FAST SHIPS

Skibsdrev med en motor, fortrinsvis en elektromotor, i en gondol neden under skibet og mindst en af denne motor drevet propeller uden for den ene gondolende kan med okonomisk fordel fortrinsvis anvendes til sejlhastigheder fra 20 knob; de betegnes generelt som PoD-drev. I hastighedsomradet over 20 knob kan der dog med propellerdrev kun opnas en virkningsgrad, der ikke er optimal. Hyppigt anvendte skibsdrev med mindst en vandstrale, som dannes af det vand, der omgiver skibet, i skibet tilsaettes energi og som energirig vand¬ strale forlader skibet for at drive dette, kan anvendes effektivt i hastigheds- omrader over 35 knob. Et skibsdrev med en gondol, som er anbragt uden for skroget af et far- toj, der skal drives, og som er forbundet med fart0jets skrog og optager en elektromotor, som tjener til driften af propellere, der er anbragt uden for gon- drev, som indbefatter et dyselignende hus uden for skibsskroget, i hvilket der drejer en motordrevet propeller, foran og bag ved hvilken der inden i huset er anbragt en af svingbare foreskovle bestaende foreindretning, hvor strom- ningskanalen i huset foran propelleren indsnaevres hen mod denne for at accelerere tilstramningen til propelleren, og stromningskanalen udvider sig bag ved propelleren for at neddrosle udstremningen fra propelleren hen mod Str0mningskanaludl0bet. Formalet med den foreliggende opgave er at anvise et skibsdrev, som kan anvendes fordelagtigt isaer i hastighedsomradet fra ca. 25 til ca. 30 knob. Drevet ifolge den foreliggende opfindelse er kendetegnet ved kravene. Drevet ifolge opfindelsen kan betegnes som opstemningskappedrivvaerk. Ved denne drevform if0lge opfindelsen er anbragt en med kappe omgivet strom- ningsmaskine med mindst en aksialt eller diagonalt gennemstrommet rotor anbragt uden for skibet og pa egnet made fast forbundet med skibet. Den udmaerker sig ved en kompakt konstruktion og en h0j virkningsgrad ved h0je- re hastigheder. Strcmningsmaskinens konstruktion egner sig isaer ogsa til omdannelsen som styrebart drev. Det drejer sig om en aksial- eller diagonalpumpe bestaende af lobehjul (ogsa naevnt impeller) og forehjul. Denne pumpe er indkapslet af et som dyse udformet hus. Problemet ved h0je hastigheder og lave dykkedybder er den ekstreme kavitationsfare ved h0jt belastede propellere. Ved drivvaerket ifolge DK/EP 1315653 T3 opfindelsen opstemmes der i dyseindlobet stromning, trykniveauet 0ges i praksis ekstremt for sa vidt muiigt at hindre, at damptrykket falder. Det betyder, at stromningen pa fordelagtig vis pa grund af indkapsltn- gens (hvaelvingens) udformning og/eller tvaarsnitsfordelingen forsirkes hen mod lobehjulet. Der kan vaere tale om en indlobsdiffusor. Det tilsluttende forehjul omdirigerer de tangentiale hastighedsandele af lobehjulsstralen (af- drejning). I det videre dyseforl0b accelereres stromningen til udlobshastig- heden, som bl.a. bestemmer h0jden af systemets anvendelseshastighed. Til systemets dimensionering bestemmes lobehjulsstorrelsen af de kraevede ydelsesdata og kaviationsbetingelserne. Ved ens fremdrift skal et mindre l0behjul have et st0rre omdrejningsta!, som dog er begrsenset af det givne till0bstryk. Derved angives ogsa den minimale diameter af l0behjulet. Lobehjulets diameter bestemmer drivvaerkets hoveddimensioner, og disse er ud over formen bestemmende for den modstand hos drevet, med hvilken fremdriftskraften formindskes. Det nodvendige navforhold (det er forholdet mellem lobehjulets diame¬ ter og navets diameter) pa mindst 0,5 forer til, at der i navet kan anvendes en elektromotor. Denne b0r her have en stor effekttaethed, hvilket isaer kan realiseres ved hjaelp af en permanent magnetiseret synkronmotor i longitudi- nal-stromningskonstruktion. Den tabsvarme, der opstar i motoren, kan direk- te via navoverfladen afgives til vandet, hvor en konstruktion med indskrumpet motor er meget fordelagtig. Detf der er saerligt problematisk, er karakteristikken under hensynta- gen til folgende kriterier. Smalt omrade med optima! virkningsgrad, kraftigt fald af virkningsgra- den uden for driftspunktet; Igangsaetning er ved store enheder ikke mulig i praksis, fordi det n0d- vendige opstemningstryk og/eller fremdriften mangier. Ved konventio- nelle waterjets loses problemet ved, at de egentlige drev suppleres med mindre drev til brug for igangsastningen. Ved anvendelser med variabelt k0reregime, sasom forskellige ladnings- tilstande og/eller forskellige sejlhastigheder, opstar der ved propelleren andre DK/EP 1315653 T3 tilstromningsvinkler ved bladet og forskydninger i frikorselsdiagrammet, og som regel til mindre gunstige virkningsgrader, Ved pumpen ferer dette til for¬ skydninger af arbejdspunktet. Den sakaldte drosselkurve er pumpens karak- teristik. Med tiltagende volumenstrom (gennemlobsmsengde) falder det speci- fikke studsarbejde (transporthejden). Med tiltagende sejlhastighed stiger modstanden af det skib, der skal drives. Udlobshastigheden skal ligeledes sti- ge. Forskydningen af pumpearbejdspunktet modvirker dermed behovet. Det, der er vigtigt ved betragtningen af problemet, er omdannelsen af det samlede specifikke studsarbejde i fremdrivningstraekket. Sejlhastigheden leverer derved en yderligere trykh0jde, som superpositioneres i takt med pumpens transporthojde. Ved hjaelp af en passende udformning af indlobet (indsugningsomradet) skal der udnyttes en sa hoj andel af denne "hastig- hedstrykhojde" som muligt. For via det samlede hastigheds- og belastningsomrade af et skib at op- na en optimal virkningsgrad er det n0dvendigt at tilpasse pumpens karakteri- stik, idet udlobstvaersnittet til enhver tid tilpasses til de forskellige trykhpjder, der er afhaengige af hastigheden. Indlgbets udformning ved konventionelle vandstraledrev (integreret i skroget) ferer til problemer med hensyn til omdirigeringerne og tilstedevasrel- sen af en drivaksel i sugekanalen. Afl0sninger og kavitation er de f0lger, som isaer ved igangseetning og acceleration f0rer til vibrationer, st0j og fald i frem- driften. Det er ssedvanligt at afspasrre vigtige omrader af karakteristikken ved igangsaetningen. Ved drevet if0lge opfindelsen er der realiseret en i vid udstraekning fri tilstromning, fordi drevet uden for skibsskroget kan fungere uden dele, som forstyrrer str0mningen. De konventionelle waterjets indsuger ud fra graenselaget. Drevet ifslge opfindelsen kan i princippet positioneres lavere for at kunne forarbejde en h0- jere hastighedsh0jde. Flere konstruktionsdele og st0rre overflader betyder dog ogsa en st0rre modstand, hvilket isaer slar igennem ved h0jere hastighe- der. Ved hjaslp af indstillelige skovle hos l0behjulet og/eller forehjulet samt en for-drejningsindretning med indstillelige skovle kan systemets karakteristik aendres. En for-drejningsindretning giver kun mening, hvis der samtidig tilve- jebringes en indstillelig dyseudl0bsflade. DK/EP 1315653 T3 Ved hjaelp af flertrins-systemer med modkorende lobehjul bliver det specifikke studsarbejde og dermed belastningen opdelt pa fie re trin. Dermed 0ges kaviationssikkerheden, fordi det enkelte trin er mindre belastet. Rest- drejningen nedbringes naermest fuldstaendigt allerede i det andet trin pa grund af modhab. Der er i dette tilfselde ikke behov for det tabsbehaeftede forehjul. Der tilbydes forskellrge koncepter til at integrere elektromotoren. Den kan vaere udformet siledes, at den udvendige del af elektromotoren her ud- gor den omlobende rotor, som er forbundet med et l0behjul. Den indvendige del af elektromotoren star fast (elektromotorens stator) og er den akse, som rotoren er lejret pa (rulningsleje, glideleje). Denne akse kan foran og efter rotoren forbindes med dysen (dyseinderkappen) via stromningsgunstigt for- mede stragbere. Her er det isasr fordelagtigt at udforme disse straebere som fDreindretninger (for-forehjul og fDrehjul) for at minimere stromningstab. Elektromotoren kan dog vaere integreret siledes, at dens udvendige del er stationaer (stator, som saedvanlig) og den indvendige del (rotor) drejer sig. Statoren forbindes igen med drevet via straebere, som pa fordelagtig vis ud- g0r forehjulet. Lobehjulet er forbundet med rotoren og kan straekke sig ud over statoren, saledes at motoren kan bygges laengere. Lejringen kan vaere udformet saledes, at den befinder sig fuldstaendig bag ved eller foran lobehju- let (flyvende lejring), eller at labehjulet er lejret foran og bag ved lobehjulet (gaffellejring). Den elektriske energi, signalerne og kolemedierne kan tilfores til vin- gerne (hule) af et forehjul. Forevingernes indstillingsindretning kan vaere af en sadan art, at fore- vingen er udformet i flere dele med stationeere dele og en eller flere bevaege- lige dele. Kraftoverforslen (fremdrift, vridningsmoment) ville da forega via de stationaere dele og ikke belaste lejringen af de dele, der skal indstilles. Da dyseyderkappen med henblik pa minimering af modstanden b0r ud- formes med si lille diameter som muligt, kan forevingernes indstillingsindret¬ ning laegges ned i navet, hvor der er tilstraekkeligt med plads. Indstillingen kan forega hydraulisk, pneumatisk eller elektrisk via handtag. Tilforslen af den npdvendige energi kan forega inde i forevingen. Indstillingen af dysen kan pa fordelagtig vis loses pa den made, at der ud fra navkonturen indstilles et profillegeme aksialt i sin position saledes, at DK/EP 1315653 T3 dyseudlobstvaersnittet aendrer sig. En teleskopbeklasdning forhindrer derved en afl0sning eller hvirvel i str0nnningen. En styring ved afledning af fremdriften ved en plade i dyseudl0bet er simpel, men er ved sma relativhastigheder ikke saerlig virkningsfuld. Sving- ningen af dyseudlobet er naermest ensbetydende med opretningen af den samlede fremdrift. Svingningen af det samlede drev er den bedste losning for lave hastigheder. For at holde kursen ved hojere hastigheder er en indskraen- ket svingbarhed af det samlede drev, kombineret med ekstra flapper (som er fastgjort pa drevet og pa grund af deres svingbarhed giver mulighed for en styring ved sma vinkler uden at svinge drevet), ensidigt kontrolleret str0m- ningsnedbrydning (indf0rsel af luft eller elektromagnetisk energi) eller en simpel dyseklap, en l0sning. Til reducering af den yderligere modstand fra selve drevet skal der forega en formoptimering. Endvidere er indforslen af luft til reducering af overfladegnidningen ved yderkappen en mulighed. Sammenfattende kan siges, at skibsdrevet if0lge opfindelsen bestar af en uden for skroget anbragt drevenhed, som dannes af en gondol med inte- greret elektromotor, som direkte driver et eller flere efter hinanden koblede l0behjul (pumpel0behjul) i samme eller modk0rende drejningsretning, hvor der efter, foran eller imellem l0behjulet eller Ipbehjulene er anbragt et f0re- hjul, samt lobehjul og forehjul er indkapslet af et hus, hvis tveersnit fra indl0- bet indtil planet for det f0rste l0behjul konstant udvider sig og efterfolgende aendres til et indstilleligt tvaersnit, som sammen med et indstilleligt for-f0re- hjul i indsugningsdelen giver mulighed for en dynamisk karakteristik, som giver mulighed for en tilpasning til de mest forskellige driftsbetingelser. De vassentlige fordele ved opfindelsen er - hejere virkningsgrad end sasdvanlige propulsorer, effekttaethed, da det stromningsgeometrisk n0dvendige store nav giver mulighed for en motor med stort drejningsmoment, - lavere trykimpulser end et propellersystem, da impulsgeneratoren er indkapslet af dysen, kompakt konstruktion, lavere diameter, mulighed for indskraenket styring og fuldstyring, dynamisk karakteristik giver mulighed for tilpasning til forskellige driftsbetingelser. DK/EP 1315653 T3 I det f0lgende vil et udfcrelseseksempel pa opfindelsen blive beskrevet ved hjaelp af tegningen. Pa tegningen viser fig. 1 et vandstriledrev ifelge op¬ findelsen vist som langsgiende midtersnit. Fig. 2 er et udsnit fra fig. 1 i storre gengivelse, og fig. 3 er forklaringen af en i forhold til fig. 1 anden udforelses- form. Det samlede drev er anbragt i et hus 1, til hvis indl0b, som er kende- tegnet ved en foreindretning 2, der slutter sig et afsnit 3, hvis tvaersnit kon- stant udvider sig hen mod lobehjulet 4, som eventuelt er det f0rste af flere Ipbehjul. Op til dette afsnit 3 af huset 1 slutter der sig et afsnit 5, hvis tvaer- snit kan aendres, men i princippet bliver mindre hen mod udl0bet 6. Mellem afsnittene 3 og 5 er en fastgerelsesflange 7 fast tilknyttet huset 1, med hvil- ken det samlede drev skal fastgores udvendigt pa skibsskroget 100. Eventuelt kan fastgorelsen pa skibsskroget vaere af en sadan art, at det samlede drev er svingbart omkring den vertikale laengdeakse 8 af fastgorelsesflangen 7 med op til 360°, saledes at det ikke kun kan tjene til fremdriften, men ogsa til ski- bets styring (bestemmelse af sejlretningen). Laengdeaksen 8 af flangen 7 er indrettet vinkelret pa laengdeaksen 9 af dysen 1. Det eventuelt eneste lobe- hjul 4 er anbragt drejeligt i huset 1 omkring huset I's dyselasngdeakse 9. Drevet af Ipbehjulet 4 foregar med en elektromotor, hvis stator 11 ligger ind- vendigt, og hvis rotor 12 ligger udvendigt. Foran og bag ved henholdsvis 10- behjulet 4 og motoren 11, 12 er rotoren 12 lejret drejeligt i lejer 13, 14 om¬ kring sin leengdeakse 9. Foran lobehjulet 4 er foreindretningen 2 indkoblet, som kan indstilles ved hjaelp af en indstillingsindretning 15. Foran f0reindret- ningen 2 er den stremningsgunstigt udformede navkappe 16 anbragt. Et med en indstillingsindretning 17 indstilleligt andet foreapparat 18 er indkoblet efter lobehjulet 4. I omradet af huset 1 pa udstromningssiden er der anbragt en indstillingsindretning 19 til aendring af den som udstr0mningsdyse udformede del af huset 1 med hensyn til dets tvaersnit, og den inkluderer fortrinsvis en stempel-cylinder-indretning. Hvis motoren som vist er udformet saledes, at den udvendige del er ro¬ toren 12 og den indvendige del er statoren 11, indvirker rotoren 11 pa det mindst ene lobehjul 4, og statoren 12 er med str0mningsgunstigt udformede straebere fastgjort pa huset 1 foran og bag ved lobehjulene. F0reindretningen 2 bestir af to efter hinanden folgende dele 2a, 2b, hvoraf den forreste del 2a er fast anbragt mellem hus 1 og bestaende kappe DK/EP 1315653 T3 16. Denne forreste del 2a af foreindretningen 2 er et fcregitter med stationae- re skovle, som er indstillet saledes, at der opnas en grovtilpasning af den mod drevet strommende stromning over hele driftsomradet. Den tjener til stabili- sering af huset 1 i tilstremningsomradet 3. Efter det faste f0regitter 2a folger som anden del f0reindretningen 2b, med omkring sine laengdeakser 21 sving- bare indstillingsskovle. Med den anden del 2b af foreindretningen 2 folger den driftstilstandsbetingede fintilpasning af den mod drevet strommende strom- ning. Indstillingsskovlene 10 er med deres taplignende skovlfsdder 20 f0rt svingbare omkring deres laengdeakser 21 igennem navkappen 16 og er til- knyttet indstillingsindretningen 15, som kan vasre af en i sig selv kendt art. /Endringen af tvasrsnittet af den endedel 5 af huset 1, hvilken endedel er udformet som en udlobsdyse, der indsnaevrer sig, og som slutter sig til den husindlobsdel 3 af huset 1, der udvider sig, foregar med en i retning af laeng- deaksen 9 af drevet translatorisk indstillelig, symmetrisk med aksen 9 udfor- met kegle 25 med konvekst hvaelvet omkredsflade. Det st0rre tvaersnit af denne konstruktionsdel, som kan betegnes som "udstrcmningskappe", vender mod den pa indlobssiden tilstedevaerende ende af stromningskanalen 26, mens keglespidsen vender mod den pa udlobssiden tilstedevaerende ende af stromningskanalen 26 og udl0bsplanet 6. Til den aksiale indstilling af ud- stremningskappen 25 tjener indstillingsindretningen 19, hvoraf en af sine vaesentlige dele er en symmetrisk med aksen 9 i huset 1 med egnede midler fastholdt cylinder 23, ud af hvis ende, der vender mod husudl0bet, et i cylin- deren 23 ved hjaelp af hydraulisk trykmiddel translatorisk indstilleligt indstil- lingsstempel 24 er udf0rt som en anden af de vaesentlige dele af indstillings- indretningen, og hvis frie ende er fast forbundet med udstr0mningskappen 25. For at minimere hvirveldannelsen i stramningskanalen 20 i omradet ved indstillingsindretningen 19 er der tilvejebragt en symmetrisk med indstillings- stemplet 24 hhv. med drevlaengdeaksen 9 anbragt teleskopbeklaedning 28, hvis ene ende er tilknyttet den i huset 1 fast anbragte indstillingscylinder 23, og hvis anden ende er fast tilknyttet den over for huset 1 indstillelige ud- stromningskappe 25. Pa tegningen er udstr0mningskappen 25 vist i sine to slutstillinger. I den nedre del af fig. 1 er udstr0mningskappen vist i sin ydre endestilling, i hvilken den med sin indre ende med den st0rste diameter befinder sig i dyse- og husendeplanet 6, i 0vrigt i det vaesentlige uden for huset 1, saledes at det DK/EP 1315653 T3 mindste ringformede udlobstvaersnit af stromningskanalen 26 er fastlagt. I den 0vre del af fig. 1 er udstromningskappen 25 vist i sin indre slutstilling, i hvilken den med sin ydre spidse ende befinder sig i dyse- og husendeplanet 6 og i det vaesentlige inde i huset, saledes at det storste ringformede ud- lobstvaersnit af strpmningskanalen 26 er fastlagt. Ved fornuftig indstilling af indl0bsf0rekransdelen 2b og udstremnings- kappen 25 kan der serges for, at der i hver driftstilstand kan sikres optimale stromningsforhold for det i drevets stremningskanal 26 gennemstrommende vand, isaer under hensyntagen til omdrejningstallet af l0behjulet 4. Sadan som udformningen af indstillingsindretningen 15 og indlobsind- retningen 2 er et eksempel pi fastlaeggelsen af indl0bsdysetvaersnittet, er og- sa udformningen af indstillingsindretningen 19 med den indstillelige kegle blot et eksempel pa fastlaeggelsen af udlobsdysetvaersnittet, hvilket fagman- den pa det pageeldende omrade let kan se. I stedet for den stive udlobs- dyseyderdel og den i forhold til denne indstillelige udstr0mningskappe kan der eksempelvis vaere lagret dysedele drejeligt pa huset 1, hvilke overlapper hin- anden tilstraekkeligt, mest til foragelse af dysetvasrsnittet, mindre dog altid tii sikring af foringen af fluidstremningen; fig. 3 viser en af flere dyseklapper 25a, som er forbundet til huset 1 i led 29, og som i forhold til disse kan svin- ges i retning mod dobbeltpilen 30. Et eksempel pa indstillingsindretningen for den anden del 2b af indl0bs- indretningen 2 fremgar af fig. 2. Man ser den f0rste foreskovlkrans 2a med sine faste f0reskovle, igennem hvis hule skovle der er fort ledninger 31 til til- f0rsel af hydraulisk arbejdsmiddel til tilledninger 32 og videre til den symme- trisk med drevlasngdeaksen 9 anbragte indstillingscylinder 33 til indstilling af det i indstillingscylinderen 33 anbragte indstillingsstempel 34. Indstillings- stemplet 34 modvirker virkningen af en forspaendt viklefjeder 35 pa en tand- stang 36, som igen med et tandhjul 37 indvirker pa den taplignende fod 20 af de pagaeldende indstillingsskovle af skovlkransen 2b, hvis skovle skal indstil- les og svinges omkring deres laengdeakser 21. I de som figurer viste skovle af skovlkransene 2a, 2b er disses eksempelvise tvaersnit indtegnet. Ved deres 0vre ender er foreskovlene 10 af den anden, indstillelige foreskovlkrans 2b lejret i huset 1 med tapper 2c (svingbevaegelse i henhold til dobbeltpil 101). Stromningskanalen 26 har fortrinsvis et i det mindste i det vaesentlige cirkelringformet tvaersnit, selvom dens ovalform ikke skal udelukkes. Isaer kan DK/EP 1315653 T3 indlobet til undgielse af indsugningen af fremmedlegemer udformes fladefor- met eller ovalt ved dannelse af en indsugningshvirvel ved i 0vrigt cirkelring- formet stromningskanal 26. DK/EP 1315653 T3