技术领域

本发明涉及一种立式水力喷射推进装置，该发明的结构能够降低转动一 个壳体所需要的旋转力。

                           背景技术

立式水力喷射推进装置设有与船底平齐的一个进水口和一个排水口。未 突出船底的装置能够方便地应用于浅水作业的特殊船只，例如一条浮动的起 重船，由于其吃水深度较浅不能保证足够的螺旋浆浸没在水中，也不能装用 普通的隧道式推进器。日本未审定公开专利申请号为6-278692，6-286693 7- 52882，8-58689等文件披露了这种立式水力喷射推进装置的已有技术。这种 立式水力喷射推进装置允许外壳主体包括一个可以在任何方向上在360°范 围内旋转的出水口，因此，可以在任意选定的方向上产生推进力，从而提高 船只的操纵性。

图6是上述日本未审定公开专利申请号为7-52882的文件所公开的立式 水力喷射推进装置的剖面图。图7是从扩散器的一点看去的平面图。

如图所示，从壳体52的底部52a的中心部分的进水口53吸入的排出水 流，流向推进器51的上游，与由推进器51的旋转产生的旋转水流相汇合。 推进器51下游的扩散器54通过叶片55来改变旋转水流的方向，并通过叶 片55的作用改变旋转水流的方向，以在叶片的出口处沿径向流出。由于旋 转水流的存在，如果排出的水流进入壳体52上的压力室，旋转能量使得排 出的水流与壳体52的表面之间的摩擦损失，结果导致大量的能量损失。至 于扩散器54的作用，由于它被设计成水流通路的截面逐步增大，使得水流 的动能逐渐转变成压力能，从而使推力增大。设置有叶片55的扩散器54是 立式水力喷射推进装置必不可少的一个组成部分。

根据上述的传统的立式水力喷射推进装置，扩散器54与壳体一体或被 整体安装在壳体52上。正因为这样，该装置的结构设计成壳体52和扩散器 54两者都由操纵电动机56驱动转动。

如图7所示，扩散器54的叶片55由于水流的反作用力F，产生沿箭头 方向的旋转力(旋转力矩)Y。这个旋转力大到能够使壳体52在任何方向上转 动360°，并显著地影响到操纵电动机的容量的确定。也就是说，如果壳体 52通过操纵电动机56进行转动，而扩散器54的转动方向为其所受的旋转力 (转矩)Y的方向，该方向如图7中的箭头所示，于是壳体52自转，操纵电动 机56则以较小的功率转动(反过来说，它需要通过操纵电动机使其停止转动)。 另一方面，如果扩散器54沿相反的方向旋转，所要求的力要能够克服下述 两个力之和，一是摩擦阻力和由壳体的全部惯性力所产生的力矩；二是由水 流产生的转动力矩，其远大于前两个力。操纵电动机的容量是由功率所决定 的。功率消耗是一个很重要的因素，尤其是对由较低发电能力的驳船来说。 从初始投资及运营成本考虑，功率消耗越低越好。操纵电动机需要安装在有 限的空间内，因此电机的容量也要求降低到较小值，电机的尺寸也要尽可能 小。在前面提到的先有技术中，壳体52装有一个推进器轴封57，如图6所 示。如果壳体52的旋转方向与推进器51的转动方向相反，轴封接触部分的 相对圆周速度等于其转动速度与推进器转动速度之和。正因为这样，对轴封 的要求变得十分苛刻，而轴封的使用寿命也相应缩短了。

根据前面提到的日本未审定专利申请公开No.7-52882的文件，在壳体 52的底部有三个排水口，靠近进水口一侧的中间排水口的端面呈与进水口同 心的圆弧状。每一个排水口的内部没有安装本申请将要描述的导向叶片。很 明显上述先有技术中没有考虑排出的水流在水平方向的有效流动。结果，一 部分水流明显地从壳体52底部的正下方流走。同时，转动壳体总成需要的 扭矩包括克服排出水流的动能的转动力，这个动能是由壳体总成等的惯性力 造成的。如果从置于中间排水口两侧的侧排水口流出的流量及方向不平衡， 导致转动力对扭矩产生巨大的影响，这个力的大小成为影响转动扭矩的决定 性因素。为避免发生这样的转动力矩，文献7-52882指出要限定排水口的尺 寸和位置。实际上，平衡必须确定，从而在特定方向上很可能产生不希望的 转动力矩。由于转动力矩的增大，操纵电动机的容量也提高了。在上述情况 下，将产生较大的水压或者说较大的功率消耗。

                           发明内容

因此，本发明的目的是提供一种立式水力喷射推进装置，该发明的结构 能够降低转动一个壳体所需要的旋转力。

本发明的立式水力喷射推进装置的一种实施方式中，立式水力喷射推进 装置包括一个壳体，该壳体能够被一个操纵电动机转动，通过推进器的旋转， 从壳体的底部向上推动水，使水流通过一个扩散器向一个位于壳体上的压力 室充水并通过壳体底部的一个排水口向外排水，其中一个由船壳侧支撑的并 有一个插入其中的推进器轴的内环设置在壳体的上部，以通过一个转旋轴承 支撑壳体，并且扩散器被整体地安装在内环上或与内环形成一体。

在这种情况下，内环构成了一个由船壳侧支撑的固定部分，扩散器与壳 体分开，形成一个独立的部件。由改变水流方向而在扩散器上产生的转动力 矩并不作用在壳体上。此外，即使壳体转动，扩散器也是保持静止的。因此， 壳体自身转动所要求的电机的功率就降低了。

这样，如果将与一个齿轮箱相联，且向下延伸的圆形柱内环的下端安装 在壳体内，而扩散器又整体地安装在内环的下端，就可以得到一种较为简单 的结构。

进一步，在扩散器或内环的固定部分与旋转的推进器轴之间可安装一个 推进器的轴封，以便将海水或润滑室隔开。这样，便可以避免海水和润滑油 在海水与润滑室之间的相互进入和渗漏。

此外，如果在扩散器或内环的固定部分与转动的壳体之间安装一个转动 密封，隔开海水腔与润滑室，便可以避免海水和润滑油在海水与润滑室之间 的相互进入和渗漏。

另外，在扩散器和装入扩散器内的内环之间的接触面可以设计成锥面， 使得扩散器与内环之间由于水流作用在扩散器上的反作用力的旋转作用而 相互产生推力。这样形成一个自锁系统，扩散器可以用较小和较少的螺栓进 行固定。

本发明的另外一种立式水力喷射推进装置包括一个可以在水平面内转 动的壳体；一个设置在壳体底部中央的进水口；一个设置在该进水口上方的 推进器；一个与进水口相连通的扩散器；一个与扩散器相连通的压力室；以 及与压力室相连通并设置在壳体底部的排水口，其中排水口处装有排水导向 叶片，该叶片倾斜了一个角度，以使从排水口喷出的水流的方向尽可能与壳 体的底部平行。

结果，实现从排水口喷出的水流不是向正下方而是尽可能沿水平方向， 从而可以提高推力产生的效率。

在此情况下，排水导向叶片可设置成倾斜一个角度，使排水口喷出的水 流以与进水口相反的方向排出。这样就可以避免从排水口喷出的水流很快地 被吸入进水口，从而提高产生推力的效率。此外，在进水口上可以设置进水 导向叶片，该进水导向叶片以一个角度倾斜，使吸入的水流的方向与从排水 口喷出的水流的方向相反。这样，可以避免吸入排水口喷出的水流，从而提 高推力产生的效率。

此外，排水口可以这样地设置，即，一个对称于通过进水口中心的直径 线的中心排水口和/或对称地设置在该直径线两侧的侧排水口，以及将中间排 水口的进水口一侧的端面设置成与直径线的方向垂直。这样，侧排水导向叶 片的倾斜角度便可以进行改变和调节。如此，可以使得左右的推进力的大小 不同，产生一个力矩来补偿由推进器的旋转产生的旋转水流引起的转动力 矩。结果，转动壳体需要的操纵电动机的功率便可以降低。

再有，如果中间排水口的导向叶片的倾斜角度能够改变和调节的话，推 进器的负荷也就可以调节了。也就是说，如果排水口的面积加大，其负荷就 会降低。如果面积减小，负荷就会增大。通过准确调节倾斜角度的方法可以 以相对于推进器恒定的转速方便地匹配调整原动机。

                          附图说明

图1是本发明的水力喷射推进装置WJ的剖面示意图；

图2A和2B分别表示一种结构的实例的重要部件的示意图和透视图， 该结构可以利用扩散器的旋转力产生的叶片的反作用力来提高扩散器固定 在内环上的安装性；

图3是立式水力喷射推进装置的剖面简图；

图4是表示立式水力喷射推进装置壳体底部的视图；

图5A是带固定的导向叶片的排水口部分的剖面图；图5B是可调式排 水导向叶片的简图；

图6是传统的立式水力喷射推进装置的剖面图；

图7是在扩散器处所看到的传统的立式水力喷射推进装置的平面图。

                         具体实施方式

下面将参照附图对本发明的优选实施例进行描述。

图1是本发明的水力喷射推进装置WJ的剖面示意图。

水力喷射推进装置WJ安装在船壳1上。水力喷射推进装置包括：一个 平台4，其上装有立式齿轮箱3，在立式齿轮箱3的中央部分装有动力传送 机构2；一个在平台4的中央部分的下方延伸的内环5；一个垂直地插入内 环5中的推进器轴7，轴的下端装有推进器6；一个位于推进器6的下游并 被固定在内环5上的扩散器8；和一个壳体10，该壳体由内环5及其它部件 支撑着，并可由操纵电动机9驱动进行转动。

平台4位于船壳1的开口1c上，并安装在船壳1内的基础板1a上。一 根由原动机伸出的驱动轴11(图中未表示出)插入并支撑在垂直地布置在平台 4的中央部分的齿轮箱3中。一个伞齿轮2a装在齿轮箱3的顶部。齿轮2b 与伞齿轮2a相啮合构成动力传动装置2。推进器轴7垂直地插入齿轮2b下 方的圆柱形内环5内，并由上、下轴承7a支撑。

内环5与齿轮箱3相连并接触，并以圆柱形态向其下方伸出。与推进器 轴7滑动地接触的一个扩散器8和一个推进器轴封12安装在法兰部分5a上， 法兰部分5a由多个螺栓8b固定在内环5的下端。内环5安装在平台4上， 而平台4固定在船壳1上，共同组成一个固定的部分。扩散器8固定在内环 5上，同样形成一个不转动的固定部分。

如上所述，海水腔12a和润滑室12b被彼此隔开，由于在扩散器8或内 环5的固定部分和旋转的推进器轴7之间安装的推进器轴轴封12，从而避免 了海水腔12a和润滑室12b之间的海水与润滑油的相互进入和渗漏。

同时，圆柱形壳体10安装在船壳的开口部分1C上，并在其中央装有一 个与内环5同心的外环13。外环13通过一个旋转轴承14由内环5支撑并与 之接合。外环13与扩散器8相分离，可以相对于扩散器8独立地转动。特 别是，固定部分的扩散器8及转动部件的壳体10仅通过一个转动密封件15 滑动接触及接合，但彼此之间是分开的或者说彼此独立的。

同样地，海水腔12a和润滑室12b被彼此隔开，由于在扩散器8或内环 5的固定部分和壳体10之间安装的转动轴封15，从而避免了海水腔12a和 润滑室12b之间的海水与润滑油的相互进入和渗漏。在壳体10与平台4之 间安装的密封4a同样将海水腔12a与润滑室12b彼此隔开。

在壳体10上的外环13上装有一个啮合齿轮13a。啮合齿轮13a与一个 齿轮9b相啮合，齿轮9b安装在操纵电动机9的轴9a上，而操纵电动机9 安装在平台4上，这样，壳体10可以由该操纵电动机驱动，独立地进行转 动。

壳体10的中央底部10a设有一个进水口16，壳体10的内壁10b垂直地 环绕着推进器6。上述的扩散器8被安置在内壁10b的上端，但二者是分开 的。扩散器8中设有一个水流通道，水流由推进器6推出、流动，并由径向 叶片8a导引。按照上面的描述，从推进器6流出的水流变成旋转的水流后作 用在叶片8a上。然而，由于扩散器8固定在船壳上且与壳体10分开，反作 用力所产生的旋转力矩作用到船壳上，并未对壳体10的转动产生影响。操 纵电动机9只需要很小的力量就足以使壳体10本身转动。

从扩散器8流出的水流进入与扩散器8相连的壳体10上的压力室17， 压力室17的水从具有装在壳体底部10a上的导向叶片18a的排水口18排出， 从而产生推动力。通过转动壳体10，排水口18的位置可以在360°范围内 自由变化。

图2A和图2B表示了一种结构的实例，该结构可以利用扩散器的旋转 力产生的叶片的反作用力来提高扩散器固定在内环上的安装性。

特别是，设计了一个锥面19a，用来由水流作用在扩散器8上的反作用 力引起的转动力Y使在环形件8c和法兰5a之间的结合面18与锥形面19处 推动一个在扩散器8中突出的环形件8c和在内环5下端的法兰5a，环形面 8c安于其上。这样，便实现了一种自锁系统，结果只需要很少和很小的连 接螺栓来固定扩散器8。

另一种优选实例将结合图3到图5来进行描述。

图3是表示立式水力喷射推进装置的剖面简图，而图4表示了壳体的底 部。立式水力喷射推进装置WJ安装在船只的底部21。推进装置的圆柱形壳 体23被同心地安装在底部21的圆形开口部分22内。壳体23通过一个平台 24被固定在船只底部21上。即，一个旋转轴承40被设置在内环34的上部 和壳体23上壁23C内底端的外环39之间滚动。壳体23能够转动，并由船 体壁作为一个整体来支撑。因此，壳体23是借助于平台24被安装在船壳上 的，确保了壳体23的转动。一个齿轮箱28设置在平台24的中部，一根输 入轴29横向插入齿轮箱28并由轴承30支撑。在输入轴29顶端设有一个伞 齿轮31。输出轴32的上部有一个伞形轮33与伞齿轮31啮合形成伞齿轮副。 输出轴32垂直向下方延伸穿过内环34上的一个孔直到齿轮箱28的下部。 在输出轴32的下部设有一个突起35，推进器36被安装在这个突起上。输出 轴32由输出轴32和内环34之间的轴承32a可转动地支撑着。

壳体23有一个圆锥形的中心壁23a，其下部分向下凹陷围住内环34的 外缘。中心壁23a的下端一直延伸到突起35的上端。壳体33底部23e的中 心部分从中心部分和推进器36的顶端之间形成狭窄的间隙出向上向外翘起， 形成一个内壁23b。内壁23b向上张开，从与锥形中心壁23a的底部相同的 位置并与之保持确定的距离而延伸出去，形成扩散器37。在扩散器37上， 即在中心壁23a和内壁23b的上部之间沿径向设有一个流动片38。

装在平台24上的操纵电动机41的轴的下端的小齿轮41a与外环39相 啮合。如果操纵电动机41驱动小齿轮41a使之按预定的方向转动，那么和与 小齿轮41a接合的外环39连为一体的壳体23，绕输出轴32的中心进行旋转。 因此，后面将要进行描述的排水口42的位置就可以在360°范围内自由变化。 此外，一个环形的突起25设置在圆柱形壳体23内的上壁23c上。从平台24 向下突出的导向环26通过一个密封件27与突起25的外圆周同心地接合。

在推进器36下方被内壁23b包围的一个圆形的开口部分形成进水口43。 进水口43相对扩散器37顺序设置，并与设在壳体23的外壁23d和内壁23b 之间的压力室44相通。排水口42(在图3中，是一个中间排水口45，将在下 面进行描述)被设置在底部的壁上，这样，从压力室44喷出的水流从排水口 42排出。在排水口42上设有多个弧形的排水口导向叶片42a，这些叶片都 具有一个倾斜角度，使得排出的水流尽可能地沿水平方向喷出或者是尽可能 沿与壳体23的底部23e平行的方向喷出。这是因为沿水平方向喷出的水流越 多，产生的推力就越有效。由于进水口43和排水口42都被设置在壳体23 的底部23e上，进水口43上的多个的吸入导向叶片43a都有一个与排水口导 向叶片42a相反的倾斜角度，这样从排水口42排出的水流不会被进水口43 很快吸入。根据上述对立式水力喷射推进装置WJ的结构的描述，水流是从 进水口43处通过旋转的推进器36吸入的，如图3中箭头所示，在推进器中 水的压力增大，并且水从扩散器被排入压力室44内。在压力室44中的水的 压力能被转化成动能，水从排水口42喷出，从而产生所期望的推力。

如图4所示，排水口42包括一个中间排水口45和围绕在其周围的侧排 水口46。中间排水口45被设计成长方形，其在进水口43的切线方向上的尺 寸大于圆形进水口43直径。优选中间排水口45的相对进水口43的侧端面 45a设计成与通过圆形进水口43的中心的直径线O相垂直。这样做的理由是 水流得到充分的利用，形成推力，而避免部分水流流向正下方造成损失。端 面可以如图示的假想线45B那样设置成与进水口43同心，这样利用水流作 推力的效率不会降低太多。侧排水口46具有同样的尺寸且相对直径线O对 称。不仅在中间排水口45处设有排水导向叶片42a，侧排水口46也同样需 要。图5示出了导向叶片42a的剖面图。安装在侧排水口46上的导向叶片 42a倾斜了一个与进水口导向叶片43a的角度相反的角度，以避免从排水口 42流出的水流很快地被进水口43吸进。

如图5B所示，安装在中间排水口45和侧排水口46上的排水导向叶片 应向可变导向叶片42b那样倾斜成可以变换的角度。也就是说，每一个可变 导向叶片的中心都被可旋转地支撑着，从驱动缸47上的连杆48延伸出的一 根工作杆49分别与导向叶片42b的上端通过连接材料50相连接。可变的导 向叶片42b可以通过操纵驱动缸47来伸或缩杆48以调节需要的倾斜角度。

如果中间排水口45的导向叶片是倾斜可变的，当输入轴连接的原动机 以一定转速正常转动时，就可以用来调整排水口与推进器相匹配。如果侧排 水口46的导向叶片是倾斜可变的，就可以用来改变左右排水口之间排出的 水流速率的平衡，从而改变流动力以补偿转动力矩的不平衡。这使得降低操 纵电动机的功率成为可能。

本申请是申请日为1999年2月10日、申请号为99102817.1、发明名称 为“立式水力喷射推进装置”的发明专利申请的分案申请。