本發(fā)明涉及一種具有大型螺旋槳的船舶，特別涉及一種具有大型螺旋槳和同軸對轉(zhuǎn)螺旋槳(CCP)的船舶。

背景技術(shù)：

船舶、特別是貨船的燃料成本是其經(jīng)濟(jì)方面的主要成本之一，因此燃料消耗是貨船設(shè)計(jì)的最重要的方面之一。目前減速的趨勢(緩慢汽蒸)意味著船體形狀的主要改進(jìn)的潛力非常小，因?yàn)榇白枇Φ慕^大部分主要取決于船舶的浸水表面積。船舶推進(jìn)系統(tǒng)中具有顯著損失(即具有節(jié)約潛力)僅有的部件是主發(fā)動(dòng)機(jī)和螺旋槳。對于不參與發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的船舶設(shè)計(jì)者，這使得螺旋槳效率成為主要的感興趣領(lǐng)域。為了使螺旋槳尾流中的動(dòng)能損失最小化，必須增加通過螺旋槳盤的質(zhì)量流量，因此必須增加螺旋槳直徑。節(jié)省潛力取決于螺旋槳負(fù)載，這意味著節(jié)省潛力隨著直徑的增加而減小。甚至考慮到目前安裝的相對較大的螺旋槳，估計(jì)潛力大于10％。

螺旋槳直徑通常受兩個(gè)因素限制，即發(fā)動(dòng)機(jī)的每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)(RPM)和船舶吃水。由于船用發(fā)動(dòng)機(jī)的最近發(fā)展已經(jīng)提供了能夠以相對較低的RPM輸送非常大的功率的發(fā)動(dòng)機(jī)，所以對螺旋槳直徑的主要約束因素是船舶吃水。貨船螺旋槳通常在船舶基線上方具有小的間隙，并且即使在壓載狀態(tài)下螺旋槳也必須完全浸沒。

對于具有一些吃水變化的貨船，可合理容納的最大螺旋槳，具有大約為設(shè)計(jì)吃水75％的直徑。通過應(yīng)用特殊的船尾主體(即，在螺旋槳上方的凹形船體部分)形狀，例如半導(dǎo)管，可以使得較大的螺旋槳被浸沒，但是造成的浸水表面的增加迄今仍導(dǎo)致與螺旋槳效率增加對應(yīng)的大小的阻力增加。已經(jīng)建成多艘這種類型的船舶，但設(shè)計(jì)尚未證明具有競爭力。然而，它仍然應(yīng)該被認(rèn)為是貨船設(shè)計(jì)中功率減少的潛在來源。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

在這個(gè)背景下，第一方面是提供一種具有提高的燃料效率的船舶。

這通過提供由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的船舶來實(shí)現(xiàn)，所述船舶包括：船體，所述船體具有在船首和船尾之間延伸的基線；發(fā)動(dòng)機(jī)，所述發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)置在船體內(nèi)部；一對同軸對轉(zhuǎn)螺旋槳，所述一對同軸對轉(zhuǎn)螺旋槳在船體的船尾處或附近串聯(lián)安裝在同心軸上并且可操作地連接至發(fā)動(dòng)機(jī)，并且所述一對同軸對轉(zhuǎn)螺旋槳包括具有第一半徑的第一螺旋槳和具有小于所述第一半徑的第二半徑的第二螺旋槳，所述同心軸的軸線距所述基線的豎直距離V至少等于所述第二半徑且小于所述第一半徑，并且所述第一螺旋槳被設(shè)置成在特定角位置保持靜止，而所述第二螺旋槳可通過發(fā)動(dòng)機(jī)而旋轉(zhuǎn)。

對于大部分作業(yè)時(shí)間在深水中的船舶，延伸到基線以下的非常大的螺旋槳提供了節(jié)約潛力，但是允許在淺水中完全吃水的問題意味著這種潛力迄今尚未得到利用。本發(fā)明允許使用非常大的兩葉片型或三葉片型螺旋槳，且當(dāng)該螺旋槳在合適的角位置保持靜止并且直徑的顯著部分在基線以下且因此在壓載條件下仍然可以完全浸沒時(shí)，軸高度足以在基線上方提供間隙。串聯(lián)安裝在同心軸上的一對同軸對轉(zhuǎn)螺旋槳，與具有相同直徑的單個(gè)螺旋槳相比具有更高的流體動(dòng)力學(xué)效率。原因是由單個(gè)螺旋槳引起的切向速度分量不會(huì)有助于推力，而來自同軸對轉(zhuǎn)螺旋槳的前面的螺旋槳的切向速度分量由第二螺旋槳消除，這使其向后偏轉(zhuǎn)，從而有助于向前的推力。第二(即最靠近船尾的)螺旋槳通常稍微小于第一螺旋槳。這在一定程度上是由于通過螺旋槳盤加速時(shí)的流的收縮，以及一定程度上是由于由減小的槳距角引起的在較大直徑處的切向速度減小。具有在旋轉(zhuǎn)期間延伸至基線之下的很少葉片的非常大的螺旋槳和在基線上方的較小的同心對轉(zhuǎn)螺旋槳的組合提供了非常大的螺旋槳和對轉(zhuǎn)的螺旋槳的推進(jìn)功率的最大程度的減小，同時(shí)在淺水中保持推進(jìn)。

在第一方面的第一可行實(shí)現(xiàn)方式中，第一螺旋槳具有多個(gè)葉片，并且第二螺旋槳具有多個(gè)葉片，第一螺旋槳的葉片的至少尖端在第一螺旋槳的旋轉(zhuǎn)期間突出至基線之下，并且其中特定旋轉(zhuǎn)位置是第一螺旋槳的葉片沒有突出至基線之下的不工作位置。

在第一方面的第一可行實(shí)現(xiàn)方式中，船舶還包括將同心軸與發(fā)動(dòng)機(jī)可操作地連接的變速箱，該變速箱具有至少兩個(gè)位置：第一位置，其中第一螺旋槳和第二螺旋槳可操作地連接到發(fā)動(dòng)機(jī)以在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)對轉(zhuǎn)；以及第二位置，其中第一螺旋槳在特定角位置保持靜止，并且第二螺旋槳可操作地連接以在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)旋轉(zhuǎn)。

然而，為了工作，這樣的對轉(zhuǎn)螺旋槳需要驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，該驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)允許大螺旋槳在預(yù)定角位置保持靜止，而較小螺旋槳保持以降低的速度推進(jìn)船。大螺旋槳的直徑可以具有與船舶設(shè)計(jì)吃水深度相同的大小，對于大型集裝箱船，其可以為14m以上。

在第一方面的第三可行實(shí)現(xiàn)方式中，在船舶的壓載狀態(tài)下第一螺旋槳完全浸沒。

在第一方面的第四可行實(shí)現(xiàn)方式中，第一螺旋槳是兩葉片型或三葉片型。

在該背景下，第二方面是提供一種用于驅(qū)動(dòng)一對對轉(zhuǎn)螺旋槳的傳動(dòng)裝置，所述一對對轉(zhuǎn)螺旋槳串聯(lián)安裝在具有單個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的同心軸上。

這通過提供一種傳動(dòng)裝置來實(shí)現(xiàn)，該傳動(dòng)裝置包括：輸入軸，其中第一傳動(dòng)裝置的第一齒輪永久地安裝在輸入軸上且第二傳動(dòng)裝置的第二齒輪通過離合器安裝在輸入軸上，且離合器被構(gòu)造成將第二齒輪與輸入軸選擇性地接合；可操作地連接至第二齒輪的制動(dòng)器；具有內(nèi)軸和外軸的同心輸出軸；永久地固定到外軸的第三齒輪，第三齒輪與第二齒輪嚙合；永久地固定到內(nèi)軸的第四齒輪；以及可圍繞另一旋轉(zhuǎn)軸線旋轉(zhuǎn)的第五齒輪，第五齒輪與第一齒輪和第四齒輪嚙合。

在第二方面的第一可行實(shí)現(xiàn)方式中，離合器是液壓可控的和/或電子可控的，和/或其中制動(dòng)器是液壓可控的和/或電子可控的。

在第二方面的第二可行實(shí)現(xiàn)方式中，外軸或第三齒輪設(shè)置有能夠在一個(gè)軸向方向上處理推力的推力軸承，并且第四齒輪設(shè)置有能夠在兩個(gè)相反軸向方向上處理推力的推力軸承。

從下面描述的示例性實(shí)施方式中，本發(fā)明的這些和其它方面將變得明顯。

附圖說明

在本說明書的以下部分中，將參考附圖中所示的示例性實(shí)施方式更詳細(xì)地解釋本發(fā)明，其中：

圖1是根據(jù)示例性實(shí)施方式的示出螺旋槳裝置的船舶的示意性后視圖；

圖2是根據(jù)圖1的船舶的船尾的示意性截面圖；

圖3是根據(jù)圖1的船舶的船尾部的詳細(xì)視圖，示出了船舵和螺旋槳；

圖4是根據(jù)圖1的船舶的示意性后視圖，示出了一對同軸對轉(zhuǎn)螺旋槳中的一個(gè)螺旋槳的不工作位置或鎖定位置；

圖5和圖6是在根據(jù)圖1的示例性實(shí)施方式的船舶的變型中使用的變速箱的不同截面圖；

圖7是根據(jù)實(shí)施方式的螺旋槳和螺旋槳軸的截面圖；

圖8是根據(jù)圖1的另一示例性實(shí)施方式的船舶的船尾部的截面圖；

圖9是圖8所示的示例性實(shí)施方式的船舶的更詳細(xì)的截面圖，示出了雙發(fā)動(dòng)機(jī)和相應(yīng)的變速箱；

圖10是根據(jù)示例性實(shí)施方式的船舶的截面圖；以及

圖11是根據(jù)另一實(shí)施方式的螺旋槳和螺旋槳軸和吊艙驅(qū)動(dòng)器的截面圖。

具體實(shí)施方式

在下面的詳細(xì)描述中，將通過示例性實(shí)施方式描述船舶。圖1、圖2和圖3示意性地示出了船舶的船尾部。船舶1包括船體2和上部結(jié)構(gòu)3(如圖10所示)。在一實(shí)施方式中，船舶1是貨船。船舶1設(shè)計(jì)成具有預(yù)定吃水深度，該預(yù)定吃水深度被選擇為使得船舶1的吃水深度不超過停靠港的水深度。該吃水深度被確定為當(dāng)船舶1滿載時(shí)船體2的基線20的深度?；€大致在船體2的船首和船尾之間延伸。還示出了處于壓載狀態(tài)的船舶1的吃水線15。

內(nèi)燃機(jī)10位于船體2內(nèi)部。在一實(shí)施方式中，內(nèi)燃機(jī)10是大型低速運(yùn)行二沖程自燃式內(nèi)燃機(jī)。大型二沖程內(nèi)燃機(jī)10設(shè)置有變速箱14，變速箱14又連接到驅(qū)動(dòng)軸13。驅(qū)動(dòng)軸13包括兩個(gè)同心軸(下面將進(jìn)一步更詳細(xì)地描述)。一對同軸對轉(zhuǎn)螺旋槳串聯(lián)安裝在同心軸上。該對同軸對轉(zhuǎn)螺旋槳包括第一螺旋槳11和第二螺旋槳12。第一螺旋槳11具有半徑R1，第二螺旋槳12具有半徑R2。第二螺旋槳12的半徑R2小于第一螺旋槳11的半徑R1。

包括兩個(gè)同心軸的驅(qū)動(dòng)軸13具有從變速箱14基本水平地延伸到所述一對對轉(zhuǎn)螺旋槳的軸線9。軸線9位于距離基線20的水平距離V處。半徑R2等于或小于水平距離V，使得當(dāng)?shù)诙菪龢?2旋轉(zhuǎn)時(shí)，第二螺旋槳12的葉片22不會(huì)突出至基線20下方。半徑R1大于水平距離V，使得當(dāng)?shù)谝宦菪龢?1旋轉(zhuǎn)時(shí)，第一螺旋槳11的葉片21突出至基線20下方。在壓載操作中，螺旋槳軸13的軸線9和吃水線15之間的水平距離B大于半徑R1，從而確保第一螺旋槳11在壓載操作期間也完全浸沒。

船舵17正好位于該一對對轉(zhuǎn)螺旋槳的后方，并且船舵17能夠繞軸線7樞轉(zhuǎn)，以便控制船舶1的方向。

圖4示出了當(dāng)船舶1在淺水中(例如，在港口或渠道中)航行時(shí)處于特定角位置(非工作位置)的第一螺旋槳11，在該位置螺旋槳被鎖定。在該特定角位置(非工作位置)，第一螺旋槳11的葉片21不突出至基線20之下。在淺水操作中，第二螺旋槳12旋轉(zhuǎn)以用于將船舶1向前或反向推進(jìn)，其中第二螺旋槳12通過大型內(nèi)燃機(jī)10沿適當(dāng)?shù)膬蓚€(gè)旋轉(zhuǎn)方向(在實(shí)施方式中發(fā)動(dòng)機(jī)是可逆轉(zhuǎn)的)旋轉(zhuǎn)。由于第二螺旋槳12的半徑R2小于水平距離B的事實(shí)，第二螺旋槳12的螺旋槳葉片22不會(huì)突出至基線20之下，因此不會(huì)增加船舶1的有效吃水深度。

當(dāng)前面的第一螺旋槳11鎖定時(shí)，后面的較小螺旋槳12在前面的第一螺旋槳11的附近運(yùn)轉(zhuǎn)，產(chǎn)生稍微不均勻的尾流場。這不被認(rèn)為是實(shí)質(zhì)性缺點(diǎn)，這是因?yàn)楹竺娴妮^小第二螺旋槳12僅在前面的較大的第一螺旋槳11處于鎖定位置下使用，以用于船舶1的較少部分(即在淺水中)的推進(jìn)。

在深水操作期間，第一螺旋槳11和第二螺旋槳12都通過大型內(nèi)燃機(jī)10旋轉(zhuǎn)以產(chǎn)生前向推力(trust)，其中第一螺旋槳11和第二螺旋槳12對轉(zhuǎn)，并且第一螺旋槳11的葉片21突出至基線20之下。

為了建立由單個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)10(其可以保持第一螺旋槳11靜止)機(jī)械驅(qū)動(dòng)的一對同軸的對轉(zhuǎn)螺旋槳，設(shè)置變速箱14，該變速箱14包括離合器43和制動(dòng)器42，如圖5和圖6所示。變速箱14已經(jīng)分成兩個(gè)傳動(dòng)裝置，每個(gè)螺旋槳11、12一個(gè)傳動(dòng)裝置，并且兩個(gè)傳動(dòng)裝置由同一輸入軸31驅(qū)動(dòng)。輸入軸31位于變速箱14底部的兩個(gè)同心輸出軸32、34的上方。

可以以每級大于98％的效率制造大型傳動(dòng)裝置，并且對于安裝在外軸34(船尾齒輪33、38)上的大的第一螺旋槳11的驅(qū)動(dòng)器僅具有一個(gè)級。非常大的第一螺旋槳11可能需要低于適合于發(fā)動(dòng)機(jī)10的轉(zhuǎn)速，并且船尾齒輪因此被示出為減速齒輪，但是應(yīng)當(dāng)理解，船尾齒輪33、38也可以具有1:1的比率。為了獲得對轉(zhuǎn)，用于安裝在內(nèi)軸32(前面齒輪35、39、40)上的第二螺旋槳12的驅(qū)動(dòng)器必須具有兩個(gè)級。該驅(qū)動(dòng)器始終是接合的，第二螺旋槳12與發(fā)動(dòng)機(jī)10一起停止和起動(dòng)。

以推力凸輪和米切爾塊形式的推力軸承34、36、37集成在變速箱14中。在一個(gè)實(shí)施方式中，輸出軸32、24上的齒輪33、35可以兼作推力凸輪。塊34、36、37示出為在內(nèi)軸齒輪35的兩側(cè)，但僅在外軸齒輪33的前側(cè)。這反映了其中第一螺旋槳11不用于輸送任何向后推力的系統(tǒng)。

變速箱14被分成兩個(gè)單獨(dú)的空間47、48，并且在一實(shí)施方式中，兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器的潤滑系統(tǒng)是分離的，以便在傳動(dòng)裝置故障的情況下確保一定的冗余。用于第一螺旋槳11的第一齒輪38相對于輸入軸31自由旋轉(zhuǎn)，并且扭矩必然通過安裝到輸入軸31的尾端的多盤式摩擦離合器43傳遞。離合器43中的每個(gè)第二盤具有齒形中心切口，并且與具有外齒條的輸入軸31連接，并且每個(gè)第二盤具有齒形周邊，并且與具有內(nèi)齒條的殼體連接。當(dāng)盤被液壓致動(dòng)器壓在一起時(shí)，與齒輪38結(jié)合的殼體被鎖定到輸入軸31，從而與第一螺旋槳驅(qū)動(dòng)器接合。

當(dāng)船舶1接近淺水時(shí)，可以在不停止發(fā)動(dòng)機(jī)10的情況下使第一螺旋槳11驅(qū)動(dòng)器斷開接合。類似于離合器43但在離合器40的前面安裝在旋轉(zhuǎn)殼體外側(cè)的制動(dòng)器42然后將殼體鎖定到變速箱14的靜止部分，從而保持第一螺旋槳11在適當(dāng)(不工作)角位置靜止。由于離合器43和制動(dòng)器42都是液壓操作的，斷開接合和制動(dòng)非常適合于與用于自動(dòng)控制第一螺旋槳11的操作的控制系統(tǒng)連接。在一實(shí)施方式中，控制系統(tǒng)接收來自回聲測深器和其它導(dǎo)航系統(tǒng)的輸入。

是否需要在用于大螺旋槳的驅(qū)動(dòng)器正接合時(shí)停止發(fā)動(dòng)機(jī)10，取決于離合器吸收充分消耗的能量(而不存在過度溫度上升)的能力。不管怎樣，接合是可行的。

在一實(shí)施方式中，為了使由離合器43或制動(dòng)器42中的板之間的粘性摩擦而造成的損失最小化，當(dāng)斷開接合時(shí)，避免板浸入齒輪油中。離合器和制動(dòng)器可以是“干的”或部分浸入的，即在稀少量的潤滑油中工作。在板之間安裝盤形彈簧可以是防止它們在斷開接合時(shí)緊密接觸的一種方式。

在一實(shí)施方式中，如圖7所示，第一螺旋槳11具有順槳螺旋槳葉片21。當(dāng)船舶1僅通過較小的第二螺旋槳12和/或以任何有效速度運(yùn)行延長時(shí)段時(shí)，大的第一螺旋槳11的葉片21可以必須被順槳(即與流對齊)，以避免制動(dòng)系統(tǒng)上的過大阻力和扭矩。這意味著葉片21必須能夠繞徑向軸線(槳距軸線)旋轉(zhuǎn)。

由于同心軸32、34，傳統(tǒng)的可控槳距系統(tǒng)是不可行的，但是通過將葉片的作用力中心充分定位在槳距軸線的船尾處(朝向后緣)，當(dāng)?shù)谝宦菪龢?1停止而船舶1向前移動(dòng)時(shí)，葉片21將自動(dòng)地進(jìn)入順槳位置。這將與高度偏斜的葉片設(shè)計(jì)適配。當(dāng)?shù)谝宦菪龢?1開始轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，作用在葉片21上的推力將增大槳距(即圍繞槳距軸線旋轉(zhuǎn)葉片)，直到葉片21在預(yù)定位置碰到止動(dòng)裝置。利用根據(jù)該實(shí)施方式的順槳系統(tǒng)，大的螺旋槳11不能提供任何向后推力，并且所有向后航行(manoeuver)必然僅使用更小的第二螺旋槳12來執(zhí)行。同心螺旋槳軸32、34和輪轂在圖7中大體示出。止動(dòng)裝置可以以各種方式制成，而并未示出。一種方式是切除葉片下緣的一部分，并且放置止動(dòng)塊，該止動(dòng)塊可以與輪轂的內(nèi)部成一體，使得其填充所切除掉的一部分。與該裝置相關(guān)，液體“阱”(即，填充有潤滑劑的一種腔體)應(yīng)當(dāng)被認(rèn)為是槳距阻尼裝置。當(dāng)旋轉(zhuǎn)葉片下緣接近止動(dòng)塊時(shí)，腔體積必然減小，迫使液體流過一個(gè)或多個(gè)小開口，從而確保軟止動(dòng)以及防止可能的振動(dòng)。

圖8和圖9示出了具有雙發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器的船舶1的另一個(gè)實(shí)施方式，其包括大型內(nèi)燃機(jī)10和較小型內(nèi)燃機(jī)50。變速箱54將大型內(nèi)燃機(jī)10操作性地連接到第一螺旋槳11，將較小型內(nèi)燃機(jī)50連接到第二螺旋槳12。變速箱15包括獨(dú)立的兩組傳動(dòng)裝置，每組傳動(dòng)裝置具有用于它們中的每一者的殼體隔間。將大型內(nèi)燃機(jī)10連接到第一螺旋槳11的傳動(dòng)裝置位于變速箱54的后部，并且包括安裝在輸入軸52(其直接聯(lián)接到大型內(nèi)燃機(jī)10的曲軸)上的齒輪53。齒輪53與安裝在外同心軸34上的齒輪55嚙合，該外同心軸34又連接到大的第一螺旋槳11。將較小型內(nèi)燃機(jī)50連接到第二螺旋槳12的傳動(dòng)裝置位于變速箱54的前部，并且包括齒輪58，齒輪58與安裝在內(nèi)同心軸32上的齒輪56嚙合，該內(nèi)同心軸32又連接到第二較小螺旋槳12。在第一螺旋槳11和第二螺旋槳12是對轉(zhuǎn)的深水操作期間，較小型內(nèi)燃機(jī)50沿相對于大型內(nèi)燃機(jī)10的旋轉(zhuǎn)方向相反的方向旋轉(zhuǎn)。在淺水操作中，大型內(nèi)燃機(jī)10停止，并且由于大型內(nèi)燃機(jī)10和第一螺旋槳11之間的永久連接，第一螺旋槳11也因此停止。在一實(shí)施方式中，大型內(nèi)燃機(jī)10可以設(shè)置有用于在特定角位置使發(fā)動(dòng)機(jī)停止的裝置，使得大的第一螺旋槳11在不工作位置停止，其中第一螺旋槳11的葉片21不突出到船體2的基線20之下。在大型內(nèi)燃機(jī)10停止并且較小型內(nèi)燃機(jī)50反轉(zhuǎn)的情況下進(jìn)行向后航行。

圖11示出了使用吊艙驅(qū)動(dòng)器(pod drive)的實(shí)施方式。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)使用安裝在非常大的常規(guī)驅(qū)動(dòng)的第一螺旋槳11(第一螺旋槳11由內(nèi)燃機(jī)通過簡單的驅(qū)動(dòng)軸驅(qū)動(dòng))的后部的電驅(qū)動(dòng)的第二螺旋槳12(吊艙驅(qū)動(dòng)器57)。用于吊艙驅(qū)動(dòng)器的電力可以由船舶1中的發(fā)電機(jī)組(未示出)提供。點(diǎn)驅(qū)動(dòng)器可繞軸線7旋轉(zhuǎn)，以便有助于控制船舶1的方向。

已經(jīng)結(jié)合本文的各種實(shí)施方式描述了本發(fā)明。然而，通過研究附圖、公開內(nèi)容和所附權(quán)利要求，本領(lǐng)域技術(shù)人員在實(shí)施所要求保護(hù)的本發(fā)明時(shí)能夠理解并實(shí)現(xiàn)所公開的實(shí)施方式的其它變型。在權(quán)利要求中，詞語“包括”不排除其他元件或步驟，并且不定冠詞“一”或“一個(gè)”不排除多個(gè)。在相互不同的從屬權(quán)利要求中陳述某些措施的事實(shí)并不表示不能有利地使用這些措施的組合。在權(quán)利要求中使用的附圖標(biāo)記不應(yīng)被解釋為限制范圍。