专利名称：没有废气烟缕的通过至少一个喷水推进装置快速推进的船舶的制作方法
技术领域：
本发明涉及大型水上交通工具，例如快速军用水上舰艇的运行方法和推进装置，它在船舶下方有至少一个喷水式推进器(Waterjet)，其中，推进能量通过内燃机，例如燃气轮机产生，以及，由内燃机产生的废气借助喷水式推进器的喷水在船舶下方分布在水中。
由DE 10141893A1已知一种上述类型用于快速军用水上舰艇的推进装置。在此已知的快速军用水上舰艇中要求将船舶首先带到巡航速度，例如通过燃料电池的电能，然后接通喷水式推进器，在这种情况下通过用大功率运行的喷水式推进器达到将内燃机的废气分布在水中。
本发明的目的是提供一种运行方法和一种推进装置，用于大型水上交通工具，也用于大型民用水上交通工具，例如快速渡船、大型快艇等，其中，也能在不使用电能达到巡航(正常航行)速度的情况下，可实现一种没有废气烟缕或没有排放物、不能检测到的运行。此时不应降低推进效率并应减小船舶阻力。这通过在船体边界层内吹入废气实现。
为达到此目的采取的措施是，使喷水式推进器喷水的出口速度根据将废气导入和分布在水中的相关要求来调整。通过将喷水式推进器喷水的速度按照废气导入和分布的要求调整以及不再如迄今在喷水式推进器中常用的那样根据船速的要求调整，出人意料地可以有利地达到即使在低的速度或必要时甚至在停船时也能在船舶下方排出废气。通过也在小的船速和在船舶起动时在船舶下方排出废气，也为没有电动装置的船非常有利地提供可能性，使船舶在各种速度下无废气烟缕地运行。因此，对于海军(Navy)舰艇通过例如红外传感器很难定位，以及对于载有要求苛刻的旅客的船舶尤为重要的是，达到在船尾区看不到废气以及同样可靠地避免柴油发动机的炭烟沉积。不仅海军(Navy)舰艇而且民用船舶因而在船舶运行时均提供突出的优点。
在这里规定，水上交通工具有至少一个电驱动的喷水式推进器，其中，电能至少部分通过由内燃机，例如燃气轮机驱动的发电机产生。因此驱动部件可以特别有利地装在船内以及高效地应用于部分负荷区内。由此可以将喷水式推进器设在船内远前部，例如平行的船体曲线开始处。从而导致有利地几乎整个船体被喷水式推进器产生的气一水混合物低摩擦地绕流。
按本发明的一项设计规定，废气导入船舶下方的水中在不提高废气压力(压缩)的情况下完成。由此可以有利地取消装设用于将废气导入水中的压缩机或废气喷射器。推进设备的效率也不因压缩机或喷射器耗能而降低。
按本发明的另一项设计规定，通过在喷水从喷水式推进器出口处的喷水速度造成一个压力低于废气压力的负压区。由此有利地甚至可以提高内燃机的效率，当然效率通常与废气背压有关。
此外，按本发明的设计规定，喷水式推进器喷水的速度可与船速无关地调整。在传统的喷水式推进器中，由喷水式推进器喷出的喷水速度不是与船速无关的。这可能导致由内燃机产生的废气量在部分负荷区内不能排出，因为船舶过慢地航行。采用按本发明的设计避免出现这种情况。
按本发明的设计在这方面规定，喷水式推进器喷水的速度通过改变喷水的横截面调整。因此可以特别有利地便于实现按本发明的运行方法。
喷水式推进器喷水的速度也可以通过有控制地改变流过喷水式推进器的水的速度来调整，例如通过改变转子速度实现，但特别有利的是借助调整件，尤其是借助喷水式推进器转子可调整的调整叶片，通过改变流过喷水式推进器的水的速度实现。通过喷水式推进器转子可调整的调整叶片，甚至在船舶起动时已经为导出废气产生足够快速的喷水。由此也可以仅通过一个由内燃机驱动的喷水式推进器无废气烟缕地起动船舶，与此同时有高的效率。在这里，废气在水中的导入可以与船速完全无关，并由此可以设计出无废气烟缕地起动的没有储存或发出的电能的船舶。这对于“低成本”船是特别重要的。
喷水式推进器喷水速度的调整特别有利地例如借助在喷水出口处的一个横截面可改变的喷管通过控制改变喷水的横截面来进行。这是一种在机械上特别简单的方案。当横截面改变通过设在喷水内部的导引件，例如可轴向移动的管段实现时，可以得到一种特别有利的运行方法。因此，尽管有该导引件仍可以是一种低摩擦和低涡流的喷水设计。与此同时得到一种机械上特别简单和坚固耐用的方案。
按本发明的另一项设计规定，通过设在喷水外部的导引件，例如节流阀进行横截面改变。这些既可以设计为垂直于喷水形成也可设计为如一个可变孔板那样围绕着喷水的节流阀可以简单地机械或液压运动。有突出优点的是，也可以给予喷水一种与圆形不同的、例如通过一种(在噪声和船舶阻力方面)可与船舶形状流体动力学最佳匹配的相应的出口喷管形状和大小调整后的截面，尤其是方形或矩形横截面。由此可以实现一种与具体的船舶类型匹配的喷水形状，例如对于扁平延伸的船实施扁平形状的喷水，同时并不会失去独立于船速调整喷水速度的优点。
此外在本发明的范围内规定，喷水式推进器喷水的速度在与船速无关的极限值之间调整。通过规定例如针对喷水最小速度的极限值，可以达到废气可靠地以足够的量排出，即使船舶仅在缓慢地行驶。上部极限值有利地通过在最大可能水量时使喷水自由流出得出。
在本发明设计的范围内，设置一个推进装置用于实施所述用于一个具有设在船舶下方的喷水式推进器的水上交通工具的运行方法，在通过喷水式推进器产生的喷水出口处，设有一个被喷水式推进器的推进喷水轴向流过的水下废气导入装置，例如一个基本上设计为圆形的用于将废气导入在船舶下方的水内的腔室。通过所设的其中存在一种可根据废气量调整的喷水式推进器喷水的水下废气导入装置，可有利地便于实现本发明。在船舶的各种航行条件下，废气可靠地导入水中和以这样的方式进行分布，即，使得在边界层内精细地分布的废气泡减小船舶阻力。
在这方面按本发明的设计规定，用于将废气导入水中的水下废气导入装置设计为同轴式废气喷管段。通过一个同轴式废气喷管段，亦即通过将相对于围绕着喷水式推进器喷水的废气腔室设计为同轴的废气喷管段，可以特别有利地实施本发明。
此外规定，在水下废气导入装置内设有一横截面可调的中心件，例如一个伸缩装置，它促进调整在水下废气导入装置内的喷水速度。由此得到一种效率特别高以及坚固耐用地设计的同轴式废气喷管段。它的功能是，即使在改变喷水横截面时也不会产生更大的喷管噪声。这尤其对于海军(Navy)舰艇有重要意义。
按本发明的另一项设计规定，在水下废气导入装置内设一个横截面可调的外部件，例如可控制的孔板。此用于调整喷水横截面的外部件也可以与内部件组合使用，以及允许按简单的机械设计，例如以杠杆操纵的调整装置的形式，按本发明减小喷水式推进器喷水的横截面。
无论内部构件还是外部构件都可以通过已知的用于调整喷水方向或也用于换向的喷水式推进器的转向叶片补充。由此不影响废气按本发明的排出效果。
按本发明的推进装置有一个用于废气导入同轴式废气喷管段内的管路系统，在此管路系统中有利地存在至少一个由背压控制的单向阀。由此可以防止在停船时水在管路系统内回冲并因而也反流到内燃机内。除此单向阀外，管路系统有利地还有受控制的截止机构，例如蝶阀或滑阀，它们与背压无关以及在港口内或在借助螺旋桨推进装置航行时使用。
喷水式推进器的壁和/或叶片上有利地必要时有一个用弹性材料组成的涂层。这种材料可以例如是硬橡胶或也可以是一种纤维增强的塑料。由此不仅防止空蚀现象，而且实现对于排出的喷水的噪声抑制。由离心泵的领域已知相应的涂层，但将它们也规定用于喷水式推进器则是新的。
按本发明另一项设计规定，推进装置有至少一个优选地可缩回的可转导管螺旋桨或摆线螺旋桨，作为船舶的控制和推进机构。由此有利地可以取消在喷水式推进器内的调整叶片，因为可转导管螺旋桨可以将船舶置于这样的速度，即，使喷水式推进器在进口与出口压力之间具有一良好比例的情况下具有最佳效率地工作。因此在喷水式推进器喷水出口处可顺利地造成有利地规定的负压区。为了运行可转导管螺旋桨或摆线螺旋桨，本发明还规定，在电驱动时，推进装置例如除一台发电机外有至少另一个电的能源，例如蓄电池或燃料电池装置，它们可以实现船舶的无废气操纵。对于较小的船舶，可转导管螺旋桨也可以能收缩拉入地装在船首区内。因此可以取消普通的“Bow thruster(船头推进器)”。
此外规定，用于起动水上交通工具的内燃机有一根可按选择接通到水中或大气中的废气导管。
为了控制和调节按本发明的运行方法规定，在用于将废气供入喷水式推进器喷水的水下废气导入装置内存在测量压力的传感器；同样地在废气管路系统中设测量压力的传感器。因此借助简单和坚固耐用的传感器可以实现可靠地运行。
有利地，为了根据废气的导入来控制和调节喷水，存在一个带有自动化装置的自动化系统，它减轻操作人员的负担和防止操作错误。此外，借助快变线形函数或斜面函数可以达到协调地控制推进装置的各个部件。
自动化系统按本发明不仅作用在喷水式推进器上的影响喷水式推进器喷水速度和压力比的元件上，而且还作用在废气管路系统中的调整件和封闭件上。自动化系统有利地“就地”安装。它另外还包括实现对于内燃机(燃气轮机或柴油发动机)、发电机和喷水式推进器以及废气管路系统自动化控制的自动化装置。它有利地控制和调节运行准备(例如压力和温度)、起动和运行(例如调节机构的转速和位置)以及必要的电开关和调整装置(例如断路器、AC-AC调节器或AC-DC调节器)。为了达到冗余度在这里规定，一个相应的第二自动化系统至少部分处于整个推进装置的自动化装置内。因此，涉及将喷水式推进器作为推进部件的推进装置实现有利的完全自动化。
此外，按本发明的设计规定，将废气的热量通过一换热系统应用于其他运行装置，例如用于产生热水或海水淡化。因此可以有利地在各自的船内减少为此所需的能量。
按本发明的推进装置，例如首先按船舶的速度要求来控制。对于在船尾区有一个或多个电动的可转导管螺旋桨的船舶，它们在比较低的速度时提供为期望的船速所必要的推力，还规定喷水式推进器同时运行。这样做的优点是，由此可以补偿由于在船下侧安装喷水式推进器而增大的船形状阻力。因此，由于喷水式推进器所要求的船体线型的改变不会造成不良影响。有利地，在除喷水式推进器外还有电动可转导管螺旋桨或简单的电动螺旋桨推进装置的船舶中，至少从速度范围2至3节开始规定喷水式推进器同时运行。从这一速度起，也可以通过减小喷水式推进器喷水的横截面达到用于导入废气所需要的负压或零压，无须用在喷水式推进器内的调整叶片工作。
为了在没有电动可转导管螺旋桨或没有普通的电动螺旋桨传动装置的船舶中使用按本发明的推进装置，同样从2至3节起喷水式推进器转子的调整叶片不再被调整到处于例如在起动过程中的吸入位置，而是可以按喷水式推进器转子叶片的正常推力位置工作。因此，喷水式推进器的调整叶片位置可以尽可能有利于推进。
下面借助附图详细说明本发明，由附图以及同样由从属权利要求可以看出其他按本发明的思想。这些附图可理解为来自看作先有技术的公开文件的
图1和2的补充。
附图具体为图1表示一推进装置涉及喷水式推进器处的废气导引；图2表示一喷水横截面改变构件在喷水式推进器中的布置示例；以及图3表示关于喷水式推进器上的进出口参数的一原理示图。
图1中用1表示一内燃机，在这里例如是MTU公司LM2500型的燃气轮机。该燃气轮机驱动一发电机2，在这里例如是一台16MW的发电机。用3表示同轴工作的喷管段，在喷管段3内同轴围绕着喷水的废气与示意表示的喷水5一起排出。喷水5通过转子4产生，它例如由转子轴驱动。双向箭头6象征性表示喷水式推进器出口处横截面的可调性，以便即使在船舶低速度级也能给予喷水式推进器必要的速度，使废气能从喷水式推进器出口腔室输出。在这里排出的喷水速度可通过相应的横截面减小调整得如此高，甚至在腔室3内形成负压。无论如何可以将此处压力调整为0bar，所以燃气轮机或取代燃气轮机的柴油机与废气自由排入大气中相比没有任何效率损失。燃气轮机1的废气通过管路9通往同轴工作的喷管段，管路9在采用双喷水式推进器时优选设计为直接在喷水式推进器前分叉。截止阀7和8处在废气管9端部，截止阀涉及单向阀或受控制的阀，用于防止围绕船体的水在停机时反冲入管路中。在这里，与喷水从喷水式推进器的出口区中一样，也可以设压力传感器，它们用于通过改变喷水式推进器喷水的排出速度或改变从管路9的出口截面，调节各自区域内的废气压力。
这些压力传感器还可以用另一些传感器补充，如水涌入报警器、阀位置传感器等。这些传感器信号传给未进一步表示的自动化系统，该自动化系统例如也有用于燃气轮机、用于换热器11的泵以及用于主关闭阀10伺服电动机的起动工作平台或起动斜面特性曲线。此外，自动化系统有用于船舶推进的常用部件，从而形成船舶自动化装置的一个有自主工作能力的子系统。此子系统有利地设计为，与内燃机、发电机和喷水式推进器以及为它们所需的管路等一起，构成一个船舶设备部件，它可以基本上不改变地使用于不同类型和不同大小的船上。在这方面特别有利的是，此推进装置按预制的形式在船开工铺龙骨时装入船内。在这里，被装入的船舶设备部件的数量取决于船的大小。
图2中12表示转子叶片，它们装在一转子轮毂15上。该转子轮毂15可按图中未详细说明的方式例如通过一根在前面作用的传动轴23传动。但它也同样可以设计为内转子，在这种情况下由示意表示的绕组16实施驱动。定子除轮毂14外还有定子叶片13，若在船尾或在船首没有提供单独的螺旋桨推进装置，它们在必要时为了使船舶有更好的起动特性，与转子叶片12一样设计为调整叶片，并因而作为一种能起动的喷水式推进器所设的叶片调整装置的补充。
定子轮毂14在出口侧有可液压操纵的管件17，它们可不同程度地伸出去并以这样的方式减小环腔室22内的横截面，即，使水速足够大，以便带动通过管路18进入环腔室22内的内燃机废气。调整件17的可调性通过粗线表示的双向箭头20表示。
环腔室22外面被壁21封闭，在壁内例如还可装入环形孔板，以便实现从喷水式推进器排出的水的出口横截面的外部调整。这样一种调整可以通过可变孔板(Irisblende)实现，它包含管段状相对移动的分段。一个向水的进口侧方向移动的外锥体也起相应的作用。外锥体的内轮廓可大体对应于环腔室外边界的轮廓形状。
用箭头19表示水的流入。水的流入既可由于船舶通过水航行造成，也可以通过喷水式推进器的抽吸效应造成，当转子叶片和必要时定子叶片适当调整时形成这种抽吸效应。管路直径、在喷水式推进器内的距离、叶片型面、改变喷水排出横截面的构件的设计彼此协调以及专用于每个推进装置。因此，优选地推进装置设计为能自主工作的装置，它们然后以不同的数量，例如逐个或成对地，配属于各自的船舶类型。总之，所有的设计以这样的方式实现将废气完全导入水中以及将废气均匀分布在船舶下方，即，使得可能形成的废气气泡在水中要在船尾后方，在高速度级甚至在船尾很远的后方才浮起。相应地，对于设置用于检测船舶废气的红外传感器或光学传感器，导致不可能用它们来检测按本发明设计的船舶。
图3中用25表示一纵向剖开的喷水式推进器，它带有供流过喷水式推进器的水用的进口平面II和出口平面I。在喷水式推进器上的压力和速度状况通过质量守恒方程和动量守恒方程描述。借此专业人员可以计算在喷水式推进器内需要的速度和喷水截面。这些方程的使用可由参见图3的计算例说明。一个作为范例的表格表示了按本发明重要的速度范围。由该表格可见，喷水的排出功率如此之大，以致任何在实际运行时出现的废气量均能可靠地排出。
计算在喷水式推进器喷水的出口平面内的压力。
用于一计算示例的原始数据密度ρ 1025Kg/m3进口平面I直径DI1.144m横截面积AI1.02787885m2出口平面II直径DII0.88m横截面积AII0.60821234m2水深 6m静水压力 60331.5Pa使用的方程式是1.在喷水式推进器的平面1和平面II之间的质量守恒方程ρIAIVI＝ρIIAIIVIIρI＝ρII＝ρ2.动量守恒方程T+PIAI-PIIAII＝ρIIAIIVIIVII-ρIAIVIVI其中VI在进口平面内的平均速度m/sPI在进口平面内的平均动压力部分PaVII在出口平面内的平均速度m/sPII在进口平面内的平均动压力部分PaT产生的推力N计算示例表格中的行计算值1 船速，单位按节(kn)2 船速，单位按m
3在出口平面内的平均速度m/s，对于出口的第一固定横截面积(AII＝0.60821234m2)计算出4所产生的用于一示例船舶的推力，单位按N5在出口平面处的平均动压力部分，单位按Pa6在出口平面处的平均总压(静水压力+动压力)，按Pa7负的总压所需要的横截面积，单位按m28出口平面的平均速度m/s9在出口平面处的平均动压力部分，单位按Pa10 在出口平面处的平均总压(静水压力+动压力)，按Pa11 出口平面的计算直径，单位按m12 计算出的出口平面的直径所需的减小13 计算出的质量流量kg/s
行10表示，从2节起在推进装置出口平面内便是负压。在行13内计算出的流量明显大于输送废气最小需要的流量。
权利要求
1.一种用于大型水上交通工具，例如用于快速军用水面舰艇的运行方法和推进装置，它在船舶下方有至少一个喷水式推进器，其中，推进能量通过内燃机，例如燃气轮机产生，以及，由内燃机产生的废气借助船舶下方的喷水式推进器的喷水分布在水中，其特征为该喷水式推进器喷水的速度根据废气导入和分布的要求进行调整。
2.按照权利要求1所述的运行方法，其特征为所述水上交通工具有至少一个通过电能驱动的喷水式推进器，其中，电能至少部分通过由内燃机例如燃气轮机驱动的发电机产生。
3.按照权利要求1或2所述的运行方法，其特征为在不提高废气压力(压缩)的情况下在船舶下方将废气导入水中。
4.按照权利要求1、2或3所述的运行方法，其特征为通过喷水在喷水式推进器的出口处的喷出速度形成一个压力低于废气压力的负压区。
5.按照权利要求1、2、3或4所述的运行方法，其特征为所述喷水式推进器喷水的速度可独立于船舶速度调整。
6.按照权利要求1、2、3、4或5所述的运行方法，其特征为所述喷水式推进器喷水的速度通过改变喷水的横截面来调整。
7.按照权利要求1、2、3、4、5或6所述的运行方法，其特征为喷水式推进器喷水的速度通过有控制地改变流过喷水式推进器的水的速度来调整。
8.按照权利要求1、2、3、4、5、6或7所述的运行方法，其特征为流过喷水式推进器的水速度的改变通过调整件，尤其是通过喷水式推进器转子上可调整的调整叶片进行。
9.按照权利要求1、2、3、4、5、6、7或8所述的运行方法，其特征为喷水式推进器喷水的速度例如借助一个在喷水出口处横截面改变的喷管通过在喷水式推进器上改变喷水的横截面来调整。
10.按照权利要求9所述的运行方法，其特征为通过设在喷水内部的导引件，例如可轴向移动的管段来进行所述横截面改变。
11.按照权利要求9或10所述的运行方法，其特征为通过设在喷水外部的导引件例如阀来进行所述横截面改变。
12.按照上述权利要求中一项或多项所述的运行方法，其特征为给喷水一种与圆形不同的例如通过一相应的出口喷管形状和大小调整后的横截面，尤其是方形或矩形横截面。
13.按照上述权利要求中一项或多项所述的运行方法，其特征为喷水式推进器喷水的速度调整在与船速无关的极限值之间。
14.一种实施按照上述权利要求中一项或多项所述的用于一个具有设在船舶下方的喷水式推进器的水上交通工具的运行方法的推进装置，其特征为在通过喷水式推进器(22)产生的喷水(5)出口处，设一个被喷水式推进器的推进喷水轴向流过的水下废气导入装置，例如一个基本上设计为圆形的用于将废气在船舶下方导入水内的腔室。
15.按照权利要求14所述的推进装置，其特征为所述用于将废气导入水中的腔室设计为同轴式废气喷管段(3)。
16.按照权利要求14或15所述的推进装置，其特征为在所述腔室内设一个横截面可调的中心件，例如一个伸缩装置(7)，它促使调整在腔室内的喷水速度。
17.按照权利要求14或15所述的推进装置，其特征为在所述腔室内设有一个横截面可调的外部件，例如一个可控制的孔板。
18.按照权利要求14、15、16或17所述的推进装置，其特征为将废气导入同轴式废气喷管段(3)内的管路系统(9)有一个由背压控制的单向阀(7、8)。
19.按照权利要求14至18中一项或多项所述的推进装置，其特征为所述喷水式推进器(22)的壁和/或叶片上有一用弹性材料如硬橡胶或用纤维增强塑料制成的涂层。
20.按照权利要求14至19中一项或多项所述的推进装置，其特征为它优选地在船尾区有至少一个优选地可缩入的可转导管螺旋桨或摆线螺旋桨，作为船舶的控制和推进机构。
21.按照权利要求14至20中一项或多项所述的推进装置，其特征为除至少一台发电机(2)外，存在至少另一个电源，例如蓄电池或燃料电池装置，它们可以实现船舶无排放物地运动。
22.按照权利要求14至20中一项或多项所述的推进装置，其特征为一用于起动所述水上交通工具的内燃机有一根可按选择接通到水中或大气中的废气导管。
23.按照权利要求14至22中一项或多项所述的推进装置，其特征为在所述喷水式推进器(22)的水下废气导入装置内设有测量压力的传感器。
24.按照权利要求14至22中一项或多项所述的推进装置，其特征为在废气管管路系统(9)中设有测量压力的传感器。
25.按照权利要求14至24中一项或多项所述的推进装置，其特征为它有一个自动化装置，该自动化装置根据在水下废气导入装置内/废气管路系统(9)内的压力状况控制喷水横截面。
26.按照权利要求14至24中一项或多项所述的推进装置，其特征为它有一个自动化装置，该自动化装置根据在水下废气导入装置内/废气管路系统(9)内的压力状况控制在喷水式推进器(22)上或内的调整件，例如在喷水式推进器(22)内的调整叶片。
27.按照权利要求14至26中一项或多项所述的推进装置，其特征为它有一个用于控制在废气管路系统内的阀(10)的自动化装置。
28.按照权利要求14至27中一项或多项所述的推进装置，其特征为所述废气的热量通过一换热系统(11)被用于其他运行装置，例如用于产生热水或海水淡化。
全文摘要
本发明涉及一种大型水上交通工具，例如快速军用水面舰艇的运行方法和推进装置，它在船舶下方有至少一个喷水式推进器(22)，其中，推进能量通过内燃机(1)，例如燃气轮机产生，以及，由内燃机产生的废气借助喷水式推进器(22)的喷水在船舶下方分布在水中，在这里，喷水式推进器喷水的速度根据将废气导入和分布在水中的相关要求进行调整。
文档编号B63H11/103GK1753812SQ200480005101
公开日2006年3月29日 申请日期2004年2月12日 优先权日2003年3月3日
发明者穆斯塔法·阿布德尔-马克苏德, 沃尔夫冈·拉德基, 汉尼斯·舒尔策霍恩, 海因茨·蒂门斯 申请人:西门子公司