专利名称：用于鳍状物推进器的平移托架的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于海船的推进系统，其中，用于推进的装置包括拍动和横向平 移的薄片或鳍状物。根据一个方面，本发明涉及一种用于海船的推进机构，它通过水接合鳍状物或薄 片来推进。鳍状物或薄片驱动成使得该鳍状物或薄片沿基本横向于海船的纵向轴线的方向 平移。该机构还包括至少一个推进动力源，该推进动力源有输出轴，该输出轴形成第一旋转轴；至少一个托架，该托架布置在海船的船体中，并将来自推进动力源的推进动力传 递给鳍状物或薄片；用于使得托架平移的装置，它特别包括曲柄；以及使得鳍状物或薄片与托架连接的装置，该装置使得所述鳍状物或薄片能够以控制 方式绕第二旋转轴线旋转。优选是，托架布置在船体的内部，并通过摆动或平移装置而与至少一个能量源连 接，该能量源产生至少一部分推进动力。必须知道，船或船只的船体容纳包括全部所需技术装置的推进系统，除了水接合 薄片或鳍状物。
背景技术：
人们已经认识到鱼和海洋哺乳动物的运动具有比目前的海船更高的推进效率，该 鱼和海洋哺乳动物特别通过摆动的鳍而在水中运动和机动。迄今为止还没有与鳍状物推进器等效的技术用于海船中。本发明的重要实际元素是根据一个或多个鳍状物在船只下面的一个周期性平移 运动和可能的一个周期性旋转运动的组合而很容易地实现高效和可操作的拍动推进。鱼尾的摆动运动可以通过鳍状物的旋转来模拟和产生，或者象海洋哺乳动物和金 枪鱼那样通过尾鳍的至少一个周期性平移和一个周期性旋转的组合来模拟和产生。目前，几乎每一个水上船只都通过一个或多个旋转推进元件来推进，而不管它的 尺寸、操作速度和用途如何。推进元件例如推进器、射流、管道推进器或泵射流等绕它们自己的轴线旋转。在较 大的船只上，推进器以大约50-500rpm的速度旋转。将推进器仔细设计成用于它们的特殊用途。设计人员的一个重要目的是限制船只的总体燃料消耗。这通过仔细设计各种参数 (例如船体形状、推进设备和推进元件)来实现。目前大部分实际推进器的效率很少超过80%，实际上通常接受30-70%的效率， 从而导致不希望的较大动力设备和增加燃料消耗。
因此，考虑到上述不合适之处，显然希望使用完全操作和改善低技术含量但具有 高效率的海船推进系统。通过摆动鳍状物来推进具有吸引人的特征，例如比旋转推进器更高的效率和固有 的转向性，这不需要单独的舵以及相关的成本和相关的可靠性问题；此外，它释放了船体内 部的容积，从而增加了货运容量。更高效率通过更低的推动损失、更低的水力摩擦损失、更 低的诱导阻力损失和船体自身的更低阻力来实现，从而导致更低燃料消耗和更低的原动机 安装功率，或者在相同安装推进功率和燃料消耗下具有更高操作速度。用于摆动鳍状物的主要难题包括避免较大的机械摩擦损失，并包括提供与旋转推 进器相当的可靠性和安全性。
公开日为1995年3月28日的美国专利No. 5401196 (TRIANTAFYLLOU等)公开了 一种使用拍动薄片的推进系统。教导了利用至少一个薄片的系统的该专利公开了一种推进 系统，其中，薄片沿横过船只航行方向的方向摆动，并绕垂直轴线旋转摆动。优选是，根据该 US专利，推进系统由多个薄片组成，它们异相摆动，从而导致推进元件沿横向于航行方向的 方向产生的推力不明显。当使用偶数个薄片时，优选是一半薄片相对于另一半薄片以180°异相来摆动。当 例如使用3个薄片时，薄片彼此120°异相来摆动。下面将介绍在美国专利中所述的推进系统的机械实施例的主要特征。图4A、4B、5A、5B&5C表示了根据该US专利的薄片推进系统的实施例。推进系统由 两个薄片(10)组成，各薄片通过轴(34)穿过在船体(30)后部部分中的狭槽(36)而与台 板(40)连接。如图4A中所示和如箭头(38)所示，狭槽(36)的宽度大于薄片的总体最大 起伏幅值。最好如图4B中所示，各台板(40)有安装在前部底侧和后部底侧的两个或更多 轮子或辊(42)，其中，该轮子或辊骑在安装于船体(32)上的相应轨道(44)中。因此，台板 (40)和安装在它上面的薄片(10)沿一个轴线(38)在两个方向自由运动，并沿任意其它方 向固定而防止运动。因此，根据该US专利的机构通过形成于船体(32)中的多个狭槽(36)而工作，各 狭槽横向于船只的向前航行方向，且狭槽(36)的延伸超过薄片的横向运动。鳍状物也在 动力作用下绕轴线旋转，该轴线布置成使得旋转基本影响鳍状物相对于船只运动方向的角 度。公开的全部的所述旋转轴线形成为基本竖直轴线。而且，鳍状物由单独的马达来驱动； 且马达还绕基本竖直轴线旋转。迄今为止，根据该专利的教导还只能有限地实施于海船的推进器中。
公开日为2005年4月12日的美国专利No. 6877692B2 (LIU)公开了一种用于潜艇 的推进系统。该专利教导了基于薄片部件的“富尼(thimi)形式”运动。薄片部件安装在 船体上，用于彼此相向和远离地往复摆动运动，从而由于水在薄片部件之间压缩而产生向 前运动。该专利并没有提出使用鳍状物推进器用于水面船只。W099/06272A1 (R. R. SAIL INC)教导了用于水上船只的推进系统，它有伸入水线下 面的推进装置。该推进装置包括一对鳍状片，各鳍状片用于沿相对于水上船只的中心纵向 尺寸的大致横向方向摆动通过弓形通路。与该推进装置操作连接的装置用于向推进装置施 加输入力。当沿弓形通路沿两个方向运动时，鳍状片扭转，以便相对于水上船只的纵向尺寸 形成攻角，用于提供向前的推力。
US6877692B2(LIU PENGFEI等)教导了一种推进系统，该推进系统基于薄片部件 的“thimi形式”运动，以便使得船只例如无人潜艇获得合适方向的运动。一对薄片部件安 装在船体上，用于彼此相向和远离地往复摆动运动，从而由于流体介质在薄片部件之间压 缩以及压缩流体朝着薄片部件的后面排出而产生向前运动。各薄片部件安装在枢轴上，用 于相对船体进行限制的旋转运动。阻尼装置连接于各枢轴和它的相连薄片部件之间，这样， 在推进系统的操作过程中，阻尼力矩将偏离由流体介质施加在薄片部件上的水力负载。阻 尼装置还将控制薄片部件在操作过程中的倾斜角度，意味着当在零前进速度下运动时对于 刚性薄片部件产生推力。申请日为2003年4月3日的W003/026954A1 (Inocean)提出了一种利用正弦图形 的运动来用于推进或能量回收的系统。该系统包括多个刚性船体元件，这些船体元件布置 成排，并可旋转地相互安装，用于绕平行的旋转轴线进行旋转，该旋转轴线横过该排船体元 件的纵向尺寸。系统还包括用于使得船体元件彼此相对旋转的运动装置或者用于回收能量 (由于船体元件彼此相对旋转)的运动装置。
公开日为2006 年 4 月 13 日的 W02006/038808A1 (ClavisBiopropulsion)提出了 一种包括至少一个横向平移鳍状物的装置。该装置包括起动和驱动装置，允许鳍状物基本 自由地进行摆动运动。装置通过由驱动装置形成的脉冲来操作，很多循环和弹簧用于储存 由驱动装置提供的脉冲能量。目前已知的鳍状物推进系统还有很多不足之处，其中的一些是没有教导这样的方案，其中，在横向平面中，由于摆动或平移装置的力(包括由鳍 状物引起的反作用力)引起的较大力、由于摆动或平移部分引起的加速和减速力以及船体 在系统上引起的反作用力都减小，并由船体安全和可靠地吸收，同时摩擦损失最小；以及没有教导这样的方案，其中，在纵向平面中，由推进力(包括在船体上的反作用 力)引起的较大力以安全和可靠的方式传递给船体，同时摩擦损失减小。而且，现有技术没有提出一种横向平移的鳍状物推进系统，其中推进动力源是用 于海船的普通发动机，且该发动机直接或间接地与推进系统机械连接。摆动推进部件所需的平移速度很高，有时达到lOm/s。根据特殊用途，施加在系统 上的G力可以很容易达到5G，证明需要非常刚性的支承结构来用于摆动推进系统的操作。
发明内容
本发明的目的是提出一种推进机构，它利用已知的横向平移和拍动的薄片或鳍状 物，如上所述，不过，根据本发明，这是一种明显优于现有技术的可操作机构。一些优点是提供了简单和可靠的系统，该系统使得普通的两冲程或四冲程船用发动机(布置 成使它的曲轴定向成与船只的基线基本平行)能够与鳍状物推进器结合使用，其中，鳍状 物驱动成相对于船只的纵向轴线横向平移。提供了一种系统，该系统能够对付由一个或多个以下装置引起的较大力a)用于与水推进相互作用的装置；b)由系统自身引起的力；以及c)由船体的偏转引起的力。 根据本说明书的引言部分构成的推进系统将导致上述明显优点，特别是当推进动力源的输出轴的第一旋转轴线与鳍状物或薄片的第二旋转轴线形成角度(α)时。而且，根据一个实施例，推进动力源的第一旋转轴线与所述船只的所述纵向轴线 基本平行，且鳍状物或薄片的第二旋转轴线定向成使得角度(α)为90° +/-45°或者更 小，例如90° +/-30°，或者甚至90° +/-20°。根据一个实施例，鳍状物或薄片通过至少两个连接点而与托架连接，从而使得鳍 状物或薄片能够绕第二轴线旋转。根据一个实施例，推进机构包括至少两个托架，一个布置在另一个前面，其中，用 于使得一个或多个托架平移的装置至少局部布置在它们之间。根据一个实施例，用于使得托架平移的装置的至少一部分向推进机构提供飞轮效果。根据一个实施例，由船体、鳍状物或薄片和用于使得托架平移的装置施加在至少 一个托架上的力以及该力合成的力矩将至少部分通过托架来传送或传递，并由至少两个轴 承来支承。 根据一个实施例，托架容纳用于向鳍状物或薄片施加旋转运动的装置。根据一个实施例，用于使得鳍状物或薄片旋转的装置控制成在鳍状物或薄片和推 进船只的水之间获得最佳或合适的功角。根据一个实施例，一个或多个托架由一个(优选是单个)推进动力源来提供动力。根据一个实施例，托架并不容纳鳍状物或薄片。根据本发明的另一方面，提供了一种根据说明书的教导通过推进机构来推进海船 的方法。
图1表示了海船的原理性的侧剖图，该海船准备通过拍动的鳍状物或薄片来推进。图2表示了图1的海船的原理性的俯视图。图3表示了包括本发明的推进机构的海船的原理性的横剖图。图4表示了包括本发明的推进机构的海船推进设备的原理性的侧剖图。上图中所示的要素以相互方便的比例表示，只是用于图示目的。
具体实施例方式图1表示了海船1的侧剖图，该海船包括布置在它的船体2中的发动机室或推进 设备20。成鳍状物或薄片2形式的、用于推进的装置可以看见从推进设备20下面的区域伸 出。用于推进的装置的至少一部分在正常工作条件下浸没在水线30下面。图2表示了图1的海船的局部俯视图。图3是穿过海船1的发动机室或推进设备20的横剖图。摆动或平移托架3布置 在船体2中，并与鳍状物或薄片4形式的推进装置连接。图4是表示本发明的推进机构的原理性的侧剖图。托架3第二部分上通过能够使得托架3摆动或横向平移的装置而与推进动力源10 连接，该推进动力源10有输出轴，该输出轴确定了第一旋转轴线17。
托架3在第二部分上与鳍状物或薄片4连接，如前所述。鳍状物或薄片4通过至少两个连接点5、16而与托架3连接。连接点5、16可以构 成轴承，从而允许鳍状物或薄片4绕第二旋转轴线6旋转。第一旋转轴线17与第二旋转轴线6形成角度α (图4中表示)。根据该实施例，角度可以是钝角、锐角或平角(straight angle)。角度α将基本 由鳍状物或薄片4相对于基本水平的线17(该线17由发出推进动力的发动机10的曲轴来 确定)的倾斜度来确定。在传递旋转推进动力的轴线17和鳍状物或薄片4之间形成角度解决了非常希望 的、通过鳍状物或薄片来实现推进的问题，该鳍状物或薄片由普通、经济、可靠和可获得的 能量源来提供动力。 推进动力可以源自于一个或多个发动机，例如低速或中速发动机。而且，利用由燃 气、蒸汽或者甚至核能驱动的任何类型涡轮也可以实现本发明。如上所述，推进装置4可以构成鳍状物或薄片，适合通过利用鳍状物或薄片的摆 动或横向平移的鳍状物推进来进行推进。推进装置4的特性可以选择为当如本说明书的引言部分所述操作时获得最佳的 推力。托架3可以容纳用于使得推进装置4枢轴转动或旋转的装置7。该装置7可以为 各种不同结构形式，例如电或液压马达、活塞(压头)、机械连杆(包括弹簧)等。托架3可以形成能够使得托架3摆动或横向平移的装置8的一部分，例如形成与 可旋转传动元件连接的曲柄装置的一部分。图3和4表示了用于摆动或横向平移的装置，该装置特别包括位于从动轮11上面 的驱动轮8。用于摆动或横向平移的装置在驱动轮8位于从动轮11的底侧、内侧或者甚至 侧部的实施例中将证明同样有利。驱动轮8和从动轮11可以构成为齿轮(相互接合或不接合)、摩擦驱动器、皮带/ 链驱动器或者任意其它合适的驱动机构。而且，可以在用于使得托架3摆动或横向平移的装置和推进动力源10之间布置偏 移齿轮(未示出)，从而可以将推进动力源布置在合适位置。托架3可以形成密封结构的一部分，其中，密封结构操作成用于密封和分隔的装 置，即使得船体2的内部与船体2的外部环境分开。托架3可以由软钢、高强度钢、不锈钢或任意其它合适材料(例如纤维增强塑料或 纤维增强金属)来制造为整体部件或者元件或者相互连接的部件。而且，托架3可以制造 成任意合适型面，例如管形元件的焊接结构、开口网、或者甚至由非金属材料制造的蜂窝结 构。根据一个实施例，两个推进系统(分别在左舷侧和右舷侧)布置在海船的船体中。系统可以由一个推进动力源10来驱动，该推进动力源10可以构成低速两冲程主 发动机，该发动机与传动装置直接或间接地连接，该传动装置可以形成横向平移或摆动装 置的一部分。如图2中所示，系统可以布置成偏离船只1的纵向方向。使系统偏离可以提供用 于托架5起伏运动的空间，包括提供用于横向平移或摆动密封装置的空间。
摆动装置布置在托架3之间，该摆动装置还可以包括两个曲轴，各曲轴作用在一 个托架5上，如图4中所示。而且，摆动装置可以使得机构有飞轮效果。另外的飞轮(独立或并不独立)还可以提供给系统。任意飞轮可以方便地通过一个或多个齿轮传动来驱动，且飞轮可以通过一个或多个连接件或离合器而与系统连接。当系统操作时，推进动力源使得第一齿轮8旋转，该第一齿轮8与第二齿轮11啮
I=I O两个齿轮8、11可以一起形成齿轮传动，它可以由各种参数来确定，例如选定主发 动机的特征和推进元件的选定特征等。第二齿轮11可以在前后侧在180°角度位移下提供有轴颈12，该轴颈12可以与 滑动装置13连接。滑动装置13可滑动地与滑动杆14相互连接，该滑动杆14与托架3刚性连接。当第二齿轮11旋转时，滑动装置13沿滑动杆14纵向操纵，同时横向结果使得托 架3摆动或平移，从而通过推进装置4而将推进动力传递给环境。上述优选实施例决不能认为是限制本发明的范围。由船体2、推进装置4和摆动或横向平移装置施加在托架3上的力(包括它们形成 的力矩)至少部分通过托架3来传递，并由至少两个轴承9来支承。轴承9优选是可以包 括至少两个边界自由度。由船体2和推进元件4施加在托架3上的力的分量可以在纵向平面中通过托架3 以这种方式传递，使得托架3的任何结构受到相关力矩低于1/5参考力矩。在纵向平面中 的力由至少两个轴承来支承，这两个轴承与船体相比有至少两个边界自由度。本发明的推进系统可以在各种结构下布置或提供于海船的船体2中，其中的一些 是A.左舷侧和右舷侧系统沿纵向方向偏移，如图2中所示；B.两个系统完全或者局部地并排布置或者沿纵向一个布置在另一个前面；以及C.单个系统基本布置在船只的纵向中心线8上。本发明的推进机构决不是局限于一个结构在另一个结构上方。因为作用在船体上的力(例如来源于推进系统的部件的加速，即振动)以及传递 给环境的推进动力的横向分量(即水力)优选是可以抵消或补偿，因此，在某些实施例中， 包括两个或更多系统的实施例优于只包括一个推进系统的系统(上述条目C)。在根据上述条目C的实施例中，作用在船体上的力通过某些专用结构来抵消/补 偿或平衡。平衡问题包括两个方面，它们可以分成两个分量平衡/抵消来源于质量(即推进系统的部件)加速的侧向力；以及平衡/抵消来源于水力的侧向力。而且，平衡问题还可以包括能量方面，因为托架5所需的能量循环有恒定分量和 较大幅度的摆动分量，它们可以以控制方式来提供。振动问题通过提供第二平移元件或托架(有或没有鳍状物)来解决，该第二平移 元件或托架通过仔细选择质量、相移、振幅和可能的水力而大致抵消上述不利的斜向一边的力。关于能量方面的问题可以通过下面两种提议来解决，它们能够抵消由于鳍状物或 薄片4与水相互作用而产生的斜向一边的力提供两个平移元件，它们的振动质量彼此相等，因此构成具有谐振能量特征的系 统，并选择它的相移，使得它的能量循环的相位与系统(托架和脉冲配重)的能量循环相 反，从而构成更大的系统，该更大系统需要在整个循环限制能量供给变化，并因此可以由普 通动力源来驱动，例如柴油发动机、电驱动器等；或者将至少一个飞轮布置在该系统上，该飞轮可以与曲轴连接，该曲轴再通过滑动器 而与托架3连接，该飞轮在需要时储存能量或向系统(托架+脉冲配重+动力源)供给能 量，因此保证曲轴的基本恒定转速，该曲轴要求托架谐调平移。振动(优选是该振动也与脉冲相等)可以较大，并可以通过质量(而不是通过相 反运动的鳍状物)来补偿。关于振动方面的问题可以通过第二平移元件或托架来解决，从而由于质量加速和 仔细选择与托架3的相移来抵消由托架/平移元件的加速/减速产生的力，其中，平移元件 和托架具有质量，并显示了摆动横向力，这至少部分抵消了由所述托架5(包括容纳的推进 装置4)引起的横向力。而且，振动问题和平衡问题可以通过改变机械特性例如改变质量和改变半径的结 构来抵消。如上所述，推进元件4的旋转或枢轴转动可以通过装置7来实现。装置7可以控制 拍动的薄片或鳍状物，使得鳍状物的平均倾斜角小于由船体周围的水流和平移元件或托架 5的平移速度引起的显见流动角度，用于有效推进，这样，当向前推进时，由于流过鳍状物而 引起的升力平均地向前引导。定义横向平面由鳍状物的旋转轴线和托架的平均摆动方向确定的平面。该平面可以 向前或向后倾斜，并可以稍微朝向左侧或右侧。纵向平面由垂直方向和与横向平面垂直的方向确定的平面。参考力矩由摆动装置施加的最大力乘以鳍状物的跨距而得到的值。应当强调，当用于本说明书中时，术语“包括、包含”用于规定存在所述特征、整数、 步骤或部件，而并不排斥存在或添加一个或多个其它特征、整数、步骤、部件或者它们的组。
权利要求
一种用于海船的推进机构，它通过水接合鳍状物或薄片(4)来推进，该鳍状物或薄片(4)驱动成使得所述鳍状物或薄片(4)沿基本横向于所述海船的纵向轴线的方向平移，所述机构特别包括至少一个推进动力源(10)，该推进动力源有输出轴，该输出轴形成第一旋转轴线(17)；至少一个托架(3)，该托架布置在所述海船的船体(2)中，并将来自所述推进动力源(10)的推进动力传递给所述鳍状物或薄片(4)；用于使得所述托架(5)平移的装置(8)，它特别包括曲柄；使得所述鳍状物或薄片(4)与所述托架(3)连接的装置，该装置使得所述鳍状物或薄片(4)能够以控制方式绕第二旋转轴线(6)旋转，其特征在于所述第一旋转轴线(17)与所述鳍状物或薄片(4)的所述第二旋转轴线(6)形成角度(α)。
2.根据权利要求1所述的推进机构，其中所述推进动力源(10)的所述第一旋转轴线 (17)与所述船只的所述纵向轴线基本平行，且所述鳍状物或薄片(4)的所述第二旋转轴线 (6)定向成使得角度(α)为90° +/-45°。
3.根据权利要求1或2所述的推进机构，其中所述鳍状物或薄片(4)通过至少两个 连接点(5) (16)而与所述托架(3)连接，从而使得所述鳍状物或薄片(4)能够绕所述第二 轴线(6)旋转。
4.根据权利要求1所述的推进机构，其中该机构包括至少两个托架(3)，一个布置在 另一个前面。
5.根据权利要求4所述的推进机构，其中用于使得所述托架(5)平移的所述装置(8) 至少局部布置在两个托架(3)之间。
6.根据前述任意一个权利要求所述的推进机构，其中用于使得所述托架(3)平移的 所述装置(8)的至少一部分向所述推进机构提供飞轮效果。
7.根据前述任意一个权利要求所述的推进机构，其中由所述船体(2)、所述鳍状物或 薄片(4)和用于使得所述托架(5)平移的所述装置(8)施加在所述至少一个托架(3)上的 力以及所述力合成的力矩将至少部分通过所述托架(3)来传送或传递，并由至少两个轴承 (9)来支承。
8.根据前述任意一个权利要求所述的推进机构，其中所述托架(3)容纳用于向所述 鳍状物或薄片(4)施加旋转运动的装置(7)。
9.根据权利要求8所述的推进机构，其中用于使得所述鳍状物或薄片(4)旋转的所 述装置(7)控制成在所述鳍状物或薄片(4)和推进所述船只的水之间获得最佳或合适的功
10.根据前述任意一个权利要求所述的推进机构，其中一个或多个托架(3)由一个推 进动力源(10)来提供动力。
11.根据前述任意一个权利要求所述的推进机构，其中至少一个托架并不容纳鳍状 物或薄片⑷。
12.一种通过如前述任意一个权利要求所述的推进机构来推进海船的方法。
全文摘要
海船推进机构使用摆动鳍状物(4)。该机构包括托架(3)，该托架将来自推进动力源(10)的推进动力传递给鳍状物(4)。还提供了摆动装置，该摆动装置由具有第一旋转轴线(17)的推进动力源(10)来驱动，用于使得托架(3)摆动。鳍状物(4)可绕第二旋转轴线(6)旋转，其中，第一旋转轴线(12)与第二旋转轴线(6)形成角度α。鳍状物通过两个连接点(5)、(16)而与托架(3)连接。摆动装置可以布置在两个托架(3)之间，且摆动装置使系统有飞轮效果。力施加在托架上，通过托架(3)传输，并由轴承(9)支承。
文档编号B63H1/32GK101909983SQ200880124301
公开日2010年12月8日 申请日期2008年12月9日 优先权日2007年12月10日
发明者J·霍弗特·韦尔梅登 申请人:A.P.穆勒-马士基有限公司