(57)【要約】【解決手段】高効率の船艇推進システムであって、継続的に水没して動作し、非円形で可変面積のポンプ吐出開口部を頼りとし、高速度のウォータージェット流れと取り囲む水の実質との間の液圧的な反作用を最大化するように構成、配置、及び向けられ、容積式ポンプによって駆動される。【選択図】図７
2008543623.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
船艇のためのウォータージェット推進装置であって、この装置が、
水のジェットを吐出するための吐出ダクトであって、前記ダクトは吐出開口部を形成し、吐出開口部は前記船艇の下に配置されて、常に完全に水没しているような、上記吐出ダクトと、
前記吐出ダクトの内部に配置された可動要素であって、前記吐出開口部の横断面積を変化させるように働く、上記可動要素と、
を備えていることを特徴とするウォータージェット推進装置。
【請求項２】
前記船艇は船殻を含み、前記吐出開口部は、吐出された水のジェットが、前記船殻における水没した部分に沿って流れるように配置されていることを特徴とする請求項１に記載のウォータージェット推進装置。
【請求項３】
前記吐出ダクトから前記吐出開口部を越えて延在する唇部をさらに備え、前記船殻に対して実質的に平行な表面を形成し、これに沿って前記吐出された水のジェットが流れることを特徴とする請求項２に記載のウォータージェット推進装置。
【請求項４】
前記吐出開口部は、略台形の斜面を形成する横断面を有し、上側及び底側は平行であり、横側は直線状又は曲線状であることを特徴とする請求項１に記載のウォータージェット推進装置。
【請求項５】
前記可動要素は、２つの平坦な平行面と、２つの対向面とを備え、２つの対向面が形成する楔の頂点は、前記吐出ダクトの内部から、前記吐出開口部を通った外部へと、可変式に拡張可能になっていることを特徴とする請求項１に記載のウォータージェット推進装置。
【請求項６】
前記可動要素は、前記吐出ダクトの内部において前記可動要素に直接衝突する水の流れが発生させる力によって、船殻の船尾端へ向けて動かされることを特徴とする請求項５に記載のウォータージェット推進装置。
【請求項７】
前記可動要素を事前に定めた位置へと付勢するバネによって、前記力が抵抗を受けることを特徴とする請求項６に記載のウォータージェット推進装置。
【請求項８】
前記バネは、前記可動要素の内部に配置されていることを特徴とする請求項７に記載のウォータージェット推進装置。
【請求項９】
前記バネは、非線形のバネ定数を有していることを特徴とする請求項８に記載のウォータージェット推進装置。
【請求項１０】
前記可動要素を事前に定めた直線位置へと位置決めする液圧ピストンによって、前記力が抵抗を受けることを特徴とする請求項６に記載のウォータージェット推進装置。
【請求項１１】
前記吐出ダクトの内部に、１又は複数の追加的な可動要素が配置され、前記吐出開口部の横断面積を変化させることを特徴とする請求項１に記載のウォータージェット推進装置。
【請求項１２】
ウォータージェットの吐出速度を変化させるように構成され、すべての運転状態の下で液圧損失を最小化するように向けられた、ポンプ吐出開口部を備えていることを特徴とするウォータージェット推進装置。
【請求項１３】
前記吐出開口部は、吐出されたウォータージェットの上向き及び下向きの拡散を制限するように、配置され及び構成されていることを特徴とする請求項１２に記載のウォータージェット推進装置。
【請求項１４】
充分な圧力及び水流を発生させるために、容積式ポンプが使用されていることを特徴とする請求項１２に記載のウォータージェット推進装置。
【請求項１５】
ウォータージェット推進式の船艇であって、この船艇が、前記船艇を支持する船殻であって、前記船殻は船尾端を有している上記船殻と、ウォータージェットを後方へ導く吐出ダクトであって、前記ダクトは平面を形成する吐出開口部を有し、前記平面は、前記船殻の下方及び船殻の船尾端の前方に配置されているような上記吐出ダクトと、を備えていることを特徴とする船艇。
【請求項１６】
前記ウォータージェットは、容積式ポンプからの流れによって発生することを特徴とする請求項１５に記載の船艇。
【請求項１７】
前記吐出ダクトは、ウォータージェットの速度を変化させるように構成された、可動制御面を具備していることを特徴とする請求項１５に記載の船艇。
【請求項１８】
前記可動面は楔を形成し、楔は、前記吐出開口部によって形成された前記平面内へ動けるようになっていることを特徴とする請求項１６に記載の船艇。
【請求項１９】
前記可動面は、平行になっていて、実質的に水平な方位に摺動することを特徴とする請求項１７に記載の船艇。
【請求項２０】
前記吐出ダクトは、吐出されたウォータージェットの下向きの拡散を制限するために、ポンプ吐出面を越えて後方へ延在する表面を具備していることを特徴とする請求項１４に記載の船艇。
【請求項２１】
前記ウォータージェットは、スライドベーン型ポンプによって発生することを特徴とする請求項１５に記載の船艇。
【請求項２２】
前記ウォータージェットは、二重反転ローター型ローブポンプによって発生することを特徴とする請求項１５に記載の船艇。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的には、ウォータージェット推進装置に関し、特に、ウォータージェットが吐出されるオリフィスの領域を変化させる装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
船艇の速度に対して、船艇から吐出されるウォータージェットの速度は、そうしたシステムの効率に直接的な影響を与えることが良く知られている。推進効率は、燃料消費に関して測定されるか、船の速度に関して測定されるかにかかわらず、ウォータージェットの吐出速度と流量との両方の関数である。ウォータージェットの吐出速度は、もちろん、ポンプの出力流量によって制御できるけれども、ジェットの速度は、水が吐出されるオリフィスの横断面積を変化させることによっても制御できる。従って、与えられたポンプ出力において、吐出オリフィスの横断面積を増加させると水の吐出速度が減少し、一方、横断面積を減少させると前記速度が増加するように働く。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
吐出オリフィスの面積を変更できる能力は、広範囲の運転状態にわたって推進効率を著しく高め、それにより、燃料消費を減少できることが長い間、認識されてきた。任意の様々なパラメータの関数として、水の吐出速度を制御する様々な機構と共に、面積及び流路の形状の両方について可変である吐出オリフィスのために、円筒形、円錐形、半球形、又はこれらの組合せからなる、様々な構造が示唆されてきた。それにもかかわらず、さらに高い効率が求められる。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は、船艇の推進に使用される、水没したウォータージェットの力学を制御するような、高効率のポンプ吐出システムを提供する。より詳しくは、システムは、横断面積を連続的に変化させられる、吐出開口部の構造を有してなるダクトを具備している。前記吐出では、実質的に台形である横断面形状を有する開口部を使用している。平行な側部を横断する、吐出開口部の側部は、直線状又は曲線状であって、矩形を形成するように、実質的に平行である。さらに、吐出ダクトは、船艇における船殻の水没した部分に配置され、ポンプが吐出した流れは、周囲の水の中に排出され、それにより、直接的な流体の結合を作り出し、それにより、スラスト効率を高める。
【０００５】
一般的に平坦な底部を有する船では、ダクトの吐出開口部は、一般に、水平に向けられてテーパの付いた台形のダクトを形成している。大きな船では、屈曲した船殻における水没した部分に、様々な方位にて、複数のダクトが据え付けられる。輪郭をもった又は略楔形状の制御要素がダクトの内部に可動に配置され、その幅狭の端部は、吐出開口部の出口を通して可変式に拡張可能になっている。制御要素は、それにより、吐出開口部の中央部分を塞ぐように働き、水が流れるように開いて残される、合計の横断面積を減少させる。その楔形状は、制御要素が吐出開口部を通して並進して出ると、吐出開口部の横断面積の大きな部分を徐々に塞ぐように働き、その結果、ウォータージェットの速度が増加する。逆に、制御要素を引っ込めると、横断面積を増加させるように働き、それにより、ウォータージェットの速度を減少させる。
【０００６】
楔形状の制御要素の直線位置は、任意の数の動作手段によって並進され、限定はしないが、それらには、機械的な、液圧的な、又はサーボ電子のシステム、または、これらの組合せが含まれる。様々な異なる制御手段は、制御要素が実際に動かされる位置を統制するために、限定はしないが、手動選択、ポンプ出力の直接動作、または、例えば、複数のパラメータを考慮して最適な設定を計算するマイクロプロセッサなどの、より洗練されたシステムを頼りにする。好ましい実施形態は、制御部材を引っ込んだ位置へと付勢するために、単にバネの作用に頼っている。ポンプ出力の流量が増加して、制御要素の前面に衝突する水流の力が増加すると、バネの付勢は克服されて、吐出ダクトにおける上下の平行面の間に垂直に拘束されている制御要素は、吐出開口部へ向けて直線的に移動し、それにより、流速をさらに増加させる。
【０００７】
吐出開口部の位置及び向きは、本発明によるウォータージェット吐出システムの推進効率をさらに高めるように働く。従って、吐出開口部は、常に水没して維持されるように配置され、吐出されたジェットと取り囲む水の実質との間に直接的に液圧的な反作用を作り出す。吐出開口部を、船殻の後縁の実質的に前方の位置にて、船殻の底部から延びるように配置することによって、ダクト上面の平面における吐出開口部の船殻船尾の部分は、ジェットが上方へ拡散するのを防ぐ。さらに、吐出開口部の船尾側におけるダクト底面の延長部は、ダクト下面の平面におけるジェットの外側への拡散の量を制限する。吐出されたジェットを、船殻と、吐出開口部の船尾側のダクト延長部との間に拘束することによって、吐出された流れの多くの部分が拘束され、所望のスラストの方向、つまり進行方向に直線に並んだ方向に対して、実質的に平行に維持される。その結果、ポンプの吐出が自由に拡散する場合に比べて、軸線スラストないし船の駆動力は増加する。
【０００８】
ポンプの吐出開口部を船艇の船殻の下方に配置することは、水のジェットの吐出の有効性を高めることが見い出されたけれども、吐出ハウジングは、そうした重要な位置において、その存在による流体力学的な衝撃を最小化するように形成することが重要である。吐出ダクトの外面の部分的な半球形状は、船殻の均一な表面を越えて延びるダイナミック・ドラッグ・プロフィール（dynamic drag profile）を最小化するように働き、ダクトと周囲の船殻表面との間の交差面の滑らかな混合（blend）は、表面全体にわたる層流を促進し、それにより、流体の動的な引きずりを最小化する。
【０００９】
最後に、本発明による吐出システムの効率を最大化するためには、吐出ダクトの上流側に充分な流量及び圧力水頭を供給することが必要であって、吐出開口部の平面及び液体混合領域内における液圧反作用を最大化すべく、吐出流量が、吐出ジェットと隣接する水の実質との間にて、最も効率的な速度比率を維持できるようにする。前述した圧力水頭の要求条件のために、水流を発生させるために容積式ポンプを用いることが好ましい。様々な容積式ポンプのうち、任意のものが使用され、それらには、例えば、スライドベーン、噛み合う歯車、ジェローター（gerotors）、又はモワノー式のデザインを用いた構成があり、これらはすべて広範囲のローター速度にわたって高いポンプ効率を有している。ポンプは、例えば内燃機関及び電気モータを含む、任意のタイプの動力装置によって駆動される。
【００１０】
本発明のこれらの及びその他の利点は、本発明の原理を例示的に示した添付図面と関連ざせた、好ましい実施形態についての以下の詳細な説明から明らかになるだろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明によるポンプ送出システムは、船艇の推進に使用されるような、ウォータージェットの効率を高める。図面には、好ましい実施形態による吐出システムについて、その構成、吐出開口部の横断面積を変化させる機構、及びその船艇に対する配置に関して一般的に示している。
【００１２】
図１は、船艇１２を示した側面図であって、本発明による吐出システムが取り付けられた船殻の底を示している。吐出ハウジング１４は、船殻の下側に配置され、吐出開口部１６があらゆるモードの運転中に、いつでも確実に水没して維持される。低速からの最大加速又は最大速度の下でさえ水没していることで、液体のジェット流れと、隣接する比較的静止した水の実質との間の液圧反作用を常に最大化することができる。図１に示すように、吐出開口部は、船殻の船尾縁１８から充分に前方に配置されている。吐出ハウジングの前面は、略球形の輪郭１５を有し、船殻への移行部に沿って滑らかな半径１７にて混和している。
【００１３】
図２は、船艇の背面図であって、本発明による吐出システムが取り付けられている。吐出ハウジング１４は、船殻の底面２２の中央に示され、略球形の前方輪郭１５の続きはハウジング１４の底面に沿って延びている。制御要素２４と、吐出開口部１６も、明示されている。
【００１４】
図３は、船殻２２の底部から延在した吐出ハウジング１４を示した拡大側面図である。その前面１５は、混和半径１７にて、周囲の船殻と混和し、一方、吐出開口部１６の領域におけるその船尾端は、輪郭を描く端部を通って、実質的に垂直な切断部を形成している。可動な制御要素２４によって、吐出開口部１６の横断面積は変更可能になっていて、この要素は吐出開口部から突出している。さらに、底部唇部２６が見えていて、吐出ハウジングの底面から、吐出開口部を越えて延びている。
【００１５】
図４は、船殻２２の底部から延びた吐出ハウジング１４を示した拡大背面図である。明瞭に見えているように、可動な制御要素２４は、非円形の吐出開口部１６の内部の中央に配置され、平行な上下の制御面３９，４１上にて制御要素は摺動する。
【００１６】
図５は、図３の線４−４に沿った拡大断面図である。可動な制御部材２４は、吐出ハウジング１４の内部の中央に配置され、滑らかに屈曲した表面を形成してなる前方部分２８を具備し、制御部材のまわりにて、水流を分割して迂回させるように働く。制御部材の船尾部分３０は、一般的に、楔形状の横断面を形成している。制御部材は、完全に引っ込んだ位置にて示され、楔形状の端部における小さな部分だけが、吐出開口部１６を越えて外部へ延びている。そうした位置においては、制御部材は、吐出開口部の全横断面積の最小量を塞ぎ、それにより、水流が吐出される横断面積の大きさを最大化する。
【００１７】
さらに、図５には、案内部材３２と案内ピン３４とが示され、これらは、制御部材に形成された、それぞれのスロット３６，３８に収容されている。そうした要素は、制御部材の動きを拘束するように働き、制御部材２４をその長手軸線に沿ってのみ可動とし、さらに追加的に、拡張及び引っ込みの最大量を制限するように働く。さらに、これらの要素は、吐出ダクト１４の底面と底部唇部２６とを頼りにして支持され、吐出ハウジングの内部領域と周囲の水の実体との間の高い圧力差を受けたときに、それぞれの構成要素の変形を防ぐ。これらの図面に示した特定の実施形態においては、制御部材を完全に引っ込んだ位置へと付勢するために、圧縮バネ４０を頼りにしている。バネのバネ定数は、ポンプからの水流が増加すると、制御部材が線形速度にて後方へ伸びて、予想可能な直線位置に対応し、所望の吐出流面積が得られるように選択される。また、可変定数バネを使用して、比較できるポンプ流量にて、制御部材の代替的な位置決めを提供しても良い。
【００１８】
図６は、制御部材２４が完全に拡張した位置を示していて、この位置は、吐出ダクト１４の上流側のポンプ（図示せず）で発生した水流によって、制御部材の前方部分の前面に働く力に反応して得られる。静止した案内部材３２及び案内ピン３４は、制御部材が横方向に偏向するのを防ぎ、それぞれのスロット３６，３８の近位端に接触すると、その後方への動きを制限する。また、案内ピン３４は、吐出ジェットが働かせる圧力によって潜在的に生じる、底部唇部２６の下向きへの変形又は偏向を防止する。
【００１９】
図７は、図５の線６−６に沿った断面図である。図面は、吐出開口部１６の配置と、船艇の船殻２２の下方にある吐出ダクト１４の部分とを明瞭に示している。流れは、不図示のポンプによって発生し、ポンプは、吐出ダクトに対して比較的離れた前方位置に配置される。さらに、この図では、ダクトの上部３９及びダクトの底部４１の平行面と、案内ピン３４との間の相互結合が見えている。案内ピンと、静止した案内要素３２とは、ダクトの底面４１と底部唇部２６とを安定化させるように働き、液圧力で生じ得る変形を防止する。ダクトの底面４１が偏向及び／又は変形すると、制御要素２４の滑らかな動作が害され、また、制御要素２４と、ダクトの上面３９又は底面４１との間に水流が許容される。さらに、底部唇部２６の偏向は、吐出されたウォータージェットの下向きへの拡散を防止する、その能力を劣化させるだろう。
【００２０】
図８は、本発明の好ましい実施形態を示していて、容積式ポンプ、より詳しくは、二重ローター式マルチローブ容積式ポンプ４２に頼って水流を発生させ、水流は、完全に引っ込んだ位置にて示される制御要素２４を通過し、吐出開口部１６を通る。個々のローターは、図示のように垂直な平行軸線を中心として回転し、または、水平面に対して傾斜して配置される。ローターは、単一の動力装置によって、または、複数の動力装置によって駆動される。二重ローブポンプの構成は好ましく、というのは、ローターローブは、容積式に水を送る間、決してハウジング面に実際に接触せず、また、ポンプは完全に反転可能であって後進スラストを許容するためである。前進スラストは、ローター４２の反転によって提供され、その回転方向は重ね合わせた回転矢印で示され、構造グリル４４を通してポンプの上流側に水を引き入れ、輸送ポケット４８の内部にて加速され、その後に、吐出ハウジング１４の内部の制御部材２４に向けて押し出される。制御部材２４の前面に働く、移動する水の衝撃による軸線力は、部材の本体を船尾へと移動させる。本発明のこの実施形態では、液圧ピストン３４を用い、供給ポート３３からピストンチャンバ３５へと供給される液圧流体の体積に依存して、制御部材２４をその完全に引っ込んだ位置から、図９に示したその完全に拡張した位置へと可変式に位置決めする。ピストンは、案内要素３２に収容され、案内要素は、吐出ハウジングの上面から下面４６へと延びている。ハウジングの底面４６及び唇部延長部２６のための構造的な支持は、案内要素３２及び中央の案内ベーン４５によって供給される。ポンプは、任意のタイプの動力装置によって駆動され、それらには、例えば、種々の（ubiquitous）内燃機関又は電気モータが含まれる。
【００２１】
図９は、図８の囲み領域９を示した拡大図であって、単一の制御要素２４について、完全に拡張した位置を示している。制御部材を船尾側へ移動させる力は、制御要素の前面２８に働くポンプ流の衝撃によって供給されるけれども、その正確な軸線位置は、案内要素３２の内部に収容されたピストン３４の軸線位置によって固定され、通路３３は液圧をチャンバ３５に出入りさせ、制御要素２４の軸線位置を確立する。
【００２２】
図１０は、図９の制御要素の変形例による実施形態を示している。二重動作液圧ラム３４ａは、制御要素をより正確に位置決めする。制御要素は、それにより、ポンプ流のいかなるサージにもかかわらず、所望の位置を維持することができる。チャンバ３５に出入りする液圧流体の流れは、通路３３を通り、チャンバ３６に出入りする液圧流体の流れは、通路３７を通る。
【００２３】
動作に際しては、容積式ポンプと可変式の横断面積を有する完全に水没した吐出開口部とを関連させて頼ることで、ポンプ容量の全範囲にわたって、極めて高い推進効率が生み出される。吐出開口部の横断面積を調節することで、吐出ジェットの速度を設定して、船を最良の燃料効率にて推進させ、または、望むならば、重量、排水量、及び天候条件など、広範囲の船の運転パラメータにわたって最大の駆動力を提供する。水没した可変領域吐出開口部と、船殻への据え付け位置及び底部唇部との組合せは、ウォータージェットの拡散を制限するように働き、それにより、吐出平面１６の船尾側における動的な混合損失を最小化し、液圧反作用を最大化することができる。最後に、容積式ポンプを使用することで、充分な圧力が発生して維持され、所望のジェット速度が得られ、液体吐出と周囲の水の実質との間に最も効率的な液圧反作用が生じる。従って、ポンプ出力の全動作範囲にわたってウォータージェットが発生させるスラストを最大化できる範囲で、総合的な性能の増加が実現される。従って、ハウジングを去る水の吐出速度を任意の所定の船の速度において最適化し、最小限の燃料を用いた可能な最も高い推進効率を生み出すことで、総合的なエネルギー消費は著しく減少する。
【００２４】
本発明の特定の形態について図示して説明したけれども、本発明の精神及び範囲から逸脱せずに、様々な変更を行えることは当業者には明らかである。従って、本発明は、特許請求の範囲以外によっては限定されることを意図しない。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の好ましい実施形態による、船殻の底面から延在した、可変領域吐出システムにおける吐出ダクトの一般的な形状及び代表的な位置を示した、底部が平坦なボート船殻の側面図である。
【図２】図１の好ましい実施形態を示した背面図である。
【図３】図１の吐出ダクトを示した拡大側面図である。
【図４】図２の吐出ダクトを示した拡大背面図である。
【図５】図３の線４−４に沿った拡大断面図であって、制御要素が完全に引っ込んだ位置を示している。
【図６】図５に類似した断面図であるが、制御要素が完全に拡張した位置を示している。
【図７】図５の線６−６に沿った、本発明による吐出システムの長手方向の断面図である。
【図８】本発明の別の好ましい実施形態による、吐出システムを示した、図３の線４−４に沿った断面図と同様な断面図であって、二重ローター型ローブポンプと２つの制御部材とが使用されている。
【図９】図８の囲み領域９を示した拡大図であって、単一の制御部材を完全に拡張した位置にて示していて、船尾への軸線並進は、内部の液圧ピストンの位置によって決定される。
【図１０】図９の制御部材の変形例による実施形態を示した拡大図である。
【図１】
2008543623.tif 000003
【図２】
2008543623.tif 000004
【図３】
2008543623.tif 000005
【図４】
2008543623.tif 000006
【図５】
2008543623.tif 000007
【図６】
2008543623.tif 000008
【図７】
2008543623.tif 000009
【図８】
2008543623.tif 000010
【図９】
2008543623.tif 000011
【図１０】
2008543623.tif 000012
【国際調査報告】
2008543623.tif 000013