(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
インペラ（１３、１４）、ステータシェル（１）、水噴流を実現するインペラハウジング（３）、インペラ（１３）を推進させるシャフト（１１、１２）、およびステータシェル（１）内のシャフト（１１、１２）用軸受手段、およびインペラハウジング（３）内のシャフト（１１、１２）の封止手段（１５）から成る、船舶用推進システムにおいて、インペラハウジングの入口径が、少なくとも０．５ｍである船舶用推進システムであって、シャフト（１１，１２）からインペラ（１３）へと駆動力を伝達するように、インペラ（１３）とシャフト（１２）の端部との間に、非屈曲自在のカップリング（１１Ｂ、１２Ａ）が位置すること、および、曲げに関して剛性であり軸方向荷重を処理し、高い密度が達成されるように、前記シャフト（１１，１２）と流れによって生じる曲げ力を処理するように、前記軸受手段（９，１６）が設けられており、
前記シャフト（１１、１２）は、シャフト首部（１１）と駆動シャフト（１２）であり、前記カップリング（１１Ｂ、１２Ａ）は、第１のカップリング（１１Ｂ）と第２の非回転で曲げ剛性のカップリング（１２Ａ）であり、
前記シャフト首部（１１）が、前記第１のカップリング（１１Ｂ）により前記インペラ（１３）のベース部分に取り付けられ、前記駆動シャフト（１２）が前記第２の非回転で曲げ剛性のカップリング（１２Ａ）によるネジ接続で前記インペラ（１３）のベース部分に取り付けられることを特徴とする推進システム。
【請求項２】
前記シャフト（１２）が、複合材料から構成されることを特徴とする請求項１に記載の推進システム。
【請求項３】
前記シャフト（１２）が、炭素繊維である第１繊維状物質のチューブ状フレームを備えてなり、第１繊維状物質が、ガラス繊維である第２繊維状物質に囲まれ、最も外層がポリウレタンである侵食保護物質により囲まれてなることを特徴とする請求項２に記載の推進システム。
【請求項４】
前記軸受手段が、円錐形ころ軸受（１６）と組合せて球形軸方向軸受（９）から構成されることを特徴とする請求項１に記載の推進システム。
【請求項５】
インペラハウジング（３）内の軸受（９、１６）が、オイルまたはグリースで潤滑され、かつ軸受（１７）の正面に設けられる軸方向に弾性の封止手段（１５）により、周囲に対して封止されることを特徴とする請求項４に記載の推進システム。
【請求項６】
前記インペラハウジング（３）の入口径Ｄが、０．５〜２ｍであり、出力密度が、少なくとも０．５＋（２−Ｄ）ｋＷ／ｋｇであることを特徴とする請求項１に記載の推進システム。
【請求項７】
Ｄが０．５〜１．３ｍの間であり、前記出力密度が、０．７＋（２−Ｄ）ｋＷ／ｋｇであることを特徴とする請求項６に記載の推進システム。
【請求項８】
前記インペラハウジング（３）の少なくとも一部が、軽量材料、または炭素繊維から製造されることを特徴とする請求項１に記載の推進システム。
【請求項９】
インペラハウジングの前記一部が、保護面、またはポリウレタンで被覆されることを特徴とする請求項８に記載の推進システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（技術分野）
本発明は、船舶用推進システムに関し、その推進システムは、１つのシャフト上に取付けられる１枚または数枚のインペラから成り、そのインペラは、船舶を前方に駆動する力を生成する。駆動シャフトの手段によりインペラハウジング内で回転自在であるインペラには、噴流を後方へ生成するプロペラ形のブレードが設けられる。
【０００２】
（背景技術）
インペラから成る水噴流手段を通して、軍用および民生用の船舶、好ましくは高速航行船舶の推進が、一般に知られている。ブレードが設けられる回転インペラを囲むハウジングは、船体の後部へ固定して取付けられる。インペラは、典型的には、適切な手段によりステムへ向けて延びる鋼製シャフトにより駆動され、ついでその手段が、船体内の１台または数台のエンジンにより順に駆動される。航行方向に幾分下方へ傾斜するチューブ状水入口が、多量の水を供給するためにインペラハウジングの前部に設けられる。かくして駆動シャフトは、上述のチューブ状水入口を通して回転する。船舶は、インペラハウジング（または複数のインペラハウジング）の下流側にある舵取り装置の手段により制御され、その装置は、噴流を種々の方向に噴出させることができる。その噴流は、減速効果を生じるように前方にも噴出させることができる。
【０００３】
インペラの駆動シャフトが水入口を通して延びるので、インペラへの水の流入は、ある程度妨害され、すなわちインペラのブレード上に不均一に分布される荷重が生じる。上述の不均一な荷重とは、曲げモーメントが、インペラの装着箇所へ向けてインペラの内側へ伝達されることを意味する。インペラとその装着箇所に影響するこれらの変動する力のために、非常に厳しい要求条件が、軸受と封止部の手段へ課せられる。シャフトへ固定して取付けられるインペラを配置することにより上述の問題を解決し、かつ一定の角度の偏りを許容する軸受手段を配置することが、ＳＥ４２４８４５から知られている。しかしながら上述の解決策は、曲げ剛性駆動シャフトを有する構造を必要とし（大きい角度の偏りに対して危険でないように）、かくしてその構造は非常に重くなる。そのような構造における駆動シャフトの重量だけで水噴流装置の全重量（ガイドベーン付きステータ部を備えるポンプユニット、スラストとジャーナル軸受手段、インペラとインペラハウジング、および舵取りと逆転ギヤの重量を含む）の約１０％を占めることが多くある。他の既知の解決策は、ＳＥ４５７１６５およびＳＥ５０４６０４において示され、そこにおいて、角度の偏りに対処できない軸受手段が使用され、また駆動シャフトとインペラとの間に屈曲自在のカップリングが代わりに使用され、その屈曲自在のカップリングは、角度の偏りに対処するようになっている。また最後に上述した解決策は、特にそのようなカップリングが重量の付加を意味するので、重い構造をもたらす。さらに、そのカップリングが流れに関して問題となる箇所に設けられることは、最適流れ条件を得るのが難しくなることを意味するので、かなりの欠点を含む。
【０００４】
ＳＥ４２４８４５に記載される構造は、それ自体満足する特性を有するが、上述のように、剛性の従来のインペラシャフトのために重い。一部の用途、特に軍用用途において、重量を削減することが非常に重要であると同時に、かなりの程度荷重を受ける装置で最適流れ状態を得ることも非常に重要であり、これは、従来の水噴流構造を使用できないことがあるのを意味する。そのような用途に関連するカップリング使用が望ましくない他の理由は、カップリングが、動力限定を意味するからである。動力伝達を限定する小形部材は、そのような用途に望ましくないことが分る。というのは、特にそのような用途の場合、しばしば３乃至３０ＭＷの区間で多くの動力を伝達できることが望ましいことが多いからである。長い間、従来のインペラシャフトを軽量シャフトで置き換えることにより重量を削減すると同時に、屈曲自在のカップリングの必要を無くすことが望まれてきた。今まで、何者によっても、それは実施されていない。
【０００５】
事実、屈曲自在のカップリングを無くすことができるのが、ＳＥ５０４６０４に記載される。しかしながら、どのようにして、これを達成できるかについて説明されていない。さらに、曲げ剛性シャフトからの高い応力をどのようにして対処できるかについては示されていない。代わりにＳＥ５０４６０４に従う構造は、屈曲自在のカップリングの使用を示し、かつ１つの実施例を指向し、その実施例により、軸受ユニットを後方へ取外すことができる。これは、インペラからステータシェルへ力を伝達するガイドベーンが、非常に限定された伸張を有しなければならないことを意味する。ついでこれは、重量、流れおよび強度に関する最適な解決策の可能性が限定されることを意味する。とりわけ、それは、非常に大きい動力を伝達する可能性を、原則として実際に達成できないという大きい欠点を意味する。かくして、その構造は、効果的な出力密度（出力密度とは、ガイドベーン付きステータ部を備えるポンプユニット、スラストとジャーナル軸受手段、インペラとインペラハウジング、および舵取りと逆転ギヤの重量を含む水噴流ユニットの重量で除した最大動力出力を意味する）に対する可能性を提供しないし、すなわちその重量は、伝達できる最大動力に関して比較的大きくなるであろう。この構造では、１ｍを超える入口径を有する水噴流の場合、１．０ｋＷ／ｋｇを超える出力密度を達成するのは多分難しく、これは好ましくなく、かつ重大な限定である。熟練者に明らかなように、同一種類の構造の場合の出力密度は、サイズが増加するにつれて減少する。
【０００６】
（発明の開示）
本発明の目的は、上述の複雑な問題の最適な解決策を見出すことにある。上述の目的は、水噴流を実現する、インペラ、ステータシェルとインペラハウジング、インペラを推進するシャフト、およびステータシェル内のシャフト用軸受手段、および好ましくはインペラハウジング内のシャフトの封止手段から成る、船舶用推進システムにより達成され、そこにおいて、そのシャフトは、軽量シャフトから構成され、そのシャフトは、従来の鋼製シャフトよりもかなり低い曲げ剛性を有し、また駆動力は、高い出力密度が達成されるように、少なくとも１つの非屈曲自在のカップリングを経て、かつ曲げに関して剛性であり、軸方向荷重を対処する上述の軸受手段を経て、ステータシェルへ伝達される。
【０００７】
曲げに関して比較的弱い軽量シャフトの使用により、軸受手段を使用する条件が作成され、その軸受手段は、曲げモーメントに関して剛性であり、かつ軸方向荷重に対処し、同時に、インペラと駆動シャフトの端部との間に非屈曲自在のカップリング（例えば、ネジにより装着される）を使用する。同時に、比較的弱い駆動シャフトは、重量削減を達成する目的に合致する。さらにそれは、この点で材料の選択が最適化されるので、シャフトに関してコスト節減を可能にする。かくしてそのシャフトを比較的細長く製造でき、またインペラに対して直接の好ましい装着のために、できるだけ効果的な流路を生成する最適条件が得られ、ついでこれは、インペラの軸受手段に影響する曲げ力の減少を意味することができる。
【０００８】
そのような駆動システムの好ましい実施例によれば、駆動シャフトは、少なくとも主に、複合材料から構成される。とりわけ、複合シャフトは、非常に軽い重量を得ることができる大きい利点を有する。従来の鋼製シャフトと比較して７０％までの重量削減が可能である。さらに、複合シャフトが特に曲げ自在であるという利点が得られ、それは、軸受手段に関して１つの利点である。低い曲げ剛性も好ましいし、また複合シャフトは、従来の均一な鋼製シャフトに比べて、約８０％の曲げ剛性を減少できる。
【０００９】
他の態様によれば、複合シャフト（１２）が、好適には炭素繊維である第１繊維状物質のチューブ状フレームを備えてなり、第１繊維状物質が、好適にはガラス繊維である第２繊維状物質に囲まれ、好ましくは最も外層が好適にはポリウレタンである侵食保護物質により囲まれてなる。駆動シャフトが、若干の硬質および／または摩損物体を含有することがある水流中に部位的に置かれ、かつ複合シャフト、例えば炭素繊維のシャフトが衝撃の影響を受けやすいので、好ましい実施例は、破損の危険性を最小にする、耐衝撃性層と保護層をそれぞれ有するようなシャフトである。
【００１０】
本発明の別の態様によれば、上述のインペラハウジングの少なくとも一部は、軽量材料、好ましくは炭素繊維から成り、そこにおいてインペラハウジングの好ましくは上述の部分は、保護面、好ましくはポリウレタンで被覆される。それは、本発明に従う解決策であり、それによりこの付加的な重量削減の条件が生成される。この理由は、実際に遊びが無い、インペラの非常に曲げ剛性の高い軸受取付けが、ハウジングに関してインペラブレードの非常に効果的な位置決めが得られるので、ブレードの端部とインペラハウジングとの間の接触の危険性が原則として無くなることを意味するからである。かくして、本発明に従う解決策は、一層大きい安全性を必要とするものにとり、インペラハウジングの重量を削減する可能性が得られ、すなわちインペラハウジング用の「より弱い」および／またはより薄い材料を使用できることを意味する。
【００１１】
別の可能性のある態様によれば、
−上述の軸受手段は、円錐形ころ軸受と組合せて球形の軸方向軸受から構成される。
−インペラハウジング内の軸受は、オイルまたはグリースで潤滑され、かつ前部軸受の正面に設けられる軸方向に弾性の封止手段により、周囲に対して封止される。
−上述のインペラハウジングの少なくとも一部は、軽量材料、好ましくは炭素繊維から成る材料から製造される。
−上述のインペラハウジングの入口径Ｄは、０．５乃至２ｍであり、また出力密度は、少なくとも０．５＋（２−Ｄ）ｋＷ／ｋｇである。
−Ｄは０．５〜１．３ｍの間であり、また上述の出力密度は、０．７＋（２−Ｄ）ｋＷ／ｋｇである。
−上述の軽量シャフトは、金属、好ましくはチタンおよび／または中空鋼製シャフトから製造される。
−シャフトからインペラへ動力を伝達する屈曲自在のカップリングは無い。
−上述のインペラハウジングの入口径Ｄは、２ｍを超え、また公称最大設計動力は、少なくとも１５ＭＷである。
【００１２】
本発明のお陰で、従来のシステムに比べて、水噴流駆動船舶用の、かなり軽量の駆動システムを構築でき、同時にそのシステムにより、運転において高い信頼性が実現される。
【００１３】
本発明を、好ましい実施例に従うインペラとインペラハウジングの垂直で軸方向断面である添付図面を参照して、より詳細に説明する。
【００１４】
図１は、垂直断面での本発明に従うインペラ装置を示す。ステータシェル１が、ボルト２などにより船体の後部へ固定して取付けられる。前方が円錐部分の形態であるインペラハウジング３が、ネジ４などによりステータ部分１へ取付けられる。インペラハウジング３の上述の前方部分が、それ自体知られているように、前方へ延びるチューブ状水入口（図示されず）と整合される。シャフト首部１１が、インペラのベース部分１３を経て第１のカップリング１１Ｂの手段により、回転と曲げの状態で、シャフト１２へ固定して取付けられる。
【００１５】
インペラベース１３に隣接して後方に、円錐形状のハウジング５が配置され、そのハウジングは、非回転ガイドベーン１Ａの手段により、先端を後方へ向けてステータシェル１内に固定装着される。上述のハウジング５内に軸受シート６があり、そのシートは、ハウジングのほぼ中間でネジ７により取付けられ、また駆動シャフト１２へのシャフト首部用の軸受手段９、１６を支持するようになっている。水が、ハウジング５の内部から排出できるように、インペラベース１３の比較的中心近く（そこにおいては圧力が比較的低い）に配置される一組の排水孔１３Ａがある。
【００１６】
回転インペラベース１３は、第２の非回転で曲げ剛性のカップリング１２Ａを経て、好適にはネジ接続でシャフト首部１１の周りに固定して取付けられる。かくして上述のインペラベース１３は、シャフト１２と共に回転し、またインペラブレード１４は、上述のインペラベース１３上に設けられる。上述のインペラブレード１４は、後方へ向けられかつ矢印で示される水噴流を生成する。上述の後方へ向けられる水噴流により、インペラ１３、１４を経て、シャフト首部１１内に前方へ向けられるはね返り力を生じ、その力は、軸方向ころ軸受９を経て、軸受シート６、ハウジング５へ、かつ船体へ固定接続されるインペラハウジングにより、ステータ部分１へ伝達され、かくして船体が、前方へ向けられる推進力を得る。
【００１７】
シャフト１２は、好適には複合材料から製造される軽量シャフトであり、その端部に金属（例えば鋼）から成る装着手段１２Ｅを有する。そのようなシャフトとしてのコア１２Ｂは、炭素繊維から好適には製造されるが、そのシャフトは、種々の硬質物体を含有することがある水流内に部分的に位置するので、炭素繊維は、そのようなシャフトにとり必ずしも好適な表面材料ではない。この問題は、シャフトの周りにガラス繊維から成る保護スリーブ１２Ｃを配置することにより解決されている。侵食／摩損物体に抗する効果的な特性をシャフトへ付与するために、シャフトには、外面層１２Ｄとしてポリウレタンが設けられることも好ましい。この種の複合材料のシャフトは、軽いばかりではなく、従来のシャフトと同一の剛性特性に欠け、とりわけ、曲げに関しての剛性がかなり低く、それにより、軸受システムへ厳しい要求条件が課せられる。したがってシャフト首部１１の後部に、球形軸方向軸受９が設けられている。係止リング１７が、このようにして軸受９と１６をクランプ止めするので、剛性軸受が得られ、その剛性軸受は、非剛性シャフトと流れとにより生じる曲げ力に対処でき、一方、インペラブレード１４により生じる軸方向推進力が、後部軸方向軸受９を通して得られる。好適にはそれらの軸受は、最小荷重が軸受上に生じるようにクランプ止めされ、これは通常、最大０．０５ｍｍ、多くは０〜０．０２ｍｍの軸方向遊びが得られ、それにより剛性軸受が実現されることを意味する。一部の用途の場合、それらの軸受は好適には押圧されるので、その軸方向遊びは常に０ｍｍである。図面において球形軸方向軸受９が示されるが、他の種類の軸受、例えば滑り軸受を使用することも可能である。
【００１８】
軸受９と１６のローラ本体の周りの空間には通常オイルが充填され、そのオイルは、通常、ガイドベーン１Ａと軸受シート６を通して導管（図示されない）を経て供給される。したがって上述の空間は、シャフト首部と軸受シートを取り囲む水に対して封止しなければならない。
【００１９】
本発明の手段を使用して、先ず始めに従来のインペラシャフトを複合シャフトに置き換えることにより重量を徹底的に削減できるようになっており、これは、シャフトの端部において固定された接続部と組合せた軸受手段９、１６のために実施できる。
【００２０】
本発明に従う軸受とシャフトの配置のために可能である他の重量削減ステップは、インペラハウジングにおける入口壁３も複合材料から製造され、その入口壁は、耐衝撃性と耐磨耗性の表面を得るために、ポリウレタン３Ａで被覆される。本発明に従う実施例のために、構造的原理が得られ、それにより、望ましくは高い出力密度が実現される。軸受手段と動力伝達の原理のお陰で、１．３メートル未満の入口径を有する水噴流の場合、１ｋＷ／ｋｇの高い出力密度が得られ、これは、多くの特徴に関して、すなわち、運転の経済性と操縦性に関しての本質的な利点を意味する。熟練者にとって明らかであるように、同一の種類の構造についての出力密度は、サイズが増加するにつれて減少する。したがって、大きい水噴流の場合に高い出力密度を達成することは一層難しい。新規の構造が、少なくとも０．５＋（２−Ｄ）ｋＷ／ｋｇである出力密度を実現できることが判明しており、そこにおいてＤは、インペラハウジングの入口径であり、０．５〜２ｍの間である。Ｄが０．５から１．３ｍである区間において、出力密度は、さらに良くなり、例えば０．７＋（２−Ｄ）ｋＷ／ｋｇとなる。本発明に従う全ての特徴が組合せられるならば、約２ｋＷ／ｋｇの出力密度を、１メートルの入口径Ｄを有する水噴流の場合に得ることができる。２ｍを超える入口径Ｄを有する非常に大きい水噴流の場合にも、本発明に従う構造は、出力密度を向上するが、当面、この範囲における水噴流が非常に稀であるので、この範囲内の出力密度に関して比較する場合に該当する数値は存在しないし、そこにおいて公称最大設計動力は通常１０ＭＷよりもかなり大きい。
【００２１】
本発明は、上に示される実施例に限定されないが、特許請求範囲内で様々な方法で変えることができる。例えば、炭素繊維とガラス繊維にそれぞれ対応する特性を有する他の材料を、複合材料のシャフトに使用できること、およびそのような材料の種々の組合せを、特定の要件に応じて使用できることが分る。さらに、ほぼ同一の要件に合致できる、ポリウレタン以外の侵食保護被覆を使用できることが分かる。潤滑されたもの以外の軸受手段を使用できることが分る。かくして水潤滑軸受は、軸方向力に対処するために、一部の用途に有利に使用でき、そこにおいても、封止手段に対する要件がある程度まで無くされるかまたは減少される。駆動シャフトの特性は、とりわけ、インペラの前部と水入口における種々のシャフト軸受の取付け位置に関して、数多くの様々な方法で一定の条件に適応できることも分り、その取付け位置は、シャフトの固有振動数に影響することを除き、軸受手段へ伝達される力にも影響し、そこにおいてシャフト軸受は、半径方向に一定の偏りがあると、比較的小さい角度の偏りを生じるので、インペラハウジングの軸受手段の前からできるだけ離れて好ましくは置かれる。
【００２２】
最後に、当業者は、継手が着脱自在である必要がないことが分る。シャフト１２とシャフト首部１１は、一体であることを考えることができる。さらに、インペラを、シャフトおよび／またはシャフト首部上に焼きばめすることができ、および他の同様な変更形態は、当業者の一般的知識の範囲に入る。さらに、本発明による新規のシャフト手段を、低出力密度の水噴流ユニットと連係して、時には使用できることも明らかである。
【図１】
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