CN110697014B - 无轴泵喷矢量推进装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种无轴泵喷矢量推进装置，用于驱动水下航行体航行，包括导管、固定设于导管内的轮毂、可旋转地设置于导管内的集成电机转子、与集成电机转子集成的叶轮、设置于叶轮的进流侧的前置导叶以及设置于叶轮的出流侧的用于控制水下航行体转向的转舵机构。前置导叶与转舵机构均与轮毂连接。如此设置，使得前置导叶与转舵机构一体化，解决了现有无轴泵喷推进器操纵性差的问题，同时也能减少水下航行体的附体，有利于减少水下航行体的航行阻力，具有广阔的应用前景。

Description

无轴泵喷矢量推进装置

技术领域

本发明属于船舶推进器领域，具体涉及一种高度集成、高效、低噪声、具有优异机动性能的无轴泵喷矢量推进装置。

背景技术

目前，无论是在民用船舶，还是在军用舰艇，综合电力***技术愈来愈显示出强劲的发展势头，对舰船动力平台的设计具有划时代的意义，代表了舰船动力***未来的发展方向。集成电机推进装置是电力集成的一个重要模块和综合电力***高度集成化的体现，是电机、电气工程、控制工程、动力工程与工程热物理、材料科学与工程、机械工程、船舶与海洋工程等多个学科综合、交叉和渗透而形成的新的研究领域，在实现电力推进高效性、低辐射噪声、高功率密度和优异的机动性等方面起到了重要作用。

为了降低水下航行体的噪声，取消了传统轴系结构的无轴泵喷推进器得到了广泛青睐。但是，目前的无轴泵喷推进器大多结构复杂，难以采用传统回转装置实现优异操纵性，机动性较差。

其中，申请号为CN201810882491.5的专利申请，公开了一种新型无轴结构泵喷式推进器，包括推进器导叶、叶轮、轮毂、支撑环、导管、电机定子、电机转子。导管内部设置推进器导叶，推进器导叶的一端指向导管的轴线，另一端与导管固定相连。导管的内表面上挖设有环形的安装槽，所述电机定子设置在导管内部且位于安装槽对应的位置。支撑环伸入安装槽内，所述叶轮的根部设置有轮毂，叶轮的梢部连接至支撑环，支撑环的内表面与导管的内表面齐平。电机转子均匀设置在支撑环的外表面以与电机定子产生磁力作用；还包括轮毂附属结构，所述轮毂附属结构用于固定连接至基础设备，以使轮毂可以套设在轮毂附属结构外侧旋转运动；还包括防水壳层，所述防水壳层至少设置在导管与支撑环之间以防止水与电机定子和电机转子接触。该无轴结构泵喷式推进器结构复杂，不能实现多自由度的转向功能。

申请号为CN201610019456.1的专利申请，公开了一种新型前置侧斜导叶式泵喷推进器，包括前置侧斜导叶、后置叶轮、环状导管、支撑轴承、旋转轴。其中导叶轮毂和后置叶轮均同轴设置于环状导管的内部；前置侧斜导叶均匀倾斜设置于导叶轮毂的外壁并与环状导管固定连接。旋转轴依次同轴穿过导叶轮毂和后置叶轮，旋转轴末端设置有导流帽，后置叶轮位于导叶轮毂和导流帽之间。后置叶轮固定套接于旋转轴外部并由旋转轴驱动做功，旋转轴通过的滑动支撑轴承同轴支撑于导叶轮毂内部。该推进器通过设置前置侧斜导叶降低了航行噪音，但是结构复杂，水下航行体的体积、重量大，不利于对水下航行体的控制，机动性较差。

有鉴于此，有必要设计一种改进的无轴泵喷矢量推进装置，以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高效率、低噪声、抗空化、结构紧凑、具有优异的操纵性、高度集成的、有利于提高水下航行体的机动性的无轴泵喷矢量推进装置。

为实现上述发明目的，本发明提供了一种无轴泵喷矢量推进装置，用于驱动水下航行体航行，包括导管、固定设于所述导管内的轮毂、可旋转地设置于所述导管内的集成电机转子、与所述集成电机转子集成的叶轮、设置于所述叶轮的进流侧的前置导叶以及设置于所述叶轮的出流侧的用于控制水下航行体转向的转舵机构；所述前置导叶与所述转舵机构均与所述轮毂连接。

作为本发明的进一步改进，当所述水下航行体直航时，所述转舵机构保持静止不动；当所述水下航行体需要转向时，控制所述转舵机构偏转产生使水下航行体转向的偏转力。

作为本发明的进一步改进，所述转舵机构包括相互垂直设置的水平舵与垂直舵、对应用于驱动所述水平舵与所述垂直舵转动的水平转舵电机与垂直转舵电机、连接所述水平转舵电机与所述水平舵的水平锥形齿轮、连接所述垂直转舵电机与所述垂直舵的垂直锥形齿轮以及控制所述水平转舵电机与所述垂直转舵电机的控制线路；

当所述水下航行体需要转向时，控制所述水平转舵电机驱动所述水平锥形齿轮转动，以带动所述水平舵偏转产生垂直方向的偏转力；以及/或者

控制所述垂直转舵电机驱动垂直锥形齿轮转动，以带动所述垂直舵偏转产生水平方向的偏转力。

作为本发明的进一步改进，所述水平舵与所述垂直舵的偏转互不影响。

作为本发明的进一步改进，所述水平舵包括水平成对设置的两片水平舵叶，所述水平舵叶的两端均设有水平舵杆，一端的所述水平舵杆与所述水平锥形齿轮连接，另一端的所述水平舵杆通过水平舵杆连接轴与另一片所述水平舵叶连接，实现所述两片水平舵叶同步偏转，同时产生垂直方向的偏转力；所述垂直舵包括竖直成对设置的两片竖直舵叶，所述竖直舵叶的两端均设有竖直舵杆，一端的所述竖直舵杆与所述垂直锥形齿轮连接，另一端的所述竖直舵杆通过竖直舵杆连接轴与另一片所述竖直舵叶连接，实现所述两片竖直舵叶同步偏转，同时产生水平方向的偏转力。

作为本发明的进一步改进，所述水平舵杆连接轴与所述竖直舵杆连接轴均设置于所述轮毂内，所述水平舵杆连接轴与所述竖直舵杆连接轴互不接触。

作为本发明的进一步改进，所述水平舵杆与所述竖直舵杆均设置于所述轮毂外部；所述水平舵杆连接轴的两端通过轴承与所述水平舵杆连接，所述竖直舵杆连接轴的两端通过轴承与所述竖直舵杆连接；所述轴承与所述轮毂的内壁之间设置有旋转密封件。

作为本发明的进一步改进，所述导管的内壁设有***述集成电机转子的环形凹槽，所述叶轮安装于所述集成电机转子的内周壁，并随所述集成电机转子绕所述轮毂旋转；所述水平转舵电机与所述垂直转舵电机靠近所述集成电机转子设置，三者的电缆及所述控制线路集成设置。

作为本发明的进一步改进，所述导管的内壁还设有开口朝向所述环形凹槽的收容腔，所述收容腔用于***述垂直锥形齿轮与所述水平锥形齿轮，所述垂直锥形齿轮通过轴承与所述竖直舵杆连接、所述水平锥形齿轮通过轴承与所述水平舵杆连接，所述轴承与所述导管的内壁之间设置有旋转密封件。

作为本发明的进一步改进，所述旋转密封件为密封圈。

本发明的有益效果是：

1、本发明的无轴泵喷矢量推进装置在叶轮的进流侧设置前置导叶，在叶轮的出流侧设置用于控制水下航行体转向的转舵机构，且前置导叶与转舵机构均与固定安装于导管内的轮毂连接，使得前置导叶与转舵机构一体化；解决了现有无轴泵喷推进器操纵性差的问题，同时也能减少水下航行体的附体，有利于减少水下航行体的航行阻力。

2、本发明的无轴泵喷矢量推进装置，不仅能够继承无轴泵喷推进器高效率、低噪声、抗空化、结构紧凑等优点，而且，在水下航行体直航不需要转向时，设置于叶轮出流侧的转向机构的舵叶能够回收无轴泵喷矢量推进装置的尾流能量，提高了无轴泵喷矢量推进装置的水动力效率；当水下航行体需要转向时，能够实现水下航行体的多个自由度的偏转。另外，设置于叶轮出流侧的水平舵叶与竖直舵叶工作于高速高压约束流中，使得舵效较高，具有优异的操纵性能，有利于提高水下航行体的机动性。

附图说明

图1为本发明的无轴泵喷矢量推进装置的一较佳实施例的透视结构示意图；

图2为本发明的无轴泵喷矢量推进装置的一较佳实施例另一角度的透视结构示意图；

图3为转舵机构与轮毂安装的结构示意图；

图4为转舵机构与轮毂安装的另一角度的结构示意图；

图5为水平舵、水平转舵电机及其连接件的结构示意图；

图6为垂直舵、垂直转舵电机及其连接件的结构示意图。

附图中各部件的标记如下：

100、无轴泵喷矢量推进装置；1、导管；2、轮毂；3、集成电机转子；4、叶轮；5、转舵机构；511、水平舵叶；512、水平舵杆；513、水平舵杆连接轴；521、竖直舵叶；522、竖直舵杆；523、竖直舵杆连接轴；53、水平转舵电机；54、垂直转舵电机；55、水平锥形齿轮；56、垂直锥形齿轮；6、旋转密封件；71、72、73、74、轴承；8、前置导叶。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

请参阅图1至图6所示，本发明提供了一种无轴泵喷矢量推进装置100，用于驱动水下航行体航行，包括导管1、固定设于所述导管1内的轮毂2、可旋转地设置于所述导管1内的集成电机转子3、与所述集成电机转子3集成的叶轮4、设置于所述叶轮4的进流侧的前置导叶8以及设置于所述叶轮4的出流侧的用于控制所述水下航行体转向的转舵机构5。所述前置导叶8与所述转舵机构5均与所述轮毂2连接。如此设置，将所述前置导叶8与所述转舵机构5一体化设置，提高了无轴泵喷矢量推进装置100的机动性，同时也能减少水下航行体的附体，有利于减少水下航行体的航行阻力。

所述导管1呈中空筒状设置，所述轮毂2沿所述导管1的长度方向固定安装于所述导管1内，所述前置导叶8的一端与所述轮毂2固定连接，另一端与所述导管1的内壁固定连接。如此设置，一方面可以对所述导管1起到支撑作用，另一方面，通过将所述前置导叶8设置于所述叶轮4的进流侧，可以对所述叶轮4的进流起到整流作用，有利于提高所述叶轮4的工作稳定性。

所述导管1的内壁还设有***述集成电机转子3的环形凹槽(未标号)和开口朝向所述环形凹槽的收容腔(未标号)。所述叶轮4安装于所述集成电机转子3的内周壁上，且自所述内周壁向所述轮毂2延伸。所述集成电机转子3可在所述环形凹槽内旋转，并直接驱动所述叶轮4绕所述轮毂2旋转。如此设置，取消了传统推进装置中的旋转轴系，能够消除旋转轴系振动引起的艇体辐射噪声，有利于实现低噪声，也使得无轴泵喷矢量推进装置100的结构更加紧凑。

所述转舵机构5包括相互垂直设置的水平舵与垂直舵、对应用于驱动所述水平舵与所述垂直舵转动的水平转舵电机53与垂直转舵电机54、连接所述水平转舵电机53与所述水平舵的水平锥形齿轮55、连接所述垂直转舵电机54与所述垂直舵的垂直锥形齿轮56以及控制所述水平转舵电机53与所述垂直转舵电机54的控制线路(未示出)。

所述水平舵包括水平成对设置的两片水平舵叶511。所述水平舵叶511的两端均设有水平舵杆512，一端的所述水平舵杆512与所述水平锥形齿轮55连接，另一端的所述水平舵杆512通过水平舵杆连接轴513与另一片所述水平舵叶511连接，实现所述两片水平舵叶511同步偏转，同时产生垂直方向的偏转力。

所述垂直舵包括竖直成对设置的两片竖直舵叶521，所述竖直舵叶521的两端均设有竖直舵杆522，一端的所述竖直舵杆522与所述垂直锥形齿轮56连接，另一端的所述竖直舵杆522通过竖直舵杆连接轴523与另一片所述竖直舵叶521连接，实现所述两片竖直舵叶521同步偏转，同时产生水平方向的偏转力。

所述水平舵杆连接轴513与所述竖直舵杆连接轴523均设置于所述轮毂2内，二者之间互不接触。所述水平舵杆512与所述竖直舵杆522均设置于所述轮毂2外部。所述水平舵杆连接轴513的两端通过设置于所述轮毂2内的轴承71与所述水平舵杆512连接，所述竖直舵杆连接轴523的两端通过设置于所述轮毂2内的轴承72与所述竖直舵杆522连接，所述轴承71、72与所述轮毂2的内壁之间均设置有旋转密封件6。如此设置，防止了外部水流进入所述轮毂2内部，起到旋转密封的作用。

需要说明的是，在本实施方式中，所述水平舵杆连接轴513与所述竖直舵杆连接轴523呈弧状设置，且弧状突伸方向相反，以实现二者互不接触，保证了所述水平舵与所述垂直舵的偏转互不影响，所述水平舵与所述垂直舵可以同时工作，也可以各自工作，以实现水下航行体的多个自由度的偏转。本领域技术人员应当理解，所述水平舵杆连接轴513与所述竖直舵杆连接轴523还可以设置为其他形状，只需保证二者始终保持互不接触即可，具体不予限制。

所述垂直锥形齿轮56与所述水平锥形齿轮55分别对应设置于靠近所述环形凹槽设置的收容腔内。所述水平转舵电机53与所述垂直转舵电机54靠近所述集成电机转子3设置，且分别与所述水平舵及所述垂直舵的位置相互对应。所述水平转舵电机53、所述垂直转舵电机54以及所述集成电机转子3的位置靠近，三者的电缆与所述控制线路一同接入，不需要额外布置线路。即，三者集成设置，节省了空间，方便管理。

所述垂直锥形齿轮56的一端与所述垂直转舵电机54连接，另一端通过设置于所述收容腔内的轴承73与所述竖直舵杆522连接；所述水平锥形齿轮55的一端与所述水平转舵电机53连接，另一端通过设置于所述收容腔内的轴承74与所述水平舵杆512连接，所述轴承与所述导管1的内壁之间设置有旋转密封件6。如此设置，防止了外部水流进入所述收容腔内部，起到旋转密封的作用。

在本实施方式中，所述旋转密封件6为唇形密封圈。需要说明的是，本领域技术人员应当理解，所述旋转密封件6也可以为其他密封圈，只需保证可以实现密封功能即可，具体不予限制。

下面对该无轴泵喷矢量推进装置100的工作原理进行说明：

当水下航行体直航不需要转向时，所述水平舵与垂直舵都不偏转，保持静止不动，可以减少无轴泵喷矢量推进装置100的出流速度的周向分量，设置于所述叶轮4的出流侧的水平舵叶511与竖直舵叶521起到回收无轴泵喷矢量推进装置100的尾流能量的作用，提高了无轴泵喷矢量推进装置100的水动力效率；

当水下航行体需要转向时，控制所述水平转舵电机53驱动所述水平锥形齿轮55转动一定角度，以带动所述水平舵的水平舵叶511偏转一定角度，水平舵叶511偏转会迫使无轴泵喷矢量推进装置100的出流方向改变，从而产生垂直方向的侧向推力；以及/或者

控制所述垂直转舵电机54驱动所述垂直锥形齿轮56转动一定角度，以带动所述垂直舵的竖直舵叶521偏转一定角度，竖直舵叶521偏转会迫使无轴泵喷矢量推进装置100的出流方向改变，从而产生水平方向的侧向推力。

如此，可以实现水下航行体多个自由度的偏转。

由于水平舵叶511、竖直舵叶521工作于无轴泵喷矢量推进装置100的导管1的约束流中，水平舵叶511、竖直舵叶521及叶轮4的高速高压出流作用效果明显，使的舵效较高。

需要说明的是，文中的“水平舵”、“垂直舵”、“水平转舵电机53”、“垂直转舵电机54”、“水平锥形齿轮55”、“垂直锥形齿轮56”、“水平舵杆连接轴513”、“竖直舵杆连接轴523”中的“水平”、“垂直”均是为了将各部件的配合关系对应并相互区分开，以便于读者理解，并不是说明“水平转舵电机53”与“垂直转舵电机54”，“水平锥形齿轮55”与“垂直锥形齿轮56”、“水平舵杆连接轴513”与“竖直舵杆连接轴523”不同，本领域技术人员应当理解。

综上所述，本发明的无轴泵喷矢量推进装置100在叶轮4的进流侧设置前置导叶8，在叶轮4的出流侧设置用于控制水下航行体转向的转舵机构5，且前置导叶8与转舵机构5均与固定安装于导管1内的轮毂2连接，使得前置导叶8与转舵机构5一体化；解决了现有无轴泵喷推进器操纵性差的问题，同时也能减少水下航行体的附体，有利于减少水下航行体的航行阻力，具有广阔的应用前景。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种无轴泵喷矢量推进装置，用于驱动水下航行体航行，其特征在于：包括导管(1)、固定设于所述导管(1)内的轮毂(2)、可旋转地设置于所述导管(1)内的集成电机转子(3)、与所述集成电机转子(3)集成的叶轮(4)、设置于所述叶轮(4)的进流侧的前置导叶(8)以及设置于所述叶轮(4)的出流侧的用于控制水下航行体转向的转舵机构(5)；所述前置导叶(8)与所述转舵机构(5)均与所述轮毂(2)连接；所述转舵机构(5)包括相互垂直设置的水平舵与垂直舵、与所述水平舵连接的水平锥形齿轮(55)以及与所述垂直舵连接的垂直锥形齿轮(56)；所述水平舵包括水平成对设置的两片水平舵叶(511)，所述水平舵叶(511)的两端均设有水平舵杆(512)，一端的所述水平舵杆(512)与所述水平锥形齿轮(55)连接，另一端的所述水平舵杆(512)通过水平舵杆连接轴(513)与另一片所述水平舵叶(511)连接，实现所述两片水平舵叶(511)同步偏转，同时产生垂直方向的偏转力；所述垂直舵包括竖直成对设置的两片竖直舵叶(521)，所述竖直舵叶(521)的两端均设有竖直舵杆(522)，一端的所述竖直舵杆(522)与所述垂直锥形齿轮(56)连接，另一端的所述竖直舵杆(522)通过竖直舵杆连接轴(523)与另一片所述竖直舵叶(521)连接，实现所述两片竖直舵叶(521)同步偏转，同时产生水平方向的偏转力。

2.根据权利要求1所述的无轴泵喷矢量推进装置，其特征在于：当所述水下航行体直航时，所述转舵机构(5)保持静止不动；当所述水下航行体需要转向时，控制所述转舵机构(5)偏转产生使水下航行体转向的偏转力。

3.根据权利要求1所述的无轴泵喷矢量推进装置，其特征在于：所述转舵机构(5)还包括对应用于驱动所述水平舵与所述垂直舵转动的水平转舵电机(53)与垂直转舵电机(54)、以及控制所述水平转舵电机(53)与所述垂直转舵电机(54)的控制线路；所述水平锥形齿轮(55)用于连接所述水平转舵电机(53)与所述水平舵；所述垂直锥形齿轮(56)用于连接所述垂直转舵电机(54)与所述垂直舵；

当所述水下航行体需要转向时，控制所述水平转舵电机(53)驱动所述水平锥形齿轮(55)转动，以带动所述水平舵偏转产生垂直方向的偏转力；以及/或者

控制所述垂直转舵电机(54)驱动垂直锥形齿轮(56)转动，以带动所述垂直舵偏转产生水平方向的偏转力。

4.根据权利要求3所述的无轴泵喷矢量推进装置，其特征在于：所述水平舵与所述垂直舵的偏转互不影响。

5.根据权利要求1所述的无轴泵喷矢量推进装置，其特征在于：所述水平舵杆连接轴(513)与所述竖直舵杆连接轴(523)均设置于所述轮毂(2)内，所述水平舵杆连接轴(513)与所述竖直舵杆连接轴(523)互不接触。

6.根据权利要求1所述的无轴泵喷矢量推进装置，其特征在于：所述水平舵杆(512)与所述竖直舵杆(522)均设置于所述轮毂(2)外部；所述水平舵杆连接轴(513)的两端通过轴承与所述水平舵杆(512)连接，所述竖直舵杆连接轴(523)的两端通过轴承与所述竖直舵杆(522)连接；所述轴承与所述轮毂(2)的内壁之间设置有旋转密封件(6)。

7.根据权利要求3所述的无轴泵喷矢量推进装置，其特征在于：所述导管(1)的内壁设有***述集成电机转子(3)的环形凹槽，所述叶轮(4)安装于所述集成电机转子(3)的内周壁，并随所述集成电机转子(3)绕所述轮毂(2)旋转；所述水平转舵电机(53)与所述垂直转舵电机(54)靠近所述集成电机转子(3)设置，三者的电缆及所述控制线路集成设置。

8.根据权利要求7所述的无轴泵喷矢量推进装置，其特征在于：所述导管(1)的内壁还设有开口朝向所述环形凹槽的收容腔，所述收容腔用于***述垂直锥形齿轮(56)与所述水平锥形齿轮(55)，所述垂直锥形齿轮(56)通过轴承与所述竖直舵杆(522)连接、所述水平锥形齿轮(55)通过轴承与所述水平舵杆(512)连接，所述轴承与所述导管(1)的内壁之间设置有旋转密封件(6)。

9.根据权利要求6或8所述的无轴泵喷矢量推进装置，其特征在于：所述旋转密封件(6)为密封圈。

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