CN115071936A - 一种独立驱动的三级水下推进器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种水下推进器，具体地说是一种独立驱动的三级水下推进器。包括导流帽、前置导叶、一级推进组件、二级推进组件、三级推进组件及尾导流锥，其中一级推进组件、二级推进组件及三级推进组件依次同轴设置，且一级推进组件和二级推进组件之间通过第一连接环连接，二级推进组件和三级推进组件之间通过第一连接环连接，前置导叶固定在一级推进组件的前端，导流帽安装在前置导叶上，尾导流锥固定在三级推进组件的后端。本发明在使用过程中，结构紧凑，便于布置；电机定子部分的充油密封方式、散热结构设计能够保证本发明长期、稳定、高功率的工作在水下环境中。

Description

一种独立驱动的三级水下推进器
技术领域
本发明涉及一种水下推进器，具体地说是一种独立驱动的三级水下推进器。
背景技术
水下推进器是实现潜航器、水下机器人等具备航行能力的重要部件，能够满足水下机器人等不同作业工具在不同航速下的推力需求。
然而随着水下机器人的应用越来越广泛，对推进器的推进效率、紧凑型和低噪声特性要求越来越明显。水下运行环境要求推进器具有防水、耐压的能力，在应用到水下机器人上时，要求推进器结构尽量紧凑，便于机器人上其他设备的布置。由于水下机器人上携带的能源有限，要求推进器的效率尽量高，满足水下机器人长时间航行和作业要求，同时水下机器人上携带的声学设备对于推进器产生的自噪声也有一定约束。传统的推进器采用电机通过传动轴驱动单级螺旋桨，进而产生推力，这种方式传动效率低，占用空间大，为了满足推力要求，螺旋桨的转速较高或直径较大，会产生较强的噪声，影响水下机器人的声学设备工作，为了能够满足水下运行环境，必须对电机输出轴做动密封处理，密封位置需要定期维护。
因此，设计一种能够长期在水下环境中工作，并且具有结构紧凑、效率高、噪声低的推进器是很有必要的。
发明内容
针对上述问题本发明的目的在于提供一种独立驱动的三级水下推进器，能够在水下长期工作、采用三台轮缘电机独立驱动。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种独立驱动的三级水下推进器，包括导流帽、前置导叶、一级推进组件、二级推进组件、三级推进组件及尾导流锥，其中一级推进组件、二级推进组件及三级推进组件依次同轴设置，且一级推进组件和二级推进组件之间通过第一连接环连接，二级推进组件和三级推进组件之间通过第一连接环连接，前置导叶固定在一级推进组件的前端，导流帽安装在前置导叶上，尾导流锥固定在三级推进组件的后端。
所述一级推进组件、二级推进组件和三级推进组件结构相同，均包括轮缘电机、螺旋桨、导叶及轴，其中螺旋桨连接在轴的前端且可随轴转动；轮缘电机设置于螺旋桨的轮缘外侧，用于驱动螺旋桨转动；
导叶可转动地设置于轴上，导叶的轮缘外侧设有与轮缘电机连通的外部进油通道和外部回油通道。
所述轮缘电机包括定子机壳、定子前端盖、水密插座、定子铁芯、内隔离套、定子后端盖、油堵、转子铁芯及定子密封套，其中转子铁芯设置于螺旋桨的轮缘外侧；定子铁芯设置于定子机壳的内壁上，且与转子铁芯相对应，定子铁芯上沿周向布设有多个通油孔，各通油孔沿轴向设置；定子前端盖和定子后端盖分别设置于定子机壳的两端，定子密封套设置于定子前端盖和定子后端盖之间，水密插座固定在定子机壳的前端。
所述定子铁芯与所述定子后端盖之间设有内部进油腔和内部回油腔，内部进油腔的一端与所述外部进油通道连通，另一端与所述定子铁芯上的多个通油孔连通；内部回油腔与所述外部回油通道连通。
所述定子铁芯与所述定子后端盖之间通过内隔离套分隔形成所述内部进油腔和所述内部回油腔，所述内部进油腔沿径向方向位于所述内部回油腔的外侧。
所述定子后端盖与所述一级导叶的轮缘之间连接有外隔离套和位于外隔离套外侧的油囊，油囊通过设置于外侧的一级油囊压环固定；外隔离套和油囊之间的空间形成所述外部进油通道；外隔离套的内侧空间形成所述外部回油通道。
所述定子前端盖上沿周向设有多个油堵。
所述导叶与所述轴之间设有散热叶轮，散热叶轮与所述轴连接且与所述轴一起转动；所述散热叶轮的叶片与所述导叶上的后半部分通孔对应。
所述导叶的两端连接有轮毂前端盖和轮毂后端盖；轮毂前端盖上嵌装有油封，轮毂后端盖上装有后油堵。
所述一级推进组件、二级推进组件和三级推进组件可按单级推进器独立运行，或将两级或三级数串联形成不同级数的推进器。
本发明具有以下优点及有益效果：
1.本发明采用三级串联的推进组件，相对于单级螺旋桨，在同样的推力需求下转速较低，能够大幅降低推进器在水下运行时候的噪声。
2.本发明的电机机壳中采用了密封结构，定子绕组的出线通过水面插座向外引出，机壳中的油液能够抵御外界水压，油液在散热叶轮驱动下能够在定子和导叶叶片内循环，保证定子绕组绝缘和冷却，满足水下环境的应用需求。
3.本发明的各级推进组件的转子铁芯直接套装在各级螺旋桨上，传动效率高，结构紧凑。
4.本发明采用高精度角接触球轴承，噪声小，轴承损耗低，满足水下长期高效稳定运行的需求。
附图说明
图1为本发明一种独立驱动的三级水下推进器的轴测图；
图2为本发明一种独立驱动的三级水下推进器的剖视图；
图3为本发明一级推进组件部分的局部剖视图；
图4为本发明一级推进组件定子机壳部分的局部剖视图；
图5为本发明一级推进组件轴部分的局部剖视图；
图6为本发明一级推进组件散热叶轮的轴侧视图；
图7为本发明工作时油液循环的示意图。
其中：1为导流帽，2为前置导叶，3为定子机壳，4为第一连接环,5为二级定子机壳，6为第二连接环，7为三级定子机壳，8为三级油囊压环，9 为一级螺旋桨，10为一级导叶，11为二级螺旋桨，12为二级导叶，13为三级螺旋桨，14为三级导叶，15为尾导流锥，16为轴，17为定子前端盖，18 为水密插座，19为定子铁芯，20为内隔离套，21为定子后端盖，22为油堵，23为转子铁芯，24为定子密封套，25为外隔离套，26为油囊，27为一级油囊压环，28为压紧盖，29为轮毂前端盖，30为油封，31为轴承，32为散热叶轮，33为轮毂后端盖，34为后油堵。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
如图1-3所示，本发明提供的一种独立驱动的三级水下推进器，包括导流帽1、前置导叶2、一级推进组件、二级推进组件、三级推进组件及尾导流锥15，其中一级推进组件、二级推进组件及三级推进组件依次同轴设置，且一级推进组件和二级推进组件之间通过第一连接环4连接，二级推进组件和三级推进组件之间通过第一连接环6连接，前置导叶2固定在一级推进组件的前端，导流帽1安装在前置导叶2上，尾导流锥15固定在三级推进组件的后端。
如图4-5所示，一级推进组件、二级推进组件和三级推进组件结构相同，均包括轮缘电机、螺旋桨、导叶及轴16，其中螺旋桨通过压紧盖28连接在轴 16的前端且可随轴16转动；轮缘电机设置于螺旋桨的轮缘外侧，用于驱动螺旋桨转动；导叶通过轴承31可转动地设置于轴16上，导叶的轮缘外侧设有与轮缘电机连通的外部进油通道和外部回油通道。
如图5-6所示，本发明的实施例中，导叶与轴16之间设有散热叶轮 32，散热叶轮32与轴16连接且与轴16一起转动。进一步地，散热叶轮32 上有若干叶片，散热叶轮32的叶片与导叶上的后半部分通孔对应。导叶的两端连接有轮毂前端盖29和轮毂后端盖33；轮毂前端盖29上嵌装有油封30，轮毂后端盖33上装有后油堵34。
如图4所示，本发明的实施例中，轮缘电机包括定子机壳3、定子前端盖17、水密插座18、定子铁芯19、内隔离套20、定子后端盖21、油堵22、转子铁芯23及定子密封套24，其中转子铁芯23设置于螺旋桨的轮缘外侧；定子铁芯19采用过盈配合的方式设置于定子机壳3的内壁上，且与转子铁芯 23相对应，定子铁芯19上沿圆周方向有若干通油孔，各通油孔沿轴向设置。定子前端盖17和定子后端盖21分别设置于定子机壳的两端，定子密封套24 设置于定子前端盖17和定子后端盖21之间，定子机壳3的前端设有多个水密插座18，电机定子绕组的引出线通过水密插座18向外引出。定子铁芯19 与定子后端盖21之间设有内部进油腔和内部回油腔，内部进油腔的一端与外部进油通道连通，另一端与定子铁芯19上的若干通油孔连通，内部回油腔与外部回油通道连通。
具体地，定子铁芯19与定子后端盖21之间通过内隔离套20分隔形成内部进油腔和内部回油腔，内部进油腔沿径向方向位于内部回油腔的外侧。定子后端盖21与一级导叶10的轮缘之间连接有外隔离套25和位于外隔离套25 外侧的油囊26，油囊26通过设置于外侧的一级油囊压环27固定；外隔离套 25和油囊26之间的空间形成外部进油通道；外隔离套25的内侧空间形成外部回油通道。定子前端盖17上沿周向设有多个油堵22。
进一步地，一级油囊压环27、二级推进组件上的油囊压环和三级油囊压环8都是镂空结构，一级导叶10、二级导叶12、和三级导叶14的叶片内都有若干通孔，定子后端盖21上在不同半径位置沿圆周方向有两组通孔。
具体地，定子机壳3、定子前端盖17、定子密封套24、定子后端盖21和油堵22的连接位置均通过密封圈保证水密，定子后端盖21在不同半径位置上沿圆周方向有两组通孔，内隔离套20安装在定子后端盖21上，将定子后端盖21上的两组通孔隔离。油囊压环27固定在一级导叶10上，并将油囊26 紧密压在定子后端盖21上，保证水密，外隔离套25将定子后端盖21上和一级导叶10上的两组通孔隔离。
具体地，一级推进组件内设有一级螺旋桨9和一级导叶10，二级推进组件内设有二级螺旋桨11和二级导叶12，三级推进组件内设有三级螺旋桨13 和三级导叶14，尾导流锥15安装在三级导叶14的后端，各级螺旋桨和导叶为独立设计，外形各不相同，一级螺旋桨9由一级轴支撑，其它级的螺旋桨由各自的轴支撑，各级导叶的叶片内部有若干通孔，并分成前后两组。
如图5所示，一级导叶10的轮毂内装有三套轴承31，轴承31为高精度角接触球轴承面对面安装，中部的轴16穿过轴承21，轴16的端部通过锥面与一级螺旋桨9配合，并通过压紧盖28固定压紧，一级导叶10的轮毂前后端装有轮毂前端盖29和轮毂后端盖33，轮毂前端盖29上装有油封30，轮毂后端盖33上装有一个后油堵34。轮毂前端盖29、轮毂后端盖33和一级导叶 10的轮毂连接位置均通过密封圈实现水密，油封30与轴16之间为动密封。
进一步地，二级推进组件、三级推进组件内的结构与一级推进组件完全相同。推进器完成装配后，定子内部充满低粘度电气绝缘油，油液充满导叶叶片内通孔和轮毂轴承室位置，并保证内部无气体。
如图7所示，以一级推进组件为例，推进器在满功率运行时，由转子铁芯23驱动一级螺旋桨9高速旋转，一级螺旋桨9通过轴16驱动散热叶轮32 旋转，散热叶轮32带动内部油液经过一级导叶10的叶片后半部分通孔进入到油囊26与外隔离套25之间的外部进油通道，在经过定子后端盖21的外侧通孔进入到定子机壳3内部，通过定子铁芯19的通孔到水密插座18附近的空间，定子铁芯19上有齿槽和绕组间隙，油液经过齿槽与绕组间隙、定子后端盖21内侧通孔、一级导叶10的叶片前半部分通孔回到散热叶轮位置，将电机定子绕组产生的热量通过一级导叶10的叶片散发到外界环境中。
本发明提供了一种能在水下环境中工作，并且具有结构紧凑、效率高、噪声低等特点的水下推进器。该推进器采用三级串联的推进组件，每级推进组件采用轮缘电机驱动，轮缘电机转子直接驱动各级螺旋桨，结构紧凑，传动效率高，在相同推力需求下，三级串联的推进组件内螺旋桨转速较低，各级螺旋桨可以根据运行工况独立设计优化，能够进一步提高推进效率降低噪声；电机定子部分采用密封、充油的方式，能够保护定子绕组，并且抵御深水中的外界压力，导叶叶片中有通孔，由轴驱动散热叶轮使油液循环，满足推进器高功率运行时的散热需求。一级推进组件、二级推进组件和三级推进组件可按单级推进器独立运行，或将两级或三级数串联形成不同级数的推进器。
本发明采用三台轮缘电机分别驱动各级螺旋桨，电机转子直接套装在螺旋桨上，传动效率高，结构紧凑，各级螺旋桨独立设计，便于布置，在相同的推力下转速低，噪音小，各级电机定子和轴承部分经过密封充油处理，轴上散热叶轮能使油液循环，能够长期高功率工作于水下环境中。
以上所述仅为本发明的实施方式，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进、扩展等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种独立驱动的三级水下推进器，其特征在于，包括导流帽(1)、前置导叶(2)、一级推进组件、二级推进组件、三级推进组件及尾导流锥(15)，其中一级推进组件、二级推进组件及三级推进组件依次同轴设置，且一级推进组件和二级推进组件之间通过第一连接环(4)连接，二级推进组件和三级推进组件之间通过第一连接环(6)连接，前置导叶(2)固定在一级推进组件的前端，导流帽(1)安装在前置导叶(2)上，尾导流锥(15)固定在三级推进组件的后端。
2.根据权利要求1所述的独立驱动的三级水下推进器，其特征在于，所述一级推进组件、二级推进组件和三级推进组件结构相同，均包括轮缘电机、螺旋桨、导叶及轴(16)，其中螺旋桨连接在轴(16)的前端且可随轴(16)转动；轮缘电机设置于螺旋桨的轮缘外侧，用于驱动螺旋桨转动；
导叶可转动地设置于轴(16)上，导叶的轮缘外侧设有与轮缘电机连通的外部进油通道和外部回油通道。
3.根据权利要求2所述的独立驱动的三级水下推进器，其特征在于，所述轮缘电机包括定子机壳(3)、定子前端盖(17)、水密插座(18)、定子铁芯(19)、内隔离套(20)、定子后端盖(21)、油堵(22)、转子铁芯(23)及定子密封套(24)，其中转子铁芯(23)设置于螺旋桨的轮缘外侧；定子铁芯(19)设置于定子机壳(3)的内壁上，且与转子铁芯(23)相对应，定子铁芯(19)上沿周向布设有多个通油孔，各通油孔沿轴向设置；定子前端盖(17)和定子后端盖(21)分别设置于定子机壳的两端，定子密封套(24)设置于定子前端盖(17)和定子后端盖(21)之间，水密插座(18)固定在定子机壳(3)的前端。
4.根据权利要求3所述的独立驱动的三级水下推进器，其特征在于，所述定子铁芯(19)与所述定子后端盖(21)之间设有内部进油腔和内部回油腔，内部进油腔的一端与所述外部进油通道连通，另一端与所述定子铁芯(19)上的多个通油孔连通；内部回油腔与所述外部回油通道连通。
5.根据权利要求4所述的独立驱动的三级水下推进器，其特征在于，所述定子铁芯(19)与所述定子后端盖(21)之间通过内隔离套(20)分隔形成所述内部进油腔和所述内部回油腔，所述内部进油腔沿径向方向位于所述内部回油腔的外侧。
6.根据权利要求4所述的独立驱动的三级水下推进器，其特征在于，所述定子后端盖(21)与所述一级导叶(10)的轮缘之间连接有外隔离套(25)和位于外隔离套(25)外侧的油囊(26)，油囊(26)通过设置于外侧的一级油囊压环(27)固定；外隔离套(25)和油囊(26)之间的空间形成所述外部进油通道；外隔离套(25)的内侧空间形成所述外部回油通道。
7.根据权利要求3所述的独立驱动的三级水下推进器，其特征在于，所述定子前端盖(17)上沿周向设有多个油堵(22)。
8.根据权利要求2所述的独立驱动的三级水下推进器，其特征在于，所述导叶与所述轴(16)之间设有散热叶轮(32)，散热叶轮(32)与所述轴(16)连接且与所述轴(16)一起转动；所述散热叶轮(32)的叶片与所述导叶上的后半部分通孔对应。
9.根据权利要求2所述的独立驱动的三级水下推进器，其特征在于，所述导叶的两端连接有轮毂前端盖(29)和轮毂后端盖(33)；轮毂前端盖(29)上嵌装有油封(30)，轮毂后端盖(33)上装有后油堵(34)。
10.根据权利要求1-9任一项所述的独立驱动的三级水下推进器，其特征在于，所述一级推进组件、二级推进组件和三级推进组件可按单级推进器独立运行，或将两级或三级数串联形成不同级数的推进器。
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