申请/专利权人：济南大学

申请日：2018-11-15

公开（公告）日：2024-06-25

公开（公告）号：CN109334930B

主分类号：B63H1/16

分类号：B63H1/16;B63H23/00;H02K7/14

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.06.25#授权;2019.03.12#实质审查的生效;2019.02.15#公开

摘要：本发明公开了一种无轴推进器，包括：定子；转子，通过位于端部的一对轴承安装在定子内部，两轴承间确定出装配腔；端盖，固定在定子端部，用于定子与转子所形成总成两端的密封；定子绕组，安装在装配腔的定子侧；永磁体，安装在装配腔的转子侧；以及叶片，安装在转子内壁面上；其中，转子管壳具有以转子管壳一端为大端的第一锥腔道，并具有以转子管壳另一端为大端的第二锥腔道，第一锥腔道和第二锥腔道的小端连通；叶片分为两组，一组位于第一锥腔道，另一组位于第二锥腔道。依据本发明的无轴推进器效率比较高。

主权项：1.一种无轴推进器，其特征在于，包括：定子，为管壳结构；转子，为管壳结构，通过位于端部的一对轴承安装在定子内部，并与定子共轴线，两轴承间确定出装配腔；端盖，固定在定子端部，用于定子与转子所形成总成两端的密封；定子绕组，安装在装配腔的定子侧；永磁体，安装在装配腔的转子侧；以及叶片，安装在转子内壁面上；其中，转子管壳具有以转子管壳一端为大端的第一锥腔道，并具有以转子管壳另一端为大端的第二锥腔道，第一锥腔道和第二锥腔道的小端连通；叶片分为两组，一组位于第一锥腔道，另一组位于第二锥腔道；第一锥腔道为进水管腔，且该第一锥腔道的第一锥度大于第二锥腔道的第二锥度，用于产生拉瓦尔效应；第一锥度为1:3，第二锥度为1:4。

全文数据：无轴推进器技术领域本发明涉及一种无轴推进器。背景技术无轴推进器即本领域常说的无轴泵喷装置，是2005年新出现的推进设备。无轴推进器主要针对常规的有轴推进器所提出的一种推进器，有轴推进器的原理非常简单，通常在例如舰船上设置动力舱，动力舱内安装例如内燃机，内燃机的动力通过主轴连接螺旋桨，用于将动力从动力舱引出的主轴的确省，即构成无轴推进器。有轴推进器动力强劲，但需要配置复杂的传动轴系，并且需要更加可靠的液密封，例如核潜艇，其设计深限可能达到800米，主轴与主轴孔的液密封实现起来非常困难。此外，通常情况下，吨位越大的船只，传动轴系越长，不但结构复杂而且不便维护。无轴推进器最早与2005年美国海军提出的，主要应用于潜艇。国内，马伟明院士也对无轴推进器做过大量的研究工作，并也有工程实践，某新型潜艇即采用无轴推进器，无轴推进器大型化也得到了实际应用。随着进一步研究，无轴推进器以其简单紧凑的结构受到广泛的关注，逐渐向民用转移。目前为止，无轴推进器功率已经可达800KW以上，足以满足千吨轮船的动力需求。中国专利文献CN1897417A公开了一种无轴推进器，属于早期的无轴推进器，其对无轴推进器的结构和原理进行了详细的说明。其包括环形的定子，定子部分可以固定在例如舰船上，定子上设有定子绕组。进而，提供转子，转子也是环形结构，转子通过轴承安装在定子上，定子和转子共轴线，转子上对位于定子绕组设有永磁体。定子和转子整体上类似于轴承，定子类似于轴承的外圈，定子类似于轴承的内圈。典型地，转子内圈内孔为柱面，并且以转子内表面为安装面安装有多个叶片，无轴推进器在工作时，可以产生动能比较大的涡流，从而产生反冲，推动例如舰船前进。涡流自身具有比较大的速度，一般都浪费掉了，目前并没有有效利用的方法。发明内容本发明利用拉瓦尔效应，将无轴推进器的转子构造成拉瓦尔喷管，从而提高效率，而提出一种效率相对较高的无轴推进器。依据本发明的实施例，提供一种无轴推进器，包括：定子，为管壳结构；转子，为管壳结构，通过位于端部的一对轴承安装在定子内部，并与定子共轴线，两轴承间确定出装配腔；端盖，固定在定子端部，用于定子与转子所形成总成两端的密封；定子绕组，安装在装配腔的定子侧；永磁体，安装在装配腔的转子侧；以及叶片，安装在转子内壁面上；其中，转子管壳具有以转子管壳一端为大端的第一锥腔道，并具有以转子管壳另一端为大端的第二锥腔道，第一锥腔道和第二锥腔道的小端连通；叶片分为两组，一组位于第一锥腔道，另一组位于第二锥腔道。上述无轴推进器，可选地，第一锥腔道为进水管腔，且该第一锥腔道的第一锥度大于第二锥腔道的第二锥度。可选地，第一锥度为1:3，第二锥度为1:4。可选地，第一锥腔道和第二锥腔道的共小端。可选地，第一锥腔道内叶片组向大端侧偏置；第二锥腔道内的叶片组向小端侧偏置。可选地，定子用于安装定子绕组的部位开有环槽；转子用于安装永磁体的部位开有环槽。可选地，在永磁体的离心侧设有一遮光片；在定子上设有光电传感器，用于采样遮光片到来的时刻。可选地，光电传感器有四个，在定子周向均匀布设。可选地，转子两端形成轴径，以用于轴承的装配；轴径内侧为定位轴肩，以用于轴承内圈的定位；端盖上设有凸环，以用于轴承外圈的定位锁紧。可选地，端盖的内孔与轴径配合的部分设有密封圈。依据本发明的实施例，区别于现有的推进器，其具有两个叶片组，即由设置在第一锥腔道内的叶片所形成的第一叶片组和设置在第二锥腔道内的叶片所形成的第二叶片组，可以进行两级加速，形成更高的反冲速度，提高效率。并且第二锥腔道构成拉瓦尔喷管，进一步提高推进器的效率。附图说明图1为一实施例中无轴推进器主剖结构示意图。图2为图1的A-A剖视图。图中：1.端盖，2.轴承，3.定子，4.前叶片，5.转子，6.遮光片，7.永磁体，8.定子绕组，9.后叶片，10.后腔道，11.喉部，12.前腔道，13.密封圈，14.光电传感器。具体实施方式关于拉瓦尔喷管，是由两个锥形管构成的，其中一个为收缩管，另一个为扩张管，是火箭发动机和航空发动机最常用的构件。拉瓦尔喷管的前半部是由大变小向中间收缩的收缩部，直至收缩至一个喉部11。喉部11之后又由小变大向外扩张至转子5末端，称为扩展部。拉瓦尔喷管是由瑞典人拉瓦尔发明的，也因此被称为"拉瓦尔喷管"。关于无轴推进器，其基础结构可见于中国专利文献CN1897417A，这也是本领域的早期文献，其公开了无轴推进器的基础结构，关于无轴推进器，实际上属于电力驱动的设备，其具有定子3和转子5，以及所适配的定子绕组8和永磁体7，定子绕组8位于定子3侧，不需要动密封，而不会出现轴系系统的问题。关于定子3，既是壳体，又是动力总成的组成部分，其作为壳体，用作无轴推进器其它部件的安装基础，并作为座部安装在例如舰艇的壳体尾部。定子3主体结构为一管壳结构，参见图1和图2所示的结构，定子3属于圆管壳结构，外表面可以设置连接结构，例如安装座，连接结构可以是螺栓座。安装座也可以是焊接座，以将其焊接在例如舰艇尾部。在图1所示的结构中，定子3的两端还装有端盖1，因此，定子3的两端的端面需要开螺钉孔，每一端面螺钉孔的数量不少于6个，且不多于12个。另外，轴对称地开一对定位销孔。此外，端盖1与定子3端面间还可以基于钩槽定位设有凸台，定子3上开设沟槽。机械领域中，沟槽定位结构还有利于构造密封结构。相应地，端盖1需要液密封地固定在定子3两端，端盖1与定子3间属于静密封，与转子5之间属于动密封。端盖1的密封形成轴承室和相对密封的装配腔。关于转子5，其也采用管壳结构，只不过其外表面大致为圆柱面，内表面为双锥面结构。转子5通过一对轴承2安装在定子3内部，关于转子5在定子3上的装配结构属于本领域的一般常识，一般两轴承2位于转子5的两端，或者说转子5两端头设有用于装配轴承2的轴径，然后装配在定子3的内腔。转子5与定子3应具有比较高的同轴度，两轴承2之间有一定距离，从而在两轴承2之间确定出装配腔。关于装配腔，其首先在定子3侧安装定子绕组8，定子绕组8通过电缆接入动力电，不必匹配设置传动轴系，结构大大简化，这是本领域的常识，再次不再赘述。相应地，适配定子绕组8，在转子5上则设有永磁体7，永磁体7采用永磁铁，基于定子绕组8上所产生的交变电磁场而推动转子5旋转。例如核潜艇，可以产生直流电也可以产生交流电，直流电可以基于逆变产生交流电，从而驱动转子5旋转。在一些应用中还可以构造出直流电动机结构，采用例如动态设置的变换电流方向，形成交变的电流变化，从而产生交变的电磁场。关于拉瓦尔效应的应用，转子5的管壳具有以转子5的管壳一端为大端的第一锥腔道，并具有以转子5的管壳另一端为大端的第二锥腔道，第一锥腔道和第二锥腔道的小端连通，即形成拉瓦尔喷管结构。第一锥腔道即图1中所示的前腔道12，第二锥腔道即图1中所示的后腔道10。一般而言，常规的螺旋桨会产生相对于例如舰船前进方向的向后的涡流，其原理非常简单，就是基于反冲原理实现对船的推进，满足动量守恒定律。向后排出的涡流会被浪费掉。拉瓦尔效应是在喷管结构产生截面变化时，截面变化大于涡流的自然发散，换言之，拉瓦尔喷管的后腔道10的锥度，大于涡流自然发散的锥度，后腔道10内存在一些区域的流体基于内摩擦力被相对高速的涡流带走，而产生负压，该负压会吸引前腔道12的液体，而对前腔道12过来的液流有一定的加速作用，这也是当前拉瓦尔火箭发动机喷嘴的基本原理。进一步地，叶片分为两组，一组位于第一锥腔道，如图1中所示的前叶片4，另一组位于第二锥腔道，如图1中所示的后叶片9。前叶片4起到常规推进器桨叶的作用，后叶片9则产生二级加速，对前一级的吸引作用会更强，可以加强拉瓦尔效应。进一步地，如图1所示，第一锥腔道为进水管腔，即图1的左端为进水端，那么，相应地，图1中的右端为出水端，从图中可以明显的看出，该第一锥腔道的第一锥度大于第二锥腔道的第二锥度，可以有效的提高拉瓦尔效应，即能够提高负压吸引效果。优选地，第一锥度为1:3，第二锥度为1:4，可以产生最佳的拉瓦尔效应。在一些实施例中，第一锥腔道和第二锥腔道可以通过一圆柱腔管连通，相应地，第一锥腔道和第二锥腔道的小端口径相同。圆柱腔管的长度不宜大于50mm。在一些实施例中，第一锥腔道和第二锥腔道的共小端，即没有圆柱腔管。在图1所示的结构中，第一锥腔道内叶片组向大端侧偏置，液流进来后被前叶片4加速，液流逐渐收缩，产生进一步的加速，收缩加速效果相对较好。相应地，第二锥腔道内的叶片组，即后叶片9向小端侧偏置，在液流逐渐扩散后，与后叶片9的加速效应相适配，从而产能更好地反冲效果。为降低装配腔的尺寸，定子3用于安装定子绕组8的部位开有环槽。相应地，转子5用于安装永磁体7的部位开有环槽。参见图1所示的结构，在永磁体7的离心侧设有一遮光片6，从而在转子5旋转过程中，产生扫掠路径。进而，在定子3上设有光电传感器14，用于采样遮光片6到来的时刻，藉此可以构造直流电动机。优选地，光电传感器有四个，在定子周向均匀布设，相当于四极电极，符合舰船推动的速度要求。在图1中，轴径内侧为定位轴肩，以用于轴承2内圈的定位；端盖1上设有凸环，以用于轴承2外圈的定位锁紧。端盖1的内孔与轴径配合的部分设有密封圈13。

权利要求：1.一种无轴推进器，其特征在于，包括：定子，为管壳结构；转子，为管壳结构，通过位于端部的一对轴承安装在定子内部，并与定子共轴线，两轴承间确定出装配腔；端盖，固定在定子端部，用于定子与转子所形成总成两端的密封；定子绕组，安装在装配腔的定子侧；永磁体，安装在装配腔的转子侧；以及叶片，安装在转子内壁面上；其中，转子管壳具有以转子管壳一端为大端的第一锥腔道，并具有以转子管壳另一端为大端的第二锥腔道，第一锥腔道和第二锥腔道的小端连通；叶片分为两组，一组位于第一锥腔道，另一组位于第二锥腔道。2.根据权利要求1所述的无轴推进器，其特征在于，第一锥腔道为进水管腔，且该第一锥腔道的第一锥度大于第二锥腔道的第二锥度。3.根据权利要求2所述的无轴推进器，其特征在于，第一锥度为1:3，第二锥度为1:4。4.根据权利要求1~3任一所述的无轴推进器，其特征在于，第一锥腔道和第二锥腔道的共小端。5.根据权利要求2或3所述的无轴推进器，其特征在于，第一锥腔道内叶片组向大端侧偏置；第二锥腔道内的叶片组向小端侧偏置。6.根据权利要求1所述的无轴推进器，其特征在于，定子用于安装定子绕组的部位开有环槽；转子用于安装永磁体的部位开有环槽。7.根据权利要求1所述的无轴推进器，其特征在于，在永磁体的离心侧设有一遮光片；在定子上设有光电传感器，用于采样遮光片到来的时刻。8.根据权利要求7所述的无轴推进器，其特征在于，光电传感器有四个，在定子周向均匀布设。9.根据权利要求1所述的无轴推进器，其特征在于，转子两端形成轴径，以用于轴承的装配；轴径内侧为定位轴肩，以用于轴承内圈的定位；端盖上设有凸环，以用于轴承外圈的定位锁紧。10.根据权利要求9所述的无轴推进器，其特征在于，端盖的内孔与轴径配合的部分设有密封圈。

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