一种导管式深海推进器

1.本发明涉及水下推进器领域，具体涉及一种导管式深海推进器。


背景技术：

2.伴随着人类认识海洋、开发海洋、利用海洋资源和保护海洋资源的进程，水下机器人作为一种在水下移动、具有视觉和感知系统、通过遥控或自主遥控方式、使用机械或其他工具代替或辅助人去完成水下作业任务的装置，在海洋开发和利用中扮演着重要的角色。
3.推力系统是广泛用于水面或者水下航行器的动力装置，主要用来推动航行器航行，或提供可控的力和力矩使设备调整处于期望的位置和姿态。
4.目前作为水下航行器使用的推力系统，通常由单个电机通过轴系连接螺旋桨旋转配合导管组合使用。电力推进装置和高压海水泵是深海潜水器中的重要。导管式深海推进器作为深海动力来源。由于此推进器集成了驱动器、推进电机和螺旋桨，使得推进器的整体功率密度提高，整体效率提高。现有深海推进器一般采用分体结构，即驱动器和电机分体安装，两者之间通过水密电缆连接，传输电气信号，螺旋桨固定于电机输出轴。
5.上述推进器的驱动器和电机需分别通过连接装置固定于载体上，增加了其在载体上的安装难度，因此，如何提供一种在结构上简化装配结构且提高电机的功率密度的水下推进器成为亟待解决的问题。


技术实现要素：

6.本发明的主要目的在于提供一种新型结构的导管式深海推进器，从而克服现有技术的不足。
7.为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：一种导管式深海推进器，包括：
8.壳体，所述壳体内被分隔为第一腔室和第二腔室两个独立的壳体；
9.一体集成的推进电机和驱动器，所述推进电机和驱动器分别设置于所述第一腔室和第二腔室内，且所述驱动器与所述推进电机之间电连接，所述推进电机包括电机外轴和电机内轴；
10.对转螺旋桨，安装在所述推进电机的后端，其包括内螺旋桨和外螺旋桨，所述内螺旋桨安装在所述电机外轴上，所述外螺旋桨安装在所述电机内轴上，两者分别在对应的电机输出轴驱动下产生对转运动；
11.环状导管和与所述环状导管相连的曲面导流罩，所述环状导管设置在所述对转螺旋桨的外侧，所述曲面导流罩罩设固定于所述壳体靠近对转螺旋桨的后端且位于所述推进电机和对转螺旋桨之间；
12.且，在推进器的前进方向上，所述第二腔室、第一腔室、曲面导流罩和内螺旋桨或外螺旋桨或环状导管从前往后依次设置，且存在以下关系：
13.l1+l2＝l3＝1/2l4；
14.d2＝1.2d1；
15.d1≌d3≌4
×
l5：
16.其中，在推进器的前进方向上，l1为第二腔室的长度，l2为第一腔室的长度，l3为曲面导流罩的长度，l4为转轴伸出长度，l5为内螺旋桨和外螺旋桨之间的桨距，d1为推进器外径，d2为曲面导流罩的最小内径，d3为对转螺旋桨的外径；
17.环状导管的内侧呈前宽后窄的流线曲线形式，外侧呈前宽后窄的流线直线形式，曲面导流罩的内、外侧曲面呈与环状导管内侧曲面相同的类双曲线形式。
18.在一优选实施例中，所述推进电机还包括定子、第一转子和第二转子，所述第一转子和第二转子分别分布于所述定子的两侧，所述第一转子和第二转子在所述驱动器的驱动下独立自由转动。
19.在一优选实施例中，所述推进器还包括密封装置，所述密封装置包括动密封装置和静密封装置，所述电机外轴和所述电机内轴之间、所述电机外轴的旋转部分均采用所述动密封装置密封，所述推进器的静止结构配合处采用所述静密封装置密封。
20.在一优选实施例中，所述动密封装置包括机械动密封和旋转动密封，所述电机外轴的旋转部分采用所述机械动密封密封，所述电机外轴和所述电机内轴之间采用所述旋转动密封密封。
21.在一优选实施例中，所述驱动器采用无位置传感器控制方式。
22.在一优选实施例中，所述推进器还包括用于维持所述推进器内部压力大于外部海水环境压力的压力平衡装置，所述压力平衡装置设置于所述推进器的前端，且与所述壳体相连通。
23.在一优选实施例中，所述压力平衡装置采用被动式自适应压力平衡装置，或者采用主动式打压压力平衡装置。
24.在一优选实施例中，所述第二腔室内设置有用于屏蔽掉所述驱动器和推进电机磁场的相互干扰的屏蔽结构。
25.在一优选实施例中，所述曲面导流罩和环状导管之间采用用于将海水中的乱流改变为稳定流体的曲面导叶结构连接。
26.在一优选实施例中，所述外螺旋桨的后端设置一用于减少海水对整个推进器的腐蚀的牺牲阳极的锌块，所述锌块固定在所述电机内轴的尾端上。
27.在一优选实施例中，所述壳体上设置有用于抽真空的止动式卸油孔，所述止动式卸油孔与壳体内部的腔室相连通。
28.与现有技术相比较，本发明的有益效果至少在于：
29.(1)本发明通过将推进电机和驱动器集成在一起，在结构上不仅简化了装配结构，而且提高了电机的功率密度。
30.(2)本发明采用对转螺旋桨后置固定在电机的两输出轴上，推进器与对转螺旋桨之间装配曲面导流罩，对转螺旋桨外侧装配环状导管，改善流体流动性，增大推进器推力。
31.(3)本发明设置压力平衡装置，可采用被动式自适应压力平衡装置，或者主动式压力平衡打压装置，用于达到推进器内部压力大于外部环境压力的目的。
32.(4)本发明采用静动密封系统，在推进电机外部静止零部件结合处置有静止耐压密封件，两轴之间采用旋转动密封形式，电机外轴外侧采用机械动密封形式，使推进器适用
于深海工作。
附图说明
33.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
34.图1为本发明一具体实施例中一种导管式深海推进器的整机示意图；
35.图2为本发明一具体实施例中第二腔室的分解示意图；
36.图3为本发明一具体实施例中静密封装置的示意图；
37.图4为本发明一具体实施例中机械动密封结构形式的示意图；
38.图5为本发明一具体实施例中旋转动密封结构形式的示意图；
39.图6为本发明一具体实施例中电力及信号接插件结构形式的示意图；
40.图7为本发明一具体实施例中曲面导流罩所呈的类双曲线示意图；
41.附图标记为：
42.1、定子，2、第一转子，3、第二转子，4、驱动器，5、止动式卸油孔，6、环状导管，7、内螺旋桨，8、外螺旋桨，9、机械动密封，10、旋转动密封，11、压力平衡装置，12、接插件，14、屏蔽结构，15、曲面导流罩，16、静密封装置，17、隔环，18、支撑件，19、锌块，20、壳体，21、第一腔室，22、第二腔室，23、电机外轴，24、电机内轴。
具体实施方式
43.通过应连同所附图式一起阅读的以下具体实施方式将更完整地理解本发明。本文中揭示本发明的详细实施例；然而，应理解，所揭示的实施例仅具本发明的示范性，本发明可以各种形式来体现。因此，本文中所揭示的特定功能细节不应解释为具有限制性，而是仅解释为权利要求书的基础且解释为用于教示所属领域的技术人员在事实上任何适当详细实施例中以不同方式采用本发明的代表性基础。
44.本发明实施例所揭示的一种导管式深海推进器，通过采用电力驱动系统与推进系统一体化设计，具有轻量化、功率密度高、效率高、噪声低和稳定性高的优点，并且配备自适应压力平衡系统和密封系统，使得推进器可在更深的海域运行。
45.如图1所示，本发明实施例所揭示的一种导管式深海推进器，包括壳体20、推进电机、驱动器4、对转螺旋桨、环状导管6、曲面导流罩15、密封装置和压力平衡装置11，其中，壳体20内被分隔为按前后方向分布的第一腔室21和第二腔室22两个独立且相邻的壳体。
46.推进电机设置在上述第一腔室21内。本实施例中，推进电机为双转子电机，具体包括定子1、第一转子2、第二转子3、电机外轴23和电机内轴24，第一转子2和第二转子3均转动设置于电机外轴23上，且第一转子2和第二转子3分别位于定子1的两侧。驱动器4与推进电机一体集成，驱动器4设置于上述第二腔室22内，且与推进电机之间电连接，驱动第一转子2和第二转子3独立自由转动。本实施例中，根据推进电机形状，驱动器4可开发成环状结构。且驱动器采用无位置传感器控制方式，可提高系统可靠性。
47.推进电机可以同向输出旋转动力，且电机外轴23和电机内轴24可以实现同速或不
同速的对转运动。第一腔室21和第二腔室22之间留有信号及电力线缆通道(图未示)。优选地，为了屏蔽驱动器4和推进电机磁场的相互干扰，本实施例在第二腔室22内，具体在第二腔室22的四周内壁上设置屏蔽结构14，如图2所示。另外，优选地，上述推进电机和驱动器4中的零部件均采用无气孔的耐压元器件构成。
48.对转螺旋桨安装在推进电机的后端，其具体包括内螺旋桨7和外螺旋桨8，其中，内螺旋桨7安装在电机外轴23上，外螺旋桨8安装在电机内轴24上，两者分别在电机外轴23和电机内轴24的驱动下产生对转运动，产生推力。
49.曲面导流罩15位于推进器的入水侧，其罩设固定于壳体20靠近对转螺旋桨的后端且位于推进电机和对转螺旋桨之间，同等转速下，可提高推进器的动力，以及提高螺旋桨的输出效率。
50.环状导管6设置在对转螺旋桨的外侧，其与曲面导流罩15之间通过支撑件18连接，另外，环状导管6和曲面导流罩15之间采用曲面矩形状导叶结构(图未示)，也可以采用曲面圆形状或其他形状的导叶结构连接，用于将海水中的乱流改变为稳定的流体。
51.进一步地，从推进器的前进方向看去，推进器具有一定的设计规律，装有驱动器4的第二腔室22排在第一位，装有推进电机的第一腔室21排在第二位，曲面导流罩15排在第三位，内螺旋桨7、外螺旋桨8以及环状导管6排在第四位，并且各部件的结构尺寸存在以下关系：
52.l1+l2＝l3＝1/2l4；
53.d2＝1.2d1；
54.d1≌d3≌4
×
l5；
55.其中，在推进器的前进方向上，l1为第二腔室的长度，l2为第一腔室的长度，l3为曲面导流罩的长度，l4为转轴伸出长度，l5为内螺旋桨和外螺旋桨之间的桨距，d1为推进器外径，d2为曲面导流罩的最小内径，d3为对转螺旋桨的外径。
56.基于该推进器的结构设置，使得该推进器结构紧凑稳定，推进效率最高。
57.另外，环状导管6的内侧呈前宽后窄的流线曲线形式，外侧呈前宽后窄的流线直线形式，即环状导管6整体呈前宽后窄的喇叭形状，曲面导流罩15的内、外侧曲面呈与环状导管6内侧相同的类双曲线形式，即曲面导流罩15的内、外侧均呈曲面状，使得水流线更加顺滑不至于产生较大涡流，有利于螺旋桨的水动力作用。
58.这里的类双曲线解释如下；为了用几何、数学的方法来描述水流进口的物理意义，就要用数学表达式来表达曲面导流罩的外侧曲面与环状导管内侧曲面的所呈现的几何形状，不同于严格数学意义上的双曲线，在实际工程中，双曲线模型具有一定的相似性。因此，在建立模型描述和应用时，通过类字对双曲线模型进行描述。以环状导管内侧以及曲面导流罩外侧为边界，结合图7所示，可描述为类双曲线形式，如下所示：
[0059][0060]
螺旋桨进水开口呈类双曲线的目的在于使水流尽可能平滑的流入到螺旋桨内部，在螺旋桨的转动下尽可能减小涡流产生的损耗，以提高转矩的利用率。所以第二腔室22、第一腔室21、曲面导流罩15和内螺旋桨7或外螺旋桨8或环状导管6的外形都尽可能做到平滑
且不突变的外轮廓，而且曲面导流罩15的外侧曲面呈与环状导管6内侧曲面的截面轮廓呈有利于水流不产生平滑的不易于畸变的轮廓形状。
[0061]
压力平衡装置11设置于推进器的前端，且与壳体20相连通，具体与壳体20的第二腔室22相连通，用于维持推进器内部压力略大于外部海水环境压力，如维持推进器内部压力为0.1～0.3mpa。实施时，压力平衡装置11可以是被动式自适应压力平衡装置，或者采用主动式打压压力平衡装置。推进器整机采用压力平衡装置11实现推进器内部压力补偿，达到推进器内部压力大于外部压力的目的，保证推进器外部海水不进入到推进器内部。并且电力和信号传输可通过压力平衡装置11输送到接插件12处，即压力平衡装置11的里面可贯穿推进电机及驱动器4的动力线和信号线，即可作为推进器电力及信号传输通道，推进器的电力及信号端部可安装动力及信号的耐压的接插件12形式，但断面处宜采用轴向和径向都做精密封处理的形式，结合图6所示。
[0062]
结合图3～图5所示，密封装置采用静密封和动密封组合的静动密封方式，具体包括动密封装置和静密封装置16，其中，动密封装置包括机械动密封9和旋转动密封10，具体地，电机外轴23的旋转部分采用机械动密封9密封，且机械动密封9处宜采用多弹簧补偿形式。电机外轴23和电机内轴24之间采用旋转动密封10密封，其中，旋转动密封10材质采用高耐压抗腐蚀形式，可采用多级旋转动密封，且两级旋转动密封之间宜装配隔环17，保证密封性。推进器的静止结构配合处采用上述静密封装置16密封。具体地，推进器的静止结构配合处(所有与海水接触的静止零配合处，比如壳体与法兰之间)设置密封沟槽(图未示)，密封沟槽内设置o型圈，使得静密封装置16压缩量在20％左右，且静密封装置16的材料耐海水腐蚀。
[0063]
另外，壳体20上设置有用于抽真空的止动式卸油孔5，该止动式卸油孔5与壳体20内部的腔室相连通，推进器通过该止动式卸油孔5实现内部抽真空和卸油的目的，保证推进器内部完全充油。
[0064]
另外，外螺旋桨的后端还设置一牺牲阳极的锌块19，该锌块19固定在上述电机内轴24的尾端上，用于减少海水对整个推进器的腐蚀。
[0065]
本发明具有以下优点：1、本发明通过将推进电机和驱动器集成在一起，在结构上不仅简化了装配结构，而且提高了电机的功率密度。2、本发明采用对转螺旋桨后置固定在电机的两输出轴上，推进器与对转螺旋桨之间装配曲面导流罩，对转螺旋桨外侧装配环状导管，改善流体流动性，增大推进器推力。3、本发明设置压力平衡装置，可采用被动式自适应压力平衡装置，或者主动式压力平衡打压装置，用于达到推进器内部压力大于外部环境压力的目的。4、本发明采用静动密封系统，在推进电机外部静止零部件结合处置有静止耐压密封件，两轴之间采用旋转动密封形式，电机外轴外侧采用机械动密封形式，使推进器适用于深海工作。
[0066]
综上，本发明的对转螺旋桨、环状导管与曲面导流罩构成推进系统，压力平衡系统和密封系统使得推进器可在深海环境中运行。本发明采用电力驱动系统与推进系统一体化设计，具有轻量化、功率密度高、效率高、噪声低和稳定性高的优点，并且配备自适应压力平衡系统和密封系统，使得推进器可在更深的海域运行，在船舶行驶、水下机器人推进等领域中具有良好的应用前景。
[0067]
本发明的各方面、实施例、特征及实例应视为在所有方面为说明性的且不打算限
制本发明，本发明的范围仅由权利要求书界定。在不背离所主张的本发明的精神及范围的情况下，所属领域的技术人员将明了其它实施例、修改及使用。

技术特征：
1.一种导管式深海推进器，其特征在于，所述深海推进器包括：壳体，所述壳体内被分隔为第一腔室和第二腔室两个独立的壳体；一体集成的推进电机和驱动器，所述推进电机和驱动器分别设置于所述第一腔室和第二腔室内，且所述驱动器与所述推进电机之间电连接，所述推进电机包括电机外轴和电机内轴；对转螺旋桨，安装在所述推进电机的后端，其包括内螺旋桨和外螺旋桨，所述内螺旋桨安装在所述电机外轴上，所述外螺旋桨安装在所述电机内轴上，两者分别在对应的电机输出轴驱动下产生对转运动；环状导管和与所述环状导管相连的曲面导流罩，所述环状导管设置在所述对转螺旋桨的外侧，所述曲面导流罩罩设固定于所述壳体靠近对转螺旋桨的后端且位于所述推进电机和对转螺旋桨之间；且，在推进器的前进方向上，所述第二腔室、第一腔室、曲面导流罩和内螺旋桨或外螺旋桨或环状导管从前往后依次设置，且存在以下关系：l1+l2＝l3＝1/2l4；d2＝1.2d1；其中，在推进器的前进方向上，l1为第二腔室的长度，l2为第一腔室的长度，l3为曲面导流罩的长度，l4为转轴伸出长度，l5为内螺旋桨和外螺旋桨之间的桨距，d1为推进器外径，d2为曲面导流罩的最小内径，d3为对转螺旋桨的外径；环状导管的内侧呈前宽后窄的流线曲线形式，外侧呈前宽后窄的流线直线形式，曲面导流罩的外侧曲面呈与环状导管内侧曲面相同的类双曲线形式。2.根据权利要求1所述的一种导管式深海推进器，其特征在于，所述推进电机还包括定子、第一转子和第二转子，所述第一转子和第二转子分别分布于所述定子的两侧，所述第一转子和第二转子在所述驱动器的驱动下独立自由转动。3.根据权利要求1所述的一种导管式深海推进器，其特征在于，所述推进器还包括密封装置，所述密封装置包括动密封装置和静密封装置，所述动密封装置包括机械动密封和旋转动密封，所述电机外轴和所述电机内轴之间装配所述旋转动密封，所述电机外轴的旋转部分均采用所述机械动密封，所述推进器的静止结构配合处采用所述静密封装置密封。4.根据权利要求1所述的一种导管式深海推进器，其特征在于，所述驱动器采用无位置传感器控制方式。5.根据权利要求1所述的一种导管式深海推进器，其特征在于，所述推进器还包括用于维持所述推进器内部压力大于外部海水环境压力的压力平衡装置，所述压力平衡装置设置于所述推进器的前端，且与所述壳体相连通。6.根据权利要求5所述的一种导管式深海推进器，其特征在于，所述压力平衡装置采用被动式自适应压力平衡装置，或者采用主动式打压压力平衡装置。7.根据权利要求1所述的一种导管式深海推进器，其特征在于，所述第二腔室内设置有用于屏蔽掉所述驱动器和推进电机磁场的相互干扰的屏蔽结构。8.根据权利要求1所述的一种导管式深海推进器，其特征在于，所述曲面导流罩和环状导管之间采用用于将海水中的乱流改变为稳定流体的曲面导叶结构连接。
9.根据权利要求1所述的一种导管式深海推进器，其特征在于，所述外螺旋桨的后端设置一用于减少海水对整个推进器的腐蚀的牺牲阳极的锌块，所述锌块固定在所述电机内轴的尾端上。10.根据权利要求1所述的一种导管式深海推进器，其特征在于，所述壳体上设置有用于抽真空的止动式卸油孔，所述止动式卸油孔与壳体内部的腔室相连通。

技术总结
本发明公开了一种导管式深海推进器，包括壳体、推进电机、驱动器、对转螺旋桨、环状导管、曲面导流罩、密封装置和压力平衡装置，壳体内被分隔为第一腔室和第二腔室两个独立的壳体，推进电机和驱动器分别设置于第一腔室和第二腔室内，且驱动器与推进电机之间电连接，推进电机包括电机外轴和电机内轴，对转螺旋桨安装在推进电机的后端，其包括内螺旋桨和外螺旋桨，内螺旋桨安装在电机外轴上，外螺旋桨安装在电机内轴上，两者分别在对应的电机输出轴驱动下产生对转运动。本发明通过将推进电机和驱动器集成在一起，在结构上不仅简化了装配结构，而且提高了电机的功率密度。而且提高了电机的功率密度。而且提高了电机的功率密度。


技术研发人员：王冬杰 张驰 郑天江 李华民 陈进华 虞冠杰 高云鹏
受保护的技术使用者：中国科学院宁波材料技术与工程研究所
技术研发日：2023.03.22
技术公布日：2023/6/7