一种对转轮缘推进器

1.本发明属于水下推进器技术领域，具体是一种对转轮缘推进器。


背景技术：

2.传统的水下推进方式普遍存在效率低、振动噪声大，已无法满足水下推进高性能的要求。为了提高水下推进的综合性能，相关学者相继提出导管桨、对转桨、轮缘推进器，然而由于密封性差、散热能力差以及长轴系系统的存在导致导管桨和对转桨较传统的水下推进方式而言，提高的性能有限。轮缘推进器作为一种新型的水下推进方式，其电机可以直接驱动螺旋桨，结构紧凑、振动噪声低等优点，现有的轮缘推进器多为单桨、单定子驱动单转子轮缘推进器，其缺点明显，在高速时稳定性不足，容易产生“侧翻”现象，无法利用螺旋桨尾流的涡动能量，造成了能量的浪费，从而降低了轮缘推进器的综合性能。
3.中国专利《对转无轴轮缘驱动推进器》(cn105109650b)公开了一种对转推进器，该推进器利用两个极性相反的永磁体，实现了单定子驱动双转子，由于单定子和双永磁体的存在，其电机定子和转子的安装空间及其有限，限制了导管方面的性能，另外，在低速时，该推进器的性能无法完全发挥，造成了能量的浪费；中国专利《一种对转轮缘推进器》(cn113086146b)是一种利用气压差进行驱动的对转轮缘推进器，该推进器通过两个气压腔之间的压力差来驱动缘毂和桨叶做旋转运动，这种结构虽然体积小、重量轻，但由于空气的可压缩性较大，其工作速度受外负载变化影响大，运动平稳性较差。


技术实现要素：

4.为了弥补现有技术的不足，本发明提供一种对转轮缘推进器的技术方案，解决了现有推进器性能低、推力低、效率低的问题，能够实现单定子驱动两个转子的反向旋转，避免了能量浪费。
5.所述的一种对转轮缘推进器，包括导管，所述导管包括导管壳体，所述导管壳体的内腔中固定设置有同轴反转装置，同轴反转装置包括齿轮箱以及设置在齿轮箱中的齿轮组，一级转子组件和二级转子组件分别设置在齿轮箱两端分别，通过齿轮组啮合传动，并使得一级转子组件和二级转子组件转向相反，形成单定子驱动双转子的对转推进器。
6.进一步的，所述齿轮组包括径向齿轮组和横向齿轮组，所述径向齿轮组通过轴承固定在齿轮箱的内壁上，所述横向齿轮组从齿轮箱的两侧伸出，分别与一级转子组件和二级转子组件连接。
7.进一步的，所述齿轮箱通过支撑架固定安装在导管壳体的内腔中；
8.所述齿轮箱上设置有充油装置，包括油管，所述油管固定安装在所述支撑架的侧边，通过所述油管将所述齿轮箱与外接油源连通。
9.进一步的，所述导管壳体的内腔中还设置有定子绕组，所述定子绕组的定子内壁与所述以及转子组件的外壁相对设置，定子绕组和一级转子组件之间设置间隙流道，导管壳体的内壁和二级转子组件之间存在间隙流道。
10.进一步的，间隙流道为不均匀间隙流道，并且出水口的流道间隙大于进水口的流道间隙。
11.进一步的，一级转子组件包括永磁体、第一转子环、第一螺旋桨、第一桨叶固定板和前轴承系统，永磁体镶嵌在第一转子环的外壁槽口内，第一螺旋桨固定在第一桨叶固定板上，第一桨叶固定板与齿轮组传动连接，第一转子环通过前轴承系统设置在导管壳体的内腔；
12.所述第一转子环上设置有倒圆角结构；
13.所述第一转子环上设置“凸”型流道，以降低转子的温度。
14.进一步的，所述二级转子组件包括第二螺旋桨和第二桨叶固定板，第二桨叶固定板一端与齿轮箱的齿轮组固定连接，另一端固定设置有第二螺旋桨。
15.进一步的，所述二级转子组件还包括第二转子环和后轴承系统，第二转子环通过后轴承系统设置在导管壳体的内腔；
16.第二转子环上设置有倒圆角结构。
17.进一步的，导管包括前导流罩、后导流罩，所述导管壳体内部中空，所述后导流罩有内缩的尾缘结构，所述前导流罩为空心结构。
18.进一步的，齿轮箱上设置密封装置，包括旋转动密封和机械密封，所述旋转动密封用于对旋转轴密封，所述机械密封用于对齿轮箱的密封；
19.所述齿轮组的齿数可调，以实现第一螺旋桨和第二螺旋桨的差速旋转。
20.与现有技术相比，本发明有以下优点：
21.本发明中设置了同轴反转系统，通过齿轮传动的方式，使第一螺旋桨和第二螺旋桨转动的方向相反。定子驱动一级转子组件旋转，二级转子组件通过同轴反转装置实现反方向旋转，形成对转，推进水流运动，以提供向前的推力，从而形成单定子驱动双转子的一种对转轮缘推进器；采用齿轮传动的方式，保证了传动的精确性；采用的旋转动密封对旋转轴进行密封，保证了水下工作的可靠性。因此，本发明对转轮缘推进器具有可靠性高、稳定性强的优点，能够精确输出两个方向相反的转矩，并且安装简单，便于控制，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。
附图说明
22.图1是本发明的立面图；
23.图2是本发明的模型剖面图；
24.图3是本发明的总体结构示意图；
25.图4是图3的局部示意图；
26.图5是间隙流道与“凸”型流道示意图；
27.图6是同轴反转装置示意图；
28.图7是齿轮结构示意图；
29.图8是支撑架与油管结构示意图；
30.图9是本发明的另外一种结构剖面示意图。
31.图中：1-定子绕组；2-定子防护层；3-导管壳体；4-前盖板；5-前导流罩；6-前轴承系统；7-第一桨叶固定板；8-第一螺旋桨；9-第一转子环；10-第一桨叶伸出轴；11-永磁体；
12-永磁体防护层；13-支撑架；14-齿轮箱；1401-后板；1402-o型圈；1403-主轴承；1404-径向齿轮组；1405-副轴承；1406-前板；1407-旋转动密封；1408-横向齿轮组；1409-齿轮箱壳体；15-第二桨叶固定板；16-第二螺旋桨；17-第二桨叶伸出轴；18-第二转子环；19-后轴承系统；20-后导流罩；21-后盖板；22-电缆；23-法兰盘；24-间隙流道；25
‑“
凸”型流道；26-油管入口；27-固定孔；28-油管；29-油管出口。
具体实施方式
32.下面结合附图对本发明作进一步说明。
33.实施例1
34.如图1-8所示，一种对转轮缘推进器，由导管、支撑架、轴承组件、定子绕组1、一级转子组件、二级转子组件、同轴反转装置、密封装置八个部分组成。其中，定子绕组1与导管壳体3进行连接固定，一级转子组件和二级转子组件通过前轴承系统6和后轴承系统19安装固定在导管壳体3上，第一螺旋桨8和第二螺旋桨16通过第一桨叶固定板7和第二桨叶固定板15用螺钉固定在转子环上，便于安装、更换、拆卸，螺旋桨随着转子旋转。电缆22在导管上方伸出并且导管上方连有法兰盘23，推进器通过法兰盘23与航行主体相连。
35.导管包括前导流罩5、后导流罩20、导管壳体3、前盖板4、后盖板21，前盖板14和后盖板21分别安装在导管壳体3的前后两端，与盖板相结合的壳体开设有槽，导管壳体3与前盖板4采用螺钉连接，前导流罩5安装在前盖板4上，前导流罩5与前盖板4采用螺钉连接，后导流罩20与导管壳体3的连接方式与前导流罩5的连接方式相似，后导流罩20设置有向内缩的尾缘结构。
36.一级转子组件包括永磁体11、第一转子环9、第一螺旋桨8、第一桨叶固定板7、永磁体防护层12，永磁体11镶嵌在第一转子环9的外壁槽口内，通过防护层保护永磁体11，防止对永磁体11造成侵蚀。二级转子组件包括第二转子环18、第二螺旋桨16、第二桨叶固定板15；第一螺旋桨8和第二螺旋桨16的叶背和叶面相对安装。第一转子环9和第二转子环18进行倒圆角处理，形成倒圆角结构，使水流在经过间隙流道过渡时更加平缓，减少对导管内壁的冲击。
37.一级转子组件和定子绕组1之间的间隙流道24采用不均匀间隙流道并且出水口的流道间隙大于进水口的流道间隙，以防止在旋转过程中造成的偏心现象的发生以及达到降低间隙摩擦转矩的效果，并且二级转子组件和导管内壁之间的间隙流道也采用不均匀间隙流道。
38.第一转子环9进行开“凸”型流道25处理，“凸”型流道25均匀分布在转子环内部，间隙流道进水口为“凸”型流道进口，在转子环旋转过程中，间隙流道中的水流一部分流进“凸”型流道25，与间隙流道出水口进行汇合。
39.轴承组件分为前轴承系统6、后轴承系统19和内轴承组件，前轴承系统6和后轴承系统19采用水润滑轴承代替传统的油润滑轴承，水润滑轴承无需任何添加剂，以自然环境中的水作为中间介质，以形成的水膜进行承载压力，内轴承组件包主轴承组1403和副轴承组1405两组轴承，主轴承1403主要将径向齿轮组1404镶嵌到齿轮箱内壁中，副轴承1405主要用于固定横向齿轮组1408的伸出轴和前板1406。
40.定子组件中定子内壁和一级转子组件外壁相对放置，定子组件和一级转子组件之
间存在间隙流道，水经间隙流道冷却电机。
41.同轴反转装置设置在两桨毂之间，主要包括齿轮组和齿轮箱14。齿轮箱14主要包括齿轮箱壳体1409、前板1405和后板1401且齿轮箱14内部包含齿轮组、轴承以及密封件；齿轮箱14采用圆柱体结构箱且直径与第一螺旋桨8和第二螺旋桨16的桨毂直径近似，以避免产生过多的阻力，对水动力性能造成影响。
42.齿轮组包含两组齿轮，横向齿轮组1408和径向齿轮组1404进行啮合传动，径向齿轮组1404通过主轴承1403镶嵌在齿轮箱14内壁进行固定，横向齿轮组1408通过键与第一桨叶伸出轴10和第二桨叶伸出轴17进行连接。定子驱动第一螺旋桨8旋转通过齿轮的啮合传动变向，来达到第二螺旋桨16与第一螺旋桨8反向旋转形成对转推进器。
43.齿轮箱14上设置有充油装置，使用时需要进行充油处理，实现齿轮箱14的内外压力平衡。油管28在支撑架13后侧，油管28直径与支撑架13厚度近似，油管入口26在导管壳体3上方，并在后板1401处进行开槽留作油管出口29，油管进口29出口均作好密封处理，并在支撑架后侧开固定孔27以固定油管28。
44.齿轮箱14通过支撑架13与导管内壁进行连接，支撑架的形状为“片体”，厚度不宜太大，以防对第一螺旋桨8产生的尾流产生不利影响。
45.第一螺旋桨8和第二螺旋桨16的桨叶数量可以根据承载量和航行工况进行改变，以在合适的和期望的水平调整推进器的性能；第一螺旋桨8和第二螺旋桨16周向均匀的分布在第一桨叶固定板7和第二桨叶固定板15上；第一螺旋桨桨毂与第一桨叶伸出轴10采用一体化设计，第二螺旋桨桨毂和第二桨叶伸出轴17采用一体化设计。
46.桨毂伸出轴与齿轮箱14之间采用旋转动密封1407进行密封处理。前板1405和后板1401与横向齿轮组1408采用轴承进行连接固定；前板1405和后板1401与齿轮箱壳体1409采用o型圈1402进行机械密封。
47.本发明提供的对转轮缘推进器，其工作时，通电的定子绕组1和永磁体11形成环形电机，在磁场的作用下，定子绕组驱动第一转子环9旋转，带动第一螺旋桨8旋转，由于同轴反转机构的齿轮啮合变向作用，使得第二螺旋桨伸出轴17和第一螺旋桨伸出轴10做方向相反的旋转运动，从而第一螺旋桨8和第二螺旋桨16的旋转方向相反，进而产生方向相同的轴向推力，推力被传递到导管壳体3上，最后推力由法兰盘23传递到航行主体上，推进航行主体前进。
48.实施例2
49.如图9所示，一种对转轮缘推进器，与实施例1相比，取消设置第二转子环和轴承，并且第二螺旋桨16和导管内壁存在间隙以利于其旋转，定子绕组驱动第一转子环9旋转，带动第一螺旋桨8旋转，利用同轴反转机构的齿轮啮合变向作用，直接驱动第二螺旋桨反向旋转，取消第二转子环和轴承，以最大限度地降低能量损失。

技术特征：
1.一种对转轮缘推进器，包括导管，其特征在于所述导管包括导管壳体(3)，所述导管壳体(3)的内腔中固定设置有同轴反转装置，同轴反转装置包括齿轮箱(14)以及设置在齿轮箱(14)中的齿轮组，一级转子组件和二级转子组件分别设置在齿轮箱(14)两端分别，通过齿轮组啮合传动，并使得一级转子组件和二级转子组件转向相反，形成单定子驱动双转子的对转推进器。2.根据权利要求1所述的一种对转轮缘推进器，其特征在于所述齿轮组包括径向齿轮组(1404)和横向齿轮组(1408)，所述径向齿轮组(1404)通过轴承固定在齿轮箱(14)的内壁上，所述横向齿轮组(1408)从齿轮箱(14)的两侧伸出，分别与一级转子组件和二级转子组件连接。3.根据权利要求1或2所述的一种对转轮缘推进器，其特征在于所述齿轮箱(14)通过支撑架(13)固定安装在导管壳体(3)的内腔中；所述齿轮箱(14)上设置有充油装置，包括油管(28)，所述油管(28)固定安装在所述支撑架(13)的侧边，通过所述油管(28)将所述齿轮箱(14)与外接油源连通。4.根据权利要求1所述的一种对转轮缘推进器，其特征在于所述导管壳体(3)的内腔中还设置有定子绕组(1)，所述定子绕组(1)的定子内壁与所述以及转子组件的外壁相对设置，定子绕组(1)和一级转子组件之间设置间隙流道(24)，导管壳体(3)的内壁和二级转子组件之间存在间隙流道(24)。5.根据权利要求4所述的一种对转轮缘推进器，其特征在于间隙流道(24)为不均匀间隙流道，并且出水口的流道间隙大于进水口的流道间隙。6.根据权利要求1所述的一种对转轮缘推进器，其特征在于一级转子组件包括永磁体(11)、第一转子环(9)、第一螺旋桨(8)、第一桨叶固定板(7)和前轴承系统(6)，永磁体(11)镶嵌在第一转子环(9)的外壁槽口内，第一螺旋桨(8)固定在第一桨叶固定板(7)上，第一桨叶固定板(7)与齿轮组传动连接，第一转子环(9)通过前轴承系统(6)设置在导管壳体(3)的内腔；所述第一转子环(9)上设置有倒圆角结构；所述第一转子环(9)上设置“凸”型流道，以降低转子的温度。7.根据权利要求1所述的一种对转轮缘推进器，其特征在于所述二级转子组件包括第二螺旋桨(16)和第二桨叶固定板(15)，第二桨叶固定板(15)一端与齿轮箱(14)的齿轮组固定连接，另一端固定设置有第二螺旋桨(16)。8.根据权利要求7所述的一种对转轮缘推进器，其特征在于所述二级转子组件还包括第二转子环(18)和后轴承系统(19)，第二转子环通过后轴承系统(19)设置在导管壳体(3)的内腔；第二转子环(18)上设置有倒圆角结构。9.根据权利要求1所述的一种对转轮缘推进器，其特征在于导管包括前导流罩(5)、后导流罩(20)，所述导管壳体(3)内部中空，所述后导流罩(20)有内缩的尾缘结构，所述前导流罩(5)为空心结构。10.根据权利要求1所述的一种对转轮缘推进器，其特征在于齿轮箱(14)上设置密封装置，包括旋转动密封和机械密封，所述旋转动密封用于对旋转轴密封，所述机械密封用于对齿轮箱的密封；
所述齿轮组的齿数可调，以实现第一螺旋桨和第二螺旋桨的差速旋转。

技术总结
本发明公开一种对转轮缘推进器，包括导管，导管包括导管壳体，导管壳体的内腔中固定设置有同轴反转装置，同轴反转装置包括齿轮箱以及设置在齿轮箱中的齿轮组，一级转子组件和二级转子组件分别设置在齿轮箱两端分别，通过齿轮组啮合传动，并使得一级转子组件和二级转子组件转向相反，形成单定子驱动双转子的对转推进器。设置了同轴反转系统，通过齿轮传动的方式，使第一螺旋桨和第二螺旋桨转动的方向相反。定子驱动一级转子组件旋转，二级转子组件通过同轴反转装置实现反方向旋转，形成对转，推进水流运动，以提供向前的推力，从而形成单定子驱动双转子的一种对转轮缘推进器。可靠性高、稳定性强的优点，能够精确输出两个方向相反的转矩。反的转矩。反的转矩。


技术研发人员：徐姚 吕冰海 陈进华
受保护的技术使用者：浙江工业大学
技术研发日：2022.11.30
技术公布日：2023/4/5