CN106017907B - 轮缘驱动螺旋桨推进器试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明是一种轮缘驱动螺旋桨推进器试验装置，其包括推进单元和支撑单元，支撑单元主要由支撑机构、台架组成，推进单元主要由控制机构、传动机构、推进机构组成，整个推进单元由支撑机构悬挂于台架上。本发明采用皮带轮传动和放置于导管中的轮缘驱动方式，有利于减少传动能耗和噪声，以及螺旋桨空泡，提高推进效率。并且采用杠杆原理可实时测得推进单元所产生的推力，比由敞水性能推算推力的传统方法简便和精确。

Description

轮缘驱动螺旋桨推进器试验装置

技术领域

本发明属于船舶推进器领域，具体涉及一种轮缘驱动螺旋桨推进器试验装置。

背景技术

近年来，随着海军国防建设需要和水上贸易的发展，船舶推进装置性能的要求越来越高，传统的轴驱式推进器的劣势逐渐凸显，已经无法更好地满足工作要求。例如传统轴驱式推进器船舱占用空间大、能量损耗大，振动和噪声控制困难、建造和维护成本高等，这些缺陷使得各个国家都将目光转向更加先进的推进装置。

目前吊舱式电力推进器是很多国家青睐的先进船舶推进方式，这种推进方式电机与螺旋桨分体并均置于水下，采用电机直接驱动螺旋桨，依然存在电机密封和电机的水流阻碍等问题。于是也有国家开始考虑发展新型推进方式---无轴轮缘驱动推进器。该推进器将电机置于导管中，电机转子内壁安装螺旋桨，这种推进器具有集成度高，具有推进效率高和振动噪声低等优点。但该推进器的大功率化受到电机的限制，一方面水环境电机密封难度大，另一方面这种集成在导管中的电机功率目前难以达到数兆瓦。为此，本发明提出了由皮带传动的轮缘驱动螺旋桨推进器。

此外，目前测试螺旋桨推力的方法通常是测试桨叶的敞水性能，然后推算推力，但这种方法误差较大。特别是针对吊舱式推进器，尚缺乏简介而有效的推力测试方法。为此，本发明还提出了该新型推进器的推力测试装置。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：为克服无轴轮缘驱动推进水环境下电机密封难度大、电机功率难以达到数兆瓦、桨叶敞水性能推算推力法误差大等问题，提出一种采用带传动的方式将电机动能传递到螺旋桨轮缘，带动螺旋桨旋转产生推力，避免了动力单元在水环境下的密封问题，同时采用悬挂法直接测量推力，具有传递能耗低、振动噪声小、推力测试简单易行等显著的优点。

本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：

本发明提供的轮缘驱动螺旋桨推进器试验装置，其包括推进单元和支撑单元，支撑单元主要由支撑机构、台架组成，整个推进单元由支撑机构悬挂于台架上。

所述的支撑机构，包括承接板、空间V型支架、中间轴承座、竖板、斜支架、顶板，其中：承接板与竖板、竖板与上顶板采用四孔螺纹连接，由斜支架加强连接；中间轴承座固定于竖板两侧；空间V型支架通过螺纹连接装在导管筒和承接板之间；顶板通过螺纹连接装在台架的四根螺柱之上。

所述的台架，包括螺柱、吊柱、上顶板、弹簧测力计、底板，其中：上顶板与底板之间设置四根螺柱，螺柱与各板之间采取螺纹连接，同时为弹簧测力计提供不同的实验位置；采用铰链连接的方式将吊柱悬挂在支撑机构的顶板上；弹簧测力计一端固定在吊柱上，另一端固定在螺柱上。

所述的推进单元，主要由控制机构、传动机构、推进机构组成；控制机构中的电机输出功率通过传动机构传递至推进机构。

所述的控制机构，包括电机、控制器，其中：控制器用于控制电机的运转，其装在台架的上顶板之上，其通过导线与家用电源和电机相连；电机倒挂安装于支撑机构的顶板上，该电机输出端穿过支撑机构的竖板的钻孔与传动机构的第一皮带轮相连。

所述的传动机构，采用皮带连接推进机构的皮带轮和控制机构的电机输出齿轮。

所述的推进机构，采用导管与轮缘驱动相结合的方式产生推进力，减少空泡，提高推进效率。

所述的推进机构，包括端盖、支撑环、轴承、皮带轮转子、导管筒、桨叶；其中：端盖表面采用减小水流的阻力的曲面，其内部采用空心结构，空心部分的小径处攻螺纹，该螺纹与支撑环的内螺纹相连接；支撑环凸台部分与轴承外圈接触，限制轴承外圈的运动，其非凸起部分与导管筒端部采用螺钉连接；轴承与皮带轮转子之间采用过盈配合；皮带轮转子外表面加工齿圈，与推进单元的传动机构中的二级皮带啮合，其两端受到轴承约束，并传递推力，其内孔开有环槽，桨叶底部嵌于环槽中，并采用沉头螺钉将桨叶紧固在环槽中；支撑环、轴承、和皮带轮转子均安装在导管筒中，其外壁安装V型支架，V型支架另一端安装在承接板下平面，达到固定导管的目的。

所述推进单元产生的推力推动顶板绕吊柱铰链旋转，由于吊柱受到弹簧测力计限位，根据杠杆原理可计算出推进单元所产生的推力。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1.采用导管轮缘驱动，桨叶内嵌于皮带轮转子内孔，与传统技术相比，导管轮缘驱动叶根水流速度最小而叶梢水流速度最大，叶梢带载，有效避免了气蚀和空泡现象，推进效率高；

2.采用皮带传递动力，即减少了传统轴系传动带来的振动噪声和能耗大等问题，又能避免直接将电机置于水环境存在的防水密封难题，，具有传动噪声小、速度平稳和传递能耗小等优点；

3.通过铰接吊柱将推进器悬挂在支架下，测力器钩挂在钢柱上，采用杠杆原理即可实时测试推进器推力，比由敞水性能推算推力的传统方法简便和精确。

4.皮带轮转子内孔加工有工艺槽，桨叶形状和数目可任意更换，便于开展不同参数的桨叶对比试验。

附图说明

图1是轮缘驱动螺旋桨推进器试验装置实施的结构示意图；

图2是推进单元结构示意图；

图3是端盖结构示意图；

图4是支撑环结构示意图。

图中：1.端盖；2.支撑环；3.轴承；4.皮带轮转子；5.导管筒；6.桨叶；7.空间“V”型支架；8.承接板；9.中间轴承座；10.二级皮带；11.中间轴承；12.斜支架；13.一级皮带；14.第一皮带轮；15.顶板；16.螺柱；17.吊柱；18.上顶板；19.控制器；20.弹簧测力计；21电机；22.竖板；23.中间轴；24.第二皮带轮；25.第三皮带轮；26.底板。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明，但不限定本发明。

本发明提供的轮缘驱动螺旋桨推进器试验装置，其结构如图1所示，包括推进单元和支撑单元，支撑单元主要由支撑机构、台架组成，整个推进单元由支撑机构悬挂于台架上。

所述的支撑机构，包括承接板8、空间V型支架7、中间轴承座9、竖板22、斜支架12、顶板15，其中：承接板8与竖板22、竖板22与上顶板18采用四孔螺纹连接，由斜支架12加强连接；中间轴承座9固定于竖板22两侧。空间V型支架7，用于固定推进单元，其通过螺纹连接装在导管筒5和承接板8之间；该空间V型支架7由两根位于导管前左侧和导管后右侧的支架构成，从导管前或者导管后方向看上去呈V空间V型。上顶板15用于实验时承担整个动力单元和支撑单元，其通过在其四根螺柱穿过处攻螺纹连接装在四根螺柱16之上。

所述的台架，包括上顶板18、底板26、螺柱16、吊柱17、弹簧测力计20，其中：上顶板18与底板26之间的空间由四根螺柱16来实现，螺柱与各板之间采取螺纹连接，同时为弹簧测力计20提供不同的实验位置。吊柱17采用细钢丝绳，有两根，其上端吊在上顶板18上的环扣上，其下端与顶板15相连，用于实验时模拟推力使得船舶前进位移的大小。弹簧测力计20装在螺柱16和顶板15同一水平面上，用于测得推力大小，同时它的位置不唯一，可根据实验需要任意更改。

所述的推进单元，如图2所示，主要由控制机构、传动机构、推进机构组成。控制机构中的电机21输出功率通过传动机构传递至推进机构。

所述的控制机构，包括电机21、控制器19，其中：控制器19用于控制电机的运作，其装在上顶板18之上，其通过导线与家用电源和电机21相连；本发明实施例的控制器19选用YK电子/YK-007型号。电机21倒挂安装于顶板15上，该电机输出端穿过钻孔的竖板22与第一皮带轮14相连。

所述的传动机构，本发明的推进单元采用皮带传递动力的方式来节省传递能耗以及降低传递振动噪声。本发明实施例采用两级皮带连接推进机构的皮带轮和控制机构的电机21输出齿轮。该传动机构包括中间轴23、中间轴承11、两级皮带、三个皮带轮，其中：三个皮带轮分别是第一皮带轮14、第二皮带轮24、第三皮带轮25，它们通过键配合和皮带轮外齿圈向中心打孔两种固定方式分别装在电机21输出轴、竖板22两侧的中间轴23上。中间轴23通过中间轴承座9固定，分别与竖板22两边的第二皮带轮24和第三皮带轮25相连。中间轴承11通过过盈配合与中间轴23连接。两级皮带是一级皮带13、二级皮带10，其中一级皮带13在竖直方向上装在第一皮带轮14和第二皮带轮24之间，二级皮带10在竖直方向上装在第三皮带轮25和皮带轮转子4之间。

所述的推进机构，采用轮缘推进方式，用于桨叶旋转时推力的生产与传递。该推进机构包括端盖1、支撑环2、轴承3、皮带轮转子4、导管筒5、桨叶6；其中：端盖1表面采取一定形状的曲面(半径方向截面曲线为y＝kx²)，减小水流的阻力。端盖1采用空心结构，空心部分的内孔壁面攻螺纹，该螺纹与支撑环2的内螺纹相连接。支撑环2用于传递轴承3的推力，如图4所示，其截面为“L”型结构，其内孔部分攻内螺纹与端盖1之间采用螺纹连接；其凸台部分与轴承3外圈接触，限制轴承外圈的运动；其非凸起部分与导管筒5端部采用螺钉连接。轴承3与皮带轮转子4之间采用过盈配合。皮带轮转子4通过过盈配合与轴承2相连接，其外表面加工齿圈，与二级皮带10啮合；其两端采用轴承3约束，并传递推力；其内孔部分开有环槽，环槽内钻孔攻螺纹，桨叶6底部嵌于环槽中，并且采用沉头螺钉将桨叶6紧固在皮带轮转子4的环槽中，从而形成皮带轮转子4在桨叶6轮缘产生驱动的结构。导管筒5用于形成一定的水流形状和约束轴承3，其通过空间V型支架7装在承接板8下面；其内部结构与轴承3、皮带轮转子4相匹配，其外部设计成满足一定水动力性的形状。

本发明提供的轮缘驱动螺旋桨推进器试验装置，用于实验时，电机21动能被传递到皮带轮转子4上，皮带轮转子4带动桨叶6旋转产生推力，该推力使得推进单元围绕吊柱铰接部位转动，由于支柱受弹簧测力计限位，进而测试出推力。其具体工作过程如下：

从上往下开始，给控制器19接入220V电源，控制器19整流后的直流电被输送至卧式倒挂安装的电机21上，该电机输出端的第一皮带轮14带动一级皮带13转动，一级皮带13带动第二皮带轮24转动，第二皮带轮24带动中间轴23转动，其中中间轴23由竖板22两侧的中间轴承11承担，中间轴承11安装在中间轴承座9上，而中间轴承座9固定在承接板8上表面。因此，同轴的第三皮带轮25旋转带动二级皮带10旋转。二级皮带10的转动使得皮带轮转子4开始转动，进而电机动能被传递至推进单元。工作时，皮带轮转子4旋转带动处于水中的桨叶6旋转产生推水的作用力，水产生同样大小的推力反作用于桨叶6，被桨叶6传递给皮带轮转子4，皮带轮转子传递给轴承3，轴承3传递至支撑环2，支撑环2进而传递至推进机构本身，推进机构本身上的力再作用于支撑机构，使得推进单元绕上顶板18与吊柱17铰链连接处产生圆周方向上的角位移，由于吊柱17受到弹簧测力计20限位，结合推进单元和弹簧测力计20作用点离铰链的距离，根据杠杆原理可计算出推进单元所产生的推力。

Claims (8)

1.一种轮缘驱动螺旋桨推进器试验装置，其特征是包括推进单元和支撑单元，支撑单元主要由支撑机构、台架组成，整个推进单元由支撑机构悬挂于台架上；

所述的推进单元设有推进机构，该推进机构包括端盖(1)、支撑环(2)、轴承(3)、皮带轮转子(4)、导管筒(5)、桨叶(6)，其中：端盖(1)表面采用减小水流的阻力的曲面，其内部采用空心结构，空心部分的小径处攻螺纹，该螺纹与支撑环(2)的内螺纹相连接；支撑环(2)凸台部分与轴承(3)外圈接触，限制轴承外圈的运动，其非凸起部分与导管筒(5)端部采用螺钉连接；轴承(3)与皮带轮转子(4)之间采用过盈配合；皮带轮转子(4)外表面加工齿圈，与推进单元的传动机构中的二级皮带(10)啮合，其两端受到轴承(3)约束，并传递推力，其内孔开有环槽，桨叶(6)底部嵌于环槽中，并采用沉头螺钉将桨叶(6)紧固在环槽中；支撑环(2)、轴承(3)、和皮带轮转子(4)均安装在导管筒(5)中，其外壁安装V型支架(7)，V型支架(7)另一端安装在承接板(8)下平面，达到固定导管的目的。

2.根据权利要求1所述的轮缘驱动螺旋桨推进器试验装置，其特征在于所述的支撑机构，包括承接板(8)、空间V型支架(7)、中间轴承座(9)、竖板(22)、斜支架(12)、顶板(15)，其中：承接板(8)与竖板(22)、竖板(22)与上顶板(18)采用四孔螺纹连接，由斜支架(12)加强连接；中间轴承座(9)固定于竖板(22)两侧；空间V型支架(7)通过螺纹连接装在导管筒(5)和承接板(8)之间；顶板(15)通过螺纹连接装在台架的四根螺柱(16)之上。

3.根据权利要求1所述的轮缘驱动螺旋桨推进器试验装置，其特征在于所述的台架，包括螺柱(16)、吊柱(17)、上顶板(18)、弹簧测力计(20)、底板(26)，其中：上顶板(18)与底板(26)之间设置四根螺柱(16)，螺柱与各板之间采取螺纹连接，同时为弹簧测力计(20)提供不同的实验位置；采用铰链连接的方式将吊柱(17)悬挂在支撑机构的顶板(15)上；弹簧测力计(20)一端固定在吊柱(17)上，另一端固定在螺柱(16)上。

4.根据权利要求1所述的轮缘驱动螺旋桨推进器试验装置，其特征在于所述的推进单元，主要由控制机构、传动机构、推进机构组成；控制机构中的电机(21)输出功率通过传动机构传递至推进机构。

5.根据权利要求4所述的轮缘驱动螺旋桨推进器试验装置，其特征在于所述的控制机构，包括电机(21)、控制器(19)，其中：控制器(19)用于控制电机(21)的运转，其装在台架的上顶板(18)之上，其通过导线与家用电源和电机(21)相连；电机(21)倒挂安装于支撑机构的顶板(15)上，该电机输出端穿过支撑机构的竖板(22)的钻孔与传动机构的第一皮带轮(14)相连。

6.根据权利要求4所述的轮缘驱动螺旋桨推进器试验装置，其特征在于所述的传动机构，采用皮带连接推进机构的皮带轮和控制机构的电机(21)输出齿轮。

7.根据权利要求4所述的轮缘驱动螺旋桨推进器试验装置，其特征在于所述的推进机构，采用导管与轮缘驱动相结合的方式产生推进力，减少空泡，提高推进效率。

8.根据权利要求1所述的轮缘驱动螺旋桨推进器试验装置，其特征在于所述推进单元产生的推力推动顶板(15)绕吊柱(17)铰链旋转，由于吊柱(17)受到弹簧测力计(20)限位，根据杠杆原理可计算出推进单元所产生的推力。