CN107476830A - 一种用于舰载机弹射起飞的大功率蒸汽马达 - Google Patents
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Abstract
一种用于舰载机弹射起飞的大功率蒸汽马达，包括马达壳体，所述马达壳体左右两侧面分别固定安装有左端盖和右端盖，所述马达壳体内为容置空腔，所述马达壳体左侧上部固定安装有进汽口，右侧下部固定安装有排汽口，进汽口与排汽口均与容置空腔连通，所述容置空腔内设有传动轴，所述传动轴偏离容置空腔中心 且可旋转地设置于所述容置空腔中，所述传动轴上有齿型花键，在齿型花键部位安装有支撑架，支撑架通过销轴和分体转子固定连接，两相邻的分体转子形成通槽，通槽内镶嵌有含油垫片，含油垫片内设有可灵活滑动叶片。
Description
技术领域
本发明属于航母装备技术领域，涉及航母上弹射器的动力部分，具体涉及一种用于舰载机弹射起飞的大功率蒸汽马达。
背景技术
弹射器属于航母的关键装备之一，目前比较成熟的弹射技术有蒸汽弹射和电磁弹射等。据权威评论指出，蒸汽弹射技术相对成熟，可靠性更高，有数十年成熟使用经验等优势；但也存在体积大、重量重、效率低、对舰上辅助系统要求高，运行和维护费用相对较高，输出功率低，只能弹射一定重量的舰载机等劣势。
电磁弹射器体积小，重量轻，效率高，输出功率大，能量输出调节范围宽，弹射过程不仅加速均匀且力量可控，具有很多优势。有资料指出，电磁弹射器虽然优点很多，但其决策与研制过程远比蒸汽弹射器要复杂和漫长得多。蒸汽弹射器从研发到大量使用，只花了10年时间，而电磁弹射器则用了30多年，一直问题不断，试验频出故障，造成计划延迟，费用超标。甚至有担心认为，电磁弹射技术的风险超过了它的优势。
近日我国高层学者指出电磁弹射虽有诸多优势，但蒸汽弹射技术相对成熟，可靠性更高，从蒸汽弹射过渡到电磁弹射需要一个过程。从公开资料来看我国最新制造的弹射航母采用蒸汽弹射。
统计数字显示，航母的蒸汽弹射器主要问题是蒸汽利用效率低，只有5％左右；使用不便，预热需十几个小时甚至24小时；消耗高，每弹射一架舰载机，就需要消耗约一吨淡水；运转费用高，大型航母的蒸汽弹射器占整个航母全部设备维护费用的80％，差不多需要500人来保证蒸汽弹射器的运行和维护。
在现有蒸汽弹射技术的基础上，如果能够提高蒸汽的利用效率，减轻机械磨损，减少设备维护量，增大输出功率，能量输出调节范围增宽，弹射过程加速均匀力量可控，可靠性更高。这种新的弹射技术将具有蒸汽弹射和电磁弹射的综合优点，是一项最有潜力的弹射技术。
舰载机弹射起飞，要求弹射器在两三秒内最大弹射功率由零增至十万千瓦以上，弹射速度由零增至约百米/秒，弹射力大小全程平稳可控，从最小不足一吨力，至最大超过一百吨力。这些要求不同于常规设备，输出的动力不仅功率大，爆发力强，全程可控，还要有宽的功率范围和转速范围，因此对动力、储能、控制等系统的要求相对很高。
自航母出现后，尽管研制出多种结构不同的弹射器，其结构和原理各不相同，我们一一对比他们动力部分的工作原理，能够平稳输出动力，具有宽的功率范围和转速范围的设备屈指可数，对于它们的动力输出曲线表，结构简单的气动叶片马达优点最突出。
在技术设计手册中，相对电机，气动叶片马达存在输出功率小，耗气量大，效率低，噪音大，容易产生振动等缺点。但同时具有小体积能产生高功率；高适应性，温升较小，转速可随负载改变；急启动，急停机，特别适合频繁启动的场合；简单的无级调速，控制压缩空气的流量，转速可从零一直到每分钟万转，从零到最大，操作灵活；启动扭矩较大，能带载启动，过载时马达只是转速降低或停止；结构简单，气动马达使用寿命特别长；不受外部环境的影响，甚至在水中、多尘、潮湿、脏污等恶劣环境中能正常工作，不产生火花、过热、爆炸、短路(电)等危险因素。
气动叶片马达主要优点是：高功率密度，容易无级调速，功率范围及转速范围较宽，具有较高的起动力矩，有过载保护作用，使用空气作为介质，结构简单，体积小，重量轻，操纵容易，维修方便等。
气动叶片马达的能量利用效率通常超过40％，对比现有蒸汽弹射效率的5%，同样的弹射任务，从理论上讲采用气动叶片马达的蒸汽消耗量只有蒸汽弹射的八分之一，如此低耗对于远洋作战的航母意义重大，同时也对舰上辅助系统的要求大大降低。
相对气动叶片马达，工况类似的蒸汽轮机技术成熟，使用广泛，单台轮机的输出功率很强大，由于输出转速和功率范围窄，静态驱动和低速状态下输出动力很弱，不适合弹射需要。
飞机弹射过程中，直线加速度达到3G，除飞机消耗动能外，弹射器上随飞机运动的从动件也要消耗一定动能；如果从动件出现曲线运动，消耗的动能会更大。任何一款弹射器的设计与制造，都要求从动件的质量越轻，曲线运动越小，额外消耗的动能越少，弹射效果越好，如果处理不当，直接导致弹射器的失败。因此现有弹射技术的研究都是尽量减轻从动件的自重，采用直线驱动。
叶片马达属于回转式运动设备，这是它的劣势，依照以往弹射器的研究经验容易被否定。采用绳索牵引方式和大直径转轮结构，把回转运动转化为直线运动，同时把马达的输出转速，控制在10转/秒以下，叶片的滑动速度控制在30米/秒以下，这样马达回转运动消耗的动能就会降低到很小值，各个部件的磨损也减轻；随着高强质轻如碳纤维复合材料的大量出现和应用，各种从动件的质量大大减轻，额外消耗的动能进一步降低，弥补马达回旋运动带来的不足，马达弹射方案才具有实际价值。
目前的现状是气动叶片马达的功率普遍偏小，没有能够直接使用蒸汽的大功率叶片马达。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种以水蒸汽为工作介质并且具有较高的起动力矩、功率范围及转速范围较宽的，尤其适用于用于机动性要求高，供气不稳定的场合，用于舰载机弹射起飞的大功率蒸汽马达。
本发明的技术方案为：
一种用于舰载机弹射起飞的大功率蒸汽马达，包括马达壳体，所述马达壳体左右两侧面分别固定安装有左端盖和右端盖，所述马达壳体内为容置空腔，所述马达壳体左侧上部固定安装有进汽口，右侧下部固定安装有排汽口，进汽口与排汽口均与容置空腔连通，所述容置空腔内设有传动轴，所述传动轴偏离容置空腔中心 且可旋转地设置于所述容置空腔中，所述传动轴上有齿型花键，在齿型花键部位安装有支撑架，支撑架通过销轴和分体转子固定连接，两相邻的分体转子形成通槽，通槽内镶嵌有含油垫片，含油垫片内设有可灵活滑动叶片。
进一步的，马达壳体上面固定安装有上导向槽，上导向槽内安装有多组压缩弹簧，压缩弹簧底端连接碳密封条使碳密封条保持紧贴分体转子外表面，并且碳密封条可在上导向槽内灵活滑动。
进一步的，所述叶片的数量为偶数，相对的两片叶片通过连杆刚性连接。
进一步的，所述传动轴为空心轴，中间安装芯轴，芯轴设有与芯轴平行的通气槽，每个叶片通槽底部都有独立的通气孔和通气槽，与固定设置的配气器连通；所述配气器设置进气口和出气口，进气口连接高压气源，出气口连接低压尾气处理系统；传动轴每转动一周，叶片内气腔底部与进气口和出气口分别连通一次。
进一步的，传动轴两端安装有圆锥滚子轴承，通过左端螺帽和右端螺帽调整转子和左端盖、右端盖之间间隙，压盖压紧圆锥滚子轴承外圈，传动轴两端安装有骨架油封，压盖右端固定安装有配气器。
本发明的有益效果为：
本发明具有工作安全可靠、有较高的起动力矩、有过载保护功能、功率范围及转速范围较宽，而且相同功率下比蒸汽轮机成本低等优点。
附图说明
图1为本发明侧视切面结构示意图。
图2为本发明主视切面结构示意图。
图3为本发明立体图。
图中1、马达壳体 2、排汽口 3、支撑架 4、含油垫片
5销轴 6、分体转子 7、叶片连杆 8、叶片
9进汽口 10、上导向槽 11、压缩弹簧 12、压盖
13、左端螺帽 14、传动轴 15、左端盖 16、骨架油封
17、芯轴 18、内气腔 19、碳密封条 20、圆锥滚子轴承
21、右端盖 22、右端螺帽 23、配气器 24、传动轴气孔 25、通气槽。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步描述：
一种用于舰载机弹射起飞的大功率蒸汽马达，包括马达壳体1，所述马达壳体1左右两侧面分别固定安装有左端盖15和右端盖21，所述马达壳体1内为圆柱形容置空腔，所述马达壳体1左侧上面固定安装有进汽口9，右侧侧面固定安装有排汽口2，进汽口9与排汽口2均与容置空腔连通，所述容置空腔内设有传动轴14，所述传动轴14偏离容置空腔中心 且可旋转地设置于所述容置空腔中，所述传动轴14上有齿型花键，在齿型花键部位安装有支撑架3，支撑架3通过销轴5和分体转子6固定连接，两相邻的分体转子6形成通槽，通槽内镶嵌有含油垫片4，含油垫片4内设有可灵活滑动叶片8，所述的马达壳体1上面固定安装有上导向槽10，上导向槽10内安装有多组压缩弹簧11，压缩弹簧11底端连接碳密封条19使碳密封条19保持紧贴分体转子6外表面，并且碳密封条19可在上导向槽10内灵活滑动。
进一步的，所述叶片8的数量为偶数，相对的两片叶片通过连杆刚性连接。
进一步的，分体转子6与容置空腔之间为月牙形空腔，叶片8把月牙形空腔分成多个小汽室，随着分体转子的转动，叶片8及小汽室的位置随之转动，同时小汽室的容积随之出现变化，自进汽口开始，小汽室的容积由小逐渐增大，转动到底部容积最大，继续转动容积逐渐减小，转动到顶部容积为零。
马达在低速或静止时，可以利用蒸汽的静压力提供动力，在中高速时叶片8，可以利用蒸汽的高速冲动提供动力，具有汽缸和汽轮机的综合优势，保证马达具有高的起动力矩，高的功率密度，容易无级调速，功率范围及转速范围较宽，全程动力平稳;随转子的转动，叶片间的小汽室的容积逐渐增大，蒸汽随之膨胀，压力势能得到释放，提高蒸汽的热效率。
进一步的，所述传动轴14为空心轴，中间安装芯轴17，芯轴设有与芯轴平行的通气槽25，每个叶片8通槽底部都有独立的通气孔和通气槽25，配气器23连通；所述配气器23固定设置并分别连接高压气源，和低压尾气处理系统，叶片转动到进汽口9，配气器23连通叶片通槽底部与高压气源，压缩空气进入叶片通槽底部产生推力，使叶片伸出分体转子6，一侧顶紧壳体内腔壁，避免两侧小汽室气体的反串；叶片转动到排汽口2，配气器23连通叶片通槽底部与低压尾气处理系统，压缩空气排出，失去推力，叶片容易缩入叶片通槽，传动轴每转动一周，出现一次进气和排气过程，随着传动轴14的转动此过程循环重复。
进一步的，传动轴14两端安装有圆锥滚子轴承20，通过左端螺帽13和右端螺帽22调整转子6和左端盖15、右端盖21之间间隙，压盖12压紧圆锥滚子轴承20外圈，传动轴14两端安装有骨架油封16，压盖12右端固定安装有配气器23。
本发明中马达的动力由蒸汽提供且功率大，故称之大功率蒸汽马达。为了降低转子的制造难度，设计了分体式的转子结构；为了降低旋转部件的整体质量，设计了低密度转子；为了保证大功率扭矩的可靠输出，设计了分体式转子通过销轴镶嵌到高强度支撑架，高强度支撑架和传动轴通过齿型花键连接的结构；为了叶片能灵活滑动并减少叶片磨损，通槽内设计了含油垫片；左端盖15、右端盖21或者转子两端有含油垫片。
本发明中马达功率大，分体转子6外径较大，旋转转动时叶片8离心力较大，为了降低叶片离心力，设计了数量为偶数的叶片，相对应的两片叶片8通过连杆刚性连接；为了降低旋转部件的质量，设计了低密度转子6和叶片8，空心传动轴内部安装低密度芯轴的结构。
为了保障蒸汽按预定方向进气不会反串到排汽腔，在马达壳体1上部设计了密封条紧贴转子的结构；为了密封条既紧贴转子又要求摩擦力小密封条不损伤叶片8，采用了带有自动润滑效果且本身硬度较低又有一定强度的碳密封条；为了密封条能紧贴转子，设计了开槽马达壳体和上导向槽10，在连接板上部安装多组压缩弹簧11，当密封条磨损后可自动补偿；为了保证压缩弹簧11可靠顶紧密封条不会发生偏斜，设计了上导向槽10；为了保证传动轴不轴向窜动，设计了可承受轴向力的圆锥滚子轴承；为了保障分体转子6和马达壳体6两侧面端盖之间的间隙，设计了螺帽预紧圆锥滚子轴承，通过螺帽22调整转子6位置的结构；为了保障蒸汽不从传动轴14处泄露，两端设计了多组骨架油封16。
本发明中的弹射马达采用叶片式结构，这种马达具有高能量密度、高功率密度、高热效率等优点，单台马达功率可设计十兆瓦级，多台组合达到百兆瓦级，蒸汽容易高能量密度储存，大功率弹射容易保证。叶片式蒸汽马达还具有最优良的动力输出特征，具有最宽的功率、扭矩、转速输出范围，输出的动力特征不仅适合弹射需要，还容易保持多组马达自动同步工作。
本发明是一种水蒸汽为动力，推动多组叶片旋转，从而带动传动轴转动输出动力，低速状态时依然能保持较大扭矩，通过调节蒸汽压力控制马达的输出扭矩，通过调节蒸汽流量控制马达的转速。传统蒸汽轮机成本高，低速工作区域扭矩小有时会发生喘振的故障，运行和维护费用较高，而传统的气马达功率较小。本发明打破了传统结构的限制，用蒸汽作为气马达的动力，采用大直径宽转子，采用中空传动轴配合低密度芯轴，采用分离式转子和高强度支撑架，采用齿型花键连接支撑架和传动轴，采用镶嵌含油垫片的转子，采用连杆刚性连接的叶片，采用弹簧顶紧的碳密封条密封蒸汽，采用螺帽调节转子位置。
Claims (5)
1.一种用于舰载机弹射起飞的大功率蒸汽马达，包括马达壳体，所述马达壳体左右两侧面分别固定安装有左端盖和右端盖，所述马达壳体内为容置空腔，所述马达壳体左侧上部固定安装有进汽口，右侧下部固定安装有排汽口，进汽口与排汽口均与容置空腔连通，所述容置空腔内设有传动轴，所述传动轴偏离容置空腔中心 且可旋转地设置于所述容置空腔中，所述传动轴上有齿型花键，在齿型花键部位安装有支撑架，支撑架通过销轴和分体转子固定连接，两相邻的分体转子形成通槽，通槽内镶嵌有含油垫片，含油垫片内设有可灵活滑动叶片。
2.根据权利要求1所述一种用于舰载机弹射起飞的大功率蒸汽马达，其特征在于，马达壳体上面固定安装有上导向槽，上导向槽内安装有多组压缩弹簧，压缩弹簧底端连接碳密封条使碳密封条保持紧贴分体转子外表面，并且碳密封条可在上导向槽内灵活滑动。
3.根据权利要求1所述一种用于舰载机弹射起飞的大功率蒸汽马达，其特征在于，所述叶片的数量为偶数，相对的两片叶片通过连杆刚性连接。
4.根据权利要求1所述一种用于舰载机弹射起飞的大功率蒸汽马达，其特征在于，所述传动轴为空心轴，中间安装芯轴，芯轴设有与芯轴平行的通气槽，每个叶片通槽底部都有独立的通气孔和通气槽，与固定设置的配气器连通；所述配气器设置进气口和出气口，进气口连接高压气源，出气口连接低压尾气处理系统；传动轴每转动一周，叶片内气腔底部与进气口和出气口分别连通一次。
5.根据权利要求1所述一种用于舰载机弹射起飞的大功率蒸汽马达，其特征在于，传动轴两端安装有圆锥滚子轴承，通过左端螺帽和右端螺帽调整转子和左端盖、右端盖之间间隙，压盖压紧圆锥滚子轴承外圈，传动轴两端安装有骨架油封，压盖右端固定安装有配气器。
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| CN201710926034.7A Pending CN107476830A (zh) | 2017-10-06 | 2017-10-06 | 一种用于舰载机弹射起飞的大功率蒸汽马达 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN107476830A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109944642A (zh) * | 2019-04-27 | 2019-06-28 | 周垟 | 隐藏式大动力马达 |
Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB611465A (en) * | 1946-05-01 | 1948-10-29 | Nicolas Herzmark | Improvements in or relating to rotary compressors |
| CN86103105A (zh) * | 1986-05-13 | 1987-11-25 | 孙占根 | 叶片式双转子内燃机 |
| CN2112009U (zh) * | 1991-12-11 | 1992-08-05 | 浙江丝绸工学院 | 蒸汽马达动力装置 |
| EP1433953A2 (en) * | 2002-12-23 | 2004-06-30 | Cesare Dott. Ing. Dolcetta Capuzzo | Reversible pneumatic group with two stages |
| CN201650373U (zh) * | 2010-03-25 | 2010-11-24 | 文国栋 | 一种叶片式气动马达 |
| CN201666166U (zh) * | 2010-04-02 | 2010-12-08 | 上海众天机电设备配套有限公司 | 叶片自动补偿型气动马达 |
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-
2017
- 2017-10-06 CN CN201710926034.7A patent/CN107476830A/zh active Pending
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