CN107554739B - 一种双向全回转推进器、船舶及浮式平台 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可以为船舶或平台产生水平力或垂向力的推进器类型。通过推进器回转机构和主传动机构之间的配合，船舶或平台能够实现上下、左右、前后、横摇、纵摇及首摇方向的灵活运动。一种双向全回转推进器，包括：推进器吊舱、该推进器吊舱固定于回转机构下方；所述的推进器吊舱内部设有通过万向联轴器分别连接非同轴平行设置的主动力输出轴和推进器输入轴的传动轴；该驱动轴外部具有一带有弯角的轴套，传动轴与推进器输入轴处的万向联轴器设置在所述弯角处，轴套末端固定所述的推进器(即推进器或者螺旋桨的朝向，只由轴套决定。内部传动轴与推进器输入轴由万向联轴器连接，配合轴套的旋转，改变自身的姿态，保证螺旋桨的动力传输)。
Description
技术领域
本发明涉及一种船舶及海洋工程平台使用的推进器，特别涉及一种可以为浮体产生水平和竖直方向力(矩)的推进装置。
背景技术
在船舶与海洋工程领域，用于船舶或海洋平台动力定位的推进器一般只可以产生水平面内的三个自由度(纵荡、横荡及首摇)的力(矩)。然而，对于有其他三个自由度的面外运动时(垂荡、横摇及纵摇)，也需要在对应的自由度施加推进器的推力作用来满足定位精度的要求。在环境力较小时，传统的控制方法可以通过作用于船体或平台底部的推进器推力来间接对纵摇或横摇运动进行控制。然而，当环境载荷过大时，传统的控制方法已无法使船舶及海洋平台达到定位精度要求，且能耗急剧增加。
目前，有的推进器装置采用双导管吊舱推进器，这种推进器虽可以使平台或船舶产生垂荡或升沉的力，然而由于其垂向推力是总推力的一个分力，另一个分力将会被对称布置抵消掉，因此，造成了较大的能源浪费。另外，这种推进器需要两个螺旋桨会造成浪费，并降低了结构的可靠性。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：针对现有推进器类型的不足，提供一种可以为船舶或平台产生水平力或垂向力的推进器类型。通过推进器回转机构和主传动机构之间的配合，船舶或平台能够实现上下、左右、前后、横摇、纵摇及首摇方向的灵活运动。
一种双向全回转推进器，包括：推进器吊舱、该推进器吊舱固定于回转机构下方；所述的推进器吊舱内部设有通过万向联轴器分别连接非同轴平行设置的主动力输出轴和推进器输入轴的传动轴；
该驱动轴外部具有一带有弯角的轴套，传动轴与推进器输入轴处的万向联轴器设置在所述弯角处，轴套末端固定所述的推进器(即推进器或者螺旋桨的朝向，只由轴套决定。内部传动轴与推进器输入轴由万向联轴器连接，配合轴套的旋转，改变自身的姿态，保证螺旋桨的动力传输)。
所述的轴套由换向驱动机构带动发生自转，带动所述推进器输入轴由与主动力输出轴平行变为垂直，使得所述推进器的推进方向由水平方向切换至竖直方向，产生垂荡、横摇及纵摇力矩。
所述的双向推进器配合船舶/浮式平台姿态感知系统，可以在高海况下配合船身/平台的外形特征，旋转至特定的空间角度产生相应力矩，增强船舶/平台的稳性。
作为优选的实施方式，本发明还设有伸缩机构，即所述的回转机构通过伸缩机构固定于船舶或平台底部。作为优选的实施方式，可选择液压缸。在推进器使用时，伸缩机构/液压缸伸出，将所述的双向全回转推进器固定在特定深度或者说预定的工作深度。
可以减少推进器吊舱在非工作状态下的暴露机会，增加使用寿命，减少船体或平台的特定阻力。另外，配合前述的姿态感知系统，可以控制伸缩机构在工作过程中的伸缩长度，以便于产生更为精确的力矩。
作为优选的实施方式，所述的回转机构包括齿圈；齿圈可以有一个或者多个驱动齿轮驱动，进而带动推进器吊舱旋转至指定的水平方向。
考虑到，推进器吊舱在运行过程中改变水平方向的阻力较大，作为优选的实施方式，所述的驱动齿轮为多个，呈中心对称或者旋转对称设置(齿轮系正投影)，在转向过程中，多个驱动齿轮共同驱动齿圈旋转，进而带动推进器吊舱水平旋转至特定角度。
为了保证轴套和传动轴相互相对独立的旋转，作为优选的实施方式，所述的轴套与传动轴之间设有多组轴承，特别的，在轴套的转角处的两端分别设有一组轴承，在轴套的两端开口处也至少各设有一组轴承。
作为优选的实施方式，所述的轴套通过轴套支架，倾斜固定在所述的推进器吊舱中；轴套外表面设有齿轮，由换向驱动机构相应的齿轮驱动。
一种船舶，船舶周边设有所述的双向全回转推进器。双向全回转推进器可选择安装在船舶尾部。也可考虑在船身侧舷的下方位置对称设置双向全回转推进器，正常航行过程中，侧舷的双向全回转推进器收起，减少航行阻力；高海况下或者特定状态下，侧舷双向全回转推进器伸出并工作，产生前述的六个方向力矩，保持船舶稳定。
一种浮式平台，平台的底部和/或周边设有所述的双向全回转推进器。双向全回转推进器的安放位置和布置形式，根据浮式平台的种类不同，具有对应的选择。
在截面呈对称中心或者旋转对称的浮式平台方案中，比如单柱型平台中，在浮式平台的底部的几何中心位置设置一双向全回转推进器，可用于抵抗竖直方向的垂荡以及增加横向的力矩。
附图说明
为了更清楚的说明本发明的实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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。
图1为双向全回转推进器工作状态的结构示意图
图2为双向全回转推进器收入到船舱内的结构示意图
图3为双向全回转推进器工作状态的正视图
图4为伸缩机构和回转机构的结构示意图
图5为双向全回转推进器传动轴工作示意图
图6为双向全回转推进器产生垂向推力的工作示意图
图中，1、伸缩机构，101、液压缸，102、液压缸加强支架，2、回转机构， 201、回转机构支架，202、第一整向电机，203、第一直齿轮，204、第二直齿轮，205、第一轴承，206、吊舱，3、主传动机构，301、主电机，302、主电机输出轴，303、联轴器，304、十字轴万向节输入轴，305、第一十字轴，306、第二轴承，307、传动轴，308、轴套，309、第三轴承，310、第二十字轴，311、第四轴承，312、十字轴万向节输出轴，313、螺旋桨桨毂，314、螺旋桨桨叶， 315、螺旋桨导管，316、第二整向电机，317、圆锥齿轮，318、第三直齿轮， 319、轴套支架，320、第五轴承，321、轴套环，322、防水装置，323、电机支座。
具体实施方式
为使本发明的实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：
实施例1，在本实施例中给出了双向全回转推进器的结构描述，带有该双向全回转推进器的船舶和浮式平台，本领域技术人员完全可根据实际情况给出相应的结构。
如图1-图5所示，一种全方位推进器，具备如下功能：
可伸缩功能：液压缸101带动全回转支架201实现升降运动，并可以在任意伸长长度锁定。
全回转功能：第一整向电机202固定于全回转支架201上，可带动第一直齿轮203转动，第一直齿轮203与第二直齿轮204啮合，第二直齿轮204内嵌于第一吊舱端部结构中，因此第二直齿轮204带动第一吊舱206机构共同旋转。吊舱206带动螺旋桨桨叶314方位角改变，实现全回转功能。当螺旋桨轴(即十字轴万向节输出轴312)与水平面夹角为0度时，推进器可产生360度范围的水平推力。
双向推进功能：主电机输出轴302通过联轴器303带动十字轴万向节输入轴304旋转，十字轴万向节输入轴304通过第一十字轴305与传动轴307相连共同旋转，传动轴307通过第二十字轴310与十字轴万向节输出轴312相连，带动其旋转，十字轴万向节输出轴312与螺旋桨相连，带动螺旋桨旋转。第二整向电机316通过圆锥齿轮317与第三直齿轮啮合318，带动第三直齿轮318旋转，第三直齿轮318与轴套308端部刚性连接，从而带动轴套308绕传动轴307 旋转。轴套308与螺旋桨连接，通过旋转可使得螺旋桨盘面方向改变，从而实现螺旋桨推力方向的改变。与此同时，轴套环321与轴套308刚性连接，轴套环321与第五轴承320连接，可绕传动轴307转动，第五轴承320固定在轴套支架319上，对旋转的主传动轴提供支持力，保持结构稳定性。当船舶或海洋平台需要水平方向作用推力时，螺旋桨盘面朝向水平面内，与水平面夹角为0 度。当需要垂直方向的力或力矩时，可通过圆锥齿轮317与第三直齿轮318啮合，带动轴套308绕传动轴307旋转180度，此时，螺旋桨盘面将会从朝向水平面改变为朝向垂直方向，即螺旋桨轴(即十字轴万向节输出轴312)与水平面夹角为90度。若需要从垂直方向变为水平方向，同样可以通过圆锥齿轮317与第三直齿轮318啮合，带动轴套308绕传动轴307旋转180度，即螺旋桨轴(即十字轴万向节输出轴312)与水平面夹角为0度。
由于螺旋桨一般布置于船舶或海洋平台的边缘，当螺旋桨轴与水平面夹角为90度时，螺旋桨产生绕重心的力矩，因此可以用于产生垂直面内三个自由度运动(垂荡、横摇及纵摇)。在环境力较小时，螺旋桨桨轴与水平面夹角为0度，依然可用传统的控制方法将水平面内的三个自由度运动控制在精度要求范围内。同时，当环境载荷过大时，传统的螺旋桨桨轴与水平面夹角为0度的螺旋桨有可能在较高的能耗下仍然不能将船舶或海洋平台控制到精度要求的范围内，然而，采用本专利提出的双向全回转推进器，将螺旋桨轴向调节为与水平面夹角为90度，可直接用于抵抗环境力(矩)，不仅能满足定位精度的要求，而且能耗比传统的螺旋桨控制下有所减小。
这里，为了更加直观地说明本发明专利所述的双向全回转推进器、船舶及浮式平台在保证船舶或浮式平台良好的定位效果的情况下，相比传统的全方位推进器有更低的能耗。现采用目前已经验证的通用势流边界元理论数值模拟得到中国南海一年一遇台风海况(见表1)下，传统推进器和本发明专利所述的双向全回转推进器、船舶及浮式平台在纵荡、垂荡、纵摇三个自由度方向的运动最大值、最小值、极差值、平均值、均方差值，以及所需要的能耗值，展示如表2.
表1中国南海一年一遇台风海况JONSWAP谱(风速21.87m/s)
表2传统全回转推进器与本发明专利用于定位过程的定位效果和能耗对比
从表中可以看出，本发明专利所述的两向全回转推进器、船舶及浮式平台与传统全回转推进器相比，在保证船舶或浮式平台使得船或平台在纵荡、垂荡、纵摇三个自由度有较小的运动响应的情况下，能耗会明显地降低。因此，这表明本发明的创新两向全回转设计能够有效降低动力定位过程所需的能耗。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种双向全回转推进器，其特征在于包括：
推进器吊舱、该推进器吊舱固定于回转机构下方；
所述的推进器吊舱内部设有通过万向联轴器分别连接非同轴平行设置的主动力输出轴和推进器输入轴的传动轴；
该传动轴外部具有一带有弯角的轴套，传动轴与推进器输入轴处的万向联轴器设置在所述弯角处，轴套末端固定所述的推进器；
所述的轴套由换向驱动机构带动发生自转，带动所述推进器输入轴由与主动力输出轴平行变为垂直，使得所述推进器的推进方向由水平方向切换至竖直方向，产生垂荡、横摇及纵摇力矩。
2.根据权利要求1所述的双向全回转推进器，其特征还在于：所述的回转机构通过伸缩机构固定于船舶或平台底部。
3.根据权利要求2所述的双向全回转推进器，其特征还在于：所述的伸缩机构为液压缸。
4.根据权利要求1所述的双向全回转推进器，其特征还在于：所述的回转机构具有一齿圈；齿圈内部设有多个驱动所述齿圈转动的驱动齿轮。
5.根据权利要求4所述的双向全回转推进器，其特征还在于：所述的多个驱动齿轮中心对称或旋转对称。
6.根据权利要求1所述的双向全回转推进器，其特征还在于：所述的轴套与传动轴之间设有多组轴承。
7.根据权利要求1所述的双向全回转推进器，其特征还在于：所述的轴套由轴套支架倾斜固定在所述的推进器吊舱中；
轴套外表面设有齿轮，由换向驱动机构相应的齿轮驱动。
8.一种船舶，其特征在于船舶周边和/或底部设有一个或多个如权利要求1-7中任意一项所述的双向全回转推进器。
9.一种浮式平台，其特征在于浮式平台的周边和/或底部设有一个或多个如权利要求1-7中任意一项所述的双向全回转推进器。
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