CN108571343A - 一种用于舰载机弹射起飞的大功率蒸汽马达 - Google Patents

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，所述马达壳体上部固定安装有进汽口，侧壁固定安装有排汽口，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，传动轴有可灵活滑动叶片，通过叶片带动传动轴；本发明具有工作安全可靠、有较高的起动力矩、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。

Description

一种用于舰载机弹射起飞的大功率蒸汽马达

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，电磁弹射航母已经被认为是先进航母的标志。但电磁弹射要消耗大量电能，航母需增大发电能力，而航母发电要利用常规能量或者核能，通过锅炉产生水蒸气，再推动汽轮机带动发电机发电，电的来源远不如陆地方便。因弹射时功率太大，还需配置大功率储电系统；考虑总能量利用效率，电磁弹射实际能效并不高；电磁弹射由多种大功率电器元件构成，弹射电机接近甲板，容易受到海水腐蚀，飞机高温尾流，高湿环境影响，导致故障高发，其可靠性有待观察。电器元件都有怕水怕热的属性，在海上使用容易出现故障，国外很多先进舰船采用全电驱动，故障频发就是案例。

据报道，目前仅有中美两国研制出蒸汽弹射和电磁弹射技术，可见其复杂程度，为我国航母的发展奠定基础。但是这两种技术都存在不足，如果有一种技术能具备两种技术的综合优点，将加速我国航母的发展。

能直接利用蒸汽，提高能量利用效率，可靠性高，体积小，重量轻，设备维护量小，可大功率输出动力，动力输出调节范围宽，弹射过程加速均匀力量可控，能适应海洋腐蚀、飞机高温尾流、高湿环境影响，这种新的弹射技术将是一项最有潜力的弹射技术。

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，对比它们的特征曲线表，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，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，工作可靠；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。

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，静态或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。采用大直径转轮可以降低马达输出转速，当转轮轮缘线速度达到最大值百米/秒时，马达实际转速在10转/秒以下，叶片滑动速度在30米/秒以下，这样马达回转运动消耗的动能就会降低很多，部件的磨损也随之减轻；加之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；再加上叶片马达具有高能量效率的特性，能够弥补马达回旋运动产生动能损耗过多的弊端，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，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，所述马达壳体内为圆柱型容置空腔，所述马达壳体上部固定安装有进汽口，侧壁固定安装有排汽口，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，所述传动轴上设有齿型花键，在齿型花键部位安装有支撑架，支撑架通过销轴和齿型转子固定连接，齿型转子两相邻的齿形成通槽，通槽内镶嵌有含油垫片，含油垫片内设有可灵活滑动叶片，所述传动轴为中空轴，所述传动轴内插装芯轴，所述芯轴外圆面均布的多根轴向长凹槽，凹槽与传动轴内壁共同组成封闭的通气槽，所述传动轴上设有与通气槽相应的通气孔，所述通气槽与齿型转子的通槽位置对应，所述通槽上设有与通气孔相通的孔，所述传动轴与右端盖连接处设有进气孔，所述进气孔与通气槽连通，所述进气孔连接配气器，所述配气器可通过进气孔向通气槽内进气和排气，并通过通气孔和叶片通孔控制扇叶活动。

进一步的，配气器设置进气腔和出气腔，进气腔连接高压气源，出气腔连接低压尾气处理系统，所述进气腔靠近进汽口一侧，所述出气腔靠近排气口一侧，传动轴每转动一周，通气槽与进气腔和出气腔分别连通一次。

进一步的，所述齿型转子通槽的深度略高于叶片的高度，所述齿型转子距离马达壳体内腔底部的距离小于叶片的高度。

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。

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齿型转子外表面，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，所述齿型转子和传动轴上均设有固定扇叶的叶片通孔，所述叶片通孔与通气孔在同一直线上，所述扇叶可通过叶片通孔上下滑动。

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、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4为本发明右视图；

图5为本发明实施例2中侧视切面结构示意图；

图6为本发明实施例2中扇叶和传动轴示意图；

图7为本发明实施例2中主视切面结构示意图。

图中：1、马达壳体， 2、排汽口， 3、支撑架 ， 4、含油垫片，5销轴， 6、齿型转子 ，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 ， 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 ， 25、通气槽，26、通气孔，27、叶片通孔，28、进气孔，29、进气腔，30、出气腔。

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：

实施例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上面固定安装有进汽口9，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和齿型转子6固定连接，齿型转子6两相邻的齿形成通槽，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，所述传动轴为空心轴，中间安装芯轴，芯轴17外圆面均布的多根轴向长凹槽，芯轴17插装在中空的传动轴14内，凹槽与传动轴内壁共同组成封闭的通气槽25，

所述传动轴与右端盖连接处设有进气孔28，所述进气孔与通气槽连通，所述进气孔连接配气器，所述配气器可通过进气孔28向通气槽内进气和排气并通过通气孔26和叶片通孔27控制扇叶活动，所述齿型转子6通槽的深度略高于叶片8的高度，所述齿型转子6距离马达壳体内腔底部的距离小于叶片8的高度，叶片设置在齿型转子6内上下活动，所述通气槽25与通气孔位置对应，所述通气槽一端和配气器23相通，并通过通气孔与叶片8通槽底部相通，配气器23一侧为弧形的进气腔29，另侧为弧形的出气腔30，所述进气腔靠近进汽口9一侧，所述出气腔靠近排气口一侧，压缩空气通过配气器的进气腔进入芯轴外圆面通气槽，穿过传动轴进气孔进入通气槽25，压缩空气进入通气槽25通过通气孔产生推力，使叶片伸出齿型转子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，配气器连通叶片通孔底部与低压尾气处理系统，压缩空气排出，失去推力，叶片容易缩入齿型转子6通槽，传动轴每转动一周，每个叶片底部出现一次进气和排气过程，随着传动轴的转动此过程循环重复，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保持紧贴齿型转子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，齿型转子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，随着齿型转子的转动，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。

齿型转子6与由马达壳体1容置空腔之间形成月牙形空腔，由马达壳体1、叶片8、齿型转子6、碳密封条19、左端盖15、右端盖21将月牙形空腔分割成多个小汽室，小汽室截面是扇形的长方体空腔。齿型转子6通过支撑架固定安装在传动轴上，压缩空气通过配气器进入叶片通槽底部，推动叶片紧贴马达壳体内壁，小汽室形成封闭空腔，由于传动轴中心与马达壳体中心偏心，当传动轴每转动一周，每个叶片伸出齿型转子长度由短变长再由长变短。

小汽室容积由叶片伸出长度、马达壳体内壁弧长、齿型转子弧长、马达壳体宽度构成，其中齿型转子弧长、马达壳体宽度每个小汽室均一致，叶片伸出长度、马达壳体内壁弧长变化规律一致，均是由小到大再由大变小，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，叶片8可以直接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；随转子的转动，叶片间的小汽室离开进汽口9，容积逐渐增大，内部蒸汽随之膨胀，继续推动叶片，压力势能得到释放，进一步提高蒸汽的热效率。叶片马达能够直接利用蒸汽的静压力、动压力和势能压力，才具有宽的速度范围，宽的功率范围，高的热效率，高的功率密度和能量密度。

进一步的，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连通通气槽25与高压气源，压缩空气进入通气槽25对扇叶底部产生推力，使叶片伸出齿型转子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连通通气槽25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孔，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。

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；为了保障齿型转子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，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。

实施例2

进一步的，所述叶片8的数量为偶数，相对的两片叶片通过叶片连杆7刚性连接，所述齿型转子和传动轴14上设有与通气槽25相应的通气孔26和固定扇叶的叶片通孔27，所述叶片通孔与通气孔26在同一直线上，所述扇叶可通过叶片通孔上下滑动，增加连杆增加叶片的稳定性。

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，齿型转子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。

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。传统蒸汽轮机低速不能负载工作，容易发生喘振等故障，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，马达的输出力矩与叶片伸出转子的面积和供气压力有关，类似汽缸的活塞，输出功率与转速和供气量有关，本发明设计了分体式的转子，转子的直径、长度容易制造很大，采用高强度支撑架增加转子的强度，使转子能承受更大的蒸汽压力和流量，蒸汽马达的输出力矩和输出功率可以做到很大，满足弹射需要。

Claims (6)

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，所述马达壳体内为圆柱形容置空腔，所述马达壳体上部固定安装有进汽口，侧壁固定安装有排汽口，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，所述传动轴上设有齿型花键，在齿型花键部位安装有支撑架，支撑架通过销轴和齿型转子固定连接，齿型转子两相邻的齿形成通槽，通槽内镶嵌有含油垫片，含油垫片内设有可灵活滑动叶片，所述传动轴为中空轴，所述传动轴内插装芯轴，所述芯轴外圆面均布的多根轴向长凹槽，凹槽与传动轴内壁共同组成封闭的通气槽，所述传动轴上设有与通气槽相应的通气孔，所述通气槽与齿型转子的通槽位置对应，所述通槽上设有与通气孔相通的孔，所述传动轴与右端盖连接处设有进气孔，所述进气孔与通气槽连通，所述进气孔连接配气器，所述配气器可通过进气孔向通气槽内进气和排气，并通过通气孔和叶片通孔控制扇叶活动。

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，配气器设置进气腔和出气腔，进气腔连接高压气源，出气腔连接低压尾气处理系统，所述进气腔靠近进汽口一侧，所述出气腔靠近排气口一侧，传动轴每转动一周，通气槽与进气腔和出气腔分别连通一次。

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，所述齿型转子通槽的深度略高于叶片的高度，所述齿型转子距离马达壳体内腔底部的距离小于叶片的高度。

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，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。

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，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齿型转子外表面，并且碳密封条可在上导向槽内灵活滑动。

6.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，所述齿型转子和传动轴上均设有固定扇叶的叶片通孔，所述叶片通孔与通气孔在同一直线上，所述扇叶可通过叶片通孔上下滑动。