CN109110096A - 新型无轴结构泵喷式推进器及含有该推进器的水下航行器 - Google Patents

Abstract

本发明属于船舶设计领域，尤其涉及一种新型无轴结构泵喷式推进器及含有该推进器的水下航行器。通过置于舵前的泵喷推进器布置方式，提高桨盘面处流场的均匀性，可有效降低推进器辐射噪声和由推进器激振力引起的艇体辐射噪声；省去较长的传动轴系，基本消除轴系振动；设置消涡尾鳍可减小尾流中的涡强，吸收尾流能量，避免产生空化，本发明的无轴泵推进器可以安装在无人、载人水下航行器以及潜艇等各类设备上，具有广泛的应用前景。

Description

新型无轴结构泵喷式推进器及含有该推进器的水下航行器

技术领域

本发明属于舰船设计制造领域，尤其涉及一种新型无轴结构泵喷式推进器及含有该推进器的水下航行器。

背景技术

潜艇和uuv(无人潜器〉等水下航行体的推进器直接暴露在海水中，由于其旋转引起周围流场变化和压力波动，由此产生的辐射噪声是主要的噪声源之一。在推进器的辐射噪声中，低频噪声占据了主要成分，而且低频噪声衰减慢，传播距离远。为了提高水下航行体的声隐身性能，迫切需要降低推进器低频噪声的信号特征。低频噪声按照成因又可以分为低频线谱噪声和低频宽带噪声，其中艇体尾部流场在螺旋桨盘面上轴向分布的不均匀性会引起螺旋桨的表面压力形成周期性变化，从而产生低频线谱噪声，而艇体尾部流场的揣流脉动会引起螺旋桨表面压力的不规则脉动，从而产生低频宽带噪声。除了推进器的辐射噪声外，螺旋桨(或电机转子)在艇体尾部非均匀流场工作时，它产生的非定常轴承力会通过轴承作用到艇体上，从而引起艇体结构的振动和噪声。无论是螺旋桨低频线谱噪声还是螺旋桨轴承力引起的艇体结构振动噪声都与螺旋桨(或电机转子)盘面处流场的不均匀性有关。因此，如何改善来流速度场的不均匀性是降低水下航行体噪声的一条重要途径。传统的推进器布置在船舵后，船舵和指挥台围壳的叠加影响加剧了推进器盘面处伴流的不均匀性，对推进器流动噪声和轴承力引起的结构振动噪声造成不利影响。另外，从结构上看，在现有的水下航行体推进方式(7叶大侧斜桨和新型无轴结构泵喷式推进器)中，推进器布置在艇体尾端，推进电机布置在尾段舱室内，电机与推进器之间需要一根贯穿艇体尾部舱室较长的传动轴系，推进器所产生的轴承力通过轴系传递到整个艇体尾段的支撑结构上，这种结构形式会引起艇体尾部结构的较大振动，这种振动引起的l噪声也是潜艇等水下航行体噪声的主要声源之一。

发明内容

本发明创造的目的在于，提供一种能够有效降低推进器辐射和结构噪声，并大幅提高舰船舵效的新型无轴结构泵喷式推进器以及含有该推进器的水下航行器。

为实现上述目的，本发明创造采用如下技术方案；

一种新型无轴结构泵喷式推进器，包括推进器定子、叶轮、轮毂、支撑环、导管、电机定子、电机转子；导管为筒状结构，导管内部设置有多个推进器定子，推进器定子的一端指向导管的轴线，另一端与导管固定相连；导管的内表面上挖设有环形的安装槽，电机定子设置在导管内部且位于安装槽对应的位置；支撑环伸入安装槽内，叶轮的根部设置有轮毂，叶轮的梢部连接至支撑环，支撑环的内表面与导管的内表面齐平；电机转子均匀设置在支撑环的外表面以与电机定子产生磁力作用；

还包括轮毂附属结构，轮毂附属结构用于固定连接至基础设备，以便轮毂可以套设在轮毂附属结构外侧旋转运动；还包括防水壳层，还包括防水壳层，所述防水壳层至少设置在导管与支撑环之间以防止水与电机定子和电机转子接触。

一种含有新型无轴结构泵喷式推进器的水下航行器，包括艇身、船舵；新型无轴结构泵喷式推进器设置在船舵的前方以使水流喷向船舵；导管套设在艇身上且通过推进器定子固定在艇身上；推进器定子之间形成水流通道；轮毂通过轮毂附属结构可转动的套设在艇身上。

进一步的，根据电机定子、叶轮的前后位置关系可分为定子前置型新型无轴结构泵喷式推进器和定子后置型新型无轴结构泵喷式推进器。

进一步的，叶轮叶数大于等于11。基于上述技术方案，相对于7叶大侧斜螺旋桨，本发明的推进器使用11及以上数目的叶轮，噪声性能更优，推进器工作时流场特性更佳。进一步的，防水壳层由水密绝缘材料构成，电机定子和电机转子之间的间隙不密封，可通过水介质。在使用防水壳层防止水流进入推进器内部结构的同时，使水流能够进去电机定子和电机转子之间，实现推进的同时，利用水流对电机定子电机转子进行充分降温，

防止各区域产生温差以及变形，保持推进器相应结构的性能。进一步的，还包括设置在船舵后方的消涡尾鳍。

进一步的，电机转子直径更太，达到艇体直径的90％至110％。进一步的，船舵的侧投影面积为传统船舵的侧投影面积的40％至80％。进一步的，轮毂直径为艇身直径的40％至50％。

其有益效果在于；

1、本发明通过将推进器设置在舵的前方，优化了推进器进流的均匀性，从而提高了桨盘面处流场的均匀性，有效降低了推进器辐射噪声和由推进器激振力引起的艇体辐射噪声。

2、与传统推进布置方式相比，省去了较长的传动轴系，轴系振动会基本消除，进一步提高各项性能参数，压缩了设备轴系设计、校核的过程，提高了舰船设计效率，同时由于没有较长的传动轴系，消除了轴系振动，因而消除了轴系结构振动引起的噪声。

3、与传统推进结构中相比，本发明中的推进器叶数可以设置得更高，便于根据不同设备或驱动结构的降噪的需求进行灵活选择，以在不同类型或型号的舰船上均能实现较好的效果。

4、泵推进装置布置在船舵前，其尾流的加速作用可以大幅提高船舵效特别是低航速下的船舵效，在保证船舵效的条件下可以显著降低船舵的尺寸，有效解决船舵超艇宽的问题，由于船舵尺寸的减小，船舵的操控性以及成本降低，同时航行过程中船舵面引起的噪音大幅降低，有效提高了设备的隐身性能。

5、本发明中新型无轴结构泵喷式推进器的电机转子直径，日十轮直径可以设置得较大，与艇体直径相当，在相同功率下，可以保持较低转速，因此可以有效避免电机以及叶轮高速转动所引起的辐射噪声大的问题。

6、在本发明的推进器和船舵的布置形式的基础上，结合使用消涡尾鳍，可以进一步减小尾流中的涡强，不仅可吸尾流能量，避免产生空化，又可降低旋涡尾迹特征信号，提高水下航行体的声隐身性和非声隐身性。

附图说明

图1是实施例中的含有新型无轴结构泵喷式推进器的水下航行器的结构示意图；

图2是实施例中的新型无轴结构泵喷式推进器的安装结构图；

图3是图2中的的圆形区域的局部放大图；

图4是传统推进布置方式的推进器盘面处轴向来流速度在轴向上的分布图；

图5是本发明的新型无轴结构泵喷式推进器相应的推进器盘面处来流速度在轴向上的分布图；其附图标记包括；

艇身1、舰桥10、收缩部11；导管20、安装槽200、推进器定子21、叶轮22、轮毂23、支撑环24、电机定子25、电机转子26、船舵3、消涡尾鳍4。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明创造作详细说明。

如图1所示，本发明提供的一种新型无轴结构泵喷式推进器及一种含有该新型无轴结构泵喷式推进器的水下航行器，其中水下航行器包括艇身1以及位于艇身1后方的船舵3，艇身1上设置有舰桥10、观察设备等，艇身1内侧设置有动力系统、操作室等结构，本实施例中水下航行器呈长条流线型，其尾端收缩变小形成收缩部11，其中船舵3等设备设置在收缩部11上。

本发明的新型无轴结构泵喷式推进器设置在水下航行器艇身1外侧，且设置在船舵3前方，在本实施例中，具体是设置在收缩部11上，收缩部11是指水下航行器尾端直径逐渐缩小的一段结构。

如图2、图3所示，新型无轴结构泵喷式推进器包括推进器定子21、叶轮22、轮毂23、支撑环24、导管20、电机定子25、电机转子26；导管20为筒状结构，导管20用于引导和限制水流的流向，使得水流通过新型无轴结构泵喷式推进器的叶轮22的驱动以后可以高速向后喷射形成驱动水流，为水下航行器提供航行动力。通常情况下，为形成均匀稳定的流场，导管20内外部设置为圆筒状最佳，其剖面呈现流线型，在实际使用过程中，为了更准确的控制流场或者进一步优化局部流场，导管20还可以在圆筒状结构的基础上做出变形，包括根据艇身1形状设置为截面为椭圆(可以看作圆形长短轴不等的延伸)形，或者在导管20内侧设置多处引流通道、或者在导管20内侧的特定位置设置凸起或者凹陷结构等进一步的优化措施。上述改进或者不同选择方案根据实际需要可以通过实验以及结合计算机模拟设计等方式加以实现。导管20的内表面上挖设有环形的安装槽200，电机定子设置在导管内部且位于安装槽200对应的位置；支撑环24伸入安装槽200内，叶轮22的根部设置有轮毂，叶轮22的梢部连接至支撑环24，支撑环的内表面与导管的内表面齐平；电机转子均匀设置在支撑环的外表面，且与电机定子产生磁力作用。

推进器定子21用于将导管20连接和固定在艇身1上，其设置在导管20内侧，一端指向导管20的轴线并延伸和连接到艇身1外部，另一端与导管20固定相连；在具体使用过程中，根据新型无轴结构泵喷式推进器的尺寸以及牢固度的需求，推进器定子21的数量以及固定连接方式具有多种不同选择方式，通常情况下，推进器定子的数目应当尽量与叶轮数目互质以避免产生共振，为保证新型无轴结构泵喷式推进器能够牢固稳定的连接在艇身1上，根据所需连接强度采用螺栓连接或者焊接甚至一体成型的方式进行加工制作，螺栓连接的方式便于进行拆装维护更换，焊接成本低且连接强度高，使用一体成型方法制作则可以得到尺寸和结构更加完美精确的结构，能够适应军用以及一些高精度高静音性能要求的场合，特别的，推进器定子21一般采用金属杆状结构，但为了实现减轻设备质量、减小震动或者提高强度等目的，推进器定子21还可以采用高强度非金属材料或者非实心材料等制作，在此不予赘述，特别的，推进器定子21一般设置为长条状结构，基于减少水流阻力，提高整体性能的目的，推进器定子21还可以设置为截面为流线型的异型杆或者类似叶片等形状；在一般情形下，推进器定子21是均匀的设置在导管20内侧以保证个方向都能牢固连接，特别的，根据新型无轴结构泵喷式推进器后方船舵3等结构的安装位置，为控制水流方向或水流大小以提高船舵3性能，在保证足够连接强度的前提下，推进器定子21等结构也可以根据需要设置不同的间隔尺寸以及安装位置，经过叶轮22加速的水流从导管20中穿过后是从推进器定子21之间的间隙中向后喷射，通过设置推进器定子21的具体形状、结构以及安装位置可以实现减少端流、降低噪音/振动、优化局部流场、提高船舵效等效果，上述改进或者不同选择方案根据实际需要可以通过实验以及结合计算机模拟设计等方式加以实现。

特别的，在某些场合下，推进器定子21也可能设置在新型无轴结构泵喷式推进器内部的电机定子25电机转子26结构的前方。

电机定子25设置在导管20内侧且固定连接在导管20内壁：叶轮22的内端设置有轮毂23，以及轮毂附属结构，轮毂附属结构用于固定连接至基础设备，本实施例中具体是指连接至本实施例中所示的收缩部，使轮毂23可以套设在轮毂附属结构外侧旋转运动，轮毂23及其附属结构用于支撑以及保证叶轮结构顺畅得旋转运动、减少设备结构间的磨损和振动：叶轮22的外端与支撑环24连接，本实施例中的支撑环24为圆环状，支撑环24用于支撑和保护叶轮22上的叶片，并使叶轮22整体保持稳定的结构形状，支撑环24设置在电机定子25内侧，以使支撑环24以及叶轮22能够在电机定子25内侧自由旋转，电机转子26设置在支撑环24上，通过电机定子25和电机转子26之间的相互作用驱动支撑环24以及叶轮22在导管20内侧旋转输出动力；特别的，本实施例中电机转子26设置在支撑环上，实际使用中可以是安装或者连接或者包裹在支撑环24内部。

由于电机定子25以及电机转子26中含有部分电子结构或其他不宜被水浸润的结构，因此本发明还包括防水壳层，防水壳层至少设置在导管20与支撑环24之间，以防止水进入电机定子25和电机转子26所处的空间。

特别的，根据实际安装结构以及性能需求的不同，电机定子25、叶轮22的前后位置关系可分为定子前置型新型无轴结构泵喷式推进器和定子后置型新型无轴结构泵喷式推进器。

在上述结构设计的基础上，为适应实际需要，本发明还提供如下细化方案。

由于上述结构使得新型无轴结构泵喷式推进器后端流场更加均匀，同时流体贴紧被艇身1收缩部流动至船舵3，还可以在船舵3后方设置消涡尾鳍4，经过上述结构的推进器的单功率静音性能变得更高，因此可以使用直径为艇体直径的90％至110％的大直径电机转子26，以提高本发明的新型无轴结构泵喷式推进器的总功率，相应的，由于静音性能的提高，可使用的叶轮22直径以及叶轮22叶数目可以更大更多，可以使轮毂直径为艇身1的40％至50％，相对于7叶大侧斜螺旋桨，本发明的推进器使用可以使用11个以及更大叶片数目的叶轮22，通过数值实验比较，随着叶轮22叶数目的增加，本发明的新型无轴结构泵喷式推进器盘面出轴向速度更加均匀，噪音更低，流场特性更佳，进一步提高了本发明新型无轴结构泵喷式推进器的技术效果。进一步的，得益于上述结构的设计使本发明的新型无轴结构泵喷式推进器的效率更高、性能更好，同时船舵3前方的水流经过新型无轴结构泵喷式推进器加速后作用在船舵3表面，因此相对原有流场的作用力更强，流场可控性更高，因此在满足相应船舵3能效以及操控性的基础上，本发明的船舵3的侧投影面积为可以降低至传统船舵3的侧投影面积的40％至80％。

进一步的，防水壳层由水密绝缘材料构成，电机定子25和电机转子26其间隙不密封，可通过水介质。在使用防水壳层防止水流进入推进器内部结构的同时，使水流能够进去电机定子25和电机转子26之间，实现推进的同时，利用水流对电机定子25、电机转子26进行充分降温，防止各区域产生温差以及变形，保持推进器相应结构的性能。

当本发明的新型无轴结构泵喷式推进器进行工作时，水流经过艇身进入导管，由于没有船舵的干扰作用，水流的均匀性得到改善。电机通电后以磁力驱动电机转子旋转，促使与电机转子相连的叶轮旋转，叶轮对水流进行加速从而产生推动水下航行体前进。流经船舵体的尾流得到加速，船舵效特别是低航速下的船舵效可大幅提高，从而使保证船舵效的条件下显著降低船舵的尺寸。由于推进器后方还有一段长度的艇体结构，在这一段艇体结构安装消涡尾鳍，减小尾流中的涡强，既可以吸收推进器尾流的能量，避免产生空化，又可以降低旋涡尾迹特征信号，提高水下航行体的声隐身性和非声隐身性。

为了清楚地了解置于船舵前新型无轴结构泵喷式推进器的噪声性能，以某水下航行体为载体，分别设计了七叶大侧斜螺旋桨和置于船舵前定子后置型新型无轴结构泵喷式推进器。本发明的新型无轴结构泵喷式推进器布置在船舵的前方，船舵对桨盘面处流场的干扰很小，提高了推进器盘面处流场的均匀性。传统推进布置方式的推进器盘面处轴向来流速度在轴向上的分布见图4，图4中R为电机转子半径，r为电机转子各剖面半径。由图4中可以看出，在各半径处轴向速度场存在4个较大的波峰和波谷，图5，是本发明的新型无轴结构泵喷式推进器相应的推进器盘面处来流速度在轴向上的分布图，从途中可知各半径处轴向速度场则仅存在两个相对较小的波峰波谷。即采用了新的布置方式后，推进器盘面处的流场更加均匀。

进一步的，通过三维建模并利用采用商业流体分析软件STAR-CCM+进行模拟分析，通过对水动力和流动噪声的计算，在推进效率与7叶大侧斜螺旋桨相当的条件下，可有效降低推进器的低频线谱噪声，两种推进器低频线谱噪声的比较见表1(计算状态为：艇长为17.424米，进速为2.768米/秒，7叶大侧斜桨直径为0.829米，转速为180转/分，本发明新型无轴结构泵喷式推进器直径为1.95米，转速为60转/分，两种推进器均满足推力与阻力平衡的条件)。值得说明的是，该实施例中的水下航行体包括指挥台围壳，而很多uuv(无人水下航行器)没有指挥台围壳(图1中舰桥10的结构)，没有指挥台围壳的潜航器采用本发明推进方式，推进器盘面处的流场在轴向上基本是均匀的，推进器的流动噪声和艇体结构振动噪声会进一步大幅降低。

表1推进器正上方10米处线谱噪声比较

推进器类型	一阶线谱(dB)	二阶线谱(dB)
			七叶大侧斜桨	86.7	56.1
本发明推进器7叶	79.3	72.2
			本发明推进器8叶	78.9	45.1
本发明推进器9日十	77.6	54.3
			本发明推进器11叶	77.4	36.5

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明创造的技术方案，而非对本发明创造保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明创造作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明创造的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明创造技术方案的实质和范围。

附本说明书中表1数据测量的原理简介：

建立艇体/推进器的整体CFD计算模型，计算域分为推进器附近的旋转区域和其他位置的固定区域，整个计算域均采用结构网格划分。对旋转区域的处理有两种方法：MRF方法(旋转坐标系方法)和滑移网格方法。在计算推进器的非定常性能时，先用MRF方法对艇/推进器整体流场进行定常求解，待计算收敛后，将定常求解得到的流场作为滑移网格计算的初始值进行非定常计算，以减少推进器非常水动力性能的计算时间。非定常计算收敛后，得到推进器表面上的非定常压力分布、推力和扭矩随时间的变化曲线。非定常流场计算完成后，从推进器表面上提取面声源压力脉动信号，最后用边界元方法计算推进器源场辐射声场。

Claims (9)

1.一种新型无轴结构泵喷式推进器，其特征在于，包括推进器定子、叶轮、轮毂、支撑环、导管、电机定子、电机转子；所述导管为筒状结构，导管内部设置有多个推进器定子，推进器定子的一端指向导管的轴线，另一端与导管固定相连：导管的内表面上挖设有环形的安装槽，所述电机定子设置在导管内部且位于安装槽对应的位置；支撑环伸入安装槽内，所述叶轮的根部设置有轮毂，叶轮的梢部连接至支撑环，支撑环的内表面与导管的内表面齐平：电机转子均匀设置在支撑环的外表面以与电机定子产生磁力作用；

还包括轮毂附属结构，所述轮毂附属结构用于固定连接至基础设备，以使轮毂可以套设在轮毂附属结构外侧旋转运动：

还包括防水壳层，所述防水壳层至少设置在导管与支撑环之间以防止水与电机定子和电机转子接触。

2.一种含有新型无轴结构泵喷式推进器的水下航行器，其特征在于，还包括艇身、舵；所述新型无轴结构泵喷式推进器设置在舵的前方以使水流喷向舵；所述导管套设在艇身上且通过推进器定子固定在艇身上；各推进器定子之间形成水流通道；所述轮毂通过轮毂附属结构可转动的套设在艇身上。

3.根据权利要求1所述一种新型无轴结构泵喷式推进器，其特征在于，根据所述推进器定子、叶轮的前后位置关系可分为定子前置型新型无轴结构泵喷式推进器和定子后置型新型无轴结构泵喷式推进器。

4.根据权利要求1所述一种新型无轴结构泵喷式推进器，其特征在于，所述叶轮叶数大于等于11。

5.根据权利要求1所述一种新型无轴结构泵喷式推进器，其特征在于，所述防水壳层由水密绝缘材料构成，电机定子和电机转子之间的问隙不密封，可通过水介质。

6.根据权利要求2所述的一种含有新型无轴结构泵喷式推进器的水下航行器，其特征在于，还包括设置在舵后方的消涡尾鳍，以消除舵后涡流。

7.根据权利要求2所述的一种含有新型无轴结构泵喷式推进器的水下航行器，特征在于：所述电机转子的直径为艇体直径的90％至110％。

8.根据权利要求2所述的一种含有新型无轴结构泵喷式推进器的水下航行器，其特征在于：所述舵的侧投影面积为传统舵的侧投影面积的40％至80％。

9.根据权利要求2所述的一种含有新型无轴结构泵喷式推进器的水下航行器，其特征在于：所述轮毂直径为艇身直径的40％至50％。