CN110203363A - 一种提高潜水艇深海航速的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及潜水艇技术领域，尤其是涉及一种提高潜水艇深海航速的装置。该装置包括：齿轮箱、动力装置和多个螺旋桨组件。本申请提出的一种提高潜水艇深海航速的装置采用了四轴齿轮箱和多个螺旋桨，主动轴通过传动齿轮分支成四个传动轴，利用一组发动机组即可驱动四个螺旋桨，从而简化了结构。本申请实施例中采用了推力球轴承和角接触球轴承，能够克服螺旋桨压水的轴向推力和保证前后螺旋密封的同轴，起到径向定心的作用。本申请实施例中采用了螺旋密封和氟橡胶内囊式密封圈密封，螺旋密封将漏液阻止到最小流量，转速越高密封效果越好；将压力油压入氟橡胶内囊式密封圈使其变形，氟橡胶内囊式密封圈与螺旋桨轴的间隙减小，从而减少油量的损失。
Description
技术领域
本申请涉及潜水艇技术领域，具体涉及一种提高潜水艇深海航速的装置。
背景技术
目前，国内、国外现有潜水艇结构外形基本相似，国内潜水艇水下航速最快约在55km/h(30节)左右，国外欧美发达国家水下航速最快约在80km/h(44节)左右。我国潜水艇螺旋桨转轴转速不是很高，潜水艇水下航速在55km/h左右，还赶不上鲸鱼的速度。对于某一种潜水艇潜水越深航速越低，上面的参数是在200-300米水深的参数，在3000米水深将减小到25km/h以下。老式潜水艇1后部只有1个螺旋桨2，推力不足，使老式潜水艇1的速度无法提升。
因此，亟需一种能提高潜水艇在水下3000米航速达到120km/h(65节)左右，速度约提高2.5-4.5倍(随深度变化)的装置。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种提高潜水艇深海航速的装置，从而解决现有技术中存在的前述问题。
为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：
一种提高潜水艇深海航速的装置，包括艇体，潜水艇动力舱，设置在所述艇体的内部，通过密封舱门与所述艇体的其他舱室隔绝；动力装置，设置在所述潜水艇动力舱内，为所述潜水艇提高速度提供动力来源；齿轮箱，设置在所述潜水艇动力舱内，所述齿轮箱内穿设有主动轴和多个传动轴，所述主动轴和多个所述传动轴通过齿轮传动连接；所述齿轮箱与所述动力装置连接，以驱动所述主动轴旋转，带动多个所述传动轴旋转；多个螺旋桨组件，包括多个螺旋桨，所述多个螺旋桨设置在所述潜水艇的外尾部，多个所述螺旋桨的螺旋桨轴分别与多个传动轴同轴传动连接，以使多个所述螺旋桨同步旋转。
进一步地，多个所述螺旋桨组件包括四个，四个所述螺旋桨组件呈十字型分布；所述主动轴上环设有主动齿轮，每个传动轴均通过齿轮组与所述主动齿轮传动连接。
进一步地，所述齿轮组包括多个相互啮合的从动齿轮，多个所述从动齿轮沿所述主动轴的径向分布，多个所述从动齿轮中的一个环设在相应的所述传动轴上。
进一步地，所述传动轴与所述齿轮箱的连接处连接有圆锥滚子轴承，以使所述传动轴在所述主动轴的驱动力下转动。
进一步地，所述动力装置包括变速箱和斯特林核能发动机组，所述变速箱通过联轴器与所述齿轮箱和所述斯特林核能发动机组连接，以驱动所述齿轮箱内的主动轴转动。
进一步地，所述螺旋桨组件还包括轴承组件、液压离合器和密封组件，所述轴承组件与所述螺旋桨轴连接，所述液压离合器与所述螺旋桨轴连接，以控制所述螺旋桨的转动或停止。
进一步地，所述轴承组件包括两个推力球轴承和六个角接触球轴承，所述六个角接触球轴承设置在两个所述推力球轴承之间；所述推力角轴承的内圈和所述角接触轴承的内圈均与所述螺旋桨轴过盈连接。
进一步地，所述密封组件包括两个螺旋密封和两个氟橡胶密封圈，两个螺旋密封分别设置在所述轴承组件的两侧；两个所述氟橡胶密封圈分别设置在两个所述螺旋密封远离所述轴承组件的一侧，并环设在所述螺旋桨轴上，以防止海水进入所述潜水艇动力舱内。
进一步地，还包括相互电连接的高压油检测压力表、海水检测压力表、中央控制主机和多个数字式高压变量泵，所述高压油检测压力表用于检测所述螺旋密封用高压油的压力值并向所述中央控制主机发出相应的电信号，所述海水检测压力表用于检测所述螺旋桨轴径处的海水压力并向所述中央控制主机发出相应的电信号，所述中央控制主机对所述压力差值与预设值作出比较，并控制多个所述数字式高压变量泵工作以调节所述压力差值。
进一步地，所述氟橡胶密封圈包括氟橡胶内囊式密封圈，所述螺旋桨停止运转时，所述中央控制主机控制所述数字式高压变量泵向所述氟橡胶内囊式密封圈的内囊内压入压力油，所述内囊变形抱紧所述螺旋桨轴。
本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
1、本申请实施例中采用了四轴齿轮箱和多个螺旋桨，主动轴通过传动齿轮分支成四个传动轴，利用一组发动机组即可驱动四根传动轴，即驱动四个螺旋桨，从而简化了结构。
2、本申请实施例中采用了推力球轴承和角接触球轴承，能够克服螺旋桨压水的轴向推力和保证前后螺旋密封的同轴，起到径向定心的作用。
3、本申请实施例中采用了螺旋密封和氟橡胶内囊式密封圈密封，螺旋密封将漏液阻止到最小流量，转速越高密封效果越好；将压力油压入氟橡胶内囊式密封圈使其变形，氟橡胶内囊式密封圈与螺旋桨轴的间隙减小，从而减少油量的损失。
附图说明
图1为现有技术中潜水艇的螺旋桨的布局示意图；
图2为本申请实施例中螺旋桨的布局示意图；
图3为本申请实施例中螺旋桨的传动装置示意图；
图4为本申请实施例中齿轮轴的传动结构示意图；
图5为本申请实施例中螺旋桨的传动总图；
图6为本申请实施例中螺旋密封的排布图
图7为本申请实施例中液压油路图；
图8为本申请实施例中控制系统流程图。
附图标记说明
1-老式潜水艇，2-螺旋桨，3-艇体，4-螺旋桨，5-过水槽，6-传动箱体6，7-从动齿轮，8-圆锥滚子轴承，9-端盖，10-传动轴，11-主动轴，12-主动齿轮，13-平键，14-法兰盘，15-紧固螺钉，16-螺旋桨组件，17-四轴齿轮箱，18-变速箱，19-潜水艇动力舱，20-斯特林核能发动机组，21-密封舱门，22-旋转密封，23-轴承组件，24-氟橡胶内囊式密封圈，25-液压离合器，26-空心涨套，27-高压油检测压力表，28-海水检测压力表，29-氟橡胶组合密封圈，30-油水分离器；31-数字式高压变量泵。
具体实施方式
下面为了能够更清楚地理解本申请的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本申请进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请，但是，本申请还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本申请的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
图1-图7示出了本发明提出的一种提高潜水艇深海航速的装置的结构示意图。为叙述方便，下文中所称的“上”、“下”、“左”、“右”与附图本身的上、下、左、右方向一致，但不对本发明结构起限定作用。
如图1-图7所示，一种提高潜水艇深海航速的装置包括艇体3、潜水艇动力舱19、密封舱门21、动力装置、齿轮箱和多个螺旋桨组件16。其中艇体3尾部为圆柱体型，后壁是一个平面，不会影响潜水艇的航速。潜水艇动力舱19设置在潜水艇的艇体3的内部，以容纳潜水艇的动力单元。
齿轮箱，设置在潜水艇动力舱19内，该齿轮箱为四轴齿轮箱17，主要由传动箱体6、多个从动齿轮7、圆锥滚子轴承8、端盖9、多个传动轴10、主动轴11、主动齿轮12、平键13、法兰盘14和紧固螺钉15等组成。主动轴11上环设有主动齿轮12，多个传动轴10包括四个，每个传动轴10均通过齿轮组与主动轴11传动连接，将一个主传动轴10分支成四个从动轴，这样有一组发动机组就可驱动四根传动轴10。每个齿轮组包括多个相互啮合的从动齿轮7，多个从动齿轮7(例如4个)沿主动轴11的径向分布，四个从动齿轮7中最远离主动轴11的一个环设在相应的传动轴10上。
传动轴10与齿轮箱的连接处连接有圆锥滚子轴承8，以使传动轴10在主动轴11的驱动力下转动。
为了便于安装，传动箱体6可由4件分件组装而成，然后由锥销和螺钉连接，这样缩小了安装空间，也便于以后维修。
动力装置包括变速箱18和斯特林核能发动机组20，变速箱18通过联轴器与四轴齿轮箱17和斯特林核能发动机组20连接，以驱动四轴齿轮箱17内的主动轴11转动。斯特林核能发动机组20主要由斯特林发动机组和核能装置等组成；将核能变成热能，热能转化为机械动能，带动变速箱18运动。曲柄连杆斯特林发动机可以用于AIP潜艇系统，因为噪音低、不用油，是节能环保产品。变速箱18主要由箱体、齿轮、轴承、端盖9、传动轴10、平键13和紧固螺钉15等组成。该变速箱18位于四轴齿轮箱17和斯特林核能发动机组20之间，通过联轴器连接，作用是将发动机的转速、力矩和功率变化至要求的参数范围内。四轴齿轮箱17由变速箱18带动，变速箱18由斯特林核能发动机组20带动，由于功率比原先提高了2.4倍，所以采用原先的斯特林发动机3组并联即可满足要求，同时驱动一根齿轮轴。
密封舱门21主要起密封、隔离潜水艇动力舱19与前面舱门的作用，起安全保护作用。
多个螺旋桨组件16，包括四个。每个螺旋桨组件16包括螺旋桨4、过水槽5、螺旋密封22、轴承组件23、液压离合器25和氟橡胶密封圈。四个螺旋桨4设置在所述潜水艇的外尾部，呈十字型分布，每个螺旋桨4的螺旋桨轴均与相应的传动轴10传动连接，以使四个螺旋桨4同步旋转。每个螺旋桨4包括5个叶片，其中有3片叶片压水，共4个螺旋桨4，共有3×4＝12片叶片压水；通过力学分析，螺旋桨轴承受的扭矩可降低至1/2。所以，可以增大推力2倍以上从而提高航速。
为了克服螺旋桨4压水的轴向推力，在轴承组件23中设有2个推力球轴承；为了保证前后旋转密封的同轴，中间排列了6个角接触球轴承(或双列短圆柱滚子轴承)，起到径向定心的作用。六个角接触球轴承设置在两个推力球轴承之间；推力角轴承的内圈和角接触轴承的内圈均与螺旋桨轴过盈连接。通过6个成对角接触球轴承(或双列短圆柱滚子轴承)使相对运动面螺旋密封22处没有接触，实际直径间隙(注意控制)只有0.08mm，从而产生了节流作用，有间隙就有一定的泄漏量损失，形成一定的阻力，使泄漏量很少。
螺旋密封22包括2个，分别设置在所述轴承组件23的两侧。螺旋密封22适用的线速度为24m/s，压力可达30MPa；而其它密封适用的线速度为20m/s，压力可达10MPa。显然，螺旋密封22是所有密封形式中性能最高的。螺旋桨4需要顺时针旋转才能推动潜水艇前进，所以，螺旋密封22的旋向靠D口处为右旋，靠C口处为左旋，这样高压油才能泄漏的少。对于螺旋密封22的环缝间隙只有0.04mm，长度有380mm，油的阻尼会很大，油泄漏量相对海水来说很小，因为油的粘度远大于海水粘度。海水泄漏量虽大，但被油屏蔽住了。
液压离合器25与螺旋桨轴连接，可以控制螺旋桨4转动或停止，从而达到控制潜水艇运动方向的目的。
氟橡胶密封圈包括两个，两个氟橡胶密封圈分别设置在螺旋密封22远离轴承组件23的一侧，并环设在螺旋桨轴上，以防止海水进入潜水艇动力舱19内。两个氟橡胶密封圈包括氟橡胶组合密封圈29和氟橡胶内囊式密封圈24，表面渗氮淬火提高耐磨性。氟橡胶内囊式密封圈24结构与现有技术中的自行车内囊相似，依靠空心涨套26固定在E口上，确保压力油能顺利排向氟橡胶内囊式密封圈24的内腔中；空心涨套26的位置限定依靠里面的直径减小0.5mm来控制，空心涨套26的内孔是螺纹孔便于拆卸更换氟橡胶内囊式密封圈24。
本申请提出的一种提高潜水艇深海航速的装置还包括相互电连接的高压油检测压力表27、海水检测压力表28、中央控制主机和多个数字式高压变量泵31，高压油检测压力表27用于检测螺旋密封22用高压油的压力值并向中央控制主机发出相应的电信号，海水检测压力表28用于检测传动轴10轴径处的海水压力并向中央控制主机发出相应的电信号，中央控制主机对压力差值作出比较，并控制多个数字式高压变量泵31工作以调节压力差值。
高压油从A口注入螺旋桨组件16的轴承内，兵分两路，一流朝向螺旋桨4方向流动与海水相顶依靠压力屏蔽，然后从泄油泄水口B口流出；为了保证高压油从A口注入B口流出，需要通过2个检测压力表的数值进行判断，始终保持P油–P水＝0.5MPa即可。另一流反方向流动，最后由接油罩回收到C口，一路均有螺旋密封22封油，另一路氟橡胶密封封油。高压油检测压力表27、海水检测压力表28的管路分别与轴径处的海水相连和螺旋密封22的高压油相连，压力值输入中央控制主机中由CPU判断，由程序控制驱动电路调节数字式变压变量高压泵，根据实验参数调整保证正常工作。
螺旋桨轴油压取决于海水压强，螺旋桨组件16充油，通过数字式高压变量泵31可以调节油压和流量，使之平衡外部水压。另外，充压并可调压的中间腔将油和海水隔开，即使在事故情况下海水也不能进入，油也不能溢出。从A口注入的总油量为Q，流到B口的油量为Q1，流到C口的油量为Q2，Q＝Q1+Q2。在D口为回水油口，该口既有海水流入，也有油流入，需要通过油水分离器30将油和海水分开，油流回油箱，海水流入水箱，然后由高压水泵打入大海中，设有单向阀，高压水泵损坏海水也不会流入舱内。对于D口来说，可以控制D口直径为Φ6mm，这样海水会从D口流入，同时使该方向的油液由于负压作用也流向D口，在D口形成海水与油液的平衡分界面。在C口也为回油口，通过数字式高压变量泵31将油抽回油箱。E口为高压油注入口，当螺旋桨轴停止不转时，中央控制主机控制数字式高压变量泵31箱向E口加压将压力油压入氟橡胶内囊式密封圈24的内囊使其变形，氟橡胶内囊密封圈抱紧螺旋桨轴起到封油封水的作用。氟橡胶内囊式密封圈24与螺旋桨轴间隙减小，从而减少油量的损失，控制在20L/min左右。在氟橡胶内囊式密封圈24压向螺旋桨轴的同时也压向了槽的内圆上，避免了油从侧面泄漏的可能；如果卸油口压力大于E口压力，为了防止氟橡胶内囊式密封圈24变形不起密封作用，可以在离卸油口近的一个侧面用胶粘接在一起，同时依靠E口液压的液控单向阀防止油液的回流现象。
本申请实施例中各电气件之间先后工作顺序完成电性连接，其详细连接手段，为本领域公知技术，下述主要介绍工作原理以及过程，不再对电气控制做说明。
下列为本案中的电气件采用的种类以及作用：
高压油检测压力表27，选用东莞市西德仪表科技有限公司的60MM径向0－600KG充油防震压力表，依靠内部充满甘油，装有缓冲螺钉等措施。以克服环境强烈震动和介质强烈脉动给压力表带来的损害，确保测量精度。压力表依靠内部冲灌阻尼油和配套缓冲装置等措施。具有良好的耐震性能。适用于被测介质的压力有强烈脉冲变化或压力冲击和在生产工艺中经常突然卸荷的场合，以及环境震动较大的场所。
海水检测压力表28，选用南京凯曼YTF系列海水压力表，仪表由导压系统(包括接头、弹簧、限流螺钉)、齿轮传动机构、示数装置(指针与度盘)和外壳(包括表壳、表盖、表玻璃等)所组成。外壳为气密型结构，能有效地保护内部机件免受环境影响和污秽侵入。对于在外壳内充液(一般为硅油或甘油)的仪表，能够抗工作环境振动较剧和减少介质压力的脉动影响。
数字式高压变量泵31，选用阿托斯ATOS变量泵PVPC-3，4,5系列，轴向柱塞泵，有多种变量方式。
本申请一种实施例的工作原理是：潜水艇运作时，斯特林核能发动机组20带动变速箱18，变速箱18带动四轴齿轮箱17，带动主动轴11旋转，通过从动齿轮7带动四个传动轴10转动，进而带动螺旋桨4旋转；中央控制主机控制数字式高压变量泵31将高压油从A口注入螺旋桨组件16的轴承内，高压油一流朝向螺旋桨4方向流动与海水相顶依靠压力屏蔽，然后从泄油泄水口B口流出，另一流反方向流动，最后由接油罩回收到C口，一路有螺转密封封油，另一路氟橡胶密封圈封油。高压油检测压力表27用于检测螺旋密封22用高压油的压力值并向中央控制主机发出相应的电信号，海水检测压力表28用于检测传动轴10轴径处的海水压力并向中央控制主机发出相应的电信号，中央控制主机对压力差值作出比较，并控制多个数字式高压变量泵31工作以调节压力差值。当螺旋桨轴停止不转时，中央控制主机控制E口加压将压力油压入氟橡胶内囊式密封圈24的内囊使其变形，氟橡胶内囊式密封圈24抱紧螺旋桨轴起到封油封水的作用。
综上所述，本申请提出的一种提高潜水艇深海航速的装置采用了四轴齿轮箱和多个螺旋桨，主动轴通过传动齿轮分支成四个传动轴，利用一组发动机组即可驱动四根传动轴，即驱动四个螺旋桨，从而简化了结构。本申请实施例中采用了推力球轴承和角接触球轴承，能够克服螺旋桨压水的轴向推力和保证前后螺旋密封的同轴，起到径向定心的作用。本申请实施例中采用了螺旋密封和氟橡胶内囊式密封圈密封，螺旋密封将漏液阻止到最小流量，转速越高密封效果越好；将压力油压入氟橡胶内囊式密封圈使其变形，氟橡胶内囊式密封圈与螺旋桨轴的间隙减小，从而减少油量的损失。
在本申请中，术语“多个”则指两个或两个以上，除非另有明确的限定。术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；“相连”可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
在本申请中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“具体实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种提高潜水艇深海航速的装置，包括艇体，其特征在于，还包括：
潜水艇动力舱，设置在所述艇体的内部，通过密封舱门与所述艇体的其他舱室隔绝；
动力装置，设置在所述潜水艇动力舱内，为所述潜水艇提高速度提供动力来源；
齿轮箱，设置在所述潜水艇动力舱内，所述齿轮箱内穿设有主动轴和多个传动轴，所述主动轴和多个所述传动轴通过齿轮传动连接；所述齿轮箱与所述动力装置连接，以驱动所述主动轴旋转，带动多个所述传动轴旋转；
多个螺旋桨组件，包括多个螺旋桨，所述多个螺旋桨设置在所述潜水艇的外尾部，多个所述螺旋桨的螺旋桨轴分别与多个传动轴同轴传动连接，以使多个所述螺旋桨同步旋转。
2.根据权利要求1所述的提高潜水艇深海航速的装置，其特征在于，多个所述螺旋桨组件包括四个，四个所述螺旋桨组件呈十字型分布；所述主动轴上环设有主动齿轮，每个传动轴均通过齿轮组与所述主动齿轮传动连接。
3.根据权利要求2所述的提高潜水艇深海航速的装置，其特征在于，所述齿轮组包括多个相互啮合的从动齿轮，多个所述从动齿轮沿所述主动轴的径向分布，多个所述从动齿轮中的一个环设在相应的所述传动轴上。
4.根据权利要求3所述的提高潜水艇深海航速的装置，其特征在于，所述传动轴与所述齿轮箱的连接处连接有圆锥滚子轴承，以使所述传动轴在所述主动轴的驱动力下转动。
5.根据权利要求4所述的提高潜水艇深海航速的装置，其特征在于，所述动力装置包括变速箱和斯特林核能发动机组，所述变速箱通过联轴器与所述齿轮箱和所述斯特林核能发动机组连接，以驱动所述齿轮箱内的主动轴转动。
6.根据权利要求5所述的提高潜水艇深海航速的装置，其特征在于，所述螺旋桨组件还包括轴承组件、液压离合器和密封组件，所述轴承组件与所述螺旋桨轴连接，所述液压离合器与所述螺旋桨轴连接，以控制所述螺旋桨的转动或停止。
7.根据权利要求6所述的提高潜水艇深海航速的装置，其特征在于，所述轴承组件包括两个推力球轴承和六个角接触球轴承，所述六个角接触球轴承设置在两个所述推力球轴承之间；所述推力角轴承的内圈和所述角接触轴承的内圈均与所述螺旋桨轴过盈连接。
8.根据权利要求7所述的提高潜水艇深海航速的装置，其特征在于，所述密封组件包括两个螺旋密封和两个氟橡胶密封圈，两个螺旋密封分别设置在所述轴承组件的两侧；两个所述氟橡胶密封圈分别设置在两个所述螺旋密封远离所述轴承组件的一侧，并环设在所述螺旋桨轴上，以防止海水进入所述潜水艇动力舱内。
9.根据权利要求8所述的提高潜水艇深海航速的装置，其特征在于，还包括相互电连接的高压油检测压力表、海水检测压力表、中央控制主机和多个数字式高压变量泵，所述高压油检测压力表用于检测所述螺旋密封用高压油的压力值并向所述中央控制主机发出相应的电信号，所述海水检测压力表用于检测所述螺旋桨轴径处的海水压力并向所述中央控制主机发出相应的电信号，所述中央控制主机对所述压力差值与预设值作出比较，并控制多个所述数字式高压变量泵工作以调节所述压力差值。
10.根据权利要求9所述的提高潜水艇深海航速的装置，其特征在于，所述氟橡胶密封圈包括氟橡胶内囊式密封圈，所述螺旋桨停止运转时，所述中央控制主机控制所述数字式高压变量泵向所述氟橡胶内囊式密封圈的内囊内压入压力油，所述内囊变形抱紧所述螺旋桨轴。
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|---|---|---|---|
| CN201910495891.5A CN110203363A (zh) | 2019-06-10 | 2019-06-10 | 一种提高潜水艇深海航速的装置 |
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