CN110562421A - 涵道式螺旋滚筒推进器及侧向控制阀系统 - Google Patents

Abstract

本发明为一种船用涵道式螺旋滚筒推进器的整体方案。其基本内容为固装于空心管筒内的螺旋板构成的涵道式螺旋滚筒，通过轴承架位安装在外壳套筒中，螺旋滚筒与外壳套筒之间的空间装设对应的永磁电机磁枢与线圈绕组构成的电机驱动系统，驱动螺旋滚筒作旋转运动，带动螺旋滚筒内的螺旋板挤压其空间内的液体向一侧输出，以驱动船体运动。两个涵道式螺旋滚筒推进器之间同轴连接侧向控制阀，当两个推进器同向压水时，产生使船舶前进、后退的动力；当两个推进器压出的水流相向对冲时，由侧向控制阀控制水流向选择的侧向出口喷出，以实现船舶的四维度运行。

Description

涵道式螺旋滚筒推进器及侧向控制阀系统

所属技术领域：

本发明为一种新型涵道式螺旋滚筒船舶驱动技术方案，采用内设螺旋板的滚筒形成的涵道式螺旋滚筒结构，无中心轴、由涵道式螺旋滚筒外壁与外壳套筒之间装设的永磁电机组驱动、取代传统螺旋桨作为船舶运行的驱动装置。在此基础上，搭建侧向控制阀系统，通过两组涵道式螺旋滚筒对冲产生的压力流体，实现对船舶前进、后退与左向、右向的四维度直接推动机制，从而取代传统的舵机变向系统。本发明对应用了几百年的螺旋桨+舵机的船舶驱动操控模式进行了颠覆性改变，并大大简化了现有的船舶驱动-操控结构，使船舶的及操控性能获得提升。

背景技术：

几百年至今，主流的船舶驱动及操控基本应用螺旋桨+舵机组合的模式。螺旋桨结构通过庞大的轴系、变速系与发动机相连接，机械结构复杂，整体自重与占用空间巨大，难以消除运行振动及噪音。螺旋桨系统仅能提供前进与后退二维度的驱动，因此需要依靠舵机系统实现对船舶变向的操控。由于舵机结构自身的局限，限制了船舶变向半径，即船舶的运动灵活性。应用螺旋桨+舵机驱动操控模式的船舶，尤其是大型船舶，低速机动、码头靠泊等作业非常困难。另外，螺旋桨+舵机模式在实际应用中的脆弱性也十分明显，结构笨重，低速航行时机动能力差，易漏水、影响渔船拖网操作、不时发生伤害大型水中生物事件，容易被水中异物撞损或缠绕等，不胜枚举。

本发明提供一种前所未有的整体性设计。实际应用后应该能够克服传统螺旋桨+舵机的船舶驱动操控模式的上述弱点，而这正是本专利技术的独特优点。

发明内容：

本发明为一种船用涵道式螺旋滚筒推进的整体方案，其基本内容为装固于空心滚筒内的螺旋板构成的涵道式螺旋滚筒，通过轴承架位安装在外壳套筒中，螺旋滚筒与外壳套筒之间的空间装设对应的永磁电机磁枢与线圈绕组构成的电机驱动系统，驱动螺旋滚筒旋转，带动滚筒内的螺旋板挤压其空间内的液体向一端输出，驱动船体运动。

一、附图说明：

说明书附图1-分解的涵道式螺旋滚筒

说明书附图2-双头螺旋板及其剖面特征

说明书附图3-三头螺旋板及其剖面特征

说明书附图4-涵道式螺旋滚筒推进器组合：立体图含修形的进水罩，剖面图为内部结构。

说明书附图5-加装侧向控制阀的涵道式螺旋滚筒推进器总成：两端分别以线条图与立体剖面图示意。

说明书附图6-侧向控制阀结构：分解与组合的状态。

说明书附图7-应用涵道式螺旋滚筒推进器的水翼结构示意。

说明书附图8-船舶前置涵道式螺旋滚筒推进器示意。

说明书附图9-装设于螺旋滚筒外径的液压驱动涡轮叶片示意。

说明书附图10-单组涵道式螺旋滚筒推进器操控示意。

说明书附图11-N组涵道式螺旋滚筒推进器操控示意。

说明书附图12-多联串装涵道式螺旋滚筒推进器与多侧向控制阀。

二、涵道式螺旋滚筒推进器及侧向控制阀系统：

A、基础内容——基本项：

1、以涵道式螺旋滚筒(图1中的2)与外壳套筒及其装设其间的电机、轴承结构组成船舶推进器(图4)，称名为涵道式螺旋滚筒推进器。此结构取消了传统螺旋桨的中心轴。

本发明的核心内容为以无中心轴的涵道式螺旋滚筒驱动结构，取代传统的螺旋桨。

基本构造为：一个根据推力要求设计制造的螺旋板(图1中的1)、(图4中的6)固定连接于螺旋滚筒内(图1中的2)，(图4中的7)，该结构体置于外壳套筒内(图4中的 3)，其间由轴承架位(图4中的4、5、8、9)承载，并装设电机系统进行驱动(图4 中的1、2)，在水环境中其正、反时针旋转时涵道内产生不同方向的流体，形成不同方向的推动力。

从画法几何学的角度看，所谓螺旋板与螺栓螺纹可以归为同类。因此，如同螺纹可以制成单头与多头，螺旋板也可以出现单头(图1中的1)、双头(图2)、三头(图3) 等N种样式，可以根据不同的设计需求进行选择，本说明书中仅以单头螺旋板示例。

2、在涵道式螺旋滚筒外壁与外壳套筒之间装设轴承架位以及永磁电机驱动组(图4中的1、2)、直接驱动涵道式螺旋滚筒运转。对位的推力滑动轴承之间，采用可调方式控制间隙的尺寸和位置(图4中的4、5、8、9)。取代传统螺旋螺旋桨的传动轴及相关的变速机构作为船舶运行的推动装置。

3、通过侧向控制阀实现四维度运行：由两组涵道式螺旋滚筒推进器(图5中的1、2)通过侧向控制阀(图5中的3)同轴心对置，构成的四维度船舶驱动系统统(图5)。当两组通过侧向控制阀串联的涵道式螺旋滚筒推进器同向压水时，改变螺旋板的旋转方向即可驱动船舶实现前进、后退机动运行；通过侧向控制阀环形阀板(图5中的4)的控制，使流体通过阀体侧向的出水口喷出，驱动船舶实现向左、向右机动运行。如果需要实现静态的横向移动，可以控制阀体两端的两组涵道式螺旋滚筒以相反的旋转方向进行对冲运行，挤压对冲流体通过侧向控制阀选择的出水口喷出，实现静态船舶的左向或右向运动。

4、位于两组涵道式螺旋滚筒推进器中间的侧向控制阀(图6)：侧向控制阀总成由阀体外壳(图6中的1)和装设其中的环形阀板(图6中的3)组成。阀体外壳为两个同轴镜向的阀体半壳(图6中的1、2)，对接装固并将环形阀板置入其中，使其能够互相滑动变换径向圆周表面的相对位置。环形阀板上的开口(图6中的7)在相应位置时与阀体外壳的喷水出口(图6中的6)重合或关闭(图6中的8、7、6)。在环形阀板外圆周装设从动齿轮(图6中的4)，与装设于阀体外壳的驱动齿轮(图6中的5)啮合，以实现对环形阀板的位置控制。

5、润滑方法：驱动方式及船舶自身的能力供应系统：

用于淡水环境小型船舶驱动的涵道式螺旋滚筒推进器，可采用防水的滚珠或滚棒轴承，密封润滑或自然水润滑，海水环境可选用铜合金、陶瓷轴承等耐蚀材料。

对于大型船舶，可采用带有润滑槽道的滑动轴承(图4中的4、5、8、9)，通过高压泵压迫自然水在滑动轴承外环与内环摩擦面之间构成水膜，进行强制润滑。

由于轴承润滑及整体散热的自然水取自船舶所在的水环境，需要进行过滤处理。

6、动力源：

典型意义上的涵道式螺旋滚筒推进器的动力源，采用电力驱动。因此它的应用基础为船舶实现了全电模式，以充分发挥涵道式螺旋滚筒推进器的全部潜力。

如果要在机械传动条件下应用涵道式螺旋滚筒推进器模式，取消滑动轴承支撑的涵道螺旋滚筒的电机驱动部分，采用譬如液压驱动(图9)、甚至直接进行机械传动等方式，也能够实现涵道式螺旋滚筒推进器的基本功能。但这样做的代价不可避免地带来机械结构的复杂化，因此需要考虑是否得不偿失。

B、扩展内容——备选项：

1、涵道式螺旋滚筒推进器系统总成设计：

各类船舶应用螺旋板涵道推动技术，可考虑采用与船壳一体化设计、N联装、外挂式总成设计、嵌入一体可拆换的总成设计等不同方案。

螺旋板的螺旋面可在N头螺旋板范围内选择(图1)、(图2)、(图3)，理论上螺旋板的头数越多，有效推水面积越大，意义相当于传统螺旋桨叶片、组数的增加。

涵道式螺旋滚筒推进器理论上能够取代传统螺旋桨加舵机的推进结构，在于它具有广阔的拓展设计空间。例如用于高速航行的水翼船，如果在涵道式螺旋滚筒推进器的基础上直接增加水翼结构(图7中的1)，其整体集成度远高于传统螺旋桨结构的推进系统。

2、多点推动方式：

常规船舶的螺旋桨推动方式，大多采用螺旋桨置于船舶尾部的后点式推动，即使为了增加船舶的推力加装了多组螺旋桨也是如此。涵道式螺旋滚筒推进器技术不仅可以沿袭传统的单点驱动模式，还提供了多点推动的技术选择，犹如常规前驱、后驱汽车与全时四轮驱动越野车的分野，能够根据船舶性能的需要，采用前端、后端、两侧的各种部位进行多点推动。其共同点在于利用侧向控制阀出水口(图8中的1)对船舶施加侧向推力。多点推动布局，对实现涵道式螺旋滚筒推进器特有的四维度运行尤其有利。

3、电机驱动的替代模式：

尽管船舶的全电驱动模式被业内不少人视为船舶技术的发展方向，但现实的状况还未能出现最佳的船舶通用动力供电技术，本专利中例说的电机驱动因此也缺乏现有应用技术条件的支撑。这里讨论的替代技术的必要性，或许能够成为涵道式螺旋滚筒推进器应用过程中的过渡技术方案。

此前在讨论动力源的章节中，曾经提到应用液压驱动技术替代电机驱动技术的可能性。液压驱动技术迄今已是机械工程中的一项成熟技术，直接移植应用于涵道式螺旋滚筒推进器，技术应用的难度并不算大。

传统的液压系统，有封闭循环和开放循环两大类型，由于压力传导工作介质的限定，大多数工程机械采用的多是封闭循环，如果直接将此技术应用于涵道式螺旋滚筒推进器理论上亦无不可。如果考虑到船舶的运行环境以及对环境保护的要求，封闭循环的工作介质多为液压油一类，如果泄漏将会给水域造成难以修复的污染，这一点需要在作设计方案选择时给以足够重视。

开放循环模式的典型应用是输送导压介质的各类泵组，事实上在气压驱动类机械中应用得更加广泛。这种技术的特点是即时从环境中取得工作介质以传导压力，传导结束后即时将工作介质释放回原来的工作环境中，如此可以避免特定的工作介质泄漏带来的麻烦。在条件允许的情况下，应当优先考虑将这类损害预期更小的技术类型应用于涵道式螺旋滚筒推进器。

对本专利提供的螺旋滚筒涵道结构，如果取消电机驱动方案代以液压驱动，则螺旋滚筒(图9中的3、4)与原来装设电机的外壳套筒(图9中的1)之间的空间可以用来装设液压驱动的涡轮泵叶(图9中的2)，工作介质从高压端经过涡轮泵叶到达低压端，从而驱动涡轮泵叶带动涵道螺旋滚筒运行。转换高压端与低压端，即可实现涵道式螺旋滚筒推进器的反向运行。

三、涵道式螺旋滚筒推进器及侧向控制阀系统使用方法：

A、安装单组涵道式螺旋滚筒推进器的小型船舶：

推进器可以前置装设，采用拖曳方式驱动船舶运行，由于其前进推力在变向行进时始终与运行方向保持一致，因此较尾推式更具力学合理性。在(图10)中，用组合控制示意的方式进行了说明。

它的操控方式如下：

1、离岸：标准条件下与泊碇码头平行靠泊的船舶启碇，涵道式螺旋滚筒推进器启动涵道式螺旋滚筒，使前后螺旋滚筒在涵道内对冲运转，在涵道腔内压力增加的同时开启侧向控制阀位于码头一侧的喷口，将压力水流从阀口压出，推动船首侧移离岸。

2、直行前进：关闭侧向控制阀，将串连的两个涵道式螺旋滚筒调整为向后方向喷水运行的工作状态。

3、直行后退：关闭侧向控制阀，将串连的两个涵道式螺旋滚筒转换为向前方向喷水运行的工作状态。

4、航行中变换方向：开启侧向控制阀预定转换方向相对侧的出水口。同时适当调整前或后涵道式螺旋滚筒的相对转速，以实现预期的转向要求。

B、安装一组以上涵道式螺旋滚筒推进器的船舶：

1、由于具有一组以上的推进器，能够实现多个控制点推动，因此侧方移位的性能理论上优于单推进器(图11)。在未来的实践中，可以预期应用涵道式螺旋滚筒推进器的船舶将会出现本说明书没有例举，大大超越现有船舶机动性能的更多机动模式。例如实现船舶原地360度旋转，虽然现在看不到这种机动有什么实用价值，但如同某国战机表演的布加乔夫眼镜蛇机动一样，仅为显示超凡的机动能力而已。

2、多点推动需要同时控制不同的螺旋滚筒推进器以及侧向控制阀配合运转，操作人员必须随时正确调整各个涵道式螺旋滚筒推进器的推进方向、动力输出(转速)、侧向控制阀各喷口及其开闭程度。

3、由于涵道式螺旋滚筒推进器在船舶上的装设位置及方式具有极大的自由度，在实际应用中可能出现远比本说明书所列举的更多的样式，在其基本操控原理的基础上，具体的操控方式也可能出现许多不同的方案。本说明书给出的示意(图10)、(图11)，不可能完全穷尽，仅在举一反三而已。

4、采用全电驱动的船舶如果未来能成为主流，加以现代电子自动化控制技术的不断发展，如果根据不同船舶的动力及运行包线对涵道式螺旋滚筒推进器进行电脑自动化控制，可以大大提高船舶的操控能力。

技术方案：

一、基本原理：

1、螺旋板本身并非前所未有的技术，前人在不同的领域早已应用多年，不赘述。

涵道式螺旋滚筒推进器，是将螺旋板装固于涵道滚筒之内构成涵道式螺旋滚筒，由其转动产生对水的推动输出。此前提到的无轴，专指螺旋板涵道不存在中心传动轴这样的机械结构，而不是说其运转时没有旋转中心。因此准确的解释应为涵道式螺旋滚筒整体即为一个在外壳套筒中旋转的运动轴，以此回避了传统机械中心轴传动的一些弊端。

2、涵道式螺旋滚筒对水流的方向进行相应的约束，提高了推动效率。当船舶应用多组涵道式螺旋滚筒推进器时，其中并列装设的两组推进器的螺旋板制作时选择相反的螺旋角，以抵消推出水流的涡旋方向性对船舶行进构成的偏流影响。

3、螺旋板理论上可以看作是N个传统螺旋桨的轴向叠加，相比常规的螺旋桨只有通过不断加大直径和提高转速以提高推力的方法简单可靠。此前有人提出过在同轴上安装螺旋板以实现串连式螺旋桨的技术方案，但由于无法取消桨轴，同时增加了桨轴架位的难度，基本上未能转为实际应用。

4、涵道式螺旋滚筒结构取消了传统的中心传动轴，同时涵道内没有其它形成相对差速的构件，运行时外来物没有附挂条件，不容易出现缠绕现象。

5、涵道式螺旋滚筒推进器的涵道式螺旋滚筒由外圆周装设的电机直接驱动，根据不同的需要，可以应用不同类型的电机原理，包括空心杯式电机等特殊电机结构。电机可以设计成多组并联的模式，多组电机驱动的优势在于可以方便地决定开启电机组的数量及转速，选择不同的功率输出，理论上功率输出可以分级并且总功率不受限制。

6、在多联串装的涵道式螺旋滚筒推进器的应用设计中，每两组涵道式螺旋滚筒推进器之间安插一组侧向控制阀，可以增加更多的侧向推力控制点(图12中的1、2)，有效提高船舶的四维运行能力。如果在侧向控制阀上加开向上和向下的喷口，与适当的船舶动态传感器配合，理论上能够取代目前一些船舶上应用的减摇鳍的功能，甚至性能更佳。因为减摇鳍需要在一定的航速时才能发挥作用，而利用侧向控制阀不同方向的推力控制点配合，理论上当船舶处于静止状态下也能保持平衡状态。这样，将使船舶的运行实现准六维标准。

7、在船体上的装设布局可选择范围广阔，减少整体设计时的局限性。涵道式螺旋滚筒外径装设轴承的工作面积、回旋圆周更大，可降低其平均磨耗。轴承的多点架位使设计师拥有更多的选择空间。相比传统中心轴传动更容易实现动平衡，减少震动噪音。

8、整体结构轻便、紧凑，简约，占用船体内空间少，性能容易升级且操作方便。

9、螺旋板的叶面在靠近旋转圆心部分厚度可以比边缘部分薄(图1中的3)，而边缘部分由于与涵道式螺旋滚筒内壁相接装固，整体结构强度更高，适于在高速运转的情况下进行大推力输出。

10、轴承架位于涵道式螺旋滚筒与外壳套筒之间，这个空间内也作为N组驱动电机的装设位置。轴承选择根据设计者的条件，只要能够防水耐磨，并无特殊要求。对大型船舶来说，可应用传统的铜合金滑动轴向止推轴承(图4中的4、5)，一方面轴承的间隙可随着使用磨损进行调整，另一方面可以在轴承摩擦面开设润滑槽，加以高压水流形成水膜进行冷却润滑。

二、基本结构：

1、根据功率输出以及驱动动力的转速等因素计算螺旋板所需的推水面积，以此决定螺旋板总推水面积的设计尺寸及直径等参数。选择适合制作螺旋板涵道的材料及加工工艺。理论上材料选择范围宽泛，小型船舶甚至可以选择工程塑料3D打印加工。

2、制作螺旋板以及涵道滚筒。根据不同的制作工艺条件，可以分别制造螺旋板和涵道滚筒，然后用焊接等工艺组合在一起。如果技术条件许可，也可以一体化制造。

3、外壳套筒本身作为驱动电机定子的承载外壳，以及涵道式螺旋滚筒推进器的支撑架位体，在相应位置装设电机与推进器共用的滑动轴承外环(图4中的4、8)。

4、涵道式螺旋滚筒作为驱动电机转子永磁磁极的承载体，其外缘装设驱动电机的转子部分(图4中的1)，以及滑动轴承内环(图4中的5、9)。电机转子为经防腐保护处理的永久磁体，与涵道式螺旋滚筒装固。磁极组可以在螺旋滚筒外缘轴向分段装设N 组。

5、驱动电机的定子(图4中的2)，包括磁靴及线圈，固定于外壳套筒的内缘与转子磁极相对应的位置。全部引线均由外壳套筒与船体的连接安装位置引入船内。由于需要在水环境下运行，需要按照水下电机的行业标准进行绝缘防水处理。

6、涵道式螺旋滚筒推进器与船体的连接：推进器既可以制成独立的总成，与船体外挂连接，也可以在船舶设计同时进行适形处理，成为船舶整体的一个组成部分。无论哪种设计，都需优先考虑维修方便。事实上即使是进行了适形设计的船舶，所安装的涵道式螺旋滚筒推进器总体上也应该视为一个相对独立的总成体，这样更容易实现整个总成的更替维修保养，缩短船舶驻泊维修的时间。

7、本说明书中演示的侧向控制阀结构，仅在表达其实现四维运行控制的机制原理以及结构上的可行性，侧身控制阀本身是涵道式螺旋滚筒推进器实现船舶四维运行的关键技术因素，并不代表这是唯一的结构设计方案。在实际的应用设计时，事实上存在更多的结构方案可供参考。目前大量应用于业内的阀技术，甚至曾经流行过的射流控制技术，都可能有借鉴价值。

有益效果：

本发明针对传统船舶的螺旋桨+舵机推动技术先天具有各种无法去除的弱点，能够取得以下有益效果：

1、传统螺旋桨的结构缺陷：

传统螺旋桨的桨叶，由于需要装设在驱动轴顶端，其基本力学结构与动力输出的特性相悖：桨叶越靠外圆端，运行时线速度越大，产生的推力效率越高，这部分桨叶需要的机械强度理应越大；桨叶靠近轴根的部分，运行时线速度低，驱动效率低，推动力矩小，理论上需要的机械强度应该低于外缘部分的桨叶。事实上螺旋桨靠轴端根部都制作的比较粗壮，而外缘部分反而比较单薄。这本身是结构特性决定的无奈选择。

业内为改善传统螺旋桨的缺陷，采用了加大螺旋桨的直径、桨叶的面积、改良桨叶的形状、数量布设，提高螺旋桨的转速，发明机械结构的可变螺角螺旋桨等各种方案，但总体上都是治标不治本的措施，无法突破传统螺旋桨结构原理上的局限。

传统螺旋桨的动力传递，发动机需要配备巨大的变速箱，另外还有一根硕大的传动轴，尺寸动辄几十米长，纵贯数个舱室。这些机械装备重量极大，出口端密封技术复杂，在船舱内占用大量空间。同时由于动平衡不易处理，构成了船舶运行中主要的噪音源。

传统螺旋桨推力输出做功为开放环境，造成动力水流方向缺乏定向约束，增加兴波能量，影响推力效率。同时它的结构特征决定了只适于进行尾推，推力为一点式输出，运行方式只有前进、后退两个维度。传统螺旋桨船舶的变向机动主要靠舵机与螺旋桨的配合来实现，这种桨、舵组合的局限性，在于船舶高速与低速航行时的机动效率递减极其严重，当船速极低时，舵机的作用几乎为零。这个运行特性使其在入泊和启碇时非常不方便，对大型船舶而言，离开拖船的牵引，很难在锚地自由调度。

传统螺旋桨的轴桨连接形式，首先形成了一个轴桨外船体的静止结构，例如舵板、桨轴架位的各种支撑体，与轴桨旋转运动构成差速环境。桨叶外端与传动轴的线速度差异，形成了另一个差速环境。而轴体本身就构成了一个异物容易钩挂积累的附着体，以致船舶在人类经济活动频繁的海域，特别容易被渔网等异物缠挂。高速旋转的螺旋桨与海洋生物的互动环境极不友好，容易对大型水生物造成机械伤害。

2、涵道式螺旋滚筒推进器结构上优势：

涵道式螺旋滚筒推进器的螺旋板桨叶结构，桨叶机械强度与推力输出强度能合理匹配，即桨叶外缘线速度最高，做功最大的部分尺寸厚度大于桨叶中心部分(图1中的3)。

涵道式螺旋滚筒推进器解决了桨叶尺寸与推力输出之间的传统对应关联，由原来只有径向增加尺寸，变成了轴向的相对无限叠加，改善了大功率输出要求与扩展螺旋桨桨叶尺寸的限制。同时简化了结构，取消了变速箱、传动轴等笨重并占用有效空间的部件，大大降低了驱动系的整体重量，有效减少噪音，节约了船舶内部的有效空间。

涵道式推进本身的技术特征之一，就是对推力流体进行定向约束，相比传统螺旋桨的开放发散式流体推动效率更高。如果采用多组并联电机作为动力源，船舶运行时可根据需要决定启动电机的组数，节约冗余的能量并且获得更佳的动力性能。

涵道式螺旋滚筒推进器从根本上改变了传统螺旋桨的一点式推进模式，形成多点推动模式后，能够使船舶拥有更好的机动能力，实现四维度驱动。尤其是在低速运行时，例如入泊、启碇，能够作到调度自如，不需拖船拖曳。

由于涵道式螺旋滚筒推进器的推进腔内无轴，只有前后连续贯通的光滑腔体，没有异物钩挂的附着条件，航行中前端能够吸进去的异物，通过腔体可从后端排出，不容易被异物缠绕，即使被异物塞堵时，进行反向旋转加压即可排出。

涵道式螺旋滚筒推进器就基础技术而言，应用的都是传统的成熟技术搭建，不存在前卫的不成熟的概念技术，因此可靠性强，造价相对低廉，维修容易。特别是出现故障时，能够做到整体总成拆卸更换，缩短船舶维修时间。

涵道式螺旋滚筒推进器与船舶的关系，不再是船舶组装时在内部永固性安装的变速器、传动轴以至舵机等复杂设备，而是预先在工厂总装调试完毕的涵道式螺旋滚筒推进器总成。因此涵道式螺旋滚筒推进器本身与船舶具有相对的独立性，这种系统总成作为船舶总体的一个标准模块，如同现代飞机的发动机那样具有通用性、互换性、替代性，拆装工艺简单，能够节省船舶舾装的工期。应用涵道式螺旋滚筒推进器的船舶，可以取消船舶的舵机机构，彻底改变传统的操船模式。

对于一些功能有特殊要求的船舶，如舰艇来说，如果将涵道式螺旋滚筒推进器安排悬挂在船身外侧，相当于为舰艇加装了一层防护装甲。当船舶的水线附近遇到打击，推进器大概率会首当其冲，即使被损坏，也一定程度上保护了船舶主体的安全。而多点式推动由于是分布式安装，即使损坏其中一个，剩下的仍然可以维持船舶一定的机动能力。

3、方便性能升级换代，在涵道式螺旋滚筒推进器开发应用至成熟完善的过程中，将会不断有更新更好的设计方案，以及更新的操控技术应用出现。传统螺旋桨+舵机式船舶的动力系统自身进行更新换代的代价极高，甚至不如重新另造。涵道式螺旋滚筒推进器系统如果出现更新换代的必要时，不必对船体结构进行重大改变，因而能够以很小代价方便完成。

4、应用涵道式螺旋滚筒推进器不但将使船舶获得更佳的水上机动性能，使人机工程更为友善，操控更轻松自如，而且还能改善潜水员等人员水面活动时的环境条件，减少对船外人员和海洋生物的意外伤害。

总而言之，涵道式螺旋滚筒推进器重量轻，推重比高；制造、安装、维修方便；整体造价便宜、可大幅降低船舶运行噪音；运行时防缠绕故障；有利于实现船舶整体的模块化结构；基础技术简单可靠；可使船舶实现四维度机动运行等等。这些都是传统螺旋桨+舵机结构无法比拟的技术优势。

首先开发成功者及具体实际应用者，将来推广该技术应用时，必定派生出大量相关的技术专利，从而形成一个完整的知识产权体系，并因此得到法律保护而形成技术高地。

具体实施方式：

仅侧重讨论其作为一个独立的推力系统总成进行标准化设计和模块化加工制作的思路和方向。

一、涵道式螺旋滚筒推进器的模块化标准化分类：

1、全效的涵道式螺旋滚筒推进器系统总成，包括对冲结构和侧向控制阀系统，可以借鉴航空发动机的发展路径，根据其输出功率进行分组，进行标准化、模块化设计，工厂化制造成系列产品。分别对应不同吨位、不同用途、不同速度要求的船舶采用。

2、单一的涵道式螺旋滚筒推进器，可以不包含对冲结构及侧向控制阀。这种设计主要的应用方向为对现有的船舶进行动力改造，只是对原有的螺旋桨推力系统的替代，不排除对舵机系统的保留应用。

3、非典型的涵道式螺旋滚筒推进器，如果在现有的不具备全电动力系统的船舶上应用涵道式螺旋滚筒推进器，理论上具有将其电机驱动方式变造设计成液压传动、机械传动等，从整体看其动力架构还是比传统的螺旋桨+舵机系统有所简化，虽然这并非涵道式螺旋滚筒推进器的理想应用设计。

二、对使用环境的适应性设计：

1、防水问题：对于一个在水环境下运行的机电装置，防水是首先需要解决的技术问题，何况在海水环境下工作，还会遇到海水腐蚀的难题。这些问题可以在业界已有的各种对应技术方案中进行选择改进，移植应用。这些技术并非本专利讨论的范围，也不是本专利实现应用时无法解决的关键障碍。

2、在水环境中运动时的轴承架位问题：涵道式螺旋滚筒推进器作相对运动的结构只有承载着驱动电机转子的螺旋滚筒与承载着驱动电机定子的外壳套筒，两者间作相互旋转运动，相互间仅存在极小的轴向缝隙。轴承的架位位置可以在N个电机组之间的空档处设置。具体采用何种类型的轴承，适当选择该行业内的现有技术即可。

3、涵道式螺旋滚筒推进器的首选动力源：本专利基于未来可能成为船舶动力主流的全电技术环境下的应用方案，但不排除会存在一个过渡阶段，因此在这期间可能出现一些过渡设计方案。本专利并不涵盖对其基本技术保护要求之外的技术创新。

4、侧向控制阀：本专利定义的侧向控制阀，专指装设于两个对冲涵道式螺旋滚筒推进器之间的一个管状阀体，以及阀体上不同方向的水流释放喷口。由一个带相应开口的环形阀板围绕阀体喷口，在实现船舶转向机动时，转动环形阀板，打开或关闭相应的喷口。该管状侧向控制阀体及环形阀板，以及阀板的转动控制，均为常规制造工艺的公知技术范围。鉴于在实际应用设计时，侧向控制阀还有其它不同设计方案出现的可能，例如在涵道式螺旋滚筒推进器的外壳套筒侧面增加延伸喷口，增加侧向推动点以改善侧向运行的控制性能等。本专利对此不作排它性规定。

三：制造工艺：

1、螺旋板及滚筒设计制造：

螺旋板的螺旋角选定，可以参考现有的螺旋桨设计理论中相关的内容。本专利示意图中采用的45度不具规定意义，选用这个中庸的的螺旋角仅为了表达方便。

目前机械加工行业尚未出现制作这种大尺寸螺旋板的专用设备，在相关专用设备开发出来之前，可采用现有技术制作：

小型的螺旋板推进器制作比较容易，铸造、模锻甚至3D打印等现有手段都可以应用。大型螺旋板除了可以与涵道滚筒一体精铸成型外，也可以考虑两者分别制作，然后再焊接结合。单独制作螺旋板可考虑热加工条件下的整体卷轧工艺。

2、电机定子、转子部分的制造及安装：

转子部分采用强磁场永久磁体作为做功磁极。定子部分由传统电机的绕组构成，二者均需进行有效的防水处理。此部分内容为电机行业的既有技术的直接应用，本专利不作过多叙述。

在涵道式螺旋滚筒外缘与外壳套筒内缘之间的空间内安装电机的定子和转子，以及在其附近空档装设轴承架位机构，在进行实际应用设计时会有很多不同方案。本专利示意的只是其中之一，仅在证明涵道式螺旋滚筒推进器结构的可行性，并不排斥其它结构设计工艺的创新。

3、涵道式螺旋滚筒与外壳套筒之间的轴承及工作时的润滑：

轴承的采用在本专利中没有排它性规定。示意图中显示的铜合金滑动轴承，仅为表达这一组件应用的可行性。轴承在内外管筒间的安装位置，除了两端外，其它位置视电机定子、转子的位置设计而定。滑动轴承组合须有轴向止推功能，止推轴承中至少应有一侧的位置是可调的，以实现轴承滑动间隙的调整。

滑动轴承的啮合面上制作润滑槽道，外壳套筒的对应位置装设润滑水进水口，运行状态时由装设于涵道式螺旋滚筒推进器外部的润滑泵压入高压水流，在滑动轴承啮合面间形成水膜，达到润滑和冷却的效果。

备注：本专利专用名词解释：

1、螺旋板：这是本专利中对代替传统螺旋桨的一种几何形状为板状连续螺旋扭曲的无轴驱动结构体的命名。在既有工业应用中，存在与其类似的螺旋结构，如涡杆泵、螺旋输送装置等，但它们都是轴结构驱动的。

2、涵道式螺旋滚筒：特指在本专利中内装螺旋板并制成一体的滚筒，共同形成涵道推进器的驱动机构，在本文中特指不包括外壳套筒的构造部分，也可简称螺旋滚筒。

3、外壳套筒：特指装设于涵道式螺旋滚筒之外，用于与船体连接的部件。其与涵道螺旋滚筒之间装设多段位轴承，以及驱动电机组件。

4、涵道式螺旋滚筒推进器：专指包括侧向控制阀在内的两组涵道式螺旋滚筒结构总成。

5、四维度驱动：在上、下、前、后、左、右六个空间维度的概念中，特指其中的前、后、左、右四个维度。

Claims (2)

1.一种用于船舶的动力推进器，其特征是：固装于空心管筒内的螺旋板，构成螺旋板涵道推进器的涵道管筒，通过轴承架位安装在外壳套筒中，外壳套筒用于与船体固定连接.螺旋滚筒与外壳套筒之间的空间装设对应的永磁电机磁枢与线圈绕组构成的电机驱动系统，驱动螺旋滚筒作旋转运动，带动滚筒内的板挤压其空间内的流体向一侧输出，以驱动船体运动.该推进器装设于船舶流水线以下，通过驱动螺旋板涵道管筒的正、反两向旋转，螺旋板压迫水流通过管筒产生推动力，推动船舶正向或反向运行。

2.一种控制船舶运动方向的侧向控制阀，其特征是：由阀壳体与装设其中的环形滑动阀板构成.阀壳体的相应位置开有压力流体出口，控制环形滑动阀板可以选择打开或关闭压力流体的相应出口.侧向控制阀同轴装设在两个涵道式螺旋滚筒推进器之间，当两个螺旋推进器对冲旋转时，挤压出的流体通过环形滑动阀板打开的不同方向流体出口位置，从相应的阀体出口射出，驱动船舶侧向运动，实现船舶的四维度运行。