CN112874746A - 一种双转子泵喷推进器及采用该推进器的行进工具 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双转子泵喷推进器，包括有转轴、端盖及壳体，其特征在于：所述转轴呈中空、喇叭状结构，通过轴承活动固定在壳体的两侧的端盖中，包括有大端部、小端部及连接大端部与小端部之间的渐变部；大端部或渐变部固定安装有第一螺旋桨；所述转轴与壳体之间的空间固定安装有用于带动转轴旋转的第一动力驱动装置；所述转轴中容纳有第二螺旋桨，处于第一螺旋桨前端或后端；所述第二螺旋桨由连杆活动连接在导流罩上的支撑座中，所述导流罩固定安装在壳体上；所述连杆由第二动力驱动装置带动旋转。本发明提供了一种充分利用文丘里效应及其管道的结构特点而设计的大功率、高效率、低噪音的双转子泵喷推进器。

Description

一种双转子泵喷推进器及采用该推进器的行进工具

技术领域

本发明属于流体推进器领域，尤其涉及一种利用文丘里效应及其管道的结构特点而设计的大功率、高效率的双转子泵喷推进器及一种采用该种推进器的行进工具。

背景技术

作为一种有效的船舶推进节能方案，对转螺旋桨一直备受关注，所述对转螺旋桨就是在螺旋桨推进轴线上，一前一后布置两个螺旋桨，前面的螺旋桨直径大于后面的螺旋桨直径，且两个螺旋桨的旋转方向相反，我们知道，在传统的单螺旋桨推进系统中，螺旋桨尾流中的涡动能量是无法被利用的，而在对转螺旋桨推进系统中，前螺旋桨产生的未被利用的涡动能量在后螺旋桨上得到利用，转化为有效的推进动力，虽然对转推进系统有利于减小尾流的旋转损失，提高推进效率，但存在轴系复杂，制造难度大，制造和维修费用高等明显缺点，而且这种对转螺旋桨叶梢部位存在较明显的空泡现象，具有辐射噪音大，临界航速低的缺点，需要在螺旋桨外侧加装导管，用于屏蔽螺旋桨及内流道产生的噪声。

中国专利《组合喷泵推进器》(CN207826516U)公开一种推进器，包括外部导管，外部导管呈收缩形状，外部导管两端分别为进水口和出水口，推进器内部设置泵喷推进器，泵喷推进器包括泵喷转子、泵喷定子及泵喷电机，泵喷电机通过四根固定翼固定在外部导管内，泵喷电机后部连接泵喷转子，泵喷转子后方设置泵喷定子整流，泵喷定子与外部导管相连，泵喷定子中心处设置喷泵叶轮电机，喷泵叶轮电机连接喷水推进泵。从结构上看，其外部导管的结构形式复杂，相应的制造难度极大，且电力驱动装置至于导管内，极大减小了导管的流通面积，降低了推进器的推进效率。

中国专利《对转无轴轮缘驱动推进器》(CN105109650B)公开了一种对转推进器，从结构上不难发现，其电机定子、转子的安装空间极其有限，而电机的功率与体积有直接的关系，且为了减少水阻，要求导管尽可能薄，进一步制约了电机部分的安装空间，因此推进器功率也受到极大的限制。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种利用文丘里效应及其管道的结构特点而设计的大功率、高效率、低噪音的双转子泵喷推进器。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种双转子泵喷推进器，包括有转轴、端盖及壳体，其特征在于：所述转轴呈中空、喇叭状结构，通过轴承活动固定在壳体的两侧的端盖中，包括有大端部、小端部及连接大端部与小端部之间的渐变部；大端部或渐变部固定安装有第一螺旋桨；所述转轴与壳体之间的空间固定安装有用于带动转轴旋转的第一动力驱动装置；所述转轴中容纳有第二螺旋桨，处于第一螺旋桨前端或后端；所述第二螺旋桨由连杆活动连接在导流罩上的支撑座中，所述导流罩固定安装在壳体上；所述连杆由第二动力驱动装置带动旋转；其有益效果在于:所述第一螺旋桨采用轮缘推进器的设计，转轴屏蔽螺旋桨及内流道产生的噪声；且所述转轴呈中空、喇叭状的结构，在运行过程中，流体从大端部进入，经过缩口部位，速度因为流体截面积变化的关系而上升，在最窄处时，速度达到最大值，静态压力达到最小值，使得流体从小端部高速喷出，通过利用文丘里效应增大了出水口的喷射速度，提高了推进效率，特别需要指出的是转轴的喇叭状结构，极大地增大了电机部分的安装空间，转子固定安装在小端部，定子固定安装在壳体上，与转子相对应，众所周知，电机的功率与电机的体积有很大的关系，电机体积越大，所能提供的功率也就越大；经过仿真模拟，大端部内径与小端部内径比值处在1.8～1.4之间时，推进效率可达到最大化；在双螺旋桨运行过程中，经过前螺旋桨的流体除了向后的运动以外，还有一个相对于转轴中心旋转的运动，这种流体的旋转运动是有害的，使得船体有一个倾倒力矩，而且旋转运动也会消耗电机的一部分功率，而后螺旋桨使得流体的旋转运动全部转换成向后的运动，提高了推进效率，同时消除了倾倒力矩，保证推进器运行的平稳性；特别需要指出的是，由于电动机与发电机的结构相同，若采用电动机作为动力驱动装置，亦可以做能量收集装置，运转过程，其中一个螺旋桨作动力输出，另一个螺旋桨在起到导流作用的同时可将流体的动能传递给电动机，转化为电能储存，节约能源。

优选地，所述第一螺旋桨与转轴的大端部为可拆卸连接，所述大端部内圆上设有键槽；其有益效果在于：螺旋桨属于高负荷运动部件，需要定期保养维护，且其结构形式复杂，可拆卸的设计大大降低了与转轴一体化制作的难度，且更加方便保养维护；在螺旋桨旋转的过程中，需要承受较大的扭矩，所述键槽为所需承担的扭矩提供支撑。

进一步地，所述键槽截面呈半圆结构；其有益效果在于：半圆结构可以简化车、铣加工的难度，有合适铣刀可供直接选择，降低了制作成本。

优选地，所述大端部内圆设有卡槽，所述螺旋桨通过设置在卡槽内的卡簧固定，其有益效果在于：在螺旋桨旋转过程中，流体被向后推出，此时螺旋桨亦需要承受较大的径向反作用力，所述卡簧为所需承担的反作用力提供支撑。

进一步地，所述渐变部上设有散热结构；其有益效果在于，在电机定子运行过程需要散发大量的热量，若不及时散热，为影响电机的性能，严重的情况下可能会绕掉线圈，正好在电机运转时，转轴会高速旋转带动螺旋桨，在螺旋桨的作用，大量流体会从流道中经过，可带走大部分热量，渐变部作为完成文丘里效应的重要组成部分，在其上设置凹槽或者叶片等散热结构，不但可增大转轴与空气的接触面积，还可加速电机内部热空气流动，大大提高散热效率。

优选地，所述壳体上设有水翼；其有益效果在于：使得流经水翼上下表面的流体产生流速差，从而产生升力，尤其是在水面行进时，可将船体托举出水面，降低水阻和波浪对船体的影响，实现船体的高速平稳运行。

优选地，所述螺旋桨由若干轮缘桨片拼装组合而成；其有益效果在于：单个的轮缘桨片制作更加方便，减低螺旋桨的制作难度，节省制作成本。

优选地，所述第一动力驱动装置为电机定子与电机转子的组合，所述电机定子固定安装在壳体中，所述定子转子固定安装在转轴上；其有益效果在于：作为电动机的主要的部件，电机定子与电子转子可将电能直接转化为动能，电机转子直接固定安装在转轴上，驱动转轴旋转，可进一步增加空间利用率，提高推进器的功率。

优选地，所述电机定子包括有定子铁芯及定子绕组，缠绕在所述定子铁芯上的定子绕组通电后产生电磁力，驱动电机转子旋转；其有益效果在于：铁芯加绕组的方式作为电机定子设计，经过多年来的研究，日趋成熟，且制作成本低。需要指出的是，目前的无铁芯定子形式亦有优异的特性，但制作成本高，在特定情况下，可作为代替方案。

优选地，所述电机转子包括有转子基座及磁钢基板，所述转子基座套接在转轴上，所述磁钢基板均布在所述转子基座上；其有益效果在于：转子铁芯作为磁路通道，不仅可减少漏磁，还可为磁钢基板提供安装基座，且制作成本低；如有需要，也可以采用如多级辐射环这类加工好的永磁环直接套装在小端部上，又或者将磁钢基板直接安装在小端部上已经加工好的定位槽中。

一种行进工具，包括有本体及用于为本体提供行进动力的推进器，所述推进器为权利1～9中任意一种双转子泵喷推进器；其有益效果在于：行进工具包括有飞行器或舰艇等，该双转子泵喷推进器体积小，功率大，推进效率高，尤其可为以水为流通介质的行进工具提供强劲的动力；且该双转子泵喷推进器噪音低，震动小，可为水中行进工具提供舒适的行驶体验；还需要指出的是，该双转子泵喷推进器体积小，安装便捷，在本体内设蓄电池或发电机等电力的设备为其提供电源，在大型船舶中可极大节省机舱的空间，方便进一步优化船型，提高性能。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：1、该双转子泵喷推进器在利用文丘里效应增大了出水口的喷射速度，提高了推进效率的同时，又巧妙利用转轴的结构特征，将电机部分布置在小端部，大大增加了电机的安装空间，提高了推进器的功率；2、该双转子泵喷推进器采用可拆卸的螺旋桨便于制作及维护，节约了制作及保养成本；3、该双转子泵喷推进器双螺旋桨螺旋桨的设计，使得流体在旋转过程中的涡动能量全部转换成了推进动力，提高了推进效率，同时消除了倾倒力矩，保证推进器运行的平稳性；4、采用该推进器的行进工具噪音低、震动小，推进部分占用空间小，且便于本体线型优化。

附图说明

图1为实施例一中所述双转子泵喷推进器的结构示意图；

图2为实施例一中所述转轴的结构示意图；

图3为实施例一中整体轮缘式螺旋桨的结构示意图；

图4为实施例二中所述双转子泵喷推进器的结构示意图；

图5为实施例二中所述转轴的结构示意图；

图6为实施例二中组合轮缘式螺旋桨的结构示意图；

图7为实施例三中所述行进工具的示意图；

图中：1、转轴；1-1、大端部；1-2、渐变部；1-3、小端部；1-4、键槽；1-5、卡槽；1-6、第一台肩；2、电机转子；3、电机定子；4、壳体；5、轴承；6、密封件；7、第一螺旋桨；7-1、凸条；8、卡簧；9、第二螺旋桨；10、连杆；11、前端盖；12、导流罩；13、尾端盖；14、辅助电机定子；15、辅助电机转子；16、电动机；17、第一支撑架；18、第二支撑架；19、密封组件；20、推进器；21、本体；22、内燃机；23、水翼。

具体实施例

下面将结合本发明中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动条件下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

如图1～3所示，一种双转子泵喷推进器，包括有转轴1、壳体4、前端盖11及尾端盖13，所述转轴1呈中空、喇叭状结构，包括有大端部1-11、小端部1-3及连接大端部1-1与小端部1-3之间的渐变部1-2，大端部1-1内腔固定安装有第一螺旋桨7；所述转轴1通过轴承5活动连接在壳体4两侧的端盖中，轴承5侧边设有密封组件19；所述壳体4与转轴1之间固定有第一动力驱动装置，所述第一动力驱动装置包括电机定子3及电机转子2，所述电机转子2固定在转轴1的渐变部1-2上；所述电机定子3固定在壳体上，为所述电机转子2提供轴向的旋转磁场，驱动所述电机转子2带动转轴1旋转；为增大推进器的功率，转轴1的大端部1-1与壳体4之间的空间安装有辅助电机定子14及辅助电机转子15，辅助电机定子14为辅助电机转子15提供径向旋转磁场。

进一步优选地，所述第一螺旋桨7为整体轮缘螺旋桨，与转轴1采用可拆卸地连接方式，所述转轴1大端口内圆上设有半圆形的键槽1-4，所述第一螺旋桨7上设有与键槽1-1相适配凸条7-1；所述转轴1大端口内圆靠近边缘处设有卡槽1-5，所述第一螺旋桨7通过设置在卡槽1-5中的卡簧8固定；所述转轴1大端口外圆上设有用于定位轴承的第一台肩1-6；作为常规设计中的电机组成部分，电机定子包括有定子铁芯及定子绕组，所述定子铁芯固定安装上壳体4中与所述电机转子相对应，缠绕在所述定子铁芯上的定子绕组通电后产生电磁力，驱动电机转子旋转；电机转子还包括有转子基座及磁钢基板，磁钢基板均布在转子基座上，转子基座为磁钢基板提供电磁回路，减少漏磁，所述转子基座套接在转轴1的上；所述第一螺旋桨7后端设有第二螺旋桨9，第二螺旋桨9被容纳在渐变部中，所述第二螺旋桨9由穿过第一螺旋桨7中心的连杆10活动连接在导流罩12上的第二支撑架18中，导流罩12固定安装在壳体4中，所述连杆10连接有第二动力驱动装置，所述第二动力驱动装置为安装在导流罩12前端第一支撑架17中的电动机16。

在运行过程中，流体从大端口进入，经过第一螺旋桨7旋转做功，此时流体除了向后的运动以外，还有一个相对于转轴1中心旋转的运动，这种旋转运动是有害的，使得船体有一个倾倒力矩，而且旋转运动也会消耗电机的一部分功率，所述第二螺旋桨9的叶片与第一螺旋桨7叶片是反向的，处在渐变部中，与第一螺旋桨7反向旋转，一方面可使得流体的旋转运动全部转换成向后的运动，提高了推进效率，同时消除了倾倒力矩，保证推进器运行的平稳性；另一方面，根据流体的文丘里效应，由于有部分压能转化为动能，渐变部中的流体流速会增加，进而促使第二螺旋桨9的反向推力会增加，进一步提高了推进器的推力；需要指出的是，在航速要求不高的情况下，可将其中一个动力驱动装置作为能量收集装置的发电机使用，航行过程中，将流体的动能收集起来，节约能量。

实施例二

如图4～6所示，一种双转子泵喷推进器，包括有转轴1、壳体4、前端盖11及尾端盖13，所述转轴1呈中空、喇叭状结构，包括有大端部1-11、小端部1-3及连接大端部1-1与小端部1-3之间的渐变部1-2，渐变部1-2内腔固定安装有第一螺旋桨7；所述转轴1通过磁力轴承5活动连接在壳体4两侧的端盖中，所述壳体4与转轴1之间固定有第一动力驱动装置，所述第一动力驱动装置包括电机定子3及电机转子2，所述电机转子2固定在转轴1的渐变部1-2上；所述电机定子3固定在壳体上，为所述电机转子2提供轴向的旋转磁场，驱动所述电机转子2带动转轴1旋转，为增大推进器的功率，转轴1的大端部1-1与壳体4之间的空间安装有辅助电机定子14及辅助电机转子15。

进一步优选地，所述第一螺旋桨7为组合式轮缘螺旋桨，与转轴1采用可拆卸地连接方式，所述转轴1渐变部内圆上设有半圆形的键槽1-4，所述第一螺旋桨7上设有与键槽1-1相适配凸条7-1；所述转轴1大端口内圆靠近边缘处设有卡槽1-5，所述第一螺旋桨7通过设置在卡槽1-5中的卡簧8固定；所述转轴1大端口外圆上设有用于定位轴承的第一台肩1-6；作为常规设计中的电机组成部分，电机定子包括有定子铁芯及定子绕组，定子铁芯固定安装上壳体4中与电机转子相对应，缠绕在定子铁芯上的定子绕组通电后产生电磁力，驱动电机转子旋转；所述电机转子包括有转子基座及磁钢基板，磁钢基板均布在转子基座上，转子基座可为磁钢基板提供电磁回路，减少漏磁，所述转子基座套接在转轴小端部上；所述第一螺旋桨7前端设有第二螺旋桨9，所述第二螺旋桨9连杆10活动连接在导流罩12上的第二支撑架18中，导流罩12固定安装在壳体4中，所述连杆10连接有第二动力驱动装置，所述第二动力驱动装置为安装在导流罩12前端第一支撑架17中的电动机16；为增加推进器的使用寿命，可在转子及定子上喷涂防腐涂料；为简化结构，所述前端盖11与导流罩12可一体设计。

在运行过程中，流体从大端口进入，经过第二螺旋桨9旋转做功，此时流体除了向后的运动以外，还有一个相对于转轴1中心旋转的运动，这种旋转运动是有害的，使得船体有一个倾倒力矩，而且旋转运动也会消耗电机的一部分功率，所述第二螺旋桨9的叶片与第一螺旋桨7叶片是反向的，施行对转运动，一方面可使得流体的旋转运动全部转换成向后的运动，提高了推进效率，同时消除了倾倒力矩，保证推进器运行的平稳性；另一方面，根据流体的文丘里效应，由于有部分压能转化为动能，渐变部中的流体流速会增加，进而促使第一螺旋桨7的反向推力会增加，进一步提高了推进器的推力；需要指出的是，在航速要求不高的情况下，可将其中一个动力驱动装置作为能量收集装置的发电机使用，航行过程中，将流体的动能收集起来，节约能量。

实施例三

如图7所示，一种行进工具，包括本体21及任何一种以上实施例中提及的双转子喷泵推进器20，所述双转子喷泵推进器20的第一支撑架17与本体21一体化设计，固定在本体21上，连杆10与本体21内的第二动力驱动装置连接，提供旋转动力，在航行过程为主推进力，所述第二动力驱动装置为内燃机22；为提高潜艇的平衡性，所述双转子喷泵推进器20的壳体4设有水翼23；为进一步降低行驶过程的噪音，所述壳体4上可敷设吸音材料。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种双转子泵喷推进器，包括有转轴、端盖及壳体，其特征在于：所述转轴呈中空、喇叭状结构，通过轴承活动固定在壳体的两侧的端盖中，包括有大端部、小端部及连接大端部与小端部之间的渐变部；大端部或渐变部固定安装有第一螺旋桨；所述转轴与壳体之间的空间固定安装有用于带动转轴旋转的第一动力驱动装置；所述转轴中容纳有第二螺旋桨，处于第一螺旋桨前端或后端；所述第二螺旋桨由连杆活动连接在导流罩上的支撑座中，所述导流罩固定安装在壳体上；所述连杆由第二动力驱动装置带动旋转。

2.根据权利要求1所述的一种双转子泵喷推进器，其特征在于：所述第一螺旋桨与转轴的大端部为可拆卸连接，所述转轴内圆上设有键槽。

3.根据权利要求2所述的一种双转子泵喷推进器，其特征在于：所述转轴内圆设有卡槽，所述第一螺旋桨通过设置在卡槽内的卡簧固定。

4.根据权利要求1所述的一种双转子泵喷推进器，其特征在于：所述壳体上设有水翼。

5.根据权利要求1所述的一种双转子泵喷推进器，其特征在于：所述螺旋桨由若干轮缘桨片拼装组合而成。

6.根据权利要求1所述的一种双转子泵喷推进器，其特征在于：所述第一动力驱动装置为电机定子与电机转子的组合，所述电机定子固定安装在壳体中，所述定子转子固定安装在转轴上。

7.根据权利要求6所述的一种双转子泵喷推进器，其特征在于：所述电机定子包括有定子铁芯及定子绕组，缠绕在所述定子铁芯上的定子绕组通电后产生电磁力，驱动电机转子旋转。

8.根据权利要求6所述的一种双转子泵喷推进器，其特征在于：所述电机转子包括有转子基座及磁钢基板，所述转子基座套接在转轴上，所述磁钢基板均布在所述转子基座上。

9.根据权利要求1所述的一种双转子泵喷推进器，其特征在于：所述第二动力驱动装置为电动机，所述电动机通过导流罩固定安装在壳体上。

10.一种行进工具，其特征在于：包括有本体及用于为本体提供行进动力的推进器，所述推进器为权利1～9中任意一种双转子泵喷推进器。

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