CN112874747A - 一种轮缘泵喷推进器及采用该推进器的行进工具 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轮缘泵喷推进器，包括有转轴、壳体、定子及转子，所述转轴呈中空、喇叭状结构，通过轴承活动安装在壳体的两侧的端盖中；所述转轴包括有大端部、小端部及连接大端部与小端部的渐变部；所述大端部内腔固定安装有螺旋桨，所述渐变部外环上固定安装有转子；所述定子固定安装在壳体上，与所述转子相对应。本发明结合其管道与螺旋桨的结构特点，并充分利用文丘里效应，突破常规设计，合理布局，极好地解决了轮缘泵喷推进器中大功率的定、转子与有限的安装空间之间的矛盾及管道中涡动能量的利用问题，在保证轮缘泵喷推进器小体积的同时，大大提高了其推进功率及推进效率。

Description

一种轮缘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，尤其涉及一种大功率、高效率、运行平稳的轮缘泵喷推进器及一种采用该种推进器的行进工具。

背景技术

近年来，随着海工及水上娱乐事业的发展，对推进器性能的要求也越来越高，传统的轴驱式推进器的劣势逐渐凸显，已经无法更好地满足工作要求。例如传统轴驱式推进器部件多、结构复杂、船舱占用空间大、能量损耗大，振动和噪声控制困难、建造和维护成本高等，这些缺陷导致人们逐渐将目光转向更加先进的无轴轮缘推进系统。

无轴轮缘推进器分为无毂和有毂两种形式，目前为减小阻力和解决杂物或线缆缠绕的问题，多采用无毂的形式，该种推进器主要包括有电机的定子和转子，转子呈圆柱形，螺旋桨桨叶内置在转子中，转子中的磁极均布在螺旋桨的径向圆周，定子则是直接置于螺旋桨外圈，与磁极相对应，通电后驱动转子带动螺旋桨旋转，这种推进器从结构上不难发现，其定子、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，又进一步限制了电机部分的安装空间，推进器功率也受到极大的制约，成为限制无轴轮缘推进系统大功率化的关键技术瓶颈之一；而在单螺旋桨推进系统中，螺旋桨尾流中的涡动能量没能被很好地利用，无法转化为有效的推进动力，同时还产生了倾倒力矩，影响推进器的平稳性。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种结合其管道与螺旋桨的特点，并利用文丘里效应而设计的大功率、高效率、运行平稳的轮缘泵喷推进器。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种轮缘泵喷推进器，包括有转轴、壳体、定子及转子，所述转轴呈中空、喇叭状结构，通过轴承活动安装在壳体的两侧的端盖中；所述转轴包括有大端部、小端部及连接大端部与小端部的渐变部；所述大端部内腔固定安装有螺旋桨，所述渐变部外环上固定安装有转子；所述定子固定安装在壳体上，与所述转子相对应；其有益效果在于: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，经过渐变部，速度因为涌流截面积变化地关系而上升，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。该轮缘泵喷推进器突破常规设计，合理布局，极好地解决了轮缘泵喷推进器中大功率定、转子与狭小的安装空间之间的矛盾，在保证轮缘泵喷推进器小体积的同时，大大提高了其推进功率及推进效率；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。

优选地，所述螺旋桨与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。

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中与所述转子相对应，缠绕在所述定子铁芯上的定子绕组通电后产生电磁力，驱动转子旋转；其有益效果在于：铁芯加绕组的方式作为定子设计，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，所述转子包括有转子铁芯及磁钢基板，所述转子铁芯套接在转轴小端部上，所述磁钢基板均布在所述转子铁芯上；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。

优选地，所述螺旋桨后端设有整流片，所述整流片通过贯穿螺旋桨中心通道的连杆固定在导流罩上，所述导流罩固定安装在壳体上；其有益效果在于：经过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。所述整流片结合螺旋桨的结构特征，巧妙地在旋转运动状态下的螺旋桨与转轴之间布置，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。

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中任意一种轮缘泵喷推进器；其有益效果在于：行进工具包括有飞行器或水面舰艇等，该轮缘泵喷推进器体积小，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；且该轮缘泵喷推进器噪音低，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，该轮缘泵喷推进器体积小，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、该轮缘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、该轮缘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、该轮缘泵喷推进器结合螺旋桨的结构特征，巧妙地在螺旋桨与转轴之间布置了整流片，整流片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为实施例一中所述轮缘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为实施例一中所述组合轮缘式螺旋桨的结构示意图；

图5为实施例一中所述整流片的结构示意图；

图6为实施例一中所述导流罩的结构示意图；

图7为实施例二中所述轮缘泵喷推进器的结构示意图；

图8为实施例三中所述轮缘泵喷推进器的结构示意图；

图9为实施例四中所述水上行进工具侧面的示意图；

图10为实施例四中所述水上行进工具尾部的示意图；

图中：1、转轴；1-1、大端部；1-11、键槽；1-12、卡槽；1-13、第一台肩；1-2、渐变部；1-3、小端部；1-31、第二台肩；2、转子；3、定子；3-1、定位垫片；3-2、定位杆；4、壳体；5、轴承；6、密封件；7、螺旋桨；7-1、凸条；8、卡簧；9、整流片；10、连杆；11、前端盖；12、导流罩；13、尾端盖；14、辅助定子；15、辅助转子；16、本体；17、推进器。

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1～6所示，一种轮缘泵喷推进器，包括有转轴1、壳体4、定子3及转子2，所述转轴1呈中空、喇叭状结构，包括有大端部1-1、小端部1-3及大端部1-1与小端部1-3之间过渡的渐变部1-2；所述大端部1-1用于固定安装螺旋桨7，所述渐变部1-2用于固定安装转子2；所述转轴1通过密封轴承5、前端盖11及尾端盖13活动安装在壳体4中；所述定子3为所述转子2提供轴向的旋转磁场，驱动所述转子2带动转轴1旋转。

进一步优选地，所述螺旋桨7为整体轮缘式，与大端部1-1采用可拆卸地连接方式，所述大端部1-1内圆上设有半圆形的键槽1-11，所述螺旋桨7上设有与大端部键槽1-11相适配凸条7-1；所述大端部1-1内圆靠近边缘处设有卡槽1-12，所述螺旋桨7通过设置在卡槽1-12中的卡簧8固定；所述大端部1-1外圆上设有用于定位轴承的第一台肩1-13；所述小端部1-3靠近前方设有用于定位转子2的第二台肩1-31；作为常规设计中的电机组成部分，所述定子3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中与所述转子2相对应，缠绕在所述定子铁芯上的定子绕组通电后产生径向的电磁力，驱动转子2旋转；所述转子2还包括有转子铁芯，转子铁芯呈圆柱环状，磁钢基板均布在所述转子铁芯外环上，转子铁芯为磁钢基板提供电磁回路，减少漏磁，所述转子铁芯套接在转轴小端部1-3上；所述螺旋桨7后端设有整流片9，所述整流片9由穿过螺旋桨7中心通道的连杆10固定在导流罩12中，所述导流罩12固定安装在壳体4中，整流片9与连杆10可一体化设计加工；为增加推进器的使用寿命，可在转子2及定子3上喷涂防腐涂料。

在运行过程中，流体从大端部1-1进入，经过螺旋桨7，此时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，所述整流片9叶片与螺旋桨叶片是反向的，处在渐变部1-2中，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，进而促使整流片的反向推力会增加，进一步提高了推进器的推力；特别需要指出的是，呈喇叭状结构的转轴1，渐变后的小端部1-3进一步提高了电机的安装空间，可将电机部分布置在小端部1-3，众所周知，电机的功率与电机的体积有很大的关系，电机体积越大时，所能提供的功率也就越大，大大提高了其推进功率。

实施例二

如图7所示，一种轮缘泵喷推进器，包括有转轴1、壳体4、定子3及转子2，所述转轴1呈中空、喇叭状结构，包括有大端部1-1、小端部1-3及大端部1-1与小端部1-3之间过渡的渐变部1-2；所述大端部1-1用于固定安装螺旋桨7，所述渐变部1-2用于固定安装转子2；所述转轴1通过轴承5、前端盖11及尾端盖13活动安装在壳体4中；所述定子3为所述转子2提供轴向的旋转磁场，驱动所述转子2带动转轴1旋转。

优选地，所述螺旋桨7为组合轮缘式，与大端部1-1采用可拆卸地连接方式，所述大端部1-1内圆上设有半圆形的键槽1-11，所述螺旋桨7上设有与大端部键槽1-11相适配凸条7-1；所述大端部7内圆靠近边缘处设有卡槽1-12，所述螺旋桨7通过设置在卡槽1-12中的卡簧8固定；渐变部1-2上设有散热槽1-21；作为常规设计中的电机组成部分，所述定子3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中与所述转子2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，驱动转子2旋转；所述转子2还包括有转子铁芯，转子铁芯呈圆柱环状，磁钢基板均布在所述转子铁芯外环上，所述转子铁芯套接在转轴小端部1-3上；所述螺旋桨7后端设有整流片9，整流片9被容纳在渐变部1-2中，所述整流片9由穿过螺旋桨7中心通道的连杆10固定在导流罩12中，所述导流罩12固定安装在壳体4中，整流片9与连杆10可一体化设计加工；为增加推进器的使用寿命，在进口端及出口端可加装密封件6。

在运行过程中，流体从大端部1-1进入，经过螺旋桨7，此时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，所述整流片叶片与螺旋桨叶片是反向的，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；整流后的流体经过渐变部1-2，速度因为涌流截面积变化地关系而上升，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1-3高速喷出，充分利用了文丘里效应增大了流体在出水口的喷出速度，进一步提高了推进效率，特别需要指出的是，呈喇叭状结构的转轴1，渐变后的小端部1-3进一步提高了电机的安装空间，可将电机部分布置在小端部1-3，众所周知，电机的功率与电机的体积有很大的关系，电机体积越大时，所能提供的功率也就越大，大大提高了其推进功率。

实施例三

如图8所示，一种轮缘泵喷推进器，包括有转轴1、壳体4、定子3及转子2，所述转轴1呈中空、喇叭状结构，包括有大端部1-1、小端部1-3及大端部1-1与小端部1-3之间过渡的渐变部1-2；所述大端部1-1用于固定安装螺旋桨7，所述渐变部1-2用于固定安装转子2；所述转轴1通过磁力轴承5、前端盖11及尾端盖13活动安装在壳体4中；所述定子3为所述转子2提供轴向的旋转磁场，驱动所述转子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定子14及辅助转子15，所述辅助转子15固定在转轴1的大端部1-1外环上，辅助定子14固定在壳体4上，辅助定子14为辅助转子15提供径向旋转磁场。

优选地，所述螺旋桨7与大端部1-1采用可拆卸地连接方式，大端部1-1内圆上设有半圆形的键槽1-11，所述螺旋桨7上设有与大端部键槽1-11相适配凸条7-1；所述大端部7内圆靠近边缘处设有卡槽1-12，所述螺旋桨7通过设置在卡槽1-12中的卡簧8固定；作为常规设计中的电机组成部分，所述定子3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中与所述转子2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，驱动转子2旋转；所述转子2还包括有转子铁芯，转子铁芯呈圆柱环状，磁钢基板均布在所述转子铁芯外环上，所述转子铁芯套接在转轴小端部1-3上；所述螺旋桨7后端设有整流片9，整流片9被容纳在渐变部1-2中，所述整流片9由穿过螺旋桨7中心通道的连杆10固定在导流罩12中，所述导流罩12固定安装在壳体4中，整流片9与连杆10可一体化设计加工；为增加推进器的使用寿命，可在转子2及定子3上喷涂防腐涂料。

在运行过程中，流体从大端部1-1进入，经过螺旋桨7，此时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，所述整流片9叶片与螺旋桨叶片是反向的，且延申至渐变部1-2，一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，进而促使整流片的反向推力会增加，进一步提高了推进器的推力；特别需要指出的是，呈喇叭状结构的转轴1，渐变后的小端部1-3进一步提高了电机的安装空间，可将电机部分布置在小端部1-3，众所周知，电机的功率与电机的体积有很大的关系，电机体积越大时，所能提供的功率也就越大，大大提高了其推进功率。

实施例四

如图9～10所示，一种水中行进工具，包括本体16及用于为本体16提供行进动力的推进器17，所述本体16尾部横截面呈“W”型，“W”型横截面一直延续到靠近本体16首部的位置，在本体16中部纵向上形成直通型的流道；所述推进器17为上述轮缘泵喷推进器中任意一种，安装在本体16船尾流道中，其有效减少了传统推进系统占用的本体16内部舱位空间，提高了空间利用率；所述本体16内还置有蓄电池或发电机等提供电力的设备及轮缘泵喷推进器电机部分的驱动及控制器。本体16在水中行进时，水可从船首流道中直接进入轮缘泵喷推进器中，避免了传统轮缘泵喷推进器中底部吸水所需损耗的额外功，提高了功率的利用率，将更多的功率转化成推力。

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 (8)

1.一种轮缘泵喷推进器，包括有转轴、壳体、定子及转子，其特征在于：所述转轴呈中空、喇叭状结构，通过轴承活动安装在壳体的两侧的端盖中；所述转轴包括有大端部、小端部及连接大端部与小端部的渐变部；所述大端部内腔固定安装有螺旋桨，所述渐变部外环上固定安装有转子；所述定子固定安装在壳体上，与所述转子相对应。

2.根据权利要求1所述的一种轮缘泵喷推进器，其特征在于：所述螺旋桨与大端部为可拆卸连接，所述大端部内圆上设有键槽。

3.根据权利要求2所述的一种轮缘泵喷推进器，其特征在于：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。

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

5.根据权利要求1所述的一种轮缘泵喷推进器，其特征在于：所述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，驱动转子旋转。

6.根据权利要求1所述的一种轮缘泵喷推进器，其特征在于：所述转子包括有转子铁芯及磁钢基板，所述转子铁芯套接在转轴渐变部上，所述磁钢基板均布在所述转子铁芯上。

7.根据权利要求1所述的一种轮缘泵喷推进器，其特征在于：所述螺旋桨后端设有整流片，所述整流片通过贯穿螺旋桨中心通道的连杆固定在导流罩上，所述导流罩固定安装在壳体上。

8.一种行进工具，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1～7中任意一种轮缘泵喷推进器。

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