CN116477039A - 无毂式喷水推进结构和航行器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种无毂式喷水推进结构和航行器，属于船用推进器技术领域。该无毂式喷水推进结构包括管状流道和推进组件，推进组件包括永磁定子导管和无毂叶轮，无毂叶轮包括叶轮圏和多个导叶片，多个导叶片沿周向均匀间隔布置于叶轮圏的内圈，无毂叶轮沿叶轮圏的径向向内延伸，永磁定子导管设置于管状流道的中部且两端分别与管状流道同轴连接，永磁定子导管的内径大于管状流道的内径，永磁定子导管的内壁与两端的管状流道端面共同限定出环形安装槽，叶轮圏可转动地安装于环形安装槽中。能够解决传统喷水推进器工作时叶轮表面压力载荷不均和空化剥蚀的问题，提高提高喷水推进结构的使用寿命。

Description

无毂式喷水推进结构和航行器
技术领域
本发明涉及船用推进器技术领域，特别涉及一种无毂式喷水推进结构和航行器。
背景技术
随着电力推进技术的发展，电力推进系统越来越多地应用于船舶等航行器上，特别是喷水推进器具有高航速时效率高的优点。
在相关技术中，常见的喷水推进器包括进口流道、喷水推进泵和喷口，其中进口流道以及设置于流道内部的叶轮壳体、导叶壳体和喷口共同构成了喷水推进器的管路系统。叶轮和导叶位于管路系统中，叶轮高速旋转，将主机功率转换至流体能量，高速水流由喷口喷出。进口流道入流流体与喷口喷出流体之间的动量差，是喷水推进器的推力来源，推动船舶或其他载体在水中前进。
相关技术中的喷水推进器，其用于驱动叶轮转动的轴系通常也设置于进水流道中。水流在由进水流道流入并经过叶轮旋转导向喷出的过程中，在流向上会受到轴系的遮蔽导致叶轮叶片表面出现周期性脉动，脉动压力易诱发叶轮表面产生空化，空化会引起叶轮叶片出现剥蚀进而影响推进器使用寿命。
发明内容
本发明实施例提供了一种无毂式喷水推进结构和航行器，能够解决传统喷水推进器工作时叶轮表面压力载荷不均和空化剥蚀的问题，提高提高喷水推进结构的使用寿命。技术方案如下：
第一方面，本发明实施例提供了一种无毂式喷水推进结构，该无毂式喷水推进结构包括：管状流道和推进组件，
所述推进组件包括永磁定子导管和无毂叶轮，所述无毂叶轮包括叶轮圏和多个导叶片，所述多个导叶片沿周向均匀间隔布置于所述叶轮圏的内圈，所述无毂叶轮沿所述叶轮圏的径向向内延伸，所述永磁定子导管设置于所述管状流道的中部且两端分别与所述管状流道同轴连接，所述永磁定子导管的内径大于所述管状流道的内径，所述永磁定子导管的内壁与两端的所述管状流道端面共同限定出环形安装槽，所述叶轮圏可转动地安装于所述环形安装槽中。
可选地，所述无毂式喷水推进结构包括两个所述推进组件，两个所述推进组件沿所述管状流道的延伸方向间隔布置。
可选地，两个所述推进组件中所述导叶片的旋向相反。
可选地，所述无毂式喷水推进结构还包括多个整流片，所述多个整流片沿周向均匀间隔布置于所述管状流道的出水口处。
可选地，所述整流片的数量与所述叶轮圏中所述导叶片的数量呈奇偶匹配。
可选地，所述无毂式喷水推进结构还包括水润滑轴承，所述水润滑轴承设置于所述叶轮圏和所述永磁定子导管之间。
可选地，所述水润滑轴承与所述叶轮圏在径向上的间隙范围为2至4mm。
可选地，所述管状流道的出水口直径小于所述管状流道的入水口直径。
可选地，所述叶轮圏和所述导叶片为铜锌锡合金材质件。
第二方面，本发明实施例提供了一种航行器，包括前述第一方面所述的无毂式喷水推进结构，其特征在于，所述航行器还包括船体，所述管状流道的入水口位于所述船体的底部，所述管状流道的出水口位于所述船体的尾部。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括：
该无毂式喷水推进结构通常设置于船舶、潜艇等航行器上。其驱动方式为输入电力驱动，通过永磁定子导管通电后，带动设置于内部的无毂叶轮在环形安装槽中旋转。叶轮圏内部的导叶片旋转形成抽吸力，使船底的水流收抽吸作用由管状流道的入水口进入，经由无毂叶轮加压后由管状流道的出水口加速喷出，这部分喷出水流的放作用力既形成对航行器的推力，推动航行器前进。相比相关技术中通过轮毂轴系驱动导叶片转动实现水流推动的方式，采用本发明实施例所提供的无毂式喷水推进结构实现了喷水推进器的流道内无轴化设置。采用由叶轮圏和多个导叶片组成的无毂叶轮在永磁定子导管的驱动下对水流进行过流驱动，管状流道内无轮毂轴系遮蔽，避免了导叶片在转动过程中表面载荷出现周期性脉动，以及因叶梢与轮毂轴系之间因异物堵塞所产生的水流流动不均，造成的结构振动与噪声问题。能够有效解决传统喷水推进器工作时叶轮表面压力载荷不均和空化剥蚀的问题，提高提高喷水推进结构的使用寿命。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种无毂式喷水推进结构的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的另一种无毂式喷水推进结构的结构示意图；
图3是如图2中A-A处的剖视结构示意图；
图4是如图2中B-B处的剖视结构示意图。
图中：
1-管状流道；1a-出水口；1b-入水口；2-推进组件；2a-环形安装槽；3-水润滑轴承；4-船体；21-永磁定子导管；22-无毂叶轮；23-整流片；221-叶轮圏；222-导叶片。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
在相关技术中，常见的喷水推进器包括进口流道、喷水推进泵和喷口，其中进口流道以及设置于流道内部的叶轮壳体、导叶壳体和喷口共同构成了喷水推进器的管路系统。叶轮和导叶位于管路系统中，叶轮高速旋转，将主机功率转换至流体能量，高速水流由喷口喷出。进口流道入流流体与喷口喷出流体之间的动量差，是喷水推进器的推力来源，推动船舶或其他载体在水中前进。
相关技术中的喷水推进器，其用于驱动叶轮转动的轴系通常也设置于进水流道中。水流在由进水流道流入并经过叶轮旋转导向喷出的过程中，在流向上会受到轴系的遮蔽导致叶轮叶片表面出现周期性脉动，脉动压力易诱发叶轮表面产生空化，空化会引起叶轮叶片出现剥蚀进而影响推进器使用寿命。
图1是本发明实施例提供的一种无毂式喷水推进结构的结构示意图。图2是本发明实施例提供的另一种无毂式喷水推进结构的结构示意图。图3是如图2中A-A处的剖视结构示意图。图4是如图2中B-B处的剖视结构示意图。如图1至图4所示，通过实践，本发明实施例提供了一种无毂式喷水推进结构，包括管状流道1和推进组件2。
其中，推进组件2包括永磁定子导管21和无毂叶轮22。无毂叶轮22包括叶轮圏221和多个导叶片222，多个导叶片222沿周向均匀间隔布置于叶轮圏221的内圈，无毂叶轮22沿叶轮圏221的径向向内延伸。永磁定子导管21设置于管状流道1的中部且两端分别与管状流道1同轴连接，永磁定子导管21的内径大于管状流道1的内径，永磁定子导管21的内壁与两端的管状流道1端面共同限定出环形安装槽2a。叶轮圏221可转动地安装于环形安装槽2a中。
在本发明实施例中，该无毂式喷水推进结构通常设置于船舶、潜艇等航行器上。其驱动方式为输入电力驱动，通过永磁定子导管21通电后，带动设置于内部的无毂叶轮22在环形安装槽2a中旋转。叶轮圏221内部的导叶片222旋转形成抽吸力，使船底的水流收抽吸作用由管状流道1的入水口1b进入，经由无毂叶轮22加压后由管状流道1的出水口1a加速喷出，这部分喷出水流的放作用力既形成对航行器的推力，推动航行器前进。相比相关技术中通过轮毂轴系驱动导叶片转动实现水流推动的方式，采用本发明实施例所提供的无毂式喷水推进结构实现了喷水推进器的流道内无轴化设置。采用由叶轮圏221和多个导叶片222组成的无毂叶轮22在永磁定子导管21的驱动下对水流进行过流驱动，管状流道1内无轮毂轴系遮蔽，避免了导叶片222在转动过程中表面载荷出现周期性脉动，以及因叶梢与轮毂轴系之间因异物堵塞所产生的水流流动不均，造成的结构振动与噪声问题。能够有效解决传统喷水推进器工作时叶轮表面压力载荷不均和空化剥蚀的问题，提高喷水推进结构的使用寿命。
可选地，无毂式喷水推进结构包括两个推进组件2，两个推进组件2沿管状流道1的延伸方向间隔布置。示例性地，在本发明实施例中，通过在管状流道1的延伸方向上设置多级推进组件2，可以根据航行器的实际动力需求提高推进组件2的数量，以提高经由管状流道1的出水口1a喷出的水流动力。
可选地，两个推进组件2中导叶片222的旋向相反。示例性地，在本发明实施例中，通过设置两组导叶片222的旋转方向相反的推进组件2，当水流经过第一组推进组件2中的无毂叶轮22后，经过一级叶轮水流能量增加，低能量流体所形成的空化空泡或者空穴会在第一级无毂叶轮22之后和第二级无毂叶轮22之前溃灭，因此空化过程不会对过流部件造成空化破坏，空化噪声被限制在两级无毂叶轮22和管状流道1之间，同时一级无毂叶轮22获得推力。能量略有增加的水流随后进入第二级无毂叶轮22，被无毂叶轮22加压后经由管状流道1的出水口1a喷出。两个无毂叶轮22上的推力组合在一起形成本发明实施例的总推力。由于两个无毂叶轮22上导叶片222转向相反、转速相同，因此所形成的轴向旋涡相互抵消，从而能够进一步降低了推进结构以及相应航行器的振动，提高实用性。
可选地，无毂式喷水推进结构还包括多个整流片23，多个整流片23沿周向均匀间隔布置于管状流道1的出水口1a处。示例性地，在本发明实施例中，通过在管状流道1的出水口1a处环向设置一圈整流片23，经过多级无毂叶轮22加压后的水流能够在整流片23的蒸馏作用下沿预设的流向喷出，回收环向速度，进而提高推进效率，减少涡流造成的振动和噪音。
可选地，整流片23的数量与叶轮圏221中导叶片222的数量呈奇偶匹配。示例性地，在本发明实施例的一种实施方式中，当管状流道1中仅设置有单级推进组件2时，叶轮圏221内导叶片222的数量为5片，整流片23的数量为12片；当管状流道1中设置有两级推进组件2时，叶轮圏221内导叶片222的数量均为6片，而整流片23的数量为11片。通过将整流片23的数量与叶轮圏221中导叶片222的数量呈奇偶匹配，可以进一步规避水流在经过管状流道1加压过程中存在的流致共振问题，进一步降低结构振动和噪音水平，提高实用性。
可选地，无毂式喷水推进结构还包括水润滑轴承3，水润滑轴承3设置于叶轮圏221和永磁定子导管21之间。示例性地，在本发明实施例中，通过在永磁定子导管21和叶轮圏221之间形成的装配间隙中设置水润滑轴承3，在通过水润滑轴承3负载无毂叶轮22在旋转时产生的轴向载荷的同时，可以在叶轮圏221和永磁定子导管21之间起到润滑作用，减少磨损，提高无毂式喷水推进结构的整体使用寿命。
可选地，水润滑轴承3与叶轮圏221在径向上的间隙范围为2至4mm。
可选地，管状流道1的出水口1a直径小于管状流道1的入水口1b直径。示例性地，在本发明实施例中，在管状流道1的延伸方向，位于推进组件2后段与出水口1a之间的管状流道1整体呈收缩型，特别是在整流片23的后段直径逐渐收缩，使水流进一步加速增压后从出水口1a中加速喷出，提高推进效果。
可选地，叶轮圏221和导叶片222为铜锌锡合金材质件。示例性地，在本发明实施例中，采用铜锌锡合金材质的叶轮圏221和导叶片222，机械强度高，相比钢材具有更好的加工塑性，特别是在海水的高盐环境下有很好的耐腐蚀作用，可以有效提高无毂式喷水推进结构的使用寿命。
本发明实施例还提供了一种航行器，包括如图1至图2中所述的无毂式喷水推进结构，该航行器还包括船体4，管状流道1的入水口1b位于船体4的底部，管状流道1的出水口1a位于船体4的尾部。在本发明实施例中，管状流道1以及对应的推进组件2整体集成于船体4内部，一体性强，能够有效减少航行阻力。并且采用本发明实施例所提供的喷水推进结构，采用由叶轮圏221和多个导叶片222组成的无毂叶轮22在永磁定子导管21的驱动下对水流进行过流驱动，管状流道1内无轮毂轴系遮蔽，避免了导叶片222在转动过程中表面载荷出现周期性脉动，以及因叶梢与轮毂轴系之间因异物堵塞所产生的水流流动不均，造成的结构振动与噪声问题。能够有效解决传统喷水推进器工作时叶轮表面压力载荷不均和空化剥蚀的问题，提高喷水推进结构的使用寿命。
除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件极其等同，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则所述相对位置关系也可能相应地改变。
以上所述仅为本发明的可选实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种无毂式喷水推进结构，其特征在于，包括：管状流道（1）和推进组件（2），
所述推进组件（2）包括永磁定子导管（21）和无毂叶轮（22），所述无毂叶轮（22）包括叶轮圏（221）和多个导叶片（222），所述多个导叶片（222）沿周向均匀间隔布置于所述叶轮圏（221）的内圈，所述无毂叶轮（22）沿所述叶轮圏（221）的径向向内延伸，所述永磁定子导管（21）设置于所述管状流道（1）的中部且两端分别与所述管状流道（1）同轴连接，所述永磁定子导管（21）的内径大于所述管状流道（1）的内径，所述永磁定子导管（21）的内壁与两端的所述管状流道（1）端面共同限定出环形安装槽（2a），所述叶轮圏（221）可转动地安装于所述环形安装槽（2a）中。
2.根据权利要求1所述的无毂式喷水推进结构，其特征在于，所述无毂式喷水推进结构包括两个所述推进组件（2），两个所述推进组件（2）沿所述管状流道（1）的延伸方向间隔布置。
3.根据权利要求2所述的无毂式喷水推进结构，其特征在于，两个所述推进组件（2）中所述导叶片（222）的旋向相反。
4.根据权利要求2所述的无毂式喷水推进结构，其特征在于，所述无毂式喷水推进结构还包括多个整流片（23），所述多个整流片（23）沿周向均匀间隔布置于所述管状流道（1）的出水口（1a）处。
5.根据权利要求4所述的无毂式喷水推进结构，其特征在于，所述整流片（23）的数量与所述叶轮圏（221）中所述导叶片（222）的数量呈奇偶匹配。
6.根据权利要求1所述的无毂式喷水推进结构，其特征在于，所述无毂式喷水推进结构还包括水润滑轴承（3），所述水润滑轴承（3）设置于所述叶轮圏（221）和所述永磁定子导管（21）之间。
7.根据权利要求6所述的无毂式喷水推进结构，其特征在于，所述水润滑轴承（3）与所述叶轮圏（221）在径向上的间隙范围为2至4mm。
8.根据权利要求1至7任一项所述的无毂式喷水推进结构，其特征在于，所述管状流道（1）的出水口（1a）直径小于所述管状流道（1）的入水口（1b）直径。
9.根据权利要求1至7任一项的无毂式喷水推进结构，其特征在于，所述叶轮圏（221）和所述导叶片（222）为铜锌锡合金材质件。
10.一种航行器，包括如权利要求1至9任一项所述的无毂式喷水推进结构，其特征在于，所述航行器还包括船体（4），所述管状流道（1）的入水口（1b）位于所述船体（4）的底部，所述管状流道（1）的出水口（1a）位于所述船体（4）的尾部。
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