一种大推力轮缘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，尤其涉及一种密封性能好、推力大、高效率且运行平稳的轮缘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，对推进器的性能要求也越来越高，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。

轮缘驱动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。该种轮缘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，但这种轮缘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，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，因此推进器功率也受到极大的限制，成为限制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利用的，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；再加上轴承作为支撑转轴的主要部件，既提供了极强的载荷能力，又保证了转轴的回转精度，但在水下运转时，为阻止水和其他杂质进入轴承及电机内部，并防止润滑剂流失，轴承一般采用接触式密封，该种密封方式摩擦系数大，导致额外损耗的功比较高，且产生的大量的热量，极其影响电动机的转化效率。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种密封性能好，且结合了其管道及螺旋桨的特点，并利用文丘里效应而设计的大功率、高效率、运行平稳的轮缘推进器。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种大推力轮缘推进器，包括有转轴、壳体、电机定子及电机转子，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；所述轴承侧边设有密封组件，密封组件包括有凹极和凸极；所述凹极或凸极其中之一固定在旋转的转轴上；凹极外侧设有永磁体，内侧设有“U”或“V”型凹槽；凸极顶部置于凹槽内，并与凹槽之间形成“U”或“V”型间隙；间隙内填充磁流体；磁流体在永磁体内侧磁极提供的磁场作用下积聚在凹槽底部，并利用流体在U型管中静压平衡的原理，在凸极与凹极之间形成“U”或“V”型的密封带；所述转轴的大端部内环固定安装有螺旋桨，小端部外环固定安装有电机转子；所述电机定子固定安装在壳体上，与所述电机转子相对应；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：所述凸极及凹极的结构形式共同营造了一个截面呈“U”型的间隙，磁流体被填充在其中；永磁体内侧磁极近距离地对磁流体提供一个径向的磁场，使磁流体两端均产生一个径向外移动的势能，进而促使磁流体积聚在凹槽底部形成密封带，实现流体在U型管中的静压平衡，当磁流体两端存在压差的情况下，密封带整体偏移达到新的平衡，密封面不会被破坏，密封效果不受影响；当处于旋转状态下的凸极或凹极带动磁流体旋转时，会使磁流体产生离心力，离心力的方向亦是径向朝外，磁流体在磁力及离心力的同向叠加作用下增强向凹极底部积聚的势，根据流体在U型管中静压平衡的原理，磁流体两端压差为零时，两端液面高度差为零，当压差不为零时，磁流体在间隙中会整体发生偏移使两端形成液面高度差，以此平衡压差，转速越高，离心力越大，极小的液面高度差就能抵抗极强地外部压差，既能保证极好的动密封效果，还不用担心高速状态下，磁流体因离心力的影响而导致密封厚度拉伸变薄被击穿而导致密封失效的问题，特别是转速越高时，离心力越大，抵抗外部压差的能力越强，适合外界压差随转速增加而增大的工况，自我调节能力强；若轴承外环与内环间距足够大，为简化结构，所述的密封组件可直接集成在轴承的外环与内环之间，组合成密封轴承使用；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。该轮缘推进器突破常规设计，合理布局，极好地解决了轮缘推进器中大功率定、转子与狭小的安装空间之间的矛盾，在保证轮缘推进器小体积的同时，大大提高了其推进功率及推进效率；由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中空的结构特征，巧妙地在螺旋桨后端与转轴之间布置，使得流体的旋转动能转换为向后运动的动能，进一步增大了推进器的推进动力力，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。

优选地，所述导流罩与端盖的接触端端面上设有泄压槽；其有益效果在于：在推进器在行进过程中，由于前端的水流冲击，会使推进器端头的水压增大，对密封组件产生强大的冲击，特别是在高速行进时，而所述泄压槽作为一个开口回路，能将推进器行进过程中端头的水冲压引流至外部，进而减轻密封组件的压力，保证推进器良好的密封性能，且泄压槽中的水流还能带走一部热量，提高推进器的散热效果。

优选地，所述整流片与连杆一体化加工；其有益效果在于：简化生产加工流程，可采用浇铸的方式制作。

优选地，所述转轴上设有散热结构；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，所述间隙中设有用于增大与磁流体接触面积的载液条，所述载液条固定在旋转部件上；其有益效果在于：载液条作为凹极或凸极的延申部，间接地增大了凹极或凸极与磁流体的表面接触面积，增强了凹极或凸极带动磁流体旋转的能力，使得磁流体获得更多的能量旋转，产生更大的离心力；所述载液条可由呈海绵结构的材料制作而成，如高密海绵，主要特征为柔性、多孔，流体可以自由穿梭在其孔隙中而不影响自身的流动性，进而不影响流体的密封效果，更加重要的是其海绵结构纵横交错，大大增大了旋转部件带动磁流体旋转的能力；在一般情况下，若为节约成本，所述载液条可用絮状纤维或者羽绒代替。

优选地，所述凸极通过支撑环固定在外环上，凹极与永磁体连为一体通过旋转环固定在内环上；其有益效果在于：永磁体与凹极连为一体更进一步地拉近了磁极与磁流体的距离，使磁流体可获得更大的磁力，产生更强的密封性能；将凹极固定在旋转部件上，一方面在于，磁流体在磁场的作用下向凹槽底积聚，磁流体中的磁性微粒在磁场的作用下呈现不均匀的分布，越靠近磁极的部位磁性微粒浓度越稠密，进而导致越靠经磁极的部位，磁流体的黏度越大，相较于凸极，凹极旋转带动磁流体获得离心力的能力更强，使得动密封状态下密封性能更强，且由于靠经凸极的磁流体黏度小，旋转时磁流体与凸极之间的摩擦力小，运转时产生的热量也相对较小；另一方面在于，密封结构上，凹极处在凸极的外圈，凹极与磁流体的表面接触面积大于凸极与磁流体的接触面积，产生的静摩擦力大，传递的能量多，带动磁流体旋转的能力优于凸极，且在旋转时，处于外圈的凹极线速度大于处于内圈的凸极，所产生的离心力更大，更有利于抵抗外界压差；所述凹极优选地采用柔性材料制作，如可塑性强的高弹性聚合物，更具体地如聚四氟乙烯，既耐高温又耐低温，而凹极由柔性材料制作时，所述环状永磁体可作为支架为凹极提供强有力的支撑，保证其在高速运转时不发生变形，进而保证了密封效果，减少零部件的个数；特别需要指出的是，由于永磁体的磁极分别处在在内外侧，内侧磁极为磁流体提供磁场，而外侧磁极也可以提供磁场，若永磁体外侧空间形成有“U”型间隙，可填充磁性润滑脂这种黏度大、成本低的非牛顿磁流体，在离心力的作用下，形成一道辅助密封带。

优选地，所述密封组件外侧设有甩泥环，所述甩泥环固定在转轴上；其有益效果在于：高速旋转的甩泥环可以将水中的泥沙等大颗粒杂质利用离心力的作用甩出，避免杂质进入流体密封带中，影响密封性能。

优选地，所述壳体上设有导流水翼；其有益效果在于：增大推进器与水流的接触面积，进而增加推进的散热效果，并保证推进器的运行平稳性。

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；5、密封组件采用磁流体密封，密封性能好，摩擦系数低，适应能力强。

附图说明

图1为实施例一中所述大推力轮缘推进器的内部结构示意图；

图2为实施例一中所述大推力轮缘推进器的外部结构示意图；

图3为实施例一中所述密封组件的结构示意图；

图4为实施例一中所述密封组件存在压差情况下的平衡状态示意图；

图5为实施例一中所述整体式轮缘式螺旋桨的结构示意图；

图6为实施例一中所述组式合轮缘式螺旋桨的结构示意图；

图7为实施例一中所述整流片的结构示意图；

图8为实施例一中所述导流罩的结构示意图；

图9为实施例二中所述水上行进工具侧面的示意图；

图10为实施例二中所述水上行进工具尾部的示意图；

图中：1、转轴；2、电机转子；3、电机定子；4、壳体；5、轴承；6、密封组件；6-1、凸极；6-2、磁流体；6-3、凹极；6-4、永磁体；6-5、旋转环；6-6、载液条；6-7、支撑环；7、螺旋桨；7-1、凸条；8、卡簧；9、整流片；10、连杆；11、导流罩；12、前端盖；13、尾端盖；14、轴套；15、泄压槽；16、甩泥环；17、导流水翼；18、推进器；19、本体。

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1～8所示，一种大推力轮缘推进器，包括有转轴1、壳体4、电机定子3及电机转子2，所述转轴1呈中空、喇叭状结构，所述转轴1的大端部用于固定安装螺旋桨7，所述小端部用于固定安装电机转子2；所述转轴1通过轴承5、前端盖12、轴套14及尾端盖13活动安装在壳体4中；所述电机定子3为所述电机转子2提供旋转磁场，驱动所述转子2带动转轴1旋转；所述密封组件6包括凹极6-3和凸极6-1，所述凹极6-3外侧设有永磁体6-4，凹极6-3与永磁体6-4连为一体通过旋转环6-5固定在转轴1上，所述凹极6-3上设有“U”型凹槽，所述凹极6-1由柔性材料浇筑而成，如硅胶、聚四氟乙烯等；所述凸极6-1通过支撑环6-7固定在端盖上，顶部置于凹槽内，并与凹槽之间形成有“U”型间隙；所述间隙内填充磁流体6-2；所述永磁体6-4为环形永磁体，采用辐射方式充磁，为单极辐射环；所述磁流体6-2在凹极6-3外侧永磁体6-4提供的径向磁场作用下克服重力向槽底积聚，并利用流体在U型管中静压平衡的原理，在凸极6-1与凹极6-3之间形成“U”型的密封带；为增大凹极6-3带动磁流体6-2旋转的能力，在凹极6-3上粘结有载液条6-6，所述载液条6-6由细密海绵制成；所述密封组件6外侧设有甩泥环16，利用离心力可将水中的颗粒杂质甩出；所述螺旋桨7为整体轮缘式，轮缘上设有凸条7-1，与转轴1的大端部采用可拆卸地连接方式，对于大直径的所述螺旋桨7也可组合的方式；所述转轴1的小端部设有电机转子2，作为常规设计中的电机组成部分，所述电机定子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中与所述电机转子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，驱动电机转子2旋转；所述电机转子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的小端部上；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中心的连杆10固定在导流罩11中，所述导流罩11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；为了减轻密封组件的压力，保证推进器良好的密封性能，所述导流罩11与前端盖12的接触端端面上设有泄压槽15；为了保证推进器在水下的运行稳定性，所述壳体上设有导流水翼17。

在运行过程中，流体从转轴的大端部进入，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，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，转轴收口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。

根据流体在U型管中静压平衡的原理，密封带处在静密封状态时，磁流体6-2在凹极6-3正上方磁极的作用下保持平衡；当磁流体6-2两端无压差时，两端液面高度差h为零，当任一端压力变大时，磁流体6-2将会整体向压力低的一侧移动，直至液面高度差h达到一定值，在磁力的作用下于外界压差达到新的平衡；密封带处于动密封状态时，旋转的凹极6-3带动磁流体6-2旋转，磁流体6-2不仅受到了磁力作用，还受到离心力的作用，两者同向叠加，共同提供力场来平衡压差，转速越高，离心力越大，极小的液位高度差h就能抵抗极强地外部压差变化，保证极好的动密封效果，不用担心高速状态下，流体因离心力的影响而导致密封厚度拉伸变薄被击穿而导致密封失效地问题。

实施例二

如图9～10所示，一种水中行进工具，包括本体19及用于为本体19提供行进动力的推进器18，所述本体19尾部横截面呈“W”型，“W”型横截面一直延续到靠近本体19首部的位置，在本体19中部纵向上形成直通型的流道；所述推进器18为上述轮缘推进器中任意一种，安装在本体19船尾流道中，其有效减少了传统推进系统占用的本体19内部舱位空间，提高了空间利用率；所述本体19内还置有蓄电池或发电机等提供电力的设备及轮缘推进器电机部分的驱动及控制器。本体19在水中行进时，水可从船首流道中直接进入轮缘推进器中，避免了传统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。