石油勘探中一體化推進(jìn)器三維設(shè)計(jì)

【摘要】以Solidworks為工具對(duì)一體化推進(jìn)器進(jìn)行了總體設(shè)計(jì)，分層設(shè)計(jì)和潤滑設(shè)計(jì)等三維設(shè)計(jì)，并詳細(xì)的說明了設(shè)計(jì)思想，展示了這種新型的水下電動(dòng)力推進(jìn)器的具體結(jié)構(gòu)和工作原理，并將之與傳統(tǒng)的推進(jìn)器相比較，展望了此類推進(jìn)器的改進(jìn)及應(yīng)用前景。

【關(guān)鍵詞】一體化推進(jìn)器 三維設(shè)計(jì) 電力推進(jìn)

1 引言

20世紀(jì)90年代，在現(xiàn)代模塊化設(shè)計(jì)概念引領(lǐng)下，國外出現(xiàn)一種新型的電力推進(jìn)裝置，即一體化電機(jī)推進(jìn)模塊，英文名Integrated Motor/Propulsor，簡(jiǎn)稱IMP。它是參照吊艙推進(jìn)器的理念，同時(shí)結(jié)合導(dǎo)管槳結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，以及現(xiàn)代永磁電機(jī)技術(shù)，將導(dǎo)管、電機(jī)、螺旋槳有機(jī)結(jié)合，減小軸向空間，設(shè)計(jì)出的一種新型推進(jìn)裝置。相對(duì)于傳統(tǒng)的推進(jìn)器具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕；推進(jìn)效率高，扭矩平衡好；噪聲低，隱蔽性好；適應(yīng)性強(qiáng)，可靠性好；機(jī)動(dòng)性高等特點(diǎn)。

論文參考國外I M P設(shè)計(jì)資料，以Solidworks為工具對(duì)一體化推進(jìn)器進(jìn)行了三維設(shè)計(jì)，并詳細(xì)的說明了設(shè)計(jì)思想，展示了這種新型的水下電動(dòng)力推進(jìn)器的具體結(jié)構(gòu)和工作原理，并將之與傳統(tǒng)的推進(jìn)器相比較，展望了此類推進(jìn)器的改進(jìn)及應(yīng)用前景。

2 IMP總體結(jié)構(gòu)

一體化推進(jìn)器由以下部件組成：帶有進(jìn)出水口的外罩；螺旋槳——與轂聯(lián)合安裝在中心軸上；電動(dòng)機(jī)——用于驅(qū)動(dòng)螺旋槳，其中包括安裝在螺旋槳葉片外緣的環(huán)形轉(zhuǎn)子，安裝在外罩內(nèi)的定子；軸承總成——安裝在螺旋槳轂與中心軸之間，且由設(shè)備周圍的水進(jìn)行潤滑和冷卻。軸承總成中包含葉輪驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，以生成用于潤滑和冷卻軸承表面的循環(huán)水流。

此外，中心軸上螺旋槳的下游還包含一個(gè)或更多的流入口，以供給潤滑和冷卻軸承總成的恒定水流。這些流入口會(huì)覆上過濾網(wǎng)，過濾夾雜在流入軸承總成的水流中的雜質(zhì)。

軸承總成包含一個(gè)安裝在中心軸上游軸端的推力軸承組和一個(gè)安裝在螺旋槳轂內(nèi)緣的徑向軸承襯套。推力軸承組外安裝有一個(gè)活動(dòng)端蓋，可方便推力軸承和徑向軸承襯套的維護(hù)?；顒?dòng)端蓋與螺旋槳轂聯(lián)裝，螺旋槳工作時(shí)隨之旋轉(zhuǎn)。

導(dǎo)葉組連接中心軸與外罩內(nèi)表面，將中心軸約束在軸心，也是推進(jìn)器導(dǎo)管技術(shù)的一部分，可利用尾流能量，增加推進(jìn)器產(chǎn)生的推進(jìn)力。

驅(qū)動(dòng)螺旋槳的交流電機(jī)中的轉(zhuǎn)子使用永磁體替代勵(lì)磁線圈以在轉(zhuǎn)子內(nèi)部產(chǎn)生磁場(chǎng)。轉(zhuǎn)子上的磁場(chǎng)可以輔助電機(jī)啟動(dòng)，增加電機(jī)的整體效率，還允許轉(zhuǎn)子外徑和定子內(nèi)徑之間的氣隙增大。氣隙的增大減小了轉(zhuǎn)子上的流體阻滯，也減小了因轉(zhuǎn)子和定子發(fā)出的磁場(chǎng)中的不均衡而產(chǎn)生的無益諧波電流強(qiáng)度，進(jìn)而減弱了轉(zhuǎn)子上的振動(dòng)，使設(shè)備運(yùn)行順暢安靜。氣隙的增大也削弱了海水雜質(zhì)淤積的程度，降低了電機(jī)受損的可能性。

轉(zhuǎn)子上，數(shù)個(gè)阻尼棒附在永磁體外緣，組成鼠籠形結(jié)構(gòu)，輔助與定子產(chǎn)生的波動(dòng)磁場(chǎng)達(dá)到同步。這些阻尼棒還屏蔽了消磁電流，如前面提及的諧波電流或設(shè)備短路產(chǎn)生的電流。每個(gè)永磁體上還裝有頂蓋，用于放置阻尼棒。導(dǎo)電楔安置在轉(zhuǎn)子上的永磁體之間，增加鼠籠結(jié)構(gòu)的承受能力。

推進(jìn)器的外罩內(nèi)部構(gòu)型為科特導(dǎo)管，可以為螺旋槳提供伴流，而且其噪聲性能很好，可以平穩(wěn)轉(zhuǎn)子、定子的運(yùn)轉(zhuǎn)。

推進(jìn)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)包括：

（1）為了實(shí)現(xiàn)推進(jìn)器與電機(jī)結(jié)構(gòu)一體化，導(dǎo)管設(shè)計(jì)分為前后兩個(gè)部分，IMP的安裝非常簡(jiǎn)單，從而減少了建造周期，且便于維護(hù)。

（2）導(dǎo)葉與后導(dǎo)管連接為一體，導(dǎo)葉起著支撐連接的作用。

（3）推進(jìn)器工作葉輪與電機(jī)的轉(zhuǎn)子集成在一起，這樣可以通過控制電機(jī)直接控制葉輪的轉(zhuǎn)速，中間少了電機(jī)與葉輪的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，可以提高效率和傳動(dòng)的可靠性。

（4）電機(jī)的定子與推進(jìn)器的導(dǎo)管集成在一起。

（5）結(jié)構(gòu)緊湊，減輕了航行器或者魚雷的重量和體積。

可見，一體化推進(jìn)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)層次分明，一目了然，在對(duì)推進(jìn)器進(jìn)行維護(hù)時(shí)，只需打開頂蓋，就可以輕松取下軸承總成，螺旋槳總成等易損壞的部位，這對(duì)增加設(shè)備的可靠性非常重要。

3 一體化推進(jìn)器層次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 外罩總成

外罩總成由四部分組成，即入水肩環(huán)，定子總成，導(dǎo)葉總成及尾部。外罩內(nèi)的轉(zhuǎn)子在工作時(shí)深入罩體，與外罩形成一個(gè)整體，此時(shí)外罩的內(nèi)部形狀大致為科特導(dǎo)管，其良好的水動(dòng)力外形能夠?yàn)槁菪龢峁┌榱?，提高效率，推遲螺旋槳葉片空泡起始，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還能屏蔽轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的流噪聲。此外，外罩還起到保護(hù)螺旋槳的作用，使之能夠適應(yīng)多種工作環(huán)境。

分離視圖中從左到右分別為尾部，導(dǎo)葉總成，定子總成，入水肩環(huán)。其中，尾部和入水肩環(huán)都是外罩流動(dòng)力外形的一部分，入水肩環(huán)呈漏斗形，是導(dǎo)管的一部分。入水肩環(huán)與外罩配合后形成空腔，能夠減輕設(shè)備的重量。導(dǎo)葉組還起到支撐推進(jìn)器，使電機(jī)與推進(jìn)器結(jié)構(gòu)一體化的作用。

3.2 電機(jī)結(jié)構(gòu)

一體化電機(jī)推進(jìn)器理念的核心在于將電機(jī)與推進(jìn)器機(jī)體合二為一，省去了軸系傳動(dòng)的許多問題。電機(jī)屬于永磁交流電動(dòng)機(jī)，即轉(zhuǎn)子上安裝永磁體，電機(jī)中，定子嵌入外罩內(nèi)。相比于磁感應(yīng)電機(jī)，永磁電機(jī)主要有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)。首先，永磁電機(jī)的效率比磁感應(yīng)電機(jī)的效率高出約10%，轉(zhuǎn)子上永磁體建立的磁場(chǎng)替代定子上的線圈通電產(chǎn)生的磁場(chǎng)，啟動(dòng)十分迅速。其次，轉(zhuǎn)子外緣和定子內(nèi)緣的氣隙空間相比磁感應(yīng)電機(jī)可高達(dá)0.50英寸（或1.31厘米），海水紊流的摩擦損失因而大大降低，噪聲很少，而且，進(jìn)入氣隙的異物對(duì)電機(jī)的損傷也被削弱。此外，定子上產(chǎn)生的諧波電流稀少，定子的離心游移振動(dòng)相對(duì)平緩，對(duì)外界振動(dòng)極其造成的損傷有著相當(dāng)?shù)牡挚鼓芰Α?/p>

轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)中梯形永磁體安裝在磁性碳鋼環(huán)上，在永磁體之間加裝導(dǎo)電楔，以螺栓固定，永磁體上覆蓋頂蓋，每個(gè)頂蓋上有四個(gè)導(dǎo)線孔，這就是永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)子。永磁體用于產(chǎn)生磁場(chǎng)，材料使用NbBfe合金，其磁性能和B-H曲線特性良好。導(dǎo)電楔使用鋯-銅合金，銅制阻尼棒則插入頂蓋的導(dǎo)線孔內(nèi)。導(dǎo)電楔和阻尼棒構(gòu)成了鼠籠式結(jié)構(gòu)，作用是保護(hù)永磁體，隔絕諧波電流，此外，還能有助轉(zhuǎn)子的啟動(dòng)。定子和轉(zhuǎn)子都被包裹在防水的腔室中。

3.3 軸承總成

軸承總成包括兩個(gè)部分，推力軸承組和徑向軸承襯套，軸承總成是推進(jìn)器系統(tǒng)中最基本的部件之一，推力軸承組承擔(dān)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的軸向載荷，徑向軸承作為槳轂和中心軸之間的摩擦構(gòu)件。推力軸承組包括兩部分，五個(gè)構(gòu)件，在中心軸承座的兩側(cè)各有一個(gè)推力軸承，左邊的推力軸承承受能力較強(qiáng)，稱為主推力軸承，主要承擔(dān)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的軸向載荷，在整個(gè)推進(jìn)器中承擔(dān)傳遞推進(jìn)力的作用。右邊的推力軸承承載能力較弱，稱為次推力軸承，主要承受中心軸的受迫振動(dòng)，軸承座上的凸曲面與軸承上的凹曲面相配合，能夠承擔(dān)中心軸的輕微偏心游移。

徑向軸承襯套由三個(gè)部件構(gòu)成，一個(gè)軸瓦襯和兩個(gè)橡膠滑動(dòng)軸承。兩個(gè)橡膠軸承分別安裝在軸瓦襯的兩端，中間的突出部位用于固定。橡膠軸承在水潤滑的作用下摩擦系數(shù)非常小，橡膠柔軟而富有彈性，具有良好的包容性，能將雜質(zhì)異物回轉(zhuǎn)導(dǎo)入到軸承內(nèi)的螺紋槽里被潤滑水沖走，而且橡膠內(nèi)阻力較大，能夠有效的放置或減緩振動(dòng)、噪聲和沖擊，橡膠的變形還可起到緩和軸的應(yīng)力的作用，并有自動(dòng)調(diào)位的能力。

3.4 其它部件簡(jiǎn)述

（1）中心軸：中心軸的結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單的階梯軸，除了兩端的法蘭邊、螺紋、鍵槽外沒有什么其它的結(jié)構(gòu)，軸心中空，是推進(jìn)器的水循環(huán)系統(tǒng)的主要干道。

（2）活動(dòng)端蓋：活動(dòng)端蓋的結(jié)構(gòu)稍顯復(fù)雜，它的內(nèi)部中空，還設(shè)置有入水孔，是推進(jìn)器水循環(huán)的重要組成部分，同時(shí)，它固定在槳轂上，隨槳轂一起旋轉(zhuǎn)，由固定著一個(gè)次推力軸承的一部分，使之隨槳旋轉(zhuǎn)。在某些改進(jìn)的實(shí)例中，活動(dòng)端蓋保持不動(dòng)，這樣可以最小化活動(dòng)端蓋旋轉(zhuǎn)對(duì)周圍水流造成的干擾，提高推進(jìn)裝置的效率，并減低噪聲。

（3）槳和槳轂：槳是推進(jìn)器推力的來源，也是推進(jìn)器的核心部件，螺旋槳不再贅述。

4 一體化推進(jìn)器中的水循環(huán)系統(tǒng)

4.1 軸承總成水循環(huán)系統(tǒng)

軸承總成水循環(huán)系統(tǒng)涉及推進(jìn)器中心部位的所有部件。

設(shè)備運(yùn)行時(shí)，周圍的海水從下游流孔流入，穿過過濾網(wǎng)，進(jìn)入導(dǎo)葉轂的內(nèi)部空腔，流過中心軸的中心孔，又從次推力軸承上的開口，流入徑向通孔。流過通孔的水在離心力作用下加壓回流，沿著主推力軸承的支撐座周緣，軸環(huán)上的凹槽，直至滾動(dòng)部分的中心空隙。從此處，海水流入橡膠軸承，以及中心軸的外表面，然后從縫隙排出。同時(shí)，少量海水從活動(dòng)端蓋上的流水孔流入，這些流水孔的橫截面積相比導(dǎo)葉轂上的流孔非常小，主要起到平衡壓強(qiáng)的作用，使從下游抽入的大部分海水都被用于潤滑和冷卻軸承總成。

導(dǎo)葉組合活動(dòng)端蓋上的流空都安裝有過濾器，以阻止了海水中夾雜的外界異物進(jìn)入推進(jìn)器內(nèi)部。

4.2 氣隙水循環(huán)系統(tǒng)

推進(jìn)器工作時(shí)，水流沿圖示的紅色箭頭流過鋸齒形的曲折通道，進(jìn)入氣隙，又沿著氣隙前方的通道流出。曲折形的路徑能夠有效的阻止海水中夾雜的異物進(jìn)入氣隙。鋸齒通道出口處的螺紋紋路有助于水循環(huán)，還能將外界異物沖刷出去。水循環(huán)出水口處的突起能夠阻止外界異物從此處進(jìn)入氣隙。

5 結(jié)論和展望

IMP是一種新型推進(jìn)器，文中主要從原理上完成機(jī)械設(shè)計(jì)，其具體的流體性能還有待進(jìn)一步研究。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介

孫政，男，工程師，2001年畢業(yè)于華中科技大學(xué)（原華中理工大學(xué)），現(xiàn)任中海石油氣電集團(tuán)工程部項(xiàng)目管理高級(jí)主管。地址：北京東三環(huán)北路甲2號(hào)京信大廈（郵編100027）。