本发明涉及船舶推进系统领域，特别涉及一种拉式船用全回转电力吊舱推进系统。
背景技术：
船舶工业是为水上交通、海洋开发及国防建设提供技术装备的现代综合性产业，是军民结合的战略性产业，是先进装备制造业的重要组成部分。传统的柴油机推进系统已经无法满足人们对船舶智能定位和航行操纵的高级需求。
世界著名的研究机构和设备制造商都致力于加快大型化推进系统、新型动力的推进装置、电力推进装置等动力传动装置的研发和产业化。想要打破国外企业的垄断，国内企业必须尽快形成核心部件的国产化设计和配套能力，突破船舶新型推进系统、高效推进装置等先进船用节能环保设备研发等关键技术。
随着电力电子技术、交流调速技术、微机控制技术的飞速发展，交流电机的变频调速技术日益成熟，使得船舶电力推进系统在机动性、可靠性、运行效率和推进功率方面都有了突破性进展，应用范围不断扩大。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种拉式船用全回转电力吊舱推进系统，将主推进电机装入一个流线型的吊舱内，使用电机轴直接驱动螺旋桨，能够提高整 体的推进效率、减小船体振动、操控灵活以及节省船舱空间。
为解决上述技术问题，本发明的实施方式公开了一种拉式船用全回转电力吊舱推进系统，包括：设置在船体外部的一个流线型的吊舱壳体；
在该吊舱壳体外部的前端设有固定螺距的螺旋桨，该螺旋桨采用拉式结构；
在该吊舱壳体内部设有一个变频调速的主推进电机，该主推进电机的机轴直接与螺旋桨相连；
吊舱壳体上端与转舵系统相连；
吊舱壳体能够沿吊舱轴线实现360度内水平转动，并通过转舵系统实现矢量控制。
本发明实施方式与现有技术相比，主要区别及其效果在于：
将主推进电机装入一个流线型的吊舱内，使用电机轴直接驱动螺旋桨，能够提高整体的推进效率、减小船体振动、操控灵活以及节省船舱空间。
进一步地，正常工况下采用主控台进行控制，出现紧急情况也能够切换到机舱控制，这样能够有效避免控制故障对船舶航行安全带来的威胁。
进一步地，永磁电机不仅能够在转速很低的状态下运行，也能长时间运行。在全部的转速范围内，都可输出较高的转矩，在各种流体动力状态下，都可使吊舱螺旋桨达到最佳状态，其推进效率高于常规推进设备。
在吊舱壳体上设置导流槽，使电机定子的四周完全能够充分地接触海水，保证主推进电机在运行过程中伴随水流速度的增加，能够获得更佳的冷却效果。
进一步地，吊舱前端采用双列滚子轴承，不仅可以防止桨轴跳动偏心，更能够很好的承担吊舱的径向载荷；吊舱的后端轴承承载整个吊舱的轴向和部分径向载荷，通过一对推力调心轴承背靠背的布置来承担不同角度的载荷。 这样的轴承布置形式在充分考虑整个电机运行过程中的挠度和刚度的前提下，满足吊舱载荷需要。
进一步地，在电机定子布置安装孔后实施热套安装，保证电机转子和定子同心度，使电机运行过程中磁场均匀保证电机的输出功率和输出扭矩。
进一步地，螺旋桨采用大侧斜和后倾结构型式，不仅能够有效地降低螺旋桨振动，还能够适当地加强螺旋桨的结构强度。
进一步地，转舵系统还配置电磁式舵角反馈装置，能够按照控制系统的指令精准的控制吊舱推进系统转动的舵角，能够精准采集吊舱推进系统转舵角度，及时校正转舵电机的信息，使整个舵角控制过程完全闭环。
进一步地，单尾鳍结构能够有效的整理桨后涡流，减小扰动带来的能量损失，提高吊舱推进系统整体的推进效率。
进一步地，吊柱剖面采用对称的翼型剖面，大幅度的减小整个吊舱的形状阻力和前后压差，从而提升吊舱推进系统整体的水动力性能；吊柱通过刚性连接结构与转舵系统相连，能够沿着吊舱轴线快速灵活的实现360度回转，大幅度提高吊舱的操作性。
附图说明
图1是本发明第一实施方式中一种拉式船用全回转电力吊舱推进系统的结构示意图。
具体实施方式
在以下的叙述中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，本领域的普通技术人员可以理解，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保 护的技术方案。
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的实施方式作进一步地详细描述。
本发明第一实施方式涉及一种拉式船用全回转电力吊舱推进系统。图1是该拉式船用全回转电力吊舱推进系统的结构示意图。该拉式船用全回转电力吊舱推进系统包括：设置在船体外部的一个流线型的吊舱壳体。
在该吊舱壳体外部的前端设有固定螺距的螺旋桨，该螺旋桨采用拉式结构。
在该吊舱壳体内部设有一个变频调速的主推进电机，该主推进电机的机轴直接与螺旋桨相连。
吊舱壳体上端与转舵系统相连。
吊舱壳体能够沿吊舱轴线实现360度内水平转动，并通过转舵系统实现矢量控制。
将主推进电机装入一个流线型的吊舱内，使用电机轴直接驱动螺旋桨，能够提高整体的推进效率、减小船体振动、操控灵活以及节省船舱空间。
全回转吊舱电力推进系统是一种全新的船舶电力推进系统，包括控制系统、动力系统、推进系统、转舵系统、防护系统、辅助系统等几大功能系统，通过这六大系统相互配合使得整个吊舱推进系统能够实现操作功能，其最大的特点就是将变频调速的交流电动机装入一个流线型的吊舱壳体内，配有固定螺距螺旋桨，螺旋桨置于壳体前端，采用拉式推进形式；将吊舱整个动力系统置于船舱外部，无需任何传递机构直接与螺旋桨相连；吊舱壳体装置能够沿轴线实现360度内水平转动，并能够通过转舵系统实现矢量控制。
全回转吊舱装置可以在转速很低的状态下运行，也能长时间运行。在全部的转速范围内，它都可输出较高的转矩，在各种流体动力状态下，都可使 螺旋桨达到最佳状态，其推进效率高于常规螺旋桨。相比传统柴油机推进系统，吊舱推进系统具备了很多前者无法比拟的优势，如操控和能量管理更加简易，船舶机动性能提高；节约机舱空间，增加船舶载货载客能力；推进效率提高，减少各种燃油、滑油消耗，减少废气排放和震动噪声污染等。
进一步地，该拉式船用全回转电力吊舱推进系统还包括：主控台、中控箱和主变频器。
主控台发出的推进指令，经过中控箱传输到主变频器，通过主变频器实现对主推进电机的启停控制和转速控制。
主控台发出的转舵指令，经过中控箱传输到转舵系统，通过转舵系统实现对吊舱壳体的转舵控制。
还包括：机旁控制柜，用于在主控台控制出现故障的情况下，对该吊舱推进系统进行紧急控制，以确保吊舱推进系统的正常工作。
正常工况下采用主控台进行控制，出现紧急情况也能够切换到机舱控制，这样能够有效避免控制故障对船舶航行安全带来的威胁。
在本发明的设计中，一种全新的混合式控制系统被使用到吊舱推进系统的控制系统中，吊舱控制系统包括主推进控制系统和转舵控制系统。推进系统和转舵系统的信息数据通过中控箱被采集为控制信号，并将信号反馈到控制室的主控台。主控台经过优化设计，布置了整个吊舱推进系统的控制按钮、操作手柄以及检测报警指示等。操作者能够通过主控台的控制面板实现吊舱的启动、停止、转向，调速等指令，同时能够直观的了解吊舱各个部件运行的情况，及时掌握故障点信息。
对于吊舱主推进控制，主要是进行推进电机的控制，包括电机的启动，调速，停机等功能。吊舱的主推进控制采用全新的变频控制技术，不再是单调的设置纯转矩或是速度控制，这样不能够满足多工况船舶的使用条件。而本发明采用的变频控制是根据配置吊舱船舶的实际运行工况，首先预设一套 混编的控制程序，再通过使用吊舱的工况自动修订控制程序。使吊舱的主推进控制始终能够满足负荷与吊舱的输出转速和扭矩一致的要求。另外，主推进控制采用人机友好的控制手柄操作，全新的控制手柄能够使吊舱推进系统达到无极调速，调试精度更加准确，而且长时间操作能够体验舒适的控制体验。
对于吊舱转舵控制系统可以分为主控台控制和机舱控制两个部分，正常工况下采用主控台的控制手柄进行舵角控制，出现紧急情况也能够切换到机舱控制，这样能够有效避免控制故障对船舶航行安全带来的威胁。
吊舱的主控台控制采用符合人机工程学的手柄控制转舵和转速调整，主控台控制的工况下，同时锁定机舱控制，避免发生控制冲突，控制手柄通过转动能够实现平滑控制，使舵角调控精度达到0.1度范围；通过前后推动实现主推进电机的转速调整和启停控制；
同时吊舱控制还考虑备用控制方式，机舱控制采用按钮控制转舵和推进设备启停，在主控台控制的失效或故障情况下，机舱控制自动启动，保证转舵机构和推进控制的应急使用，避免吊舱舵角失效和推进调速失效，提高吊舱的安全性；
在本实施方式中，优选地，主推进电机为永磁电机，在吊舱壳体上设有导流槽，并且在电机定子上安置温度检测装置。
永磁电机不仅能够在转速很低的状态下运行，也能长时间运行。在全部的转速范围内，都可输出较高的转矩，在各种流体动力状态下，都可使吊舱螺旋桨达到最佳状态，其推进效率高于常规推进设备。
在吊舱壳体上设置导流槽，使电机定子的四周完全能够充分地接触海水，保证主推进电机在运行过程中伴随水流速度的增加，能够获得更佳的冷却效果。
在本发明的设计中，吊舱推进系统采用了一种全新的动力结构型式，将 传统推进系统的动力源推进电机从机舱安置改变为船舱外的吊舱舱体中，使用电机轴直接驱动螺旋桨，这样的结构型式最大限度的减少齿轮和轴系等机械传递机构，避免了传递结构磨损、卡死、断裂等故障的可能；其次，将主推进电机安置于船体之外能够大量节省船舱空间，更能够减少动力源带来的振动，减小推进器振动对船体带来的破坏，大幅度提高船舶的舒适性；
吊舱推进系统的电机采用永磁电机型式，选用独立为吊舱专门开发的永磁电机不仅能够在转速很低的状态下满扭矩运行来运用于船舶拖带工况，也能长时间运行满足自航工况。其中永磁电机能够在全部的转速范围内，都可输出较高的转矩，这样吊舱在各种流体动力状态下，任何转舵角度，任何转速情况下都可使吊舱螺旋桨达到最佳状态，其推进效率都能够达到较高值。永磁电机还设置了专用速度反馈装置进行速度检查和采集，通过反馈使整个推进电机完全闭环控制。
推进系统选用永磁电机还考虑到电机的散热问题，电机直接安置于吊舱壳体中没有任何强制散热的装置，为了电机定子四周能够充分地完全接触海水，在壳体上设置导流槽，保证吊舱电机在运行过程中伴随水流速度的增加，能够使冷却效果更佳。同时在电机定子上安置温度检测装置，能够通过检测装置的实时反馈了解永磁电机的运行情况。
在本实施方式中，优选地，
吊舱壳体的前端采用双列滚子轴承，吊舱壳体的后端为一对背靠背布置的推力调心轴承。
吊舱前端采用双列滚子轴承，不仅可以防止桨轴跳动偏心，更能够很好的承担吊舱的径向载荷。吊舱的后端轴承承载整个吊舱的轴向和部分径向载荷，通过一对推力调心轴承背靠背的布置来承担不同角度的载荷。这样的轴承布置形式在充分考虑整个电机运行过程中的挠度和刚度的前提下，完成满足吊舱载荷需要。
主推进电机采用定子加热套装到吊舱壳体的安装工艺方法。
在电机定子布置安装孔后实施热套安装，保证电机转子和定子同心度，使电机运行过程中磁场均匀保证电机的输出功率和输出扭矩。
螺旋桨采用大侧斜和后倾结构，采用铜合金材料制成，且采用内旋型式。
螺旋桨采用大侧斜和后倾结构型式，不仅能够有效地降低螺旋桨振动，还能够适当地加强螺旋桨的结构强度。
在吊舱壳体外部的后端还设有一只整流鳍。
单尾鳍结构能够有效的整理桨后涡流，减小扰动带来的能量损失，提高吊舱推进系统整体的推进效率。
吊舱壳体的上端为吊柱，该吊柱的剖面为对称的翼型剖面，该吊柱通过通过刚性连接结构与转舵系统相连。
吊柱剖面采用对称的翼型剖面，大幅度的减小整个吊舱的形状阻力和前后压差，从而提升吊舱推进系统整体的水动力性能。吊柱通过刚性连接结构与转舵系统相连，能够沿着吊舱轴线快速灵活的实现360度回转，大幅度提高吊舱的操作性。
在本发明的设计中，吊舱推进系统采用独特的轴承布置型式和安装方式。吊舱推进电机产生的负荷通过轴转换为吊舱的动力，考虑到吊舱推进系统的两侧轴承承担不同的作用，前端的螺旋桨采用拉式结构，在考虑承受整个吊舱的径向力的同时必须考虑电机运行过程中的跳动所引起的尾轴密封失效，因此吊舱前端采用双列滚子轴承，不仅可以防止桨轴跳动偏心，更能够很好的承担吊舱的径向载荷；吊舱的后端轴承承载整个吊舱的轴向和部分径向载荷，通过一对推力调心轴承背靠背的布置来承担不同角度的载荷。这样的轴承布置形式在充分考虑整个电机运行过程中的挠度和刚度的前提下，完成满足吊舱载荷需要。本发明的另一个设计就是吊舱主推进电机采用定子加 热套装到吊舱壳体的安装工艺方法。在电机定子布置安装孔后实施热套安装，保证电机转子和定子同心度，使电机运行过程中磁场均匀保证电机的输出功率和输出扭矩。
在本发明中一项重要的设计：全回转吊舱推进系统采用一种拉式结构驱动型式，传统的推进系统装置都是采用推式结构驱动型式，由于吊舱的独特布置形式，如果将吊舱螺旋桨也采用推式结构，会使螺旋桨在船体和舱体双重影响的伴流场中运行，在这样的工况条件下螺旋桨的推进效率会降低，而且螺旋桨的激振力会放大，诱导力也将提高，因此使用推式结构对于吊舱推进系统来说有着极大的风险，为了避免吊舱推进系统以上的缺陷，本次发明设计使吊舱推进系统采用拉式结构，吊舱螺旋桨完全至于相对均匀伴流场中，这样可使整个吊舱的推进效率提高2％，螺旋桨激振力下降5％。
吊舱的壳体结构对于整个吊舱的水动力性能和结构强度非常重要。首先必须考虑吊舱舱体具备良好的流体性能，由于吊舱推进器在运行过程中起到控制船舶航向角的作用，必须重点考虑吊柱的结构形式，采用流体性能优良的剖面型式和合理的展弦比组合，尽可能减少吊舱壳体的流体阻力。当然改善流体性能不仅只是减少阻力一个方面，另一方面本发明中增加了附体结构来增加吊舱壳体的流体性能：在舱体后端发现中心安置一只整流鳍(导流尾鳍)，单尾鳍结构能够有效的整理桨后涡流，减小桨后水流扰动带来的能量损失和舱体相互干扰，使吊舱壳体的整体阻力下降3.23％；
在本发明中的设计中，吊舱采用了全新型式的螺旋桨来适应整个吊舱的推进性能要求。采用吊舱螺旋桨采用大侧斜和后倾结构型式，不仅能够有效的降低螺旋桨振动4.32％，还能够适当的加强吊舱螺旋桨的结构强度；同时，全回转吊舱螺旋桨可以采用一种铜合金材料制成，优质的铜合金材料使吊舱螺旋桨拥有优质的抗腐蚀性、抗冲击性、可塑性。对于在敞开水域运行的吊舱系统有着重要的保护作用。同时考虑到吊舱推进系统都是配置双桨结构， 选择不同的旋转方向对于双桨的效率迭代非常重要，因此吊舱螺旋桨采用内旋型式，根据配置吊舱船舶的结构特点数双吊舱结构选用内旋型式能够比外旋型式的推进效率提高1.42％。
进一步地，转舵系统包括：转舵结构和舵角反馈装置。
主控台发出的转舵信号，经过中控箱传输信号到转舵机构，通过转舵机构的正反转来实现整个吊舱推进系统的周向旋转。
舵角反馈装置用于采集吊舱推进系统的转舵角度，并及时反馈校正转舵电机的信息。
转舵系统还配置电磁式舵角反馈装置，能够按照控制系统的指令精准的控制吊舱推进系统转动的舵角，能够精准采集吊舱推进系统转舵角度，及时校正转舵电机的信息，使整个舵角控制过程完全闭环。
在本发明中的设计，为了提高吊舱推进系统的灵活操控性，设计了新式的转舵系统。整个转舵系统由转舵机构和控制系统两部分组成；由于吊舱推进系统采用全电力驱动，因此转舵机构采用电动机作为转舵动力源，通过两级减速机构实现转舵，驱动电机通过减速齿轮箱减速驱动整个吊柱实现转舵，操控灵活，结构简单。反应速度较常规液压转舵提升14％以上，并且考虑整个吊舱转舵系统的可靠性，两套转舵结构一用一备运行，这样能够使吊舱始终保持稳定的可控状态，杜绝了完全失去转舵能力的情况。吊舱转舵系统还配置电磁式舵角反馈机构，能够按照控制系统的指令精准的控制吊舱推进系统转动的舵角，能够精准采集吊舱转舵角度，及时校正转舵电机的信息，使整个舵角控制过程完全闭环。
吊舱流线型壳体上端通过刚性连接结构与转舵系统相连，能够沿着吊舱轴线快速灵活的实现360度回转，整个回转一周的总时间可达到25秒以内，大幅度提高吊舱的操作性，配置本发明设计的吊舱转舵结构可使船舶的转弯半径下降32％；同时，转舵结构通过连接部件承担整个吊舱的重量和推力， 机械性能和力学性能完全满足极限工况要求；
在本发明中的另一项重要设计，为吊舱推进系统配置了完备的防护系统。其一，吊舱推进系统设置了多重防护装置，由于吊舱整个推进系统完全置于船体外部，伴随船体吃水结构以及运行工况的不同，吊舱主轴密封承受不同载荷的冲击，因此在本次设计中采用了可调节密封装置，能够通过不同介质的输入改变整个主轴密封结构的密封效果，保证整个吊舱推进系统密封结构的稳定性和可靠性；其二，防护系统还包括油液泄漏检测和排漏装置，轴承磨损检测装置，内部温度检测装置等，防护系统的设计能够实时监测吊舱内部结构运行情况和智能处理。
在本发明的设计中。考虑到吊舱推进系统的整个吊柱能够围绕轴中心进行360度的旋转，吊舱内部的电路和油路必须通过动静转换从而到达液体和电路的传递，通过本发明中的辅助装置能够良好的实现以上功能。
下面结合附图对该拉式船用全回转电力吊舱推进系统作进一步描述。
图1显示了一种拉式船用全回转电力吊舱推进系统的总体结构图，该吊舱推进系统包括控制系统、动力系统、推进系统、转舵系统、防护系统、辅助系统等功能系统，通过这六大系统相互配合使得整个吊舱推进系统能够实现正常操作功能。如图1所示，1表示主控室的主控台，吊舱推进系统的所有控制和报警检测等信号都可以在主控台中反馈；2表示整个吊舱推进系统的中控箱，吊舱推进系统的所有设备的信号转换都是通过中控箱完成；3表示吊舱推进系统的主变频器，通过主控台1发出的推进指令，经过中控箱2的传输到主变频器3，通过变频器来实现对主推进电机的启停控制和转速控制；4表示吊舱推进系统的机旁控制柜，如果主控台出现故障，可以通过切换使用机旁控制柜4来进行紧急操作，保证吊舱推进系统的正常工作；5表示吊舱的辅助装置，来实现旋转舱体与静止舱体之间的电信号，液体等介质的传输；6表示转舵结构，通过主控台1发出的转舵信号，中控箱2传输信 号到转舵机构6，通过转舵机构的正反转来实现整个吊舱推进系统的周向旋转，同时转舵结构还带机械锁紧装置，避免停车情况下的吊舱推进系统位置变化；7表示吊舱冷却装置，通过导流槽的设置既可以保证整个吊舱主推进电机的完全冷却，又能够不影响吊舱结构的水动力特性；8表示整个吊舱系统的轴承结构，通过分配轴向力和径向力搭配合理的轴承结构形式，保证此结构能够承受吊舱结构的所有载荷并满足轴系跳动精度要求；9表示螺旋桨，通过采用新型材料不仅可以保证螺旋桨的力学性能要求，并通过适当的后倾，内旋结构可提高螺旋桨的推进效率；10表示主轴密封结构，采用特殊的密封结构形式，除了能够有效的防止海水和泥沙进入吊舱本体，还能够通过检测结构使少量的渗漏液体排出舱体；11表示流线型的吊舱壳体，吊舱壳体由两部分组成，上部是吊柱，和转舵机构6刚性连接，同时吊柱剖面采用对称的翼型剖面，大幅度的减小整个吊舱的形状阻力和前后压差，从而提升吊舱整体的水动力性能，下部为电机舱结构，主要安置主推进电机；12表示吊舱的主推进电机，为整个吊舱系统提供主动力；13表示排污管路和检测结构，考虑到密封失效可能会有污物进入吊舱壳体(电机舱)11，影响主推进电机12的运行安全，因此设置排污管路进行风险控制；14表示整流鳍，用于整个吊舱的尾流的整流，减小尾流涡旋对吊舱推进性能的影响；15表示尾部导流板，导流板和吊舱壳体11是光滑过渡，使吊舱壳体产生的尾涡能够减小甚至消除；16表示主电缆，通过辅助装置5的连接为主推进电机12供电；17表示一个位于吊舱壳体11中部的法兰，主电缆16向下贯穿法兰，并且起到加强整个吊舱壳体强度的作用；18表示舵角反馈装置，通过机械结构的测量吊舱转舵角度，并将机械信号转换为电信号反馈到主控台1；19表示排污泵，通过排污管路和检测结构13的反馈信号，主控台1出现指示信号，通过中控箱2信号处理，启动排污泵进行工作；20表示润滑系统，整个系统为轴承结构8提供油润滑，并且整个油路为循环油路，起到轴承寿命检测等作用。
需要说明的是，在本专利的权利要求和说明书中，诸如第一和第二等之 类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
虽然通过参照本发明的某些优选实施方式，已经对本发明进行了图示和描述，但本领域的普通技术人员应该明白，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。