紧凑型吊舱式船舶电力推进器的制作方法

本发明涉及一种船舶动力推进系统，尤其是一种吊舱式船舶电力推进器。

背景技术：

吊舱式电力推进器是近年来发展起来的一种新型船舶电力推进系统。吊舱式电力推进器的结构形式是将电动机与螺旋桨的组合放置在一个舱体内，电动机和螺旋桨安装在同一根轴上，直接驱动螺旋桨旋转产生使船舶运动的推力或拖力。放置电动机和螺旋桨的舱体通过吊柱与“悬吊”在船体下方的旋转基座相连，要改变船舶行进方向时，就转动旋转基座以改变推进方向。这种结构形式类似于飞机发动机吊舱悬挂于机翼下方，因此称为吊舱式推进器，简称吊舱推进器。吊舱推进器集推进装置和操舵装置于一体，省去了传统推进器的轴系和舵机装置，从而极大地增加了船舶设计、建造和使用的灵活性。在满足吊舱推进器安装和维护所需空间前提下，为了使吊舱推进器占用的船体舱容更小，必须对吊舱推进器进行模块化设计；为了满足吊舱推进器推进效率要求，就需要对吊舱推进器水下部分线型进行优化，防止空泡发生，从而提高推进效率，降低噪声和振动；为了满足吊舱推进器强度和刚度要求，就需要对吊舱推进器的主要部件进行强度和刚度计算和仿真分析。目前，现有的吊舱推进器型式模块化程度不高，安装和维护不便，水下部分强度、刚度和水动力性能不佳，结构尺寸较大，这些问题的存在也影响了吊舱推进器的发展和使用要求。为使吊舱推进器能够更好的满足船舶使用要求，迫切需要设计一种模块化程度高、安装维护方便、水动力性能优良、可靠性高的紧凑型吊舱式电力推进器。

技术实现要素：

本发明是要提供一种紧凑型吊舱式船舶电力推进器，采用吊舱推进器模块化设计，各模块接口清晰，方便安装，缩短安装周期；吊舱推进器模块化设计，在发生故障后可以方便、及时的查找故障，更换故障模块，缩短维护周期；吊舱推进器模块化设计，有效减小吊舱推进器整体结构尺寸；吊舱推进器水下部分满足强度和刚度要求，减小整机重量；吊舱推进器水下部分线型优化，提高推进效率，防止空泡发生，减低噪声和振动。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种紧凑型吊舱式船舶电力推进器，由回转模块、吊柱模块、推进模块组成，所述推进模块通过吊柱模块连接到回转模块上，所述吊柱模块和推进模块构成水下结构物；所述回转模块由回转电机、行星齿轮箱、回转小齿轮、回转轴承、船体连接板、滑环装置组成，所述回转电机通过行星齿轮箱、回转小齿轮连接回转轴承，且回转轴承的内圈设有内啮合渐开线圆柱齿轮，并通过内啮合渐开线圆柱齿轮与回转小齿轮啮合连接，由回转电机将输出的回转力矩和回转速度传递给回转轴承，所述回转轴承的外圈与船体连接板固定连接，由回转轴承将回转电机输出的回转力矩和回转速度传递给水下结构物，使水下结构物实现360°回转，并将水下结构物产生的推力或拖力传递给船体；所述回转模块和滑环装置通过船体连接板与船体固定连接；所述滑环装置连接船体和推进模块，用于实现船体和推进模块之间动力电源传输、信号传输和所需介质传输；所述推进模块包括螺旋桨轴、驱动电机模块、螺旋桨模块、桨叶支撑轴承模块和推力轴承模块，所述螺旋桨模块与桨叶支撑轴承模块之间安装有艉密封模块，所述驱动电机模块通过螺旋桨轴与螺旋桨模块连接，螺旋桨轴通过桨叶支撑轴承模块和推力轴承模块支撑连接在驱动电机模块的壳体内。

进一步，所述回转电机可以用液压马达替代，所述回转电机内置有刹车装置，以便在紧急情况或维修时将吊舱推进器回转角度固定。

进一步，所述行星齿轮箱通过螺栓与船体连接板连接，行星齿轮箱输出轴安装有回转小齿轮；所述行星齿轮箱为减速式齿轮箱，减速式齿轮箱采用行星齿轮结构。

进一步，所述吊柱模块包括吊柱，吊柱内部为中空结构，中空结构内布置推进模块所需要的动力电缆、信号电缆和介质传输管路；所述吊柱的横剖面为“机翼型”结构，外部型线和布置形式可满足水动力性能。

进一步，所述驱动电机模块采用永磁同步电机，永磁同步电机的定子通过嵌套或烧结的方式固定在驱动电机壳体中；所述桨叶支撑轴承模块为向心轴承，向心轴承采用不易泄漏的润滑脂润滑；所述推力轴承模块为双向推力轴承。

本发明的有益效果是：

本发明的紧凑型吊舱推进器采用模块化设计，共分为三大模块：回转模块、吊柱模块、推进模块，每个模块中又采用二级模块化设计，各模块接口清晰，大大缩短安装周期，并且能够方便、及时的查找故障，更换故障模块，缩短了维护周期；紧凑型吊舱推进器采用模块化设计，单独地对水下的吊柱和推进模块进行线型优化，不仅提高了推进效率，有效减缓了螺旋桨、驱动电机壳体和吊柱空泡现象的发生，降低了噪声和振动，而且使吊舱推进器结构更加紧凑，尺寸更小。紧凑型吊舱推进器水下结构物进行了强度和刚度计算、计算机仿真分析，不仅满足了强度和刚度要求，而且有效减小了整机重量。紧凑型吊舱推进器能够很好的满足吊舱式电力推进器的发展和使用要求。

附图说明

图1是本发明的紧凑型吊舱式船舶电力推进器结构布置图；

图2是回转模块结构布置图；

图3是吊柱结构外形和切面图；

图4是推进模块结构布置图。

图中，1.回转模块，1a.回转电机，1b.行星齿轮箱，1c.回转小齿轮，1d.回转轴承，1e.船体连接板，1f.滑环装置，2.吊柱模块，2a.吊柱，3.推进模块，3a.内圈，3b.驱动电机模块，3c.外圈，3d.桨叶支撑轴承模块，3e.推力轴承模块。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明的紧凑型吊舱式船舶电力推进器，由回转模块1、吊柱模块2、推进模块3三大模块组成。推进模块3通过吊柱模块2连接到回转模块1，回转模块1固定安装在船舱内。吊柱模块2和推进模块3合称为水下结构物。

如图2所示，回转模块1主要由回转电机1a、行星齿轮箱1b、回转小齿轮1c、回转轴承1d、船体连接板1e、滑环装置1f等组成。根据回转力矩、回转速度以及可靠性要求选取回转电机1a，并且要考虑冗余设计。为了减小空间，在满足吊舱推进器回转性能的前提下，回转电机1a可以用液压马达替代。回转电机1a需要内置刹车装置，以便在紧急情况或维修时将吊舱推进器回转角度固定。回转电机1a通过行星齿轮箱1b、回转小齿轮1c将输出的回转力矩和回转速度传递给回转轴承1d。行星齿轮箱1b为减速式，为了减小回转模块1的结构尺寸，减速齿轮箱采用行星齿轮结构，该形式的减速齿轮箱不仅传递的额定扭矩大，而且结构尺寸小。在行星齿轮箱选型时，通过需要传递的回转力矩和回转速度确定行星齿轮箱1b的型号。行星齿轮箱1b通过螺栓与船体连接板1e连接，行星齿轮箱1b输出轴安装有回转小齿轮1c。回转轴承1d的作用是将回转电机1a输出的回转力矩和回转速度传递给吊舱推进器水下结构物，使水下结构物能够实现360°回转，并将水下结构物产生的推力或拖力传递给船体。回转轴承1d的内圈设计成内啮合渐开线圆柱齿轮，与回转小齿轮1c啮合，使回转模块1的整体结构尺寸更加紧凑。回转轴承1d的外圈与船体连接板1e通过螺栓连接。滑环装置1f的功能是实现船体和推进模块3之间动力电源传输、信号传输和所需介质传输。回转模块1通过船体连接板1e与船体固定。

如图3所示，吊柱模块2的作用是连接回转模块1和推进模块3，主要包括吊柱2a。吊柱2a内部中空，便于布置推进模块3所需要的动力电缆、信号电缆和介质传输管路。吊柱2a的横剖面设计成“机翼型”结构，外部型线和布置形式具有优良的水动力性能。在满足强度和刚度要求的前提下，吊柱2a重量尽可能的轻，以减小吊舱推进器整机的重量。

如图4所示，推进模块3主要包括螺旋桨轴3a、驱动电机模块3b、螺旋桨模块3c、桨叶支撑轴承模块3d和推力轴承模块3e等。螺旋桨模块3c和桨叶支撑轴承模块3d之间安装有艉密封模块图中未标出。为了减小推进模块3的整体结构尺寸，使布置更加紧凑并提高电机的效率，紧凑型吊舱推进器的驱动电机模块3b采用永磁同步电机并通过螺旋桨轴3a与螺旋桨模块3c连接，永磁同步电机的定子通过嵌套或烧结的方式固定在驱动电机壳体中。桨叶支撑轴承模块3d选用向心轴承，并且采用不易泄漏的润滑脂润滑。推力轴承模块3e选用双向推力轴承，承受较大的螺旋桨产生的推力或拖力，因此采用稀油润滑方式保证推力轴承的可靠运行。

实施例1：紧凑型吊舱推进器安装过程中，在工厂独立完成回转模块1、吊柱模块2、推进模块3的组装。如在装配回转模块1时，先将回转轴承1d和船体连接板1e通过螺栓连接固定，并按照计算的拧紧力矩拧紧连接螺栓；再完成行星齿轮箱1b输出轴和回转小齿轮1c的热套安装，将其安装到船体连接板1e上的相应法兰面上，并完成回转小齿轮1c和回转轴承1d内齿轮的啮合检查；然后将回转电机1a安装在行星齿轮箱1b接口上；最后完成滑环装置1f和船体连接板1e的安装。完成三大模块组装后，可以在船体封舱前将回转模块1运至船厂并完成在船舱内的安装，并在船体下水前将吊柱模块2和推进模块3从船外安装到回转模块1上。

实施例2：在进行紧凑型吊舱推进器水下结构物设计时，通过三轮的cfd仿真和模型水池试验对水下结构物包括螺旋桨、驱动电机壳体和吊柱的外部型线进行优化，吊柱切面采用“机翼型”，经过优化设计后，驱动电机壳体直径与螺旋桨直径比值减小到0.44，吊柱效率提高至约0.58，螺旋桨效率提高至约0.65，在0度舵角时螺旋桨、驱动电机壳体和吊柱都没有发生空泡。经过cfd仿真和模型试验同时获得紧凑型吊舱推进器在不同工况下水下结构物的载荷数据，然后利用ansys对优化后的吊柱模型强度和刚度进行有限元仿真分析，获得各工况下吊柱模型的应力应变数据，对强度和刚度不足的部位进行加强，对强度和刚度充裕的区域进行优化，经过优化后的吊柱重量减轻了约0.5t。