本发明涉及水下推进领域，具体涉及一种与原动机、水下航行器尾部型线深度融合的集成化、低阻力、高性能的机-桨-身融合式集成推进装置。
背景技术：
传统的舰船动力系统是指为舰船航行提供动力的系统，一般由原动机通过轴系带动推进器旋转(部分还配置齿轮箱减速装置)，为舰船提供推进力。一方面，整个动力系统布置贯穿了船体近一半的舱室，占据了船体大量空间，并带来恶劣的舱室噪声。另一方面，水下航行器的舵与推进器在结构上连接，当舵鳍等附体受到水流干扰(如)产生振动时，会影响推进器的工作状态。
其中，申请号为cn10093845.x的专利申请，公开了一种集成电机推进装置，包括均由硅钢片叠加而成的内定子及外转子，内定子及外转子均为凸极结构，内定子的凸极齿上绕接有励磁绕组，内定子内部沿周向嵌接有多个永磁体，永磁体对应励磁绕组设置，在内定子与外转子之间设有导磁密封罩，导磁密封罩的两端分别与端盖一、端盖二固接且密封，内定子位于由导磁密封罩、端盖一及端盖二形成的密封空间一内，且内定子的两端分别与端盖一、端盖二固接；外转子的两端分别通过水润滑轴承可转动地支撑在端盖一、端盖二上，端盖一、端盖二与对应的水润滑轴承之间分别设有橡胶减震器，螺旋桨与外转子固接。该集成电机推进装置与舵连接，舵鳍等附体会对推进器进流产生影响；且该航行器完全靠集成电机驱动，集成电机的功率有限，提供的航行推力有限。
申请号为cn10473359.6的专利申请，公开了一种采用喷水推进技术的水下航行器，包括水下推进装置和控制系统。水下推进装置包括从左到右依次设置的尾部、进水盘和头部。其尾部和头部上分别设置有提供推进动力的喷射口。进水盘上设置有吸水的进水口和将吸入的水转换成高压水流的高压泵。高压泵分别通过管道与喷射口相连接，喷射口上的推进动力通过高压泵转换的高压水流提供。喷射口与高压泵出水口之间的管道上设置有电磁阀。高压泵和水量控制装置均与控制系统相互连接。该水下航行器通过另外加设高压泵对水流进行加压，进一步增大了水下航行器的体积、重量，不利于对水下航行器的控制，提高了制造成本。
有鉴于此，有必要设计一种改进的机-桨-身融合式集成推进装置，以解决上述问题。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种结构简单、推进器与航行器的尾壳线型深度融合为一体的、可实现集成电机的转子直接带动叶轮做功的机-桨-身融合式集成推进装置。
为实现上述发明目的，本发明提供了一种机-桨-身融合式集成推进装置，用于驱动水下航行器，所述机-桨-身融合式集成推进装置包括沿所述航行器的航行方向与所述航行器的尾壳分离设置的推进器壳体以及收容于所述推进器壳体内的驱动部；所述驱动部包括集成电机、水润滑轴承、轮毂、前导叶、后导叶以及与所述集成电机的转子集成设置的叶轮；所述机-桨-身融合式集成推进装置还包括设置于所述尾壳与所述推进器壳体之间连通所述水下航行器的外部与所述叶轮的进水侧的进水管道，以实现通过航行器壳外流体的冲压作用和所述转子直接带动所述叶轮转动的抽吸作用将水流引入所述进水管道后，经所述叶轮排出以产生航行推力。
作为本发明的进一步改进，所述推进器壳体包括内壁面、外壁面、连接所述内壁面与外壁面的连接面以及形成于所述内壁面内收容所述驱动部的收容空间；所述外壁面的轮廓线与所述尾壳的外壁的轮廓线呈圆滑过渡设置。
作为本发明的进一步改进，所述进水管道具有与外部水流连通的进水口和开口朝向所述叶轮的进水侧的出水口；所述进水口、所述外壁面及所述尾壳的外壁，三者之间平滑过渡连接。
作为本发明的进一步改进，所述连接面与所述内壁面及所述外壁面之间均呈平滑过渡连接，所述出水口的顶壁与所述内壁面相互贴合。
作为本发明的进一步改进，所述尾壳具有自所述外壁向所述尾壳的中轴线方向逐渐收缩延伸的配合面，所述配合面与所述连接面相向设置，且二者均呈流线型设置。
作为本发明的进一步改进，所述进水管道包括但不限于为单流道结构、双流道结构、三流道结构或四流道结构。
作为本发明的进一步改进，所述进水管道为呈“人”字型的双流道结构，具有两个卡置于所述配合面与所述连接面之间的引流流道和一个自两个所述引流流道的连接处向所述出水口延伸的出水流道。
作为本发明的进一步改进，所述集成电机具有设置于所述转子外周的定子以及设置于所述定子与所述转子之间的电机气隙；所述转子的外周通过水润滑轴承可旋转的安装在所述推进器壳体内；所述水润滑轴承包括设置于所述转子两侧的前推力轴承与后推力轴承以及支撑连接所述转子与所述叶轮的水润滑支撑轴承，所述前推力轴承及所述后推力轴承与所述水润滑支撑轴承之间间隙配合形成有冷却间隙，所述冷却间隙与所述电机气隙相连通，形成有环设于所述水润滑支撑轴承周侧的冷却润滑通道。
作为本发明的进一步改进，所述前导叶与所述后导叶固定安装于所述轮毂上，所述前导叶与所述后导叶分设于所述叶轮的两侧。
本发明的有益效果是：
1、本发明的机-桨-身融合式集成推进装置通过将航行器的尾壳与推进器壳体分离设置，在航行器的尾壳与推进器壳体之间设置连通航行器的外部与叶轮的进水侧的进水管道，并将叶轮与集成电机的转子集成，实现了通过航行器壳外流体的冲压作用和转子直接带动叶轮转动的抽吸作用将水流引入进水管道后，经叶轮排出产生航行推力，充分利用了水流的作用力，提高了工作效率；避免了舵鳍等附体对推进器进流的影响，以便于驱动部在推进器壳体内稳定工作；通过合理的方案设计充分利用推进器与航行器的相互作用因子提高了推进效率；
2、本发明通过将推进器壳体、尾壳及进水口设置为圆滑过渡，使得推进器与航行器的尾壳融合为一体，使水下航行器外壳保持整体流线型，可有效减小航行阻力，降低推进功耗，提高水动力性能；
3、本发明采用电力传动方式，将集成电机作为原动机，集成电机的转子与叶轮集成，利用电机转子的旋转直接带动桨叶或叶轮做功，取消传统轴系的相关配套系统、辅件，简化了水下航行器的结构。
附图说明
图1为本发明的机-桨-身融合式集成推进装置的一较佳实施例的剖面示意图；
图2为图1中i区域的局部放大图；
图3为图2中ii区域的局部放大图；
图4为双流道结构的结构示意图；
图5为单流道结构的结构示意图；
图6为三流道结构的结构示意图；
图7为四流道结构的结构示意图。
附图中各部件的标记如下：
100、机-桨-身融合式集成推进装置；1、尾壳；11、外壁；12、配合面；2、推进器壳体；21、内壁面；22、外壁面；23、连接面；31、集成电机；311、转子；312、定子；313、电机气隙；32、轮毂；33、叶轮；34、前导叶；35、后导叶；36、水润滑轴承；360、冷却润滑通道；361、前推力轴承；362、后推力轴承；363、水润滑支撑轴承；364、冷却间隙；4、进水管道；41、进水口；411、引流流道；42、出水口；421、出水流道；401、容置空间；4`、单流道结构；4``、三流道结构；4```、四流道结构。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
请参阅图1至图4所示，本发明提供了一种用于驱动水下航行器航行的机-桨-身融合式集成推进装置100，该机-桨-身融合式集成推进装置100包括沿航行器的航行方向(图1中箭头所示方向)与所述航行器的尾壳1分离设置的推进器壳体2、收容于所述推进器壳体2内的驱动部以及设置于所述尾壳1与所述推进器壳体2之间的进水管道4；其中，驱动部包括集成电机31、水润滑轴承36、轮毂32、前导叶34、后导叶35以及与所述集成电机31的转子311集成设置的叶轮33。即，所述叶轮33安装于所述转子311上，所述叶轮33随着所述转子311的转动而转动；进水管道4连通所述航行器的外部与所述叶轮33的进水侧，以实现通过航行器壳外流体的冲压作用和所述转子311直接带动所述叶轮33转动的抽吸作用将水流引入所述进水管道4后，经所述叶轮33排出产生航行推力。如此设置，充分利用了水下航行器表面来流为驱动部提供工作流量，提高了推进效率。
所述尾壳1呈轴对称结构设置，具有中轴线op；尾壳1包括呈流线型设置的外壁11及自所述外壁11向所述中轴线op方向逐渐收缩延伸形成的配合面12。所述配合面12朝向所述推进器壳体2设置，且所述外壁11与所述配合面12的连接处平滑过渡。
所述推进器壳体2与所述尾壳1相对设置，所述推进器壳体2也呈轴对称结构设置，且所述推进器壳体2的中轴线与所述尾壳1的中轴线共线，均为中轴线op。具体的，所述推进器壳体2包括内壁面21、外壁面22、连接所述内壁面21与外壁面22的连接面23以及形成于所述内壁面21内收容所述驱动部的收容空间(未标号)；连接面23自所述外壁面22向所述中轴线op方向逐渐收缩形成，且所述连接面23与所述配合面12相向设置，二者之间形成收容所述进水管道4的容置空间401。
特别地，所述连接面23与所述配合面12均呈流线型设置，所述连接面23与所述内壁面21及所述外壁面22之间均呈平滑过渡连接，使推进器壳体2的整体轮廓呈流线型设置，利于水下航行。
所述外壁面22与所述尾壳1的外壁11呈圆滑过渡连接设置，即，所述外壁面22的轮廓线与所述尾壳1的外壁11的轮廓线平滑过渡连接。如此设置，使得推进器壳体2与航行器的尾壳1融合为一体，水下航行器的外壳整体保持流线型，可有效减小航行阻力，降低推进功耗，提高水动力性能。
请参阅图4并结合图1至图2所示，在本实施方式中，所述进水管道4为呈横向卧倒的“人”字型的双流道结构，具有两个与外部水流连通的进水口41和一个开口朝向所述叶轮33的进水侧的出水口42，对应地，该进水管道4包括两个引流流道411和自两个所述引流流道411的连接处向所述出水口42延伸的出水流道421；引流流道411卡置于所述容置空间401内，所述出水流道421卡置于所述内壁面21之间，所述出水口42的顶壁与所述内壁面21相互贴合。优选地，所述出水口42的中心线与所述中轴线op共线；引流流道411的壁面对应的与所述连接面23及所述配合面12相互贴合。即，通过将推进器壳体2与航行器的尾壳1分离设置，且所述引流流道411设置于尾壳1与推进器壳体2之间，避免了传统的舵与推进器连接设置的水下航行器上舵鳍等附体对推进器进流的影响，便于推进器壳体2内的驱动部稳定工作。
特别地，所述进水口41、所述外壁面22及所述尾壳1的外壁11，三者之间平滑过渡连接，即，三者的外轮廓线平滑过渡连接。如此设置，可有效减小航行阻力，便于水下航行器表面的水流流入所述进水口41，起到引流的作用，为驱动部提供了工作流量。
需要说明的是，本领域技术人员应当理解，所述进水管道4并不限于为双流道结构，与单流道结构相比，采用双流道结构可以增大进流，有利于满足推进器设计流量，避免叶轮产生空化，同时也可以降低流道高度，使流动更加平缓，避免在流道内产生流动分离。但是，所述进水管道4也可以设置为单流道结构4`(如图5所示)、三流道结构4``(如图6所示)、四流道结构4```(如图7所示)或者更多流道的结构，以满足推进器不同设计航速和设计流量的需要，本领域技术人员可以根据航速设计及需要设置进水管道4的流道数量，仅需保证实现通过引流流道411将水下航行器表面的水流平稳引入后经出水流道421导入叶轮33即可，具体不予限制。
请参阅图2至图3并结合图1所示，所述驱动部设置于所述内壁面21形成的收容空间内，所述轮毂32固定安装于所述推进器壳体2内，且设置于所述中轴线op上。即，所述出水口42、所述轮毂32的中心线均与所述中轴线op共线，便于将经所述出水口42流出的水流导入所述叶轮33。
优选地，驱动部还包括固定安装于所述轮毂32上的前导叶34与后导叶35，前导叶34与后导叶35分设于叶轮33的两侧。如此设置，前导叶34与后导叶35分别可对即将流入叶轮33的叶轮进流与经叶轮33排出的叶轮出流进行整流，增大了轴向过流动量，便于驱动部保持平稳工作状态。
所述集成电机31为内转子、外定子结构。具体来讲，集成电机31具有设置于转子311外周的定子312以及设置于定子312与转子311之间的电机气隙313，转子311呈中空结构，轮毂32、前导叶34、后导叶35以及集成于转子311上的叶轮33均设置于转子311的内侧，该结构使推进器的结构更加紧凑。转子311的外周通过水润滑轴承36可旋转的安装在推进器壳体2内。水润滑轴承36包括设置于转子311两侧的前推力轴承361与后推力轴承362以及支撑连接转子311与叶轮33的水润滑支撑轴承363。
当推进器工作时，通过集成电机转子311与推力轴承(前推力轴承361与后推力轴承362)之间的水膜传递推力。特别地，前推力轴承361与后推力轴承362均安装在推进器壳体2的内壁面21上，前推力轴承361、后推力轴承362与水润滑支撑轴承363之间间隙配合形成有冷却间隙364，冷却间隙364与电机气隙313相连通，形成有环设于水润滑支撑轴承363外周侧的冷却润滑通道360。如此设置，当叶轮33转动做功时，产生的高速高压水流会在冷却润滑通道360内经后推力轴承362逆流到前推力轴承361(水流方向如图3中箭头所示)，以对前推力轴承361、后推力轴承362以及水润滑支撑轴承363进行润滑和冷却，有利于延长水润滑轴承36的使用寿命。
下面对该机-桨-身融合式集成推进装置100的工作原理进行说明：
当水下航行器航行时，集成电机31的转子311转动，直接带动叶轮33转动，在冲压与抽吸地共同作用下，水下航行器表面来流经所述进水口41进入所述进水管道4，并经过所述引流流道411平缓引导后经过所述出水流道421流入所述推进器壳体2内，水流经所述前导叶34整流后流入所述叶轮33，水流经所述叶轮33加压后排出，排出的水流经所述后导叶35整流后排出水下航行器，水流与叶轮33相互作用产生航行推力，驱动水下航行器航行。
综上所述，本发明的机-桨-身融合式集成推进装置100通过将推进器壳体2与水下航行器的尾壳1分离设置，在尾壳1与推进器壳体2之间设置连通航行器的外部与叶轮33的进水侧的进水管道4，并将叶轮33与集成电机31的转子311集成，取消了传统轴系的相关配套系统、辅件，实现了通过航行器壳外流体的冲压作用和转子311直接带动叶轮33转动的抽吸作用将水流引入进水管道4后，经叶轮33排出产生航行推力，充分利用了水流的作用力，提高了工作效率；避免了舵鳍等附体对推进器进流的影响，以便于驱动部在推进器壳体2内稳定工作；通过合理的方案设计充分利用推进器与航行器的相互作用因子提高了推进效率。具有该机-桨-身融合式集成推进装置100的水下航行器将水下航行器的尾壳1与推进器壳体2融合为一体并保持整体流线型，实现了“机-桨-身融合式”的低阻力外形；该“机-桨-身融合式”水下航行器是多个学科综合、交叉和渗透而形成的，可进一步提升动力系统高功率密度、高效率、高机动性和低噪声等性能，具有广阔的应用前景。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
技术特征：
1.一种机-桨-身融合式集成推进装置，用于驱动水下航行器，其特征在于：所述机-桨-身融合式集成推进装置包括沿所述航行器的航行方向与所述航行器的尾壳(1)分离设置的推进器壳体(2)以及收容于所述推进器壳体(2)内的驱动部；所述驱动部包括集成电机(31)、水润滑轴承(36)、轮毂(32)、前导叶(34)、后导叶(35)以及与所述集成电机(31)的转子(311)集成设置的叶轮(33)；所述集成推进装置还包括设置于所述尾壳(1)与所述推进器壳体(2)之间连通所述水下航行器的外部与所述叶轮(33)的进水侧的进水管道(4)，以实现通过航行器壳外流体的冲压作用和所述转子(311)直接带动所述叶轮(33)转动的抽吸作用将水流引入所述进水管道(4)后，经所述叶轮(33)排出以产生航行推力。
2.根据权利要求1所述的机-桨-身融合式集成推进装置，其特征在于：所述推进器壳体(2)包括内壁面(21)、外壁面(22)、连接所述内壁面(21)与外壁面(22)的连接面(23)以及形成于所述内壁面(21)内收容所述驱动部的收容空间；所述外壁面(22)的轮廓线与所述尾壳(1)的外壁(11)的轮廓线呈圆滑过渡设置。
3.根据权利要求2所述的机-桨-身融合式集成推进装置，其特征在于：所述进水管道(4)具有与外部水流连通的进水口(41)和开口朝向所述叶轮(33)的进水侧的出水口(42)；所述进水口(41)、所述外壁面(22)及所述尾壳(1)的外壁(11)，三者之间平滑过渡连接。
4.根据权利要求3所述的机-桨-身融合式集成推进装置，其特征在于：所述连接面(23)与所述内壁面(21)及所述外壁面(22)之间均呈平滑过渡连接，所述出水口(42)的顶壁与所述内壁面(21)相互贴合。
5.根据权利要求3所述的机-桨-身融合式集成推进装置，其特征在于：所述尾壳(1)具有自所述外壁(11)向所述尾壳(1)的中轴线方向逐渐收缩延伸的配合面(12)，所述配合面(12)与所述连接面(23)相向设置，且二者均呈流线型设置。
6.根据权利要求5所述的机-桨-身融合式集成推进装置，其特征在于：所述进水管道(4)包括但不限于为单流道结构、双流道结构、三流道结构或四流道结构。
7.根据权利要求6所述的机-桨-身融合式集成推进装置，其特征在于：所述进水管道(4)为呈“人”字型的双流道结构，具有两个卡置于所述配合面(12)与所述连接面(23)之间的引流流道(411)和一个自两个所述引流流道(411)的连接处向所述出水口(42)延伸的出水流道(421)。
8.根据权利要求2所述的机-桨-身融合式集成推进装置，其特征在于：所述集成电机(31)具有设置于所述转子(311)外周的定子(312)以及设置于所述定子(312)与所述转子(311)之间的电机气隙(313)；所述转子(311)的外周通过水润滑轴承(36)可旋转的安装在所述推进器壳体(2)内；所述水润滑轴承(36)包括设置于所述转子(311)两侧的前推力轴承(361)与后推力轴承(362)以及支撑连接所述转子(311)与所述叶轮33的水润滑支撑轴承(363)，所述前推力轴承(361)及所述后推力轴承(362)与所述水润滑支撑轴承(363)之间间隙配合形成有冷却间隙(364)，所述冷却间隙(364)与所述电机气隙(313)相连通，形成有环设于所述水润滑支撑轴承(363)周侧的冷却润滑通道(360)。
9.根据权利要求1所述的机-桨-身融合式集成推进装置，其特征在于：所述前导叶(34)与所述后导叶(35)固定安装于所述轮毂(32)上，所述前导叶(34)与所述后导叶(35)分设于所述叶轮(33)的两侧。
技术总结
本发明提供了一种机‑桨‑身融合式集成推进装置，所述机‑桨‑身融合式集成推进装置包括沿航行器的航行方向与航行器的尾壳分离设置的推进器壳体以及收容于推进器壳体内的驱动部。驱动部包括集成电机、水润滑轴承、轮毂、导叶以及与集成电机的转子集成设置的叶轮。该集成推进装置还包括设置于尾壳与推进器壳体之间连通水下航行器的外部与叶轮的进水侧的进水管道，如此设置，实现了通过航行器壳外流体的冲压作用和转子直接带动叶轮转动的抽吸作用将水流引入进水管道后，经叶轮排出以产生航行推力，充分利用了水流的作用力，提高了工作效率。
技术研发人员：靳栓宝;陈俊全;何升阳;魏应三;易新强;姜亚鹏
受保护的技术使用者：中国人民解放军海军工程大学
技术研发日：.08.27
技术公布日：.01.17
