淺析石油推進器的三維設計范文

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軸承總成包含一個安裝在中心軸上游軸端的推力軸承組和一個安裝在螺旋槳轂內緣的徑向軸承襯套。推力軸承組外安裝有一個活動端蓋，可方便推力軸承和徑向軸承襯套的維護。活動端蓋與螺旋槳轂聯裝，螺旋槳工作時隨之旋轉。導葉組連接中心軸與外罩內表面，將中心軸約束在軸心，也是推進器導管技術的一部分，可利用尾流能量，增加推進器產生的推進力。驅動螺旋槳的交流電機中的轉子使用永磁體替代勵磁線圈以在轉子內部產生磁場。轉子上的磁場可以輔助電機啟動，增加電機的整體效率，還允許轉子外徑和定子內徑之間的氣隙增大。氣隙的增大減小了轉子上的流體阻滯，也減小了因轉子和定子發出的磁場中的不均衡而產生的無益諧波電流強度，進而減弱了轉子上的振動，使設備運行順暢安靜。氣隙的增大也削弱了海水雜質淤積的程度，降低了電機受損的可能性。轉子上，數個阻尼棒附在永磁體外緣，組成鼠籠形結構，輔助與定子產生的波動磁場達到同步。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備短路產生的電流。每個永磁體上還裝有頂蓋，用于放置阻尼棒。導電楔安置在轉子上的永磁體之間，增加鼠籠結構的承受能力。

推進器的外罩內部構型為科特導管，可以為螺旋槳提供伴流，而且其噪聲性能很好，可以平穩轉子、定子的運轉。推進器的結構設計特點包括：（1）為了實現推進器與電機結構一體化，導管設計分為前后兩個部分，IMP的安裝非常簡單，從而減少了建造周期，且便于維護。（2）導葉與后導管連接為一體，導葉起著支撐連接的作用。（3）推進器工作葉輪與電機的轉子集成在一起，這樣可以通過控制電機直接控制葉輪的轉速，中間少了電機與葉輪的傳動機構，可以提高效率和傳動的可靠性。（4）電機的定子與推進器的導管集成在一起。（5）結構緊湊，減輕了航行器或者魚雷的重量和體積。可見，一體化推進器的結構設計層次分明，一目了然，在對推進器進行維護時，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，這對增加設備的可靠性非常重要。

一體化推進器層次結構設計

1外罩總成

外罩總成由四部分組成，即入水肩環，定子總成，導葉總成及尾部。外罩內的轉子在工作時深入罩體，與外罩形成一個整體，此時外罩的內部形狀大致為科特導管，其良好的水動力外形能夠為螺旋槳提供伴流，提高效率，推遲螺旋槳葉片空泡起始，其結構設計還能屏蔽轉子旋轉產生的流噪聲。此外，外罩還起到保護螺旋槳的作用，使之能夠適應多種工作環境。分離視圖中從左到右分別為尾部，導葉總成，定子總成，入水肩環。其中，尾部和入水肩環都是外罩流動力外形的一部分，入水肩環呈漏斗形，是導管的一部分。入水肩環與外罩配合后形成空腔，能夠減輕設備的重量。導葉組還起到支撐推進器，使電機與推進器結構一體化的作用。

2電機結構

一體化電機推進器理念的核心在于將電機與推進器機體合二為一，省去了軸系傳動的許多問題。電機屬于永磁交流電動機，即轉子上安裝永磁體，電機中，定子嵌入外罩內。相比于磁感應電機，永磁電機主要有兩個優點。首先，永磁電機的效率比磁感應電機的效率高出約10%，轉子上永磁體建立的磁場替代定子上的線圈通電產生的磁場，啟動十分迅速。其次，轉子外緣和定子內緣的氣隙空間相比磁感應電機可高達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，進入氣隙的異物對電機的損傷也被削弱。此外，定子上產生的諧波電流稀少，定子的離心游移振動相對平緩，對外界振動極其造成的損傷有著相當的抵抗能力。轉子結構中梯形永磁體安裝在磁性碳鋼環上，在永磁體之間加裝導電楔，以螺栓固定，永磁體上覆蓋頂蓋，每個頂蓋上有四個導線孔，這就是永磁電機的轉子。永磁體用于產生磁場，材料使用NbBfe合金，其磁性能和B-H曲線特性良好。導電楔使用鋯-銅合金，銅制阻尼棒則插入頂蓋的導線孔內。導電楔和阻尼棒構成了鼠籠式結構，作用是保護永磁體，隔絕諧波電流，此外，還能有助轉子的啟動。定子和轉子都被包裹在防水的腔室中。

3軸承總成

軸承總成包括兩個部分，推力軸承組和徑向軸承襯套，軸承總成是推進器系統中最基本的部件之一，推力軸承組承擔設備運轉時的軸向載荷，徑向軸承作為槳轂和中心軸之間的摩擦構件。推力軸承組包括兩部分，五個構件，在中心軸承座的兩側各有一個推力軸承，左邊的推力軸承承受能力較強，稱為主推力軸承，主要承擔設備運轉的軸向載荷，在整個推進器中承擔傳遞推進力的作用。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，軸承座上的凸曲面與軸承上的凹曲面相配合，能夠承擔中心軸的輕微偏心游移。徑向軸承襯套由三個部件構成，一個軸瓦襯和兩個橡膠滑動軸承。兩個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非常小，橡膠柔軟而富有彈性，具有良好的包容性，能將雜質異物回轉導入到軸承內的螺紋槽里被潤滑水沖走，而且橡膠內阻力較大，能夠有效的放置或減緩振動、噪聲和沖擊，橡膠的變形還可起到緩和軸的應力的作用，并有自動調位的能力。

4其它部件簡述

（1）中心軸：中心軸的結構非常簡單的階梯軸，除了兩端的法蘭邊、螺紋、鍵槽外沒有什么其它的結構，軸心中空，是推進器的水循環系統的主要干道。（2）活動端蓋：活動端蓋的結構稍顯復雜，它的內部中空，還設置有入水孔，是推進器水循環的重要組成部分，同時，它固定在槳轂上，隨槳轂一起旋轉，由固定著一個次推力軸承的一部分，使之隨槳旋轉。在某些改進的實例中，活動端蓋保持不動，這樣可以最小化活動端蓋旋轉對周圍水流造成的干擾，提高推進裝置的效率，并減低噪聲。（3）槳和槳轂：槳是推進器推力的來源，也是推進器的核心部件，螺旋槳不再贅述。

一體化推進器中的水循環系統

1軸承總成水循環系統

軸承總成水循環系統涉及推進器中心部位的所有部件。設備運行時，周圍的海水從下游流孔流入，穿過過濾網，進入導葉轂的內部空腔，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，軸環上的凹槽，直至滾動部分的中心空隙。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，少量海水從活動端蓋上的流水孔流入，這些流水孔的橫截面積相比導葉轂上的流孔非常小，主要起到平衡壓強的作用，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。導葉組合活動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入推進器內部。

2氣隙水循環系統

推進器工作時，水流沿圖示的紅色箭頭流過鋸齒形的曲折通道，進入氣隙，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入氣隙。鋸齒通道出口處的螺紋紋路有助于水循環，還能將外界異物沖刷出去。水循環出水口處的突起能夠阻止外界異物從此處進入氣隙。

結論和展望

IMP是一種新型推進器，文中主要從原理上完成機械設計，其具體的流體性能還有待進一步研究。（本文作者：孫政單位：中海石油氣電集團）