石油勘探中一体化推进器三维设计

【摘要】以Solidworks为工具对一体化推进器进行了总体设计，分层设计和润滑设计等三维设计，并详细的说明了设计思想，展示了这种新型的水下电动力推进器的具体结构和工作原理，并将之与传统的推进器相比较，展望了此类推进器的改进及应用前景。

【关键词】一体化推进器 三维设计 电力推进

1 引言

20世纪90年代，在现代模块化设计概念引领下，国外出现一种新型的电力推进装置，即一体化电机推进模块，英文名Integrated Motor/Propulsor，简称IMP。它是参照吊舱推进器的理念，同时结合导管桨结构特点，以及现代永磁电机技术，将导管、电机、螺旋桨有机结合，减小轴向空间，设计出的一种新型推进装置。相对于传统的推进器具有结构紧凑、体积小、重量轻；推进效率高，扭矩平衡好；噪声低，隐蔽性好；适应性强，可靠性好；机动性高等特点。

论文参考国外I M P设计资料，以Solidworks为工具对一体化推进器进行了三维设计，并详细的说明了设计思想，展示了这种新型的水下电动力推进器的具体结构和工作原理，并将之与传统的推进器相比较，展望了此类推进器的改进及应用前景。

2 IMP总体结构

一体化推进器由以下部件组成：带有进出水口的外罩；螺旋桨——与毂联合安装在中心轴上；电动机——用于驱动螺旋桨，其中包括安装在螺旋桨叶片外缘的环形转子，安装在外罩内的定子；轴承总成——安装在螺旋桨毂与中心轴之间，且由设备周围的水进行润滑和冷却。轴承总成中包含叶轮驱动结构，以生成用于润滑和冷却轴承表面的循环水流。

此外，中心轴上螺旋桨的下游还包含一个或更多的流入口，以供给润滑和冷却轴承总成的恒定水流。这些流入口会覆上过滤网，过滤夹杂在流入轴承总成的水流中的杂质。

轴承总成包含一个安装在中心轴上游轴端的推力轴承组和一个安装在螺旋桨毂内缘的径向轴承衬套。推力轴承组外安装有一个活动端盖，可方便推力轴承和径向轴承衬套的维护。活动端盖与螺旋桨毂联装，螺旋桨工作时随之旋转。

导叶组连接中心轴与外罩内表面，将中心轴约束在轴心，也是推进器导管技术的一部分，可利用尾流能量，增加推进器产生的推进力。

驱动螺旋桨的交流电机中的转子使用永磁体替代励磁线圈以在转子内部产生磁场。转子上的磁场可以辅助电机启动，增加电机的整体效率，还允许转子外径和定子内径之间的气隙增大。气隙的增大减小了转子上的流体阻滞，也减小了因转子和定子发出的磁场中的不均衡而产生的无益谐波电流强度，进而减弱了转子上的振动，使设备运行顺畅安静。气隙的增大也削弱了海水杂质淤积的程度，降低了电机受损的可能性。

转子上，数个阻尼棒附在永磁体外缘，组成鼠笼形结构，辅助与定子产生的波动磁场达到同步。这些阻尼棒还屏蔽了消磁电流，如前面提及的谐波电流或设备短路产生的电流。每个永磁体上还装有顶盖，用于放置阻尼棒。导电楔安置在转子上的永磁体之间，增加鼠笼结构的承受能力。

推进器的外罩内部构型为科特导管，可以为螺旋桨提供伴流，而且其噪声性能很好，可以平稳转子、定子的运转。

推进器的结构设计特点包括：

（1）为了实现推进器与电机结构一体化，导管设计分为前后两个部分，IMP的安装非常简单，从而减少了建造周期，且便于维护。

（2）导叶与后导管连接为一体，导叶起着支撑连接的作用。

（3）推进器工作叶轮与电机的转子集成在一起，这样可以通过控制电机直接控制叶轮的转速，中间少了电机与叶轮的传动机构，可以提高效率和传动的可靠性。

（4）电机的定子与推进器的导管集成在一起。

（5）结构紧凑，减轻了航行器或者鱼雷的重量和体积。

可见，一体化推进器的结构设计层次分明，一目了然，在对推进器进行维护时，只需打开顶盖，就可以轻松取下轴承总成，螺旋桨总成等易损坏的部位，这对增加设备的可靠性非常重要。

3 一体化推进器层次结构设计

3.1 外罩总成

外罩总成由四部分组成，即入水肩环，定子总成，导叶总成及尾部。外罩内的转子在工作时深入罩体，与外罩形成一个整体，此时外罩的内部形状大致为科特导管，其良好的水动力外形能够为螺旋桨提供伴流，提高效率，推迟螺旋桨叶片空泡起始，其结构设计还能屏蔽转子旋转产生的流噪声。此外，外罩还起到保护螺旋桨的作用，使之能够适应多种工作环境。

分离视图中从左到右分别为尾部，导叶总成，定子总成，入水肩环。其中，尾部和入水肩环都是外罩流动力外形的一部分，入水肩环呈漏斗形，是导管的一部分。入水肩环与外罩配合后形成空腔，能够减轻设备的重量。导叶组还起到支撑推进器，使电机与推进器结构一体化的作用。

3.2 电机结构

一体化电机推进器理念的核心在于将电机与推进器机体合二为一，省去了轴系传动的许多问题。电机属于永磁交流电动机，即转子上安装永磁体，电机中，定子嵌入外罩内。相比于磁感应电机，永磁电机主要有两个优点。首先，永磁电机的效率比磁感应电机的效率高出约10%，转子上永磁体建立的磁场替代定子上的线圈通电产生的磁场，启动十分迅速。其次，转子外缘和定子内缘的气隙空间相比磁感应电机可高达0.50英寸（或1.31厘米），海水紊流的摩擦损失因而大大降低，噪声很少，而且，进入气隙的异物对电机的损伤也被削弱。此外，定子上产生的谐波电流稀少，定子的离心游移振动相对平缓，对外界振动极其造成的损伤有着相当的抵抗能力。

转子结构中梯形永磁体安装在磁性碳钢环上，在永磁体之间加装导电楔，以螺栓固定，永磁体上覆盖顶盖，每个顶盖上有四个导线孔，这就是永磁电机的转子。永磁体用于产生磁场，材料使用NbBfe合金，其磁性能和B-H曲线特性良好。导电楔使用锆-铜合金，铜制阻尼棒则插入顶盖的导线孔内。导电楔和阻尼棒构成了鼠笼式结构，作用是保护永磁体，隔绝谐波电流，此外，还能有助转子的启动。定子和转子都被包裹在防水的腔室中。

3.3 轴承总成

轴承总成包括两个部分，推力轴承组和径向轴承衬套，轴承总成是推进器系统中最基本的部件之一，推力轴承组承担设备运转时的轴向载荷，径向轴承作为桨毂和中心轴之间的摩擦构件。推力轴承组包括两部分，五个构件，在中心轴承座的两侧各有一个推力轴承，左边的推力轴承承受能力较强，称为主推力轴承，主要承担设备运转的轴向载荷，在整个推进器中承担传递推进力的作用。右边的推力轴承承载能力较弱，称为次推力轴承，主要承受中心轴的受迫振动，轴承座上的凸曲面与轴承上的凹曲面相配合，能够承担中心轴的轻微偏心游移。

径向轴承衬套由三个部件构成，一个轴瓦衬和两个橡胶滑动轴承。两个橡胶轴承分别安装在轴瓦衬的两端，中间的突出部位用于固定。橡胶轴承在水润滑的作用下摩擦系数非常小，橡胶柔软而富有弹性，具有良好的包容性，能将杂质异物回转导入到轴承内的螺纹槽里被润滑水冲走，而且橡胶内阻力较大，能够有效的放置或减缓振动、噪声和冲击，橡胶的变形还可起到缓和轴的应力的作用，并有自动调位的能力。

3.4 其它部件简述

（1）中心轴：中心轴的结构非常简单的阶梯轴，除了两端的法兰边、螺纹、键槽外没有什么其它的结构，轴心中空，是推进器的水循环系统的主要干道。

（2）活动端盖：活动端盖的结构稍显复杂，它的内部中空，还设置有入水孔，是推进器水循环的重要组成部分，同时，它固定在桨毂上，随桨毂一起旋转，由固定着一个次推力轴承的一部分，使之随桨旋转。在某些改进的实例中，活动端盖保持不动，这样可以最小化活动端盖旋转对周围水流造成的干扰，提高推进装置的效率，并减低噪声。

（3）桨和桨毂：桨是推进器推力的来源，也是推进器的核心部件，螺旋桨不再赘述。

4 一体化推进器中的水循环系统

4.1 轴承总成水循环系统

轴承总成水循环系统涉及推进器中心部位的所有部件。

设备运行时，周围的海水从下游流孔流入，穿过过滤网，进入导叶毂的内部空腔，流过中心轴的中心孔，又从次推力轴承上的开口，流入径向通孔。流过通孔的水在离心力作用下加压回流，沿着主推力轴承的支撑座周缘，轴环上的凹槽，直至滚动部分的中心空隙。从此处，海水流入橡胶轴承，以及中心轴的外表面，然后从缝隙排出。同时，少量海水从活动端盖上的流水孔流入，这些流水孔的横截面积相比导叶毂上的流孔非常小，主要起到平衡压强的作用，使从下游抽入的大部分海水都被用于润滑和冷却轴承总成。

导叶组合活动端盖上的流空都安装有过滤器，以阻止了海水中夹杂的外界异物进入推进器内部。

4.2 气隙水循环系统

推进器工作时，水流沿图示的红色箭头流过锯齿形的曲折通道，进入气隙，又沿着气隙前方的通道流出。曲折形的路径能够有效的阻止海水中夹杂的异物进入气隙。锯齿通道出口处的螺纹纹路有助于水循环，还能将外界异物冲刷出去。水循环出水口处的突起能够阻止外界异物从此处进入气隙。

5 结论和展望

IMP是一种新型推进器，文中主要从原理上完成机械设计，其具体的流体性能还有待进一步研究。

参考文献

[1] 王勇，李庆.新型集成电机推进器设计研究，中国舰船研究，2001，6（1）：82～85

[2] 刘文峰，胡欲立.新型水下集成电机推进装置的泵喷射推进器结构原理及特点分析，鱼雷技术，2007，15（6）：5～8

[3] Chahee P. Cho； Ralph A. Bedingfield；William P. Krol，Jr； Uhlman，Jr； Integrated motor/marine propulsor with permanent magnet blades，1997

作者简介

孙政，男，工程师，2001年毕业于华中科技大学（原华中理工大学），现任中海石油气电集团工程部项目管理高级主管。地址：北京东三环北路甲2号京信大厦（邮编100027）。