CN109625222A - 一种具有吊舱式电力推进系统的科考船 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有吊舱式电力推进系统的科考船，所述船体的船尾下方处设置有一与功率输出控制系统连接的内部具有同步电动机的吊舱式推进器，在吊舱壳体外部设置有与同步电动机的转轴同轴连接的螺旋桨，所述桨毂上设置有用于驱动桨叶沿桨毂直径方向向外伸出的伸缩机构，以及驱动该伸缩机构动作的动力机构。还包括用于实时监测螺旋桨转速根据船体实际航速的需要驱动伸缩机构控制桨叶伸缩量。本发明能够改变螺旋桨的直径来改变螺旋桨的推进力，不但降低了电力成本，而且延长了电力推进系统整体的使用寿命，避免了空泡现象的发生。使螺旋桨的有效直径和螺旋桨盘面积改变，从而改变螺旋桨推力的大小，实现了螺旋桨推力连续变化，节约更多能源。

Description

一种具有吊舱式电力推进系统的科考船

技术领域

本发明涉及船舶设备技术领域，尤其涉及一种具有吊舱式电力推进系统的科考船。

背景技术

吊舱式电力推进系统，全称是“永磁电机吊舱式全回转无舵桨电力推进系统”。它的推进电机不在船体中而是在水下，与螺旋桨做成一体，也没有船舵。整个吊舱式推进器可以水平方向旋转360°，就像现代军用飞机发动机使用矢量喷口一样，可以通过旋转吊舱的方向来调整航行方向，不仅可以自如地前进、后退，还能够完成“横移”和“原地回转”等各种“高难度动作”，极大地提高了船舶的操纵性和机动性。这种推进方式由于没有任何机械传动的能量损耗，所以能量转换效率很高。此外，这种推进系统还有几大好处，比如节省船舱空间、机动灵活性和可操控性强、能够明显降低船舶的振动噪声等。取消了尾轴、尾侧推器、舵机系统等，不需专门的冷却系统，从而节省了舱容，简化了安装。空间配置灵活，可以在机舱整个空间内立体布置，既方便灵活，又充分利用了机舱舱容，为船体设计，尤其是船尾和集控室部分的设计提供了很大的灵活性。从消防和安全性方面考虑，还可以把发电机分成几组(如全船共有6台发电机的情况下，可以分成3台1组)布置在不同的舱室中。根据需要决定并入电网的发电机台数，使每台机组都能工作在比较理想的负荷下，这样不仅对柴油机的良好燃烧和使用重油有好处，而且可以减少维修保养工作和降低备件费用。吊舱式电力推进系统可以采用“双机双桨”的模式，在船尾下方，并列地装着两套吊舱式推进器。它的最大好处是船只操控起来很灵活，同时安全性也更好，如果其中一个螺旋桨坏了，还可以使用另一个进行工作。

CN 202320761 U公开了一种吊舱式船舶电力推进系统装置，其包括驾控台、机旁台和船体控制装置，所述驾控台通过DP总线与机旁台相连接，所述机旁台与船体控制装置相连接，所述机旁台安装在吊舱一侧。CN 103387043 A公开了一种船舶电力推进系统，即本系统驾驶操作控制模块由速度给定装置、驾驶台控制器通过现场总线提供调速控制模块的调速控制装置控制信号，并控制信息在显示单元显示；机舱操作控制模块由机舱就地控制器通过现场总线提供调速控制模块的调速控制装置控制信号，并控制信息在指示单元显示；调速控制模块由调速控制装置通过调速执行器控制磁力耦合器；动力推进模块由转向控制器、电动机、推进装置和速度传感器构成，电动机通过磁力耦合器连接推进装置，速度传感器检测转速并反馈至调速控制装置。CN 107918378 A涉及一种船舶电力推进监控装置及方法，装置包括监测装置和控制装置，采集供电系统和电力推进系统设备的状态并控制电力推进系统设备的运行，监测装置由工业计算机和高级语言编写的应用程序组成，控制装置由安全控制装置和主控制装置两部分组成；系统运行时，安全控制装置采集供电系统和电力推进系统设备的重要保护信号来确定系统的保护功能，主控制装置采集设备运行信号并依据控制逻辑控制系统的正常运行，监测装置采集控制装置的信号通过友好的界面显示系统的数据、报警、报表和趋势，通过界面回放功能帮助船员分析异常。

上述的吊舱式船舶电力推进系统，使电动机与推进装置柔性连接，方便实现负载转速、扭矩的调整，避免震动传递、噪音叠加，提高部件的使用寿命，降低系统维护成本，保证系统平稳运行。与常规舵桨结构的推进器相比，正是由于吊舱式电力推进系统诸多的优越性，吊舱式电力推进方式具有广泛的应用前景，因此在船舶电力推进领域方面，已经处于主导地位，成为了船舶电力推进领域一个主要的研发方向，无论从技术上还是在市场方面，都成为了船舶推进的发展方向之一。

但是无论吊舱式推进器还是常规舵桨式推进器，目前均存在一个无法解决的问题，就是不同情况下桨叶和吊舱式推进器的气穴现象，螺旋桨运转时，产生的压力波动将导致更多的气穴穴蚀。在20℃的海水里面，如果局部出现低于2338.8pa的低压，那么海水就会沸腾并产生气泡，就是空泡。螺旋桨在旋转的时候带动周围的液体高速流动，因为正面的液体被螺旋桨甩出去，由于大量的液体是从正面甩出去了，周围的液体来不及补充进来，所以在螺旋桨的背面就形成一定的真空，这时液体中含有的空气就溢出来，在背面形成气泡，又由于紧跟着液体的挤压，气泡被击碎，所以就形成了空泡腐蚀，空泡腐蚀不但容易产生强烈的空泡噪声、对桨叶造成严重的剥蚀，严重时，可令螺旋桨发生断裂，而且还会影响螺旋桨的推进效率，严重影响螺旋桨的使用质量。为尽量降低空泡现象的发生，目前螺旋桨主要加装防空泡管筒，例如CN1440346A公开了一种用于船用螺旋桨的防空泡管筒。该技术值得肯定的是，能够在水流流经管筒时产生升力，提高了发动机的推力传送效率。但是空泡的产生原理是液体瞬间的高速流动，液体高速流动是由螺旋桨的高速转动带来的，因此，要想解决空泡问题，就需要降低螺旋桨发生空泡的临界速度，但这是个矛盾的问题，螺旋桨转速低了就达不到船舶所需的航速，转速高了就无法避免产生空泡现象。由于螺旋桨在船后不均匀流场中工作，海水不均匀的流场导致了螺旋桨所产生的推力和转矩会发生周期性脉动，也就是说这种脉动力作用在桨叶上不是一个恒定的力，因此采用CN 105620728 A公开的能够变桨径桨距的螺旋桨与CN 104943853 A公开的能够变桨径的螺旋桨，其依据桨叶自身的离心力大小控制螺旋桨的桨径大小这两个技术方案，依靠离心力产生自驱动的方式并不能实现真正意义上的螺旋桨变径，不能够获得稳定的推进力，也无法解决通过改变桨径来补偿转速过高带来的空泡问题。因此，这一问题在军事及民用船舶上一直是制约船舶行业发展的一大难题。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明所要解决的技术问题是，提供一种结构简单、自动控制、在保证螺旋桨推进效率的同时，能够有效提高螺旋桨发生空泡的临界速度，大大降低空泡对桨叶产生冲击损伤，实时调整螺旋桨推力的大小，实现螺旋桨推力连续变化，有效节约能源的具有吊舱式电力推进系统的科考船。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种具有吊舱式电力推进系统的科考船，包括船体及吊舱式电力推进系统，所述吊舱式电力推进系统包括在船体的发电机舱内设置的至少一组由原动机及与原动机连接的发电机组所组成的发电单元，所述发电单元的电能输出端通过线缆依次连接有变频器、功率输出控制系统，所述船体的船尾下方处设置有一与功率输出控制系统连接的内部具有同步电动机的吊舱式推进器，所述吊舱式推进器包括吊舱壳体，同步电动机设于吊舱壳体内，在吊舱壳体外部设置有与同步电动机的转轴同轴连接的螺旋桨，吊舱壳体的顶部设置有用于驱动吊舱壳体沿竖直方向做360°旋转的转舵立柱，所述螺旋桨包括与同步电动机的转轴同轴连接的螺旋桨轴，在螺旋桨轴的端部设置有桨毂，沿桨毂的周向设置有至少两片桨叶，所述桨毂上设置有用于驱动桨叶沿桨毂直径方向向外伸出的伸缩机构，以及驱动该伸缩机构动作的动力机构。还包括用于实时监测螺旋桨转速的检测元件，以及控制器，所述检测元件检测到螺旋桨转速后发送信号至控制器，控制器接收信号后通过空泡临界转速对比模块与航速检测模块的对比分析，获得所需推进力的前提下螺旋桨直径尺寸的实际信号，所述控制器将该实际信号发送用于驱动桨叶伸出的信号至驱动机构，驱动机构根据船体实际航速的需要驱动伸缩机构控制桨叶伸缩量。

上述的具有吊舱式电力推进系统的科考船，所述伸缩机构包括设于桨毂表面可沿桨毂直径方向向外滑动的多个伸缩部件，各桨叶分别设于各伸缩部件上，在桨毂表面开设有导向桨叶沿桨毂直径方向伸出及缩回的滑槽，所述伸缩部件上设置有与滑槽滑动配合的滑块。

上述的具有吊舱式电力推进系统的科考船，所述动力机构包括设置于桨毂内与各伸缩部件连接用于驱动桨叶伸出及缩回的伸缩油缸，伸缩油缸的活塞杆与伸缩部件相连接，沿螺旋桨轴的轴线方向在桨毂上设置有用于向伸缩油缸供油的储油管，在储油管上连接有一用于分别向各伸缩油缸供油的液压泵，所述液压泵分别通过供油管路与储油腔及伸缩油缸连接，所述控制器发送获得所需推进力的前提下螺旋桨直径尺寸的实际信号至液压泵。

上述的具有吊舱式电力推进系统的科考船，所述伸缩部件包括分别与桨毂上下表面滑动配合的两伸缩板体，在两伸缩板体之间连接有与桨毂外端缘曲率半径相同弧形连接板，所述活塞杆与弧形连接板的内壁连接。

上述的具有吊舱式电力推进系统的科考船，所述储油管包括与桨毂同轴设置的具有一储油腔的圆形壳体，螺旋桨轴穿过所述圆形壳体经储油腔与桨毂固定，所述圆形壳体外端固定在螺旋桨轴上，内端伸入桨毂内与所述桨毂固定。

上述的具有吊舱式电力推进系统的科考船，所述滑槽沿桨毂直径方向并列开设多条。

上述的具有吊舱式电力推进系统的科考船，所述同步电动机为永磁式同步电动机。

本发明具有吊舱式电力推进系统的科考船的优点是：螺旋桨和同步电动机共轴，两者之间没有任何其他环节，结构简单、紧凑。采用伸缩机构，与传统的只能通过增大输出功率提高螺旋桨转速来提高推进力的调节方式相比，本发明可以在控制推进电机转速一定的情况下，通过设于桨毂表面可沿桨毂直径方向向外滑动的多个伸缩部件，能够改变螺旋桨的直径来改变螺旋桨的推进力，不但降低了电力成本，而且延长了电力推进系统整体的使用寿命，避免了空泡现象的发生，保护了螺旋桨的叶片，能够在螺旋桨相对较低的转速下，获得所需的推进力，在一定程度上降低了螺旋桨转速，提高了螺旋桨发生空泡的临界速度，改善了螺旋桨的水动力和噪声性能，减少了螺旋桨的振动和空泡剥蚀，降低了附体阻力，提了高螺旋桨效率，同时使船舶航行更加安静。本发明通过实时监测螺旋桨的转速与船体的航速，当螺旋桨转动时速度传感器将螺旋桨的实际转速通过滤波器传递到比较器，控制器将给定速度值传递到比较器，比较器将螺旋桨实际速度、系统给定速度以及速度门槛值相比较，将信息传递到控制器，控制器发送信号从而改变电机转速，调整螺旋桨速度。本发明不但能够提高推进系统的控制精度，还能节约更多的能源，相比于其他调速系统，本发明能耗更低，精度更高。使螺旋桨的有效直径和螺旋桨盘面积改变，从而改变螺旋桨推力的大小，实现了螺旋桨推力连续变化，节约更多能源。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为吊舱式电力推进系统的结构示意图；

图3为吊舱式推进器的结构示意图；

图4为螺旋桨的结构放大图；

图5为螺旋桨与同步电动机的连接结构放大图；

图6为图5中A部分的结构放大图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细说明；

如图1、2、3、4、5、6所示，一种具有吊舱式电力推进系统的科考船，包括船体28及吊舱式电力推进系统，所述吊舱式电力推进系统包括在船体28的发电机舱29内设置的至少一组由原动机1及与原动机1连接的发电机组2所组成的发电单元3，本申请中原动机1为柴油机，船上柴油机的存在不是作为主推进装置，而是作为发电的原动机来带动电机发电。它们通常是几台型号相同、输出功率相同的四冲程中速柴油机。采用全电推进系统的舰船可根据舰船的航速变化、排水量变化、舰船上电力负荷的变化而任意调整发电机组2的运行数量，保持高效率的运行，减少燃料的消耗，故此具有较好的经济性。

发电单元3的电能输出端通过线缆4依次连接有变频器5、功率输出控制系统6，船体28的船尾30下方处设置有一与功率输出控制系统连接的内部具有同步电动机7的吊舱式推进器8，本申请中同步电动机7为永磁式同步电动机。同步电动机较异步电动机对转矩的扰动具有较强的承受能力，能出现较快的响应。在同步电机中，只要电动机的功角做适当变化，而转速始终维持在原来同步转速不变，转动部分的惯性不会影响同步电动机对转矩的变化做出快速响应。从转速调节范围来看，同步电动机转子有励磁，即使在很低的频率下也能运行，调速范围比较宽。电力推进船舶取消了舵机系统，并且往往采用两套以上推进系统，它们在保证船舶推进总功率的前提下，还可互为备用，这样就基本消除了船舶在两个港口之间故障瘫船的可能性。

吊舱式推进器8包括吊舱壳体9，同步电动机7设于吊舱壳体9内，在吊舱壳体9外部设置有与同步电动机7的转轴10同轴连接的螺旋桨11，吊舱壳体9的顶部设置有用于驱动吊舱壳体9沿竖直方向做360°旋转的转舵立柱12，螺旋桨11包括与同步电动机7的转轴10同轴连接的螺旋桨轴13，在螺旋桨轴13的端部设置有桨毂14，沿桨毂14的周向设置有至少两片桨叶15，所述桨毂14上设置有用于驱动桨叶15沿桨毂14的直径方向向外伸出的伸缩机构16，以及驱动该伸缩机构16动作的动力机构17。

伸缩机构16包括设于桨毂14表面可沿桨毂14的直径方向向外滑动的多个伸缩部件，各桨叶15分别设于各伸缩部件上，在桨毂14表面开设有导向桨叶15沿桨毂14的直径方向伸出及缩回的滑槽18，为实现桨叶伸出及缩回时具有较好的稳定性，滑槽18沿桨毂14的直径方向并列开设多条。在伸缩部件上设置有与滑槽18滑动配合的滑块19。伸缩部件包括分别与桨毂14上下表面滑动配合的两伸缩板体20，在两伸缩板体20之间连接有与桨毂14外端缘曲率半径相同的弧形连接板21。动力机构17包括设置于桨毂14内与各伸缩部件连接用于驱动桨叶15伸出及缩回的伸缩油缸22，伸缩油缸22的活塞杆23与弧形连接板21的内壁连接，沿螺旋桨轴13的轴线方向在桨毂14上设置有用于向伸缩油缸22供油的储油管24，储油管24包括与桨毂14同轴设置的具有一储油腔25的圆形壳体26，螺旋桨轴13穿过所述圆形壳体26经储油腔25与桨毂14固定，所述圆形壳体26外端固定在螺旋桨轴13上，内端伸入桨毂14内与所述桨毂14固定。在储油管24上连接有一用于分别向各伸缩油缸22供油的液压泵27，所述液压泵27分别通过供油管路28与储油腔25及伸缩油缸22连接。

本发明还包括用于实时监测螺旋桨11转速的检测元件，以及控制器，所述检测元件检测到螺旋桨11的实际转速后发送信号至控制器，控制器接收信号后通过空泡临界转速对比模块与航速检测模块的对比分析，获得所需推进力的前提下螺旋桨11直径尺寸的实际信号，所述控制器将该实际信号发送用于驱动桨叶15伸出的信号至驱动机构17，驱动机构17根据船体28实际航速的需要驱动伸缩机构16控制桨叶15的伸缩量。控制器发送获得所需推进力的前提下螺旋桨11直径尺寸的实际信号至液压泵27。

本发明将吊舱和舵合二为一，保留了螺旋桨、吊舱等模块，取消了复杂的回转装置，在保证船舶推进性能的同时，可通过舵实现船舶操纵性能。从而既保留了全回转吊舱推进器布置灵活、振动小、噪音低等绝大部分优点，又克服了全回转吊舱推进器构造复杂、价格昂贵的不足。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不限于上述举例，本技术领域的普通技术人员，在本发明的实质范围内，作出的变化、改型、添加或替换，都应属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种具有吊舱式电力推进系统的科考船，包括船体及吊舱式电力推进系统，所述吊舱式电力推进系统包括在船体的发电机舱内设置的至少一组由原动机及与原动机连接的发电机组所组成的发电单元，所述发电单元的电能输出端通过线缆依次连接有变频器、功率输出控制系统，其特征在于：所述船体的船尾下方处设置有一与功率输出控制系统连接的内部具有同步电动机的吊舱式推进器，所述吊舱式推进器包括吊舱壳体，同步电动机设于吊舱壳体内，在吊舱壳体外部设置有与同步电动机的转轴同轴连接的螺旋桨，吊舱壳体的顶部设置有用于驱动吊舱壳体沿竖直方向做360°旋转的转舵立柱，所述螺旋桨包括与同步电动机的转轴同轴连接的螺旋桨轴，在螺旋桨轴的端部设置有桨毂，沿桨毂的周向设置有至少两片桨叶，所述桨毂上设置有用于驱动桨叶沿桨毂直径方向向外伸出的伸缩机构，以及驱动该伸缩机构动作的动力机构。还包括用于实时监测螺旋桨转速的检测元件，以及控制器，所述检测元件检测到螺旋桨转速后发送信号至控制器，控制器接收信号后通过空泡临界转速对比模块与航速检测模块的对比分析，获得所需推进力的前提下螺旋桨直径尺寸的实际信号，所述控制器将该实际信号发送用于驱动桨叶伸出的信号至驱动机构，驱动机构根据船体实际航速的需要驱动伸缩机构控制桨叶伸缩量。

2.根据权利要求1所述的具有吊舱式电力推进系统的科考船，其特征是：所述伸缩机构包括设于桨毂表面可沿桨毂直径方向向外滑动的多个伸缩部件，各桨叶分别设于各伸缩部件上，在桨毂表面开设有导向桨叶沿桨毂直径方向伸出及缩回的滑槽，所述伸缩部件上设置有与滑槽滑动配合的滑块。

3.根据权利要求2所述的具有吊舱式电力推进系统的科考船，其特征是：所述动力机构包括设置于桨毂内与各伸缩部件连接用于驱动桨叶伸出及缩回的伸缩油缸，伸缩油缸的活塞杆与伸缩部件相连接，沿螺旋桨轴的轴线方向在桨毂上设置有用于向伸缩油缸供油的储油管，在储油管上连接有一用于分别向各伸缩油缸供油的液压泵，所述液压泵分别通过供油管路与储油腔及伸缩油缸连接，所述控制器发送获得所需推进力的前提下螺旋桨直径尺寸的实际信号至液压泵。

4.根据权利要求3所述的具有吊舱式电力推进系统的科考船，其特征是：所述伸缩部件包括分别与桨毂上下表面滑动配合的两伸缩板体，在两伸缩板体之间连接有与桨毂外端缘曲率半径相同弧形连接板，所述活塞杆与弧形连接板的内壁连接。

5.根据权利要求3所述的具有吊舱式电力推进系统的科考船，其特征是：所述储油管包括与桨毂同轴设置的具有一储油腔的圆形壳体，螺旋桨轴穿过所述圆形壳体经储油腔与桨毂固定，所述圆形壳体外端固定在螺旋桨轴上，内端伸入桨毂内与所述桨毂固定。

6.根据权利要求2所述的具有吊舱式电力推进系统的科考船，其特征是：所述滑槽沿桨毂直径方向并列开设多条。

7.根据权利要求4所述的具有吊舱式电力推进系统的科考船，其特征是：所述同步电动机为永磁式同步电动机。