RU2840470C1

RU2840470C1 - High-speed underwater propulsor

Info

Publication number: RU2840470C1
Application number: RU2024131991A
Authority: RU
Inventors: Айбулат Халяфович Минияров
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Судоимпэкс"
Filing date: 2024-10-24
Publication date: 2025-05-26

Abstract

FIELD: ships and other floating crafts.

SUBSTANCE: invention relates to the field of water transport and is aimed at improving an underwater vehicle that provides movement in an aquatic environment for autonomous vehicles. Underwater propulsor comprises tight hull, several radial stators, impeller made up of hollow rotor with inner vanes arranged coaxially inside radial stators, and outlet nozzle. Radial stators contain multiphase tooth windings. Inductors with constant magnets and high-speed ceramic bearings are installed on external surface of hollow rotor, and internal surface of hollow rotor is made in the form of a cone on which impellers are installed. Power electronics unit is installed in sealed housing of propulsor, wherein between sealed housing and outer surface of hollow rotor there is sealing assembly with ferromagnetic seal. Sealed housing comprises spherical shutter to control outlet nozzle.

EFFECT: increasing the reliability of the design and efficiency, reducing the weight and size indicators, and increasing the traction characteristics of the underwater propulsion system.

1 cl, 2 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к области водного транспорта и направлено на усовершенствование подводного аппарата, который обеспечивает передвижение в водной среде автономных средств, и может быть использовано как движитель автономных средств в надводном и подводном положениях.The invention relates to the field of water transport and is aimed at improving an underwater vehicle that ensures movement of autonomous vehicles in an aquatic environment and can be used as a propulsion device for autonomous vehicles in surface and underwater positions.

Известен электропривод подводного аппарата [патент RU 2466057 С1, В63Н 21/17, опубликовано: 10.11.2012], содержащий обтекаемый водой герметичный корпус, в котором размещены источник питания и установленный через вибропоглощающие прокладки электродвигатель с двумя соосными выходными валами, которые за пределами герметичного корпуса аппарата непосредственно приводят во вращение винты встречного вращения, электродвигатель содержит два расположенных в корпусе неподвижных статора с многофазными обмотками и два вращающихся во встречных направлениях ротора.An electric drive for an underwater vehicle is known [patent RU 2466057 C1, B63N 21/17, published: 10.11.2012], containing a water-flown sealed housing in which a power source is located and an electric motor with two coaxial output shafts installed through vibration-absorbing gaskets, which directly drive counter-rotating propellers outside the sealed housing of the vehicle, the electric motor contains two stationary stators with multi-phase windings located in the housing and two rotors rotating in opposite directions.

Недостатками аналога являются невысокая надежность устройства, обусловленная применением выносных винтов, сложная система герметизации, а также значительные массогабаритные показатели электропривода за счет осевого размещения интегрированного блока.The disadvantages of the analogue are the low reliability of the device, due to the use of remote screws, a complex sealing system, as well as significant weight and size indicators of the electric drive due to the axial placement of the integrated unit.

Известно водометное устройство [патент RU 2492104 С2, В63Н 11/10, опубликовано: 10.09.2013], содержащее статор, в котором установлен ротор соосно с зазорной полостью, обеспечивающий вращение ротора водометного движителя. На внутренней поверхности ротора смонтированы гребные лопасти. Контрпропеллеры, патрубок камеры всасывания и сопло камеры нагнетания установлены на центральном валу. В зазорную полость введен пароподводящий патрубок. На наружной поверхности ротора в зазорной полости смонтированы рабочие лопатки паровой турбины. На внутренней поверхности статора в зазорной полости в порядке чередования с рабочими лопатками установлены спрямляющие лопатки паровой турбины. Центральный вал выполнен составным. Центральная часть вала установлена с возможностью вращения на опорах в неподвижных ступицах. Ступицы смонтированы в контрпропеллерах, несущих на себе патрубок камеры всасывания, сопло камеры нагнетания и статор. В начальной части ротора установлены лопасти центробежного насоса. В зазорном пространстве смонтирована оградительная шайба. В статоре выполнены выходные отверстия.A water jet device is known [patent RU 2492104 C2, B63N 11/10, published: 10.09.2013], containing a stator in which a rotor is installed coaxially with a gap cavity, ensuring rotation of the rotor of the water jet propulsor. Propeller blades are mounted on the inner surface of the rotor. Counter propellers, a suction chamber branch pipe and a discharge chamber nozzle are mounted on the central shaft. A steam supply branch pipe is introduced into the gap cavity. Working blades of a steam turbine are mounted on the outer surface of the rotor in the gap cavity. Straightening blades of a steam turbine are installed on the inner surface of the stator in the gap cavity in alternating order with the working blades. The central shaft is made composite. The central part of the shaft is mounted with the possibility of rotation on supports in fixed hubs. The hubs are mounted in counter-propellers that carry the suction chamber branch pipe, the discharge chamber nozzle and the stator. The blades of the centrifugal pump are installed in the initial part of the rotor. A protective washer is mounted in the clearance space. The stator has outlet openings.

Недостатками аналога являются ограниченные функциональные возможности: отсутствие возможности регулирования параметров питания электродвигателя и, как следствие, отсутствие возможности влиять на шумовые и вибрационные характеристики электродвигателя.The disadvantages of the analogue are limited functionality: the inability to regulate the power parameters of the electric motor and, as a consequence, the inability to influence the noise and vibration characteristics of the electric motor.

Известна двигательно-движительная установка подводного аппарата [патент RU 2557291 C1, В63Н 21/00, опубликовано: 20.07.2015], содержащая высокоскоростной электродвигатель, редуктор, магнитная муфта установлена между электродвигателем и редуктором, при этом магнитопроницаемая перегородка магнитной муфты является герметизирующим уплотнительным элементом и разделяет внутреннее пространство установки на воздушную полость и полость, заполненную жидкостью, электродвигатель расположен в воздушной среде и соединен с ведущей магнитной полумуфтой, а ведомая магнитная полумуфта соединена с редуктором, который размещен в полости с жидкой средой и соединен с валом движителя.A known propulsion system for an underwater vehicle [patent RU 2557291 C1, B63N 21/00, published: 20.07.2015] contains a high-speed electric motor, a gearbox, a magnetic clutch is installed between the electric motor and the gearbox, wherein the magnetically permeable partition of the magnetic clutch is a sealing element and divides the internal space of the installation into an air cavity and a cavity filled with liquid, the electric motor is located in the air environment and is connected to the leading magnetic half-clutch, and the driven magnetic half-clutch is connected to the gearbox, which is located in the cavity with the liquid environment and is connected to the propeller shaft.

Недостатком аналога являются его ограниченные функциональные возможности, связанные с отсутствием возможности регулирования числа оборотов гребного винта. Дополнительным недостатком устройства является сложность конструкции и низким КПД, и большим энергопотреблением.The disadvantage of the analogue is its limited functionality, due to the lack of the ability to regulate the number of revolutions of the propeller. An additional disadvantage of the device is the complexity of the design and low efficiency, and high energy consumption.

Известен электроводомет [патент RU 2770259 C1, В63Н 11/08, опубликовано: 14.04.2022], содержащий статор, полый ротор, несущий на внутренней поверхности гребные лопасти и спрямляющие лопатки, причем гребные лопасти ротора снабжены на периферии магнитами, а спрямляющие лопатки установлены внутри корпуса и соединяют ось вращения обтекателя с корпусом, а электродвигатель встроен в систему охлажденияAn electric water jet is known [patent RU 2770259 C1, B63N 11/08, published: 14.04.2022], containing a stator, a hollow rotor carrying propeller blades and straightening vanes on the inner surface, wherein the propeller blades of the rotor are equipped with magnets on the periphery, and the straightening vanes are installed inside the casing and connect the axis of rotation of the fairing with the casing, and the electric motor is built into the cooling system

Недостатками аналога являются низкая надежность, невысокие обороты ротора и низкий коэффициент полезного действия (КПД). При этом не предусмотрены конструктивные меры обеспечения глубоководного применения.The disadvantages of the analogue are low reliability, low rotor speed and low efficiency. At the same time, there are no design measures to ensure deep-water use.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому является электрический подводный водометный двигатель с несколькими статорами для морских транспортных средств [патент US 10988223B2, В63Н 21/17, В63Н 1/16, опубл. 27.04.2021], содержащий корпус, несколько осевых и радиальных статоров, рабочее колесо, состоящее из полого ротора с внутренними лопастями, расположенное соосно внутри осевых и радиальных статоров и установленное на гидродинамических и магнитных подшипниках, при этом корпус содержит гидравлическую систему рулевого управления, управляющего выходным соплом конической формы, спрямитель потока и множество диффузорных лопаток.The closest in technical essence and achieved result to the claimed one is an electric underwater water jet engine with several stators for marine vehicles [patent US 10988223B2, B63H 21/17, B63H 1/16, published 04/27/2021], comprising a housing, several axial and radial stators, an impeller consisting of a hollow rotor with internal blades, located coaxially inside the axial and radial stators and mounted on hydrodynamic and magnetic bearings, while the housing contains a hydraulic steering system that controls a conical outlet nozzle, a flow straightener and a plurality of diffuser blades.

Недостатками ближайшего аналога являются сложность конструкции и трудоемкость технического обслуживания из-за наличия нескольких статоров, нескольких гидродинамических и магнитных подшипников; сниженный коэффициент полезного действия из-за увеличенных зазоров между статорами и полым ротором, что обусловлено применением гидродинамических подшипников; сниженная экологичность из-за наличия гидравлической системы рулевого управления.The disadvantages of the closest analogue are the complexity of the design and the labor intensity of maintenance due to the presence of several stators, several hydrodynamic and magnetic bearings; reduced efficiency due to increased gaps between the stators and the hollow rotor, which is due to the use of hydrodynamic bearings; reduced environmental friendliness due to the presence of a hydraulic steering system.

Задачами настоящего изобретения являются повышение энергоэффективности и расширение функциональных возможностей для высокоскоростного перемещения плавучих объектов в жидкости с низким уровнем шума и вибраций.The objectives of the present invention are to improve energy efficiency and expand the functionality for high-speed movement of floating objects in liquid with low noise and vibration levels.

Технический результат заключается в повышении надежности конструкции и коэффициента полезного действия, снижении массогабаритных показателей, а также увеличении тяговых характеристик подводного движителя.The technical result consists in increasing the reliability of the design and efficiency, reducing the weight and size indicators, and increasing the traction characteristics of the underwater propulsion device.

Поставленная задача решается и указанный результат достигается тем, что подводный движитель, содержащий герметичный корпус, несколько радиальных статоров, рабочее колесо, состоящее из полого ротора с внутренними лопастями, расположенное соосно внутри радиальных статоров, выходное сопло, согласно изобретению радиальные статоры содержат многофазные зубцовые обмотки, на внешней поверхности полого ротора установлены индукторы с постоянными магнитами и высокооборотные керамические подшипники, а внутренняя поверхность полого ротора выполнена в виде конуса, на котором установлены импеллеры, блок силовой электроники установлен в герметичный корпус движителя, при этом между герметичным корпусом и внешней поверхностью полого ротора расположен герметизирующий узел с ферромагнитным уплотнителем, причем герметичный корпус содержит сферическую заслонку с возможностью управления выходным соплом.The stated problem is solved and the specified result is achieved by the fact that the underwater propulsion device contains a sealed housing, several radial stators, a working wheel consisting of a hollow rotor with internal blades, located coaxially inside the radial stators, an outlet nozzle, according to the invention the radial stators contain multiphase toothed windings, inductors with permanent magnets and high-speed ceramic bearings are installed on the outer surface of the hollow rotor, and the inner surface of the hollow rotor is made in the form of a cone on which impellers are installed, the power electronics unit is installed in the sealed housing of the propulsion device, wherein between the sealed housing and the outer surface of the hollow rotor there is a sealing unit with a ferromagnetic seal, wherein the sealed housing contains a spherical valve with the possibility of controlling the outlet nozzle.

Существо изобретения поясняется чертежом. На фиг.1 изображен высокооборотный подводный движитель. На фиг.2 представлены результаты моделирования высокооборотного подводного движителя.The essence of the invention is explained by the drawing. Fig. 1 shows a high-speed underwater propulsion device. Fig. 2 shows the results of modeling a high-speed underwater propulsion device.

Высокооборотный подводный движитель (Фиг. 1) включает в себя герметичный корпус 1, в котором в воздушной среде размещены блок силовой электроники 2, два радиальных статора, содержащие многофазные обмотки 3, полый ротор 4 с установленными на его внешней поверхности двумя индукторами с постоянными магнитами 5, керамические подшипники 6, импеллеры 7, установленные на внутренней конической поверхности полого ротора 4, герметизирующий узел с ферромагнитным уплотнителем 8, установленный между герметичным корпусом 1 и внешней поверхностью полого ротора 4, сферическую заслонку 9, связанную с выходным соплом 10, обеспечивающую управление им, и установленную на герметичном корпусе 1.A high-speed underwater propulsion device (Fig. 1) includes a sealed casing 1, in which a power electronics unit 2, two radial stators containing multiphase windings 3, a hollow rotor 4 with two inductors with permanent magnets 5 mounted on its outer surface, ceramic bearings 6, impellers 7 mounted on the inner conical surface of the hollow rotor 4, a sealing unit with a ferromagnetic seal 8 installed between the sealed casing 1 and the outer surface of the hollow rotor 4, a spherical valve 9 connected to the outlet nozzle 10, providing control thereof, and mounted on the sealed casing 1 are placed in an air environment.

Предложенное устройство работает следующим образом. Постоянное напряжение, подаваемое на вход блока силовой электроники 2 преобразуется в переменное напряжение на выходе из блока силовой электроники 2 и подается на радиальные статоры, содержащие многофазные обмотки 3, в которых за счет закона электромагнитной индукции создается вращающееся магнитное поле. Взаимодействие вращающегося магнитного поля радиальных статоров, содержащих многофазные обмотки 3 с индукторами с постоянными магнитами 5, обеспечивает создание вращающего момента, передаваемого на полый ротор 4 при помощи керамических подшипников 6, которые загерметизированны герметизирующим узлом с ферромагнитным уплотнителем 8.The proposed device operates as follows. The direct voltage supplied to the input of the power electronics unit 2 is converted into alternating voltage at the output of the power electronics unit 2 and is supplied to the radial stators containing multiphase windings 3, in which a rotating magnetic field is created due to the law of electromagnetic induction. The interaction of the rotating magnetic field of the radial stators containing multiphase windings 3 with inductors with permanent magnets 5 ensures the creation of a torque transmitted to the hollow rotor 4 using ceramic bearings 6, which are sealed by a sealing unit with a ferromagnetic seal 8.

Блок силовой электроники 2 коммутирует радиальные статоры, содержащие многофазные обмотки 3, в такой последовательности, при которой создаются встречно направленные вращающиеся магнитные поля, что обеспечивает встречное вращение индукторов с постоянными магнитами 5 полого ротора 4 и, соответственно, импеллеров 7, установленных на внутренней конической поверхности полого ротора 4. Это обеспечивает ускорение потока воды, проходящей через выходное сопло 10, управляемое сферической заслонкой 9.The power electronics unit 2 switches the radial stators containing the multiphase windings 3 in such a sequence that counter-rotating magnetic fields are created, which ensures the counter-rotation of the inductors with permanent magnets 5 of the hollow rotor 4 and, accordingly, the impellers 7 installed on the inner conical surface of the hollow rotor 4. This ensures the acceleration of the water flow passing through the outlet nozzle 10, controlled by the spherical valve 9.

Таким образом, требуемое движение обеспечивается наиболее эффективным способом для широкого диапазона скоростей посредством регулировки выходного сопла 10. Управление выходным соплом 10 обеспечивается сервоприводами (на фиг.1 не показаны) на подвижной опоре.Thus, the required movement is provided in the most efficient way for a wide range of speeds by adjusting the outlet nozzle 10. The control of the outlet nozzle 10 is provided by servo drives (not shown in Fig. 1) on a movable support.

Таблица сопоставительного анализа заявленного изобретения с ближайшим аналогом (импортозамещаемая техника).Table of comparative analysis of the claimed invention with the closest analogue (import-substituting technology).

Выполненные расчеты и проведенные лабораторные испытания показали, что предложенный движитель обладает низким уровнем шума (до 35 дБ), позволяет увеличить коэффициент полезного действия на 1-2% (90-97% против 89-95%), массу и габариты электрической машины на 1 кВт/кг (3-11 против 2-10) и тяговые характеристик на 1,5 кН (3,5 против 2).The calculations performed and laboratory tests conducted showed that the proposed propulsion system has a low noise level (up to 35 dB), allows to increase the efficiency by 1-2% (90-97% versus 89-95%), the mass and dimensions of the electric machine by 1 kW/kg (3-11 versus 2-10) and the traction characteristics by 1.5 kN (3.5 versus 2).

Помимо этого, при анализе полученных результатов моделирования (Фиг. 2), можно сделать вывод, что наиболее оптимальным режимом работы, заявляемого движителя с точки зрения его эффективности, является режим при скорости вращения ротора порядка 5000-8000 об/мин. В этом диапазоне зависимость показывает устойчивый рост.In addition, when analyzing the obtained simulation results (Fig. 2), it can be concluded that the most optimal operating mode of the claimed propulsion device from the point of view of its efficiency is the mode with a rotor speed of about 5000-8000 rpm. In this range, the dependence shows a steady increase.

Таким образом, предлагаемое конструктивное решение позволяет повысить надежность конструкции и коэффициент полезного действия, снизить массогабаритные показатели, а также увеличить тяговые характеристик подводного движителя, за счет упрощения конструкции подводного движителя, использования радиальных статоров, содержащих многофазные зубцовые обмотки и индукторов с постоянными магнитами в качестве привода.Thus, the proposed design solution allows to increase the reliability of the design and the efficiency, reduce the weight and size indicators, and also increase the traction characteristics of the underwater propulsion device, due to the simplification of the design of the underwater propulsion device, the use of radial stators containing multiphase toothed windings and inductors with permanent magnets as a drive.

Заявляемое изобретение также обеспечивает расширение функциональных возможностей подводного движителя, связанных с увеличением скорости потока воды и применения герметизирующих узлов с ферромагнитным уплотнителем.The claimed invention also provides for an expansion of the functional capabilities of the underwater propulsion device, associated with an increase in the speed of the water flow and the use of sealing units with a ferromagnetic seal.

Claims

An underwater propulsion device comprising a sealed housing, several radial stators, a working wheel consisting of a hollow rotor with internal blades, located coaxially inside the radial stators, and an outlet nozzle, characterized in that the radial stators contain multiphase toothed windings, inductors with permanent magnets and high-speed ceramic bearings are installed on the outer surface of the hollow rotor, and the inner surface of the hollow rotor is made in the form of a cone, on which impellers are installed, a power electronics unit is installed in the sealed housing of the propulsion device, wherein between the sealed housing and the outer surface of the hollow rotor there is a sealing unit with a ferromagnetic seal, wherein the sealed housing contains a spherical valve with the ability to control the outlet nozzle.