CN101234669A - 扭矩平衡集成式水下推进装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种扭矩平衡集成式水下推进装置。包括驱动主机(1)、固定在桨毂(3)的螺旋桨叶(2)，桨毂(3)安装在驱动主机的传动轴上，驱动主机通过整体固定架(8)安装在运载器主体上，螺旋桨叶的外面设置有导管(4)、导管内分布有一端与导管固联另一端与支架固定毂(6)固联的导管支架(5)，导管通过导管固定架(7)固定在驱动主机外壳上。本发明的效果和益处是，结构简单，易于实现，平衡扭矩效果明显，便于安装，通用性好，且可以间接提高推进效率，特别适用于横向尺度受限的或细长回转体载体的水下微小型运载器。

Description

扭矩平衡集成式水下推进装置

(一)技术领域

本发明涉及的是一种水下舰艇的推进装置，特别是一种微小型水下运载器的扭矩平衡水下推进装置。

(二)背景技术

微小型水下运载器一般采用螺旋桨推进器作为其推进装置。螺旋桨由固定在桨毂上的若干桨叶组成，相邻叶片间隔的角度相等。当螺旋桨转动时，桨叶拨水向后，自身受到水流的反作用力而产生推力。螺旋桨构造简单、造价低廉、使用方便、效率较高，当前水面和水下运载器多采用螺旋桨作为推进器。

螺旋桨旋转时，水流对其的反作用力不仅会使螺旋桨产生推力，而且还会使螺旋桨产生扭矩，而扭矩正是主机驱动螺旋桨旋转所要克服的。由于驱动主机安装在运载器上，所以螺旋桨旋转产生的扭矩最终需要运载器来克服。对于水面舰船、大中型水下运载器，由于相对螺旋桨运载器主体的尺度很大，来自螺旋桨的扭矩对其影响很小，常可忽略不计，所以，在设计螺旋桨推进器时不需要考虑扭矩的影响；而对于微小型水下运载器特别是细长回转体载体的运载器，由于相对螺旋桨运载器载体的尺度很小，运载器横向尺度往往是和螺旋桨尺度处于同一量级，这样螺旋桨旋转所带来的扭矩就会使运载器产生明显的横倾，从而改变运载器的运动姿态，进而影响运载器的正常工作状态甚至威胁其生命力，所以，在微小型水下运载器的推进器设计过程中就必须考虑扭矩的影响。

目前，平衡螺旋桨扭矩的方法主要有两种，一种是应用对转螺旋桨来解决这一问题。对转螺旋桨是两只普通螺旋桨分别装于两根同心轴上，并以等速或不等速反向转动，因为两只螺旋桨旋转方向相反，所以它们产生的扭矩方向也相反，这样两只螺旋桨旋转产生的扭矩就可以达到相互平衡，以消除使运载器横倾的扭矩。对转螺旋桨广泛应用于鱼雷推进方面，效果良好。但是，对转螺旋桨传动装置复杂，体积与重量较大，造价高，对于体积小、重量轻、操纵性要求高的微小型水下运载器，不适宜选取对转螺旋桨作为其推进装置。另一种解决办法是在一台微小型水下运载器上采用多个螺旋桨推进器，使它们的扭矩相互平衡，如在纵向上采用左右布置的两套相同的螺旋桨推进器作为主推进装置，如果螺旋桨的旋向相反，则可以达到平衡扭矩的目的。但是，微小型水下运载器一般能源有限，体积形状也受到限制，不适合采用多个推进器。

因此，研发一种新的适用于微小型水下运载器的扭矩平衡水下推进装置是很有工程意义的。

一个美国专利(U.S.Patent 5445105)所述的水下推进器是基于扭矩平衡原理设计的，该推进器在螺旋桨后方加装了与螺旋桨叶旋向相反的固定导叶片来平衡螺旋桨旋转带来的扭矩。但该专利所述的推进器为非集成式，其固定导叶安装在运载器尾部与运载器成为一整体，其产生的反扭矩要直接作用在运载器上，即螺旋桨扭矩和与其平衡的反扭矩都要传递到运载器主体上而互相平衡，故每个运载器均需要单独设计该专利所述的推进器，其通用性差；其次，该专利所述推进器的螺旋桨由一根空心轴连接在驱动主机上，空心轴内还有附加的传动轴，使推进机构庞大复杂笨重且易磨损，不适宜作为微小型水下运载器的推进器；再次，该专利的固定导叶半径小于螺旋桨半径，不利于充分利用螺旋桨的旋转来流，特别是不能利用螺旋桨叶梢产生的梢涡，对于平衡扭矩和提高效率不利。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种在设计工况工作时对其推进的运载器不产生横向扭矩的扭矩平衡集成式水下推进装置。

本发明的目的是这样实现的：本发明包括驱动主机1、固定在桨毂3的螺旋桨叶2，桨毂3安装在驱动主机的传动轴上，驱动主机通过整体固定架8安装在运载器主体上，螺旋桨叶的外面设置有导管4、导管内分布有一端与导管固联另一端与支架固定毂6固联的导管支架5，导管通过导管固定架7固定在驱动主机外壳上。

本发明还可以包括这样一些结构特征：

1、所述的导管支架是直叶式导管支架，其展向各横剖面的攻角相同。

2、所述的导管支架是扭曲式导管支架，其展向各横剖面的攻角各不相同。

3、所述的导管为短导管，其长度为螺旋桨直径的1/4，剖面翼型为JD7704，导管支架剖面弦长为导管长度的1/3，剖面翼型为NACA0018。

工作时，主机通过传动轴驱动螺旋桨旋转，螺旋桨推水向后，同时受到水流对其的反作用力和扭矩M，螺旋桨通过传动轴将扭矩M传递给主机外壳；水流经螺旋桨推动向后运动，通过导管的整流加速作用流向横剖面为翼型的导管支架，导管支架受到水流的作用而产生扭矩m，导管支架通过导管和导管固定架将扭矩m传递给连在导管固定架上的驱动主机外壳；则驱动主机外壳受到了扭矩M和扭矩m的作用，若M与m等值反向，则推进器的整体输出净扭矩为零，即运载器主体受到的推进器对其的净扭矩为零，从而达到扭矩平衡的目的。

本发明的工作原理是：

考虑螺旋桨在来流Vp中以角速度ω旋转。结合图8，Ua和Ut为螺旋桨对水流的诱导速度，它们与Vp、ω的合速度为螺旋桨叶元体真正的进流速度Vr。则螺旋桨叶元体所受的升力方向与Vr垂直，大小为dL1。升力dL1可分解为叶元体的推力分量dT1与叶元体受到的周向力分量dF1两项，dF1使得螺旋桨产生横向扭矩，设为M1。结合图9，水流经螺旋桨盘面后，获得加速及旋转作用，则螺旋桨后方的导管支架的叶元体的进流速度为V。导管支架叶元体所受的升力为dL2，如图。升力dL2可分解为推力分量dT2与周向力分量dF2两项，dT2与dT1同向，增加了推进器整体的推力；dF2使得导管支架产生横向扭矩，设为M2。由dF1、dF2的方向可知，M1与M2的方向是相反的，若调整螺旋桨及导管支架的设计参数，使推进器在设计工况下M1、M2的大小相等，因为M1、M2最终都要传递到驱动主机的外壳上，那么M1、M2在驱动主机外壳上将互相平衡，最终可使推进器整体不产生扭矩。

本发明的实质是，通过导管和导管支架的整流作用，使螺旋桨转动诱导的水流旋转周向速度消失，最终水流经过推进器整体后，只是获得了航速反方向的加速，而没有对推进器整体产生周向反作用力，即不会使推进器整体产生扭矩。

从能量方面考虑，由于水流旋转的能量不存在了，其必然转化为水流的流速方面的动能，则推进器的推力也可相应增加，效率也可提高，故本发明还可以间接提高推进器的推进效率。

本发明的导管支架有两种形式：直叶式导管支架和扭曲式导管支架。其中，直叶式导管支架展向各横剖面的攻角相同；扭曲式导管支架展向各横剖面的攻角各不相同。

本发明的效果和益处是，结构简单，易于实现，平衡扭矩效果明显，便于安装，通用性好，且可以间接提高推进效率，特别适用于横向尺度受限的或细长回转体载体的水下微小型运载器。

(四)附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是导管及导管支架的结构示意图；

图3是图2的A-A剖视图；

图4是直叶式导管支架俯视图；

图5是导管及直叶式导管支架示意图；

图6扭曲式导管支架俯视图；

图7是导管及扭曲式导管支架示意图；

图8是螺旋桨叶元体的受力图；

图9是导管支架叶元体的受力图。

(五)具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1，本发明所述的装置包括驱动主机1、螺旋桨叶2、桨毂3、导管4、导管支架5、支架固定毂6、导管固定架7整体固定架8、和螺孔9。其中，驱动主机1内部的传动轴与桨毂3销键配合形成一体，螺旋桨叶2与桨毂3铸成一体，导管支架5一端与支架固定毂6焊接或铸接、另一端焊接或铸接在导管4上支撑住导管4，导管固定架7一端用螺栓固定在导管4上、另一端用螺栓箍住固定在驱动主机1外壳上，整体固定架8一端用螺栓箍住固定在驱动主机1外壳上、另一端用螺栓与运载器主体相连接。

实施方案中，驱动主机采用直流无刷水密耐压电机；螺旋桨采用三叶桨，桨叶的剖面翼型可选用新翼型或已有翼型；桨毂与桨叶铸(焊)成一体，无毂帽；螺旋桨及桨毂采用碳纤维材料制造；导管为短导管，其长度为螺旋桨直径的1/4，剖面翼型为JD7704，导管制造材料为铝合金；导管支架剖面弦长为导管长度的1/3，剖面翼型为NACA0018，其安装角度(即攻角)需理论设计，导管支架制造材料为铝合金，导管支架与导管铸(焊)成一体；支架固定毂对应导管支架尺寸与导管支架铸(焊)成一体，外形为毂帽形，与螺旋桨毂呈流线型过渡，制造材料为铝合金；导管固定架尺寸按照导管与驱动主机之间的空间几何关系设计，其一端用螺栓固定在导管上、另一端用螺栓箍住固定在驱动主机外壳上，固定架三根支架为矩形薄板、箍住驱动主机外壳部分为一带螺孔的薄圆环，导管固定架制造材料为铝合金；整体固定架尺寸按照驱动主机与运载器的空间几何关系设计，其一端用螺栓与运载器固定、另一端用螺栓箍住固定在驱动主机外壳上，整体固定架外形与导管固定架相同、制造材料为铝合金。

以下列出推进装置拆卸步骤，装配步骤自后向前操作即可。

1.断开驱动主机1电源，脱开整体固定架8上与运载器相接端的6个螺栓，在运载器上取下推进装置；

2.脱开整体固定架8上箍在驱动主机1外壳一端的6个螺栓，将整体固定架8与推进装置脱离；

3.脱开导管固定架7上与导管4相连一端的6个螺栓，将导管4、导管支架5、支架固定毂6与推进装置脱离；

4.将桨毂3与驱动主机1的传动轴的销键配合分开，使桨毂3从驱动主机1的传动轴上推出，则螺旋桨2、桨毂3与驱动主机1分离；

5.脱开导管固定架7上箍在驱动主机1外壳一端的6个螺栓，将导管固定架7与驱动主机1分离，至此，分解完毕。

Claims (4)

1、一种扭矩平衡集成式水下推进装置，包括驱动主机(1)、固定在桨毂(3)的螺旋桨叶(2)，桨毂(3)安装在驱动主机的传动轴上，驱动主机通过整体固定架(8)安装在运载器主体上，其特征是：螺旋桨叶的外面设置有导管(4)、导管内分布有一端与导管固联另一端与支架固定毂(6)固联的导管支架(5)，导管通过导管固定架(7)固定在驱动主机外壳上。

2、根据权利要求1所述的扭矩平衡集成式水下推进装置，其特征是：所述的导管支架是直叶式导管支架，其展向各横剖面的攻角相同。

3、根据权利要求1所述的扭矩平衡集成式水下推进装置，其特征是：所述的导管支架是扭曲式导管支架，其展向各横剖面的攻角各不相同。

4、根据权利要求1、2或3所述的扭矩平衡集成式水下推进装置，其特征是：所述的导管为短导管，其长度为螺旋桨直径的1/4，剖面翼型为JD7704，导管支架剖面弦长为导管长度的1/3，剖面翼型为NACA0018。

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