CN103434645A - 摆线桨两栖运输艇 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种摆线桨两栖运输艇，包括艇体和若干个摆线桨推进器；摆线桨推进器沿艇体对称面对称安装在艇体两侧，且摆线桨推进器桨叶处于艇体左右两侧外侧，摆线桨推进器的驱动装置处于艇体内；艇体包括艇身、乘员舱和起落架。本发明中摆线桨能够提供高效率的升力，使得运输艇可以脱离水面飞行，解决了现有气垫船在水面航行时阻力大的不足；而由于摆线桨相对螺旋桨具有更高的气动效率，用它作为推进装置和升力装置，可以节省能耗，提高运输艇的航程和载重；同时摆线桨滑流击打在海面或地面则会使得地效加强，增加摆线桨和艇体的升力；另外摆线桨具备全向矢量推力，运输艇可简单直接地实现垂直起降，增加了其运输机动性。

Description

摆线桨两栖运输艇

技术领域

本发明属于运输艇技术领域，具体为一种摆线桨两栖运输艇。

背景技术

水运高速化是世界船舶运输事业不可抗拒的浪潮，高速船是水运高速化的主角，高速船种类繁多，船型层出不穷，比较具有代表性的是气垫船和地效翼船。

气垫船是一种以空气在船只底部衬垫承托的交通工具，通常由安装在船体上的螺旋桨提供推力航行。气垫通常是由持续不断供应的低压气体形成，航行时因为船身被气垫支撑浮在水面，船体水阻得到减少，行驶速度比消耗同样功率的普通船只快。气垫船存在的不足在于：气垫虽然承托了船体，使得船体浸入水里的部分减少，但并未真正脱离水面，航行时气垫与水面形成的阻力较大，使得气垫船的航行速度受到了较大限制。

解决上述问题的一种有效办法是采用地效翼船。地效翼船利用地面效应原理而制成，其主要特征在于具有一定展弦比的机翼。利用机翼贴近水面运动时水面对气流的影响而产生表面效应，使机翼升阻比增加，既可以减少推进功率，又保持离开地面的航行。地效翼船虽然解决了船体与水面之间摩擦力很大的问题，能够脱离水面飞行，但具有以下不足：在飞行中船的自重完全由机翼升力提供，因此通常飞行速度不能过低；且机翼展长较大，使得其很难在陆地上的普通跑道上起降、行驶或低空飞行，大大限制了其两栖应用性。

发明内容

要解决的技术问题

为了解决现有气垫船不能脱离水面，阻力较大的不足，并克服现有地效翼船只能以较高速度航行，且很难在陆地上起降、行驶或低空飞行的局限，使得运输艇耗能少、机动灵活、噪音低，具备垂直起降能力及两栖运输能力，本发明提出了一种摆线桨两栖运输艇。

技术方案

摆线桨是一种新型推力装置，亦称直翼推进器，由两片以上桨叶组成，桨叶旋转轴线同桨叶平面平行，桨叶轨迹是圆周或者摆线，其具有安静、高效和推力方向瞬时可变等特点。

马里兰大学Jarugumilli T.,Benedict M.等人在49届AIAA宇航科学大会上发表了一篇摆线桨的文章。他们做了一系列的系统性实验，列举了大量的摆线桨测力试验数据，对摆线桨的桨叶翼型，俯仰控制角和桨叶数等参数进行了研究。他们发现，在相同桨盘面积下，经过优化的摆线桨气动效率要比传统的旋翼或者螺旋桨高很多（几乎高出一倍）。他们得到的关于摆线桨参数的结论有助于对摆线桨桨叶或者机构进行优化设计。详情见Jarugumilli T.,Benedict M.and Chopra,“Experimental Optimization andPerformance Analysis of a MAV Scale Cycloidal Rotor”,AIAA2011-821。

本发明的技术方案为：

所述一种摆线桨两栖运输艇，其特征在于：包括艇体和若干个摆线桨推进器；摆线桨推进器沿艇体对称面对称安装在艇体两侧，且摆线桨推进器桨叶处于艇体左右两侧外侧，摆线桨推进器的驱动装置处于艇体内；艇体包括艇身、乘员舱和起落架。

所述一种摆线桨两栖运输艇，其特征在于：艇身呈椭圆扁平外形，在艇身最前点的艇身纵向对称轴上开有艇舱舱盖；乘员舱位于艇身上部顶板上左右两侧边缘处；在乘员舱前部呈球面，在其上开有瞭望孔；艇身底部对称安装有若干个起落架。

有益效果

本发明的有益效果为：首先，由于摆线桨能够提供高效率的升力，使得运输艇可以脱离水面飞行，解决了现有气垫船在水面航行时阻力大的不足；而由于摆线桨相对螺旋桨具有更高的气动效率，用它作为推进装置和升力装置，可以节省能耗，提高运输艇的航程和载重；其次，本发明运输艇在掠海或近地飞行时，由于地面效应会形成一个气垫层，而摆线桨滑流击打在海面或地面则会使得地效加强，同时增加摆线桨和艇体的升力；另外，由于摆线桨具备全向矢量推力，推力装置和升力装置融为一体，运输艇可简单直接地实现垂直起降，增加了其运输机动性；无需安装传统地效翼船上的大型机翼，并具备起落架，因此不仅可在水面上或近地面飞行，也可在陆地上行驶，增强了其两栖运输能力；而摆线桨极低的噪音也使得本发明不仅可作为登陆艇等军用武器，也可用于观光、游览、运输等民用项目。

附图说明

图1：摆线桨推进器的结构示意图；

图2：偏心圆环定位机构的支撑部位结构示意图；

图3：桨叶支架与摆线桨叶片安装结构示意图；

图4：摆线桨叶片结构示意图；

图5：夹套结构示意图；

图6：左夹套结构示意图；

图7：右夹套结构示意图；

图8：摆线桨转轴示意图；

图9：控制拉杆示意图；

图10：偏心转动圆环俯视图；

图11：偏心转动圆环和偏心空心圆柱定位台剖视图；

图12：偏心转动圆环与控制拉杆的安装结构示意图；

图13：起落架俯视图

图14：起落架剖视图

图15：摆线桨两栖运输艇结构示意图；

图16：摆线桨两栖运输艇前视图；

图17：摆线桨两栖运输艇纵向剖视图

图18：偏心转动圆环偏转后，摆线桨叶片处于90°方位角的示意图；

图19：偏心转动圆环偏转后，摆线桨叶片处于左上方的示意图；

图20：偏心转动圆环偏转后，摆线桨叶片处于180°方位角的示意图；

图21：偏心转动圆环偏转后，摆线桨叶片处于左下方的示意图；

图22：偏心转动圆环偏转后，摆线桨叶片处于270°方位角的示意图；

图23：偏心转动圆环偏转后，摆线桨叶片处于右下方的示意图；

图24：偏心转动圆环偏转后，摆线桨叶片处于0°方位角的示意图；

图25：偏心转动圆环偏转后，摆线桨叶片处于右上方的示意图；

其中：1.艇身；2.摆线桨叶片；3.支架臂；5.摆线桨转轴；6.乘员舱；7.起落架连接板螺钉孔；8.艇舱舱盖；10艇身侧壁螺钉孔.；11.艇身底部螺纹孔；12.起落架连接板；13.起落架支撑轴；14.轮毂；15.轮胎轴承；16.轮胎；18.电机壳体；19.驱动电机；20.转轴轴承；21.摆线桨叶片小管梁；22.转轴轴承定位凸缘；23.偏心圆环定位机构支撑件；24.球形铰下安装凸台；25.拉杆球形铰链；26.辅助定位拉杆；27.控制拉杆；28.万向联轴器；30.偏心空心圆柱定位台；31.球形铰上安装凸台；32.夹套；33.摆线桨叶片蒙皮；34.摆线桨叶片翼肋；35.摆线桨叶片主管梁；36.摆线桨叶片主管梁安装轴承；37.摆线桨叶片小管梁球形铰球头；38.桨叶支架连接件；46.偏心转动圆环；47.球形铰球头安装孔；48.球形铰球头；49.控制拉杆限位槽；50.偏心圆环轴承挡圈；51.挡圈固定螺母；52.尼龙轴承；53.杆件；54.瞭望孔；55.电机壳体连接孔。

具体实施方式

下面结合具体实施例描述本发明：

本实施例中的摆线桨两栖运输艇，主要包括艇身1、乘员舱6和四个摆线桨推进器。

参照附图15，摆线桨两栖运输艇的艇体主要包括艇身1、乘员舱6和起落架。

参照附图15，艇身1为椭圆外形，呈扁平状，艇身1长度为20m,宽12m，艇身1壁厚0.4m,采用碳纤维复合材料制成。在距艇身1最前点4m处的艇身1纵向对称轴上开有一个直径3m的艇舱舱盖8；而艇身内部空间构成艇舱，用于放置驱动电机19和安装各种电缆，也可用于安放部分货物。艇舱舱盖8平时处于闭合状态，若需要对内部设备进行维护，则工作人员可以打开艇舱舱盖8进入艇舱。在艇身1左右两侧壁板上开有16个艇身侧壁螺钉孔10，用以通过螺钉将摆线桨推进器固定在艇身1上；在艇身1左右两侧壁板上还开有方孔，用以使得电机壳体18等零件穿过艇身1的侧壁；在艇身1底部沿纵向对称轴对称开有8个艇身底部螺纹孔11，用以通过螺钉将起落架固定在艇身1底部。

参照附图16，乘员舱6位于艇身1上部顶板上左右两侧边缘处，乘员舱6呈近似圆弧形，长12m，宽4m，高3m，壁厚0.2m，采用碳纤维复合材料制成；为了减小阻力，在乘员舱6前部呈球面，在其上开有瞭望孔54，瞭望孔54呈近似椭圆形，宽0.8m，高0.3m。两个乘员舱之间的艇身上部可以用来搭载物资装备。

参照附图13、附图14、附图16、附图17，在艇身1底部沿艇身1横向对称轴对称安装有4个起落架，起落架通过螺钉连接固定在艇身1底部上。起落架采用合金钢制成，包括起落架连接板12，起落架支撑轴13，轮毂14。起落架支撑轴13轴径0.3m，高1.4m。起落架支撑轴13的一端是起落架连接板12，宽0.6m,长1.2m，在起落架连接板上开有起落架连接板螺钉孔7，孔径与位置与艇身底部的螺纹孔相同。起落架支撑轴13的另一端是轮毂14，轮毂14直径为0.2m，长1.4m,轮毂14上套有轮胎轴承15，两端开有螺纹孔，轮胎轴承15外径0.4m，内径0.2m,厚度0.3m，轮胎轴承15与轮胎16内壁套紧。轮胎16直径1m,厚度0.3m。安装时，将螺钉拧进轮毂14两端的螺纹孔，螺帽压紧在轮胎轴承15外侧，这样即可保证轮胎轴承15和轮胎16的定位。

参照附图16、附图17，摆线桨推进器沿运输艇艇身1对称面对称安装在艇身1横向左右两侧，且摆线桨叶片2处于艇体两侧壁外侧，摆线桨推进器的驱动装置处于艇身1内部，其中摆线桨推进器的驱动装置壳体通过螺钉连接固定在艇身1两侧壁板上，本实施例中采用驱动电机19作为摆线桨推进器的驱动装置。

摆线桨推进器方案采用申请号为201210021131.9的专利中的设计方案。

参照附图1，摆线桨推进器包括摆线桨叶片2，桨叶支架、摆线桨转轴5、驱动电机19和偏心圆环定位机构。所述驱动电机19固定在电机壳体18内，驱动电机的功率输出端穿过电机壳体中间壁板后，与摆线桨转轴5的一端通过万向联轴器28连接。参照附图2，摆线桨转轴与电机壳体上壁板通过转轴轴承20配合，并且在摆线桨转轴上有转轴轴承定位凸缘22，转轴轴承定位凸缘压在转轴轴承上，实现了摆线桨转轴的轴向定位。在电机壳体上壁板上还固定有偏心圆环定位机构支撑件23用于支撑偏心圆环定位机构，参照附图2，偏心圆环定位机构支撑件为环形，且偏心圆环定位机构支撑件的中心轴线与摆线桨转轴5的中心轴线重合，在偏心圆环定位机构支撑件上沿圆周方向均匀分布有四个球形铰下安装凸台24，每个球形铰下安装凸台上都固定有一个球形铰球头，用于与偏心圆环定位机构中的辅助定位拉杆26采用球头铰链配合。

参照附图3，摆线桨转轴另一端与桨叶支架中心的桨叶支架连接件38固定连接，且摆线桨转轴垂直于桨叶支架平面，桨叶支架连接件38与桨叶支架螺钉固定连接；桨叶支架包括支架臂和夹套，桨叶支架采用铝合金制造，支架臂呈均匀发散形分布，本实施例中，桨叶支架包括四个支架臂，四个支架臂呈十字形分布，每个支架臂的外端都固定有一个夹套32。参照附图5至附图7，夹套32分为左夹套和右夹套，夹套内表面有轴承安装弧形槽，左夹套和右夹套通过螺钉固定。夹套内表面的轴承安装弧形槽与摆线桨叶片主管梁35上的摆线桨叶片主管梁安装轴承36配合，既实现了夹套与摆线桨叶片主管梁的转动配合，又实现了支架臂在摆线桨叶片主管梁上的轴向定位，摆线桨叶片既可以随着桨叶支架一起公转，又可以绕着摆线桨叶片主管梁自由转动。

参照附图4，摆线桨叶片2采用NACA0015对称翼型的矩形翼面；摆线桨叶片个数与支架臂个数相同；在摆线桨叶片表面覆盖有碳纤维复合材料制造的摆线桨叶片蒙皮33；摆线桨叶片的弦长为200mm，翼展为750mm，展弦比为2，摆线桨叶片内均布六片相互平行的摆线桨叶片翼肋34，并且在摆线桨叶片翼肋上距前缘点30mm和70mm处有贯通的管梁孔，摆线桨叶片主管梁35和摆线桨叶片小管梁21分别穿过各摆线桨叶片翼肋的管梁孔。摆线桨叶片主管梁35的轴向中部安装有摆线桨叶片主管梁安装轴承36，摆线桨叶片主管梁安装轴承与夹套的轴承安装弧形槽配合，使得摆线桨叶片得以固定在桨叶支架上，随桨叶支架一起转动。摆线桨叶片小管梁与摆线桨叶片主管梁都平行于摆线桨转轴，摆线桨叶片小管梁外伸段下端固定有摆线桨叶片小管梁球形铰球头37，用于与偏心圆环定位机构中的控制拉杆27一端采用球头铰链配合。

参照附图1，偏心圆环定位机构包括四根控制拉杆27、偏心转动圆环46、偏心空心圆柱定位台30和四根辅助定位拉杆26。

控制拉杆与辅助定位拉杆结构相同，为铝合金杆件，均由杆件53和拉杆球形铰链25组成，如附图9所示，杆件53两端与拉杆球形铰链25同轴螺纹连接配合，拉杆球形铰链25用于与球头采用球头铰链配合。

参照附图10，偏心转动圆环46一侧面上沿圆周方向均匀分布有四个带内螺纹的球形铰球头安装孔47，球形铰球头固定在球形铰球头安装孔47内，用于与控制拉杆27的另一端采用球头铰链配合。在其中一个球形铰球头安装孔47的外缘处有凸出的控制拉杆限位槽49，用于卡住其中一根控制拉杆杆件，使偏心转动圆环46随摆线桨一起转动。

参照附图11，偏心转动圆环另一侧面与偏心空心圆柱定位台30一端面通过尼龙轴承52配合，并通过偏心圆环轴承挡圈50将尼龙轴承52限位。偏心转动圆环与偏心空心圆柱定位台同轴，偏心转动圆环相对与偏心空心圆柱定位台可自由转动。偏心空心圆柱定位台与外部舵机连接，外部舵机用于调整偏心空心圆柱定位台的轴线位置。在偏心空心圆柱定位台另一端面上沿圆周方向均匀分布有四个球形铰上安装凸台31，每个球形铰上安装凸台上固定有一个球形铰球头，用于与偏心圆环定位机构中的辅助定位拉杆26采用球头铰链配合。

偏心转动圆环和偏心空心圆柱定位台套在摆线桨转轴上，辅助定位拉杆两端的拉杆球形铰链分别与球形铰下安装凸台和球形铰上安装凸台的球形铰球头配合，四个辅助定位拉杆组成的复合式平行四边形机构可以实现偏心圆环定位机构的轴向定位，并保证偏心转动圆环和偏心空心圆柱定位台轴线与摆线桨转轴轴线平行；而控制拉杆两端的拉杆球形铰链分别与偏心转动圆环球形铰球头安装孔内的球形铰球头和摆线桨叶片小管梁球形铰球头配合，实现摆线桨叶片带动偏心转动圆环转动。

所述偏心圆环定位机构中的偏心指的是偏心转动圆环的中心轴线与摆线桨转轴的中心轴线平行但不重合，存在偏心距。如图12所示，在外部伺服舵机的作用下，偏心空心圆柱定位台带动偏心转动圆环改变位置，从而产生偏心距，偏心距不为0时，摆线桨叶片在控制拉杆27的控制下将做周期性俯仰运动，从而产生矢量拉力，外部伺服舵机调节偏心距大小或者由驾驶员操纵改变驱动电机19的转速，则可以产生不同大小的拉力，为摆线桨两栖运输艇在不同飞行速度状态下提供升力。而通过调节偏心转动圆环46的偏心方位角，则可以控制摆线桨产生拉力合力的方向，从而改变水平拉力分量和升力分量的大小，实现不同前飞速度的需要；而飞行过程中艇体底面与地面或者海面之间由于地面效应也会形成一个类似气垫的气流层，可以为摆线桨两栖运输艇带来附加升力。

为了克服摆线桨自身旋转带来的扭矩，艇身左右两侧的摆线桨相互对转，如：左侧的两个摆线桨为顺时针转动，则右侧两个摆线桨为逆时针转动。由于四个摆线桨推进器在运输艇上是对称安装的，为了清楚描述，以其中一个摆线桨推进器为例进行分析：假设偏心转动圆环46在伺服舵机或者驾驶员的操纵下，偏移到摆线桨转轴5圆心的正下方，且摆线桨转盘按逆时针方向转动，在图18中，当摆线桨叶片2运动到90°方位时，在控制拉杆27的拉动下，摆线桨叶片2弦线与线速度方向将产生正攻角，升力方向为正上方；图19中，摆线桨叶片2运动到左上方，在控制拉杆27的拉动下，摆线桨叶片2仍然相对其线速度方向有正攻角，升力方向为左上方；图20中，当摆线桨叶片2运动到180°方位时，摆线桨叶片2的弦线与线速度方向平行，不产生升力；图18中，当摆线桨叶片2运动到左下方时，摆线桨叶片2在控制拉杆27的推动下，相对其线速度方向产生正攻角，升力方向为右上方；图21中，当摆线桨叶片2运动到270°方位时，控制拉杆27推动摆线桨叶片2，使其相对线速度方向产生正攻角，升力方向为正上方；图23中，当摆线桨叶片2运动到右下方时，控制拉杆27推动摆线桨叶片2，使其产生正攻角，升力方向为左上方；图24中，当摆线桨叶片2运动到0°方位时，控制拉杆27使摆线桨叶片2的弦线与其线速度方向平行，摆线桨叶片2不产生升力；图25中，当摆线桨叶片2运动到右前方时，控制拉杆27拉动摆线桨叶片2，使其抬头，升力方向为右上方。通过一个摆线桨叶片2绕圆周一周产生的升力的分析可以看出，摆线桨叶片2在0度和180度方位时，升力为0，在其他方位时，总是能产生正上方的升力分量。因此当偏心转动圆环46向后位移时，随着摆线桨的转动，摆线桨叶片2的合力方向将是正上方。由于偏心圆环46的偏心距方向是可以调节的，因此四个摆线桨叶片2的合力方向也是可以调节的，从而提供不同方向的矢量推力，控制运输艇的飞行状态；或者通过驾驶员发指令使得运输艇左侧两个和右侧两个摆线桨的电机19的转速不同，则每侧摆线桨产生的水平拉力分量大小不同，也可以产生偏航力矩，控制运输艇的偏航；而通过调节摆线桨的偏心转动圆环46的偏心距，或者驾驶员发出指令改变电机19的转速，则可以快速调节合力的大小，满足不同的飞行速度要求。

摆线桨叶片2的最大攻角不超过40度，偏心转动圆环偏心距的最大值为摆线桨叶片主管梁35轴线与摆线桨叶片小管梁21轴线之间距离的0.69倍，以避免摆线桨叶片2失速和机构振动、卡滞。

Claims (2)

1.一种摆线桨两栖运输艇，其特征在于：包括艇体和若干个摆线桨推进器；摆线桨推进器沿艇体对称面对称安装在艇体两侧，且摆线桨推进器桨叶处于艇体左右两侧外侧，摆线桨推进器的驱动装置处于艇体内；艇体包括艇身、乘员舱和起落架。

2.根据权利要求1所述一种摆线桨两栖运输艇，其特征在于：艇身呈椭圆扁平外形，在艇身最前点的艇身纵向对称轴上开有艇舱舱盖；乘员舱位于艇身上部顶板上左右两侧边缘处；在乘员舱前部呈球面，在其上开有瞭望孔；艇身底部对称安装有若干个起落架。

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