CN103523192B - 采用喷水推进技术的水下航行器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用喷水推进技术的水下航行器，包括水下推进装置（10）和控制系统；所述水下推进装置（10）包括从左到右依次设置的尾部（13）、进水盘（11）和头部（12）；所述尾部（13）和头部（12）上分别设置有提供推进动力的喷射口；所述的进水盘（11）上设置有吸水的进水口和将吸入的水转换成高压水流的高压泵，所述的高压泵分别通过管道与喷射口相连接；所述喷射口上的推进动力通过高压泵转换的高压水流提供；所述进水盘入水口（110）的口径大于喷射口的口径；所述的喷射口与高压泵出水口（115）之间的管道上设置有电磁阀；所述高压泵和水量控制装置均与控制系统相互连接。

Description

采用喷水推进技术的水下航行器

技术领域

本发明涉及一种航行器，尤其是一种采用喷水推进技术的水下航行器。

背景技术

近年来，人类对海洋的探索不断深入，逐步发展了一批用于海洋湖泊探测研究用的设备。水下航行器就是其中最具代表性的一种海洋探测装置，广泛应用于国防、海岸警卫、海事、海关、核电、水电、海洋石油、渔业、海上救助、管线探测和海洋科学研究等领域。水下航行器根据其工作性质，要求在作业过程中姿态稳定，并且具有快速灵活的轨迹与姿态调节能力。水下航行器的轨迹和姿态的调节与控制，需要具备前进、后退、左转、右转、上升、下潜六种运动功能，是水下航行器快速平稳的按照预定的姿态和轨迹运动到预定的坐标点。

目前，水下航行设备的推进设备基本都是采用改进的螺旋桨，分为对转螺旋桨和导管螺旋桨两类。对转螺旋桨是由布置在同一轴线上的一对螺旋桨组成，两个螺旋桨分别位于内外轴上，工作是转速相反，可以部分或完全抵消周向的滚动力，利于载体控制。导管螺旋桨是在螺旋桨的外周安装一个固定的导管，改变传统螺旋桨周围的流场分布，提高效率。虽然有改进的螺旋桨，但螺旋桨作为推进装置，主要存在两个问题：

一是效率低。螺旋桨依靠叶轮的高速旋转产生对水的作用力，水的反作用力包括轴向作用力和径向作用力，轴向作用力给航行器提供推进力，径向作用力则是无用的扭矩，作无用功，降低了推进效率；

二是航速限制。在航速较高时，螺旋桨的叶轮处于周期性的攻角变化和负荷变化，与水体摩擦，易出现空化效应，产生空泡和空蚀现象，产生噪声和液体振动，消耗能量，影响寿命和可靠性。

螺旋桨推进存在固有的不足，需要寻找新的推进方案用于水下航行器。

在海洋工程领域，推进技术除了螺旋桨推进技术，还有喷水推进技术、仿生推进技术。专利CN102225702A公布了一种仿水母式水下推进装置，适用于低速航行，噪音小的小型船舶；专利CN102795325A公布了一套船用喷水推进装置，使用于气液两相推进的中高速船舶；专利CN1278503A公布了一种无噪音潜水艇压水式喷水推进器，布置两个水缸，一水缸吸水，另一水缸将水压出喷水。缺点在于吸水和压水结构复杂。

本发明从船舶喷水推进技术得到启发，将喷水推进技术应用到水下航行器上。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种结构简单的采用喷水推进技术的水下航行器。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种采用喷水推进技术的水下航行器，包括水下推进装置和控制系统；所述水下推进装置包括从左到右依次设置的尾部、进水盘和头部；所述尾部和头部上分别设置有提供推进动力的喷射口；所述的进水盘上设置有吸水的进水口和将吸入的水转换成高压水流的高压泵，所述的高压泵分别通过管道与喷射口相连接；所述喷射口上的推进动力通过高压泵转换的高压水流提供；所述进水盘入水口的口径大于喷射口的口径；所述的喷射口与高压泵出水口之间的管道上设置有电磁阀；所述高压泵和水量控制装置均与控制系统相互连接。

作为对本发明所述的采用喷水推进技术的水下航行器的改进：所述水下推进装置的纵向尺寸与横向尺寸的比值大于等于2。

作为对本发明所述的采用喷水推进技术的水下航行器的进一步改进：所述喷射口的数量至少为六个；所述六个喷射口依次分布在尾部的中间，头部的中间，尾部或者头部的上侧，尾部或者头部的下侧，尾部或者头部的左侧，尾部或者头部的右侧。

作为对本发明所述的采用喷水推进技术的水下航行器的进一步改进：所述进水盘入水口呈圆周开口；所述进水盘入水口上设置有防护栏。

作为对本发明所述的采用喷水推进技术的水下航行器的进一步改进：所述水量控制装置为开关电磁阀，所述控制系统包括控制器、电机驱动器、电磁阀驱动器以及供电模块；所述控制器分别和电机驱动器以及电磁阀驱动器相连接，所述电磁阀驱动器分别和开关电磁阀相连接；所述电机驱动器与高压泵的电动机相连接；所述供电模块分别和控制器、电机驱动器、电磁阀驱动器、电动机以及开关电磁阀电连接。

作为对本发明所述的采用喷水推进技术的水下航行器的进一步改进：所述控制器是具有数值运算能力和逻辑运算能力的可编程集成电子元器件；包括51单片机、PIC单片机、AVR单片机、ARM或者DSP为核心器件的控制器。

作为对本发明所述的采用喷水推进技术的水下航行器的进一步改进：所述电动机为直流电机，包括有刷直流电机、无刷直流电机以及直流伺服电机。

本发明的采用喷水推进技术的水下航行器相比螺旋桨推进的水下航行器，机构简洁，而流线型设计的外观，不仅仅美观，而且流线型的外壳设计使得在水中运动时，受水阻力更加的小，由此，可以提高推进效率，同时增加水下运动的灵活性，能够很好的满足水下航行器灵活便捷的控制条件，确保其在作业过程中姿态稳定，并且具有快速灵活的轨迹调节与姿态调节能力。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

图1是本发明的主要结构示意图；

图2是图1中的A-A向的剖视图；

图3是图1中的进水盘11的立体示意图；

图4是图1中的B-B向的剖视图；

图5是图1中的喷水推进系统的管路系统图；

图6是图1中喷水推进系统的电控系统图。

具体实施方式

实施例1、图1～图6给出了一种采用喷水推进技术的水下航行器，包括水下推进装置10和控制系统；水下推进装置10包括从左到右依次设置的尾部13、进水盘11和头部12。

进水盘11为采用高分子复合材料制成的圆柱形盘，在进水盘11的圆柱面上设置有进水盘入水口110，在进水盘11内设置有高压泵111，高压泵111的泵进水口113与进水盘入水口110相连通；进水盘入水口110呈圆周开口，这种采用圆周开口的入水具有进水量大，进水均匀，进水水流压力相互抵消等特点；而由于采用的是高分子复合材料，所以水头阻力小，不会被海洋生物堵塞，进水盘入水口110上设置有翻护栏，进一步的增加对海洋内异物的抵抗能力，防止异物进入进水盘11而造成进水盘部件的损坏；在本发明中，如图3和图4所示，采用了八个进水盘入水口110围绕进水盘11的圆周面均匀分布的方式。

尾部13和头部12均采用硬质铝合金，尾部13和头部12上设置有喷射口，喷射口的数量至少为六个，即向左方向、向右方向、向上方向、向下方向、向前方向以及向后方向六个至少各一个；如在尾部13的左端设置一个向左方向的喷射口，在头部12的右端设置一个向右方向的喷射口，在头部12或者尾部13的上端设置向上方向的喷射口，在头部12或者尾部13的下端设置向下方向的喷射口，在头部12或者尾部13的前端设置向前方向的喷射口，在头部12或者尾部13的后端设置向后方向的喷射口。依靠六个方向的喷射口喷射出强力的水流作为动力，就可以驱动航行器的航行。

如图1和图2所示，采用了六个喷射口，即在尾部13的正中位置设置一个后侧喷射口Ⅱ2，在头部12的正中位置设置一个前侧喷射口Ⅰ1，在尾部13的上侧面设置一个上侧喷射口Ⅳ4，在尾部13的下侧面设置一个下侧喷射口Ⅲ3，在尾部13的左侧面设置一个左侧喷射口Ⅴ5，在尾部13的右侧面设置一个右侧喷射口Ⅵ6。

高压泵111的泵出水口112分别与喷射口之间通过管道想连接，即泵出水口112分别和前侧喷射口Ⅰ1、后侧喷射口Ⅱ2、下侧喷射口Ⅲ3、上侧喷射口Ⅳ4、左侧喷射口Ⅴ5和右侧喷射口Ⅵ6之间通过管道相互连接。

为确保高压泵111内的水流不会出现气泡，在实际的生产过程中，需要确保喷射口的口径小于进水盘入水口110的口径，即前侧喷射口Ⅰ1、后侧喷射口Ⅱ2、下侧喷射口Ⅲ3、上侧喷射口Ⅳ4、左侧喷射口Ⅴ5和右侧喷射口Ⅵ6的口径之和小于八个进水盘入水口110的口径之和。

在高压泵111的泵出水口112与前侧喷射口Ⅰ1、后侧喷射口Ⅱ2、下侧喷射口Ⅲ3、上侧喷射口Ⅳ4、左侧喷射口Ⅴ5和右侧喷射口Ⅵ6之间的管道上分别设置有开关电磁阀，如图5所示，开关电磁阀Ⅰ21、开关电磁阀Ⅱ22、开关电磁阀Ⅲ23、开关电磁阀Ⅳ24、开关电磁阀Ⅴ25和开关电磁阀Ⅵ26分别对应的设置在泵出水口112与前侧喷射口Ⅰ1之间的管道、泵出水口112与后侧喷射口Ⅱ2之间的管道、泵出水口112与下侧喷射口Ⅲ3之间的管道、泵出水口112与上侧喷射口Ⅳ4之间的管道、泵出水口112与左侧喷射口Ⅴ5之间的管道和泵出水口112与右侧喷射口Ⅵ6之间的管道上；开关电磁阀Ⅰ21、开关电磁阀Ⅱ22、开关电磁阀Ⅲ23、开关电磁阀Ⅳ24、开关电磁阀Ⅴ25和开关电磁阀Ⅵ26分别通过控制系统控制，控制系统包括控制器120、电机驱动器121、电磁阀驱动器122以及供电模块123；控制器120分别和电机驱动器121以及电磁阀驱动器122相连接；电磁阀驱动器122分别和开关电磁阀Ⅰ21、开关电磁阀Ⅱ22、开关电磁阀Ⅲ23、开关电磁阀Ⅳ24、开关电磁阀Ⅴ25和开关电磁阀Ⅵ26相连接；电机驱动器121与高压泵111的电动机114相连接；供电模块123分别和控制器120、电机驱动器121、电磁阀驱动器122、高压泵111的电动机114以及开关电磁阀Ⅰ21、开关电磁阀Ⅱ22、开关电磁阀Ⅲ23、开关电磁阀Ⅳ24、开关电磁阀Ⅴ25和开关电磁阀Ⅵ26电连接。在使用的时候，通过不断的调整开关电磁阀Ⅰ21、开关电磁阀Ⅱ22、开关电磁阀Ⅲ23、开关电磁阀Ⅳ24、开关电磁阀Ⅴ25和开关电磁阀Ⅵ26的开与关来控制前侧喷射口Ⅰ1、后侧喷射口Ⅱ2、下侧喷射口Ⅲ3、上侧喷射口Ⅳ4、左侧喷射口Ⅴ5和右侧喷射口Ⅵ6喷射出的水流，通过水流来驱动航行器的前进、后退、下潜、上升、左转和右转。即电动机114由供电模块123提供能量，受电机驱动器121控制，与高压泵111相连接，给高压泵111提供运转的机械能；开关电磁阀（开关电磁阀Ⅰ21、开关电磁阀Ⅱ22、开关电磁阀Ⅲ23、开关电磁阀Ⅳ24、开关电磁阀Ⅴ25和开关电磁阀Ⅵ26）受电磁阀驱动器122控制和驱动，其通断意味着水流的通断，不同的开关电磁阀通断，控制高压高速水流从不同方向的喷水口喷射，产生需要的推力。以上所述的电动机114可以为直流电机，包括有刷直流电机、无刷直流电机以及直流伺服电机。以上所述控制器120是具有数值运算能力和逻辑运算能力的可编程集成电子元器件；包括51单片机、PIC单片机、AVR单片机、ARM或者DSP为核心器件的控制器。

实际使用的时候，步骤如下：

1、控制水流经过进水盘入水口110经泵进水口113进入高压泵111内；

2、通过控制器120控制电机驱动器121，由电机驱动器121发出信号控制高压泵111的电动机114的启动与关停等运行；

3、高压泵111将进入的水流加压后，从泵出水口112喷出，喷出的水流分别通过泵出水口112与前侧喷射口Ⅰ1之间的管道、泵出水口112与后侧喷射口Ⅱ2之间的管道、泵出水口112与下侧喷射口Ⅲ3之间的管道、泵出水口112与上侧喷射口Ⅳ4之间的管道、泵出水口112与左侧喷射口Ⅴ5之间的管道和泵出水口112与右侧喷射口Ⅵ6之间的管道；

4、通过控制器120控制电磁阀驱动器122分别，再通过电磁阀驱动器122分别向开关电磁阀Ⅰ21、开关电磁阀Ⅱ22、开关电磁阀Ⅲ23、开关电磁阀Ⅳ24、开关电磁阀Ⅴ25和开关电磁阀Ⅵ26发出驱动信号，分别控制开关电磁阀Ⅰ21、开关电磁阀Ⅱ22、开关电磁阀Ⅲ23、开关电磁阀Ⅳ24、开关电磁阀Ⅴ25和开关电磁阀Ⅵ26的开、关等运行；

如，关闭后侧喷射口Ⅱ2、下侧喷射口Ⅲ3、上侧喷射口Ⅳ4、左侧喷射口Ⅴ5、右侧喷射口Ⅵ6，则高压水流通过前侧喷射口Ⅰ1喷射，此时，航行器向右前进（即后退）；

如，关闭前侧喷射口Ⅰ1、下侧喷射口Ⅲ3、上侧喷射口Ⅳ4、左侧喷射口Ⅴ5、右侧喷射口Ⅵ6，则高压水流通过后侧喷射口Ⅱ2喷射，此时，航行器向左前进（即前进）；

如，关闭前侧喷射口Ⅰ1、后侧喷射口Ⅱ2、上侧喷射口Ⅳ4、左侧喷射口Ⅴ5和右侧喷射口Ⅵ6，则高压水流通过下侧喷射口Ⅲ3喷射，此时，通过调整开关电磁阀Ⅲ23的开与关，就可以驱动航行器下潜；

如，关闭前侧喷射口Ⅰ1、后侧喷射口Ⅱ2、下侧喷射口Ⅲ3、左侧喷射口Ⅴ5和右侧喷射口Ⅵ6，则高压水流通过上侧喷射口Ⅳ4喷射，此时，通过调整开关电磁阀Ⅳ24的开与关，就可以驱动航行器上升；

如，在前进或者后退的过程中，分别进行如下的操作：

前进时的状态为关闭前侧喷射口Ⅰ1、下侧喷射口Ⅲ3、上侧喷射口Ⅳ4、左侧喷射口Ⅴ5和右侧喷射口Ⅵ6，此时，突然打开右侧喷射口Ⅵ6，然后关闭后侧喷射口Ⅱ2，就可以通过前进的惯性作用，再加上航行器尾部13的右侧受力，驱动航行器头部12右转（即航行器右转）；即在前进的状态时，先打开开关电磁阀Ⅵ26，再关闭开关电磁阀Ⅱ22；

如，在前进或者后退的过程中，分别进行如下的操作：

前进时的状态为关闭前侧喷射口Ⅰ1、下侧喷射口Ⅲ3、上侧喷射口Ⅳ4、左侧喷射口Ⅴ5和右侧喷射口Ⅵ6，此时，突然打开突然打开左侧喷射口Ⅴ5，然后关闭后侧喷射口Ⅱ2，就可以通过前进的惯性作用，再加上航行器尾部13的左侧受力，驱动航行器头部12左转（即航行器左转）；即在前进的状态时，先打开开关电磁阀Ⅴ25，再关闭开关电磁阀Ⅱ22；

在以上所述的工作期间，为保证工作效率，有且仅有一个开关电磁阀打开，而在开关电磁阀切换期间，避免将喷射口堵死，需要先打开下一个开关电磁阀，再关闭先前一个开关电磁阀。

以上所述的全部开关电磁阀的开关如下表所示，1代表开，0代表关：

实施例2：另外一种通过控制多个开关电磁阀的开通与关断可以形成本发明的另外一种运行方式：

如，关闭和前侧喷射口Ⅰ1、后侧喷射口Ⅱ2、下侧喷射口Ⅲ3、左侧喷射口Ⅴ5和右侧喷射口Ⅵ6，则高压水流通过上侧喷射口Ⅳ4喷射，此时，通过调整开关电磁阀Ⅳ24和开关电磁阀Ⅰ21的开与关，就可以驱动航行器下潜；

如，关闭后侧喷射口Ⅱ2、上侧喷射口Ⅳ4、左侧喷射口Ⅴ5和右侧喷射口Ⅵ6，则高压水流通过下侧喷射口Ⅲ3和前侧喷射口Ⅰ1喷射，此时，通过调整开关电磁阀Ⅲ23和开关电磁阀Ⅰ21的开与关，就可以驱动航行器上升；

如，关闭前侧喷射口Ⅰ1、下侧喷射口Ⅲ3、上侧喷射口Ⅳ4和左侧喷射口Ⅴ5，则高压水流通过右侧喷射口Ⅵ6和后侧喷射口Ⅱ2喷射，此时，通过调整开关电磁阀Ⅵ26和开关电磁阀Ⅱ22的开与关，就可以驱动航行器右转；

如，关闭前侧喷射口Ⅰ1、下侧喷射口Ⅲ3、上侧喷射口Ⅳ4和右侧喷射口Ⅵ6，则高压水流通过左侧喷射口Ⅴ5和后侧喷射口Ⅱ2喷射，此时，通过调整开关电磁阀Ⅴ25和开关电磁阀Ⅱ22的开与关，就可以驱动航行器左转。

最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的一个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (4)

1.采用喷水推进技术的水下航行器，包括水下推进装置(10)和控制系统；其特征是：所述水下推进装置(10)包括从左到右依次设置的尾部(13)、进水盘(11)和头部(12)；

所述尾部(13)和头部(12)上分别设置有提供推进动力的喷射口；

所述的进水盘(11)上设置有吸水的进水口和将吸入的水转换成高压水流的高压泵，所述的高压泵分别通过管道与喷射口相连接；

所述喷射口上的推进动力通过高压泵转换的高压水流提供；

所述进水盘入水口(110)的口径大于喷射口的口径；

所述的喷射口与高压泵出水口(115)之间的管道上设置有电磁阀；

所述高压泵和水量控制装置均与控制系统相互连接；所述水下推进装置(10)的纵向尺寸与横向尺寸的比值大于等于2；所述喷射口的数量至少为六个；

所述六个喷射口依次分布在尾部(13)的中间，头部(12)的中间，尾部(13)或者头部(12)的上侧，尾部(13)或者头部(12)的下侧，尾部(13)或者头部(12)的左侧，尾部(13)或者头部(12)的右侧；所述进水盘入水口(110)呈圆周开口；

所述进水盘入水口(110)上设置有防护栏。

2.根据权利要求1所述的采用喷水推进技术的水下航行器，其特征是：所述水量控制装置为开关电磁阀，所述控制系统包括控制器(120)、电机驱动器(121)、电磁阀驱动器(122)以及供电模块(123)；

所述控制器分别和电机驱动器以及电磁阀驱动器相连接，所述电磁阀驱动器分别和开关电磁阀相连接；

所述电机驱动器与高压泵(111)的电动机(114)相连接；

所述供电模块(123)分别和控制器(120)、电机驱动器(121)、电磁阀驱动器(122)、电动机(114)以及开关电磁阀电连接。

3.根据权利要求2所述的采用喷水推进技术的水下航行器，其特征是：所述控制器(120)是具有数值运算能力和逻辑运算能力的可编程集成电子元器件；包括51单片机、PIC单片机、AVR单片机、ARM或者DSP为核心器件的控制器。

4.根据权利要求3所述的采用喷水推进技术的水下航行器，其特征是：所述电动机(114)为直流电机，包括有刷直流电机、无刷直流电机以及直流伺服电机。