CN104176220B - 一种螺旋桨扰流式可控环形涡发生器 - Google Patents

Abstract

一种螺旋桨扰流式可控环形涡发生器，涉及仿生水下推进系统领域。本发明的螺旋桨扰流式可控环形涡发生器为解决现有仿生水下推进系统结构复杂，运动控制难度高的问题。本发明的一种螺旋桨扰流式可控环形涡发生器，包括驱动电机底座、驱动电机组件、筒形隔离腔、螺旋桨组件和造涡端盖，螺旋桨组件包括传动轴、进水涡轮叶片、推水螺旋桨叶片和轴端挡板，进水涡轮叶片套接在传动轴上，轴端挡板将推水螺旋桨叶片固定在传动轴顶端，驱动电机底座包括出线口和密封槽，筒形隔离腔内部开设有扰流腔。本发明的环形涡发生器用于仿生水下推进系统的制作。

Description

一种螺旋桨扰流式可控环形涡发生器

技术领域

本发明涉及到一种螺旋桨扰流式可控环形涡发生器，属于仿生水下推进系统领域。

背景技术

仿生推进理论与技术是一门归属于仿生学范畴的新兴综合性交叉学科，涵盖了生物力学、精密机电、生命科学等研究内容，目的是将自然界中生物运动的机理用机器人系统的形式进行复现和推广。仿生游动机器人是近几年来在仿生机器学中一个较受关注的研究方向，人们希望能够通过观察、实验等手段科学地解释经过长期进化而来的水生生物是如何通过躯体运动来利用流场能量进行高效且优雅地运动，以寻求开发出适应性好、效率高的无人水下运载系统。仿生水下推进系统在这几年受到了越来越多的关注。相比于传统的波状游动鱼类，水母具备了较高的运动灵活性、环境适应性和目标隐蔽性，同时还具有高效的流场能量利用机制，特别适合作为海洋深潜、洋流观测、目标侦查以及武器运载等水下机器的仿生原型。

从流体物理的角度而言，自然环境中的水母是通过躯体扰动尾流产生推力涡环实现自主推进的。根据尾涡的形态，可以将水母的推进模式大体分为划桨和喷射两种模式，对应的躯体形态则分别为扁圆形和椭圆形。尽管躯体形态有所区别，但他们都是依靠径向肌肉纤维的收缩和伸长来带动柔性壳体实现收缩和舒张，通过这种运动队壳体内腔所包裹的流体产生扰动，由壳体原型边缘喷出，获取发作用的推进力，实现自主游动。因此水母推进的本质是通过有效控制尾流环形涡的产生和运动来实现自主推进。目前的仿生水母机器人大多数着眼于形态相似性和运动相似性，因此基本上是采用智能材料或者特殊机构来驱动柔性壳体的收缩和舒张。

公开日为2010年9月15日、公开号为CN101391650B、发明名称为“形状记忆合金驱动的仿生机器水母”的专利申请，它提出了一种采用U型形状记忆合金条驱动弹性金属片的设计，通过形状记忆合金的收缩和放松来实现弧形金属弹簧片的弯曲和放松，进而带动柔性外壳实现喷水和吸水的动作，所述的装置结构简单，在形态上与真实水母较为相近，但运动幅度较小，所能产生的射流动力有限，与真实水母的推进行为相差较大。

发明内容

本发明为解决现有仿生水下推进系统存在的结构复杂、制造难度大、不易进行运动控制等问题。进而提供了一种螺旋桨扰流式可控环形涡发生器。

本发明的技术方案是：一种螺旋桨扰流式可控环形涡发生器，包括驱动电机底座1、驱动电机组件2、筒形隔离腔3、螺旋桨组件4和造涡端盖5，螺旋桨组件4包括传动轴4-1、进水涡轮叶片4-2、推水螺旋桨叶片4-3和轴端挡板4-4，进水涡轮叶片4-2套接在传动轴4-1上，轴端挡板4-4将推水螺旋桨叶片4-3固定在传动轴4-1顶端，驱动电机底座1包括出线口1-1和密封槽1-2，筒形隔离腔3内部开设有扰流腔3-3；驱动电机底座1与造涡端盖5分别设于筒形隔离腔3两端且相互固接，驱动电机组件2底端通过紧定螺钉固定在驱动电机底座1上；筒形隔离腔3底端与驱动电机底座1固接，螺旋桨组件4的底端与驱动电机组件2的驱动轴连接，筒形隔离腔3内设有一隔板，该隔板中部开有与传动轴4-1密封的螺旋孔3-2。

本发明有益效果如下：本发明的螺旋桨扰流式可控环形涡发生器，具有结构设计灵活，运动控制简单，系统集成度高的优点。通过涡轮叶片与螺旋桨叶片的同步伺服控制，以简练的结构实现了可控环形涡的产生。本发明可用作研究水母等海洋生物尾涡控制推进机理的实验平台，也可用教学展示、于仿生矢量推进器的设计等领域。

附图说明

图1是本发明所述的螺旋桨扰流式可控环形涡发生器的剖面示意图，图2是本发明所述的螺旋桨扰流式可控环形涡发生器的立体结构示意图，图3是本发明所用驱动电机底座的立体结构示意图，图4是本发明所用筒形隔离腔的立体结构示意图，图5是本发明所用造涡端盖的立体结构示意图，图6螺旋桨组件的立体结构示意图，图7是本发明所述螺旋桨扰流式可控环形涡发生器的造涡原理图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1至图7说明本实施方式，本实施方式的一种螺旋桨扰流式可控环形涡发生器，包括驱动电机底座1、驱动电机组件2、筒形隔离腔3、螺旋桨组件4和造涡端盖5，螺旋桨组件4包括传动轴4-1、进水涡轮叶片4-2、推水螺旋桨叶片4-3和轴端挡板4-4，进水涡轮叶片4-2套接在传动轴4-1上，轴端挡板4-4将推水螺旋桨叶片4-3固定在传动轴4-1顶端，驱动电机底座1包括出线口1-1和密封槽1-2，筒形隔离腔3内部开设有扰流腔3-3；驱动电机底座1与造涡端盖5分别设于筒形隔离腔3两端且相互固接，驱动电机组件2底端通过紧定螺钉固定在驱动电机底座1上；筒形隔离腔3底端与驱动电机底座1固接，螺旋桨组件4的底端与驱动电机组件2的驱动轴连接，筒形隔离腔3内设有一隔板，该隔板中部开有与传动轴4-1密封的螺旋孔3-2。

驱动电机组件2的输出轴旋转方向应该应该确保进水涡轮叶片4-2在旋转时能够产生吸力和推力，使得外部流体从进水窗3-1中流入水腔中，同时往造涡端盖5的出水口方向流出。

具体实施方式二：结合图1至图7说明本实施方式，本实施方式的造涡端盖5的顶端开有一出水口，出水口为圆形或者椭圆形。造涡端盖5的出水口呈椭圆形，这样可以实现尾流产生椭圆或圆形涡环。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图1至图7说明本实施方式，本实施方式的筒形隔离腔3一侧面至少均匀分布有六个进水窗3-1。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：结合图1至图7说明本实施方式，本实施方式的进水涡轮叶片4-2的端部与筒形隔离腔3上的进水窗相平齐且与推水螺旋桨叶片4-3处于同一个螺旋方向。其它组成和连接关系与具体实施方式三相同。

工作原理：

本发明的螺旋桨扰流式可控环形涡发生器主要通过伺服电机带动螺旋桨组件对储液腔内的流体产生扰动使得造涡端盖的尾流产生环形涡。自然条件下的水母是通过周期性的进行柔性壳体的收缩和舒张来实现腹腔的排水和吸水，进而产生驱动躯体运动的作用力，从流体力学的角度而言，其本质是通过在尾流中产生可控的涡环来获取流场作用力实现有效推进。本发明根据这个原理，设计了出水口截面为圆形的造涡端盖，通过螺旋叶片将储液腔中的水从出水口喷出，进而使得尾流中会产生稳定的涡环。本发明螺旋桨叶片所在的储液腔，其流体是通过涡轮叶片的旋转由筒形隔离腔壁面均布的进水窗引入的，这一方面可以保证储液腔有足够的流体供螺旋桨叶片喷出，另一方面使得本发明的结构更为紧凑灵活。

本发明的螺旋桨扰流式可控环形涡发生器是通过调节伺服电机的运动参数来实现尾涡可控的。根据伺服电机的控制原理，可以通过电流或者给定脉冲数来实现对其进行位置控制和速度控制，本发明的环形涡发生器由于造涡端盖的出水方向水确定的，因此电机的旋转方向也是确定的。根据水母推进的涡形成机理，柔性壳体的收缩和舒张频率会直接影响尾涡形态产生的频率和形态，因此本发明可以通过控制电机旋转的速度来调节造涡端盖出水口的流速，进而对环形涡的产生频率和形态实现有效的控制。在匀速连续运转的条件下，本发明的环形涡发生器将会在尾流中产生周期性且与螺旋叶片同轴的环状涡街结构。

上述内容仅为本发明的较佳实施例，并非用于限制本发明的实施方案，本领域普通技术人员根据本发明的主要构思和精神，可以十分方便地进行相应的变通或修改，故本发明的保护范围应以权利要求书所要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种螺旋桨扰流式可控环形涡发生器，其特征在于，包括驱动电机底座(1)、驱动电机组件(2)、筒形隔离腔(3)、螺旋桨组件(4)和造涡端盖(5)，螺旋桨组件(4)包括传动轴(4-1)、进水涡轮叶片(4-2)、推水螺旋桨叶片(4-3)和轴端挡板(4-4)，进水涡轮叶片(4-2)套接在传动轴(4-1)上，轴端挡板(4-4)将推水螺旋桨叶片(4-3)固定在传动轴(4-1)顶端，驱动电机底座(1)包括出线口(1-1)和密封槽(1-2)，筒形隔离腔(3)内部开设有扰流腔(3-3)；驱动电机底座(1)与造涡端盖(5)分别设于筒形隔离腔(3)两端且相互固接，驱动电机组件(2)底端通过紧定螺钉固定在驱动电机底座(1)上；筒形隔离腔(3)底端与驱动电机底座(1)固接，螺旋桨组件(4)的底端与驱动电机组件(2)的驱动轴连接，筒形隔离腔(3)内设有一隔板，该隔板中部开有与传动轴(4-1)密封的螺旋孔(3-2)。

2.根据权利要求1所述的螺旋桨扰流式可控环形涡发生器，其特征在于，造涡端盖(5)的顶端开有一出水口，出水口为圆形或者椭圆形。

3.根据权利要求1所述的螺旋桨扰流式可控环形涡发生器，其特征在于，筒形隔离腔(3)一侧面至少均匀分布有六个进水窗(3-1)。

4.根据权利要求1所述的螺旋桨扰流式可控环形涡发生器，其特征在于，进水涡轮叶片(4-2)的端部与筒形隔离腔(3)上的进水窗相平齐且与推水螺旋桨叶片(4-3)处于同一个螺旋方向。