CN104533692A - 用于水下航行器的垂直轴海流发电装置 - Google Patents

Abstract

一种用于水下航行器的垂直轴海流发电装置，包括两个垂直轴海流发电装置和旋转接头，在航行器前段与航行器中段之间和航行器中段与航行器后段之间分别安装有一个垂直轴海流发电装置，并且各海流发电装置与航行器各段之间均通过旋转接头的中心轴同轴固连。各海流发电装置均有三个伸缩机构，在各伸缩机构的顶端分别有叶片。当叶片的展长越长、旋转半径越大时，所受到的海流力矩越大，捕获海流能所产生的功率就越大。本发明具有可控性强、转化效率高、结构紧凑的特点，可作为单独模块直接装载回转体型水下航行器上，将海流动能转化为供水下航行器使用的电能，从根本上解决了水下航行器的能源供给问题，延长水下航行器的工作时间，节约成本。

Description

用于水下航行器的垂直轴海流发电装置

技术领域

本发明涉及水下航行器领域，具体是一种用于水下航行器的垂直轴海流发电装置。

背景技术

水下航行器是一种航行于水下的航行体，包括载人水下航行器和无人水下航行器，它能够完成水下勘探、侦测甚至是军事上的进攻防守等任务。水下航行器具有活动范围大、潜水深度深、可进入复杂结构中、不需要庞大水面支持等优点，还具有成本和维护费用低、可重复利用、投放回收方便、续航能力长等特点。在海洋开发日益重要的现在，水下航行器越来越得到了各个国家的重视，无论是在民用还是在军用上，都扮演着重要的角色。

能源对水下航行器的长时间水下连续工作和执行远程任务能力起着决定性的作用。目前国内外的水下航行器主要由机载电池供电，但体积尺寸、重量限制，水下航行器的使用寿命及作用范围，无法满足携带大量探测、通讯设备在水下长时连续工作的需求。如果能充分利用海洋中蕴藏的能量，解决水下航行器的能源供给问题，将会是水下航行器能源供给的重大突破。

海洋中蕴藏着丰富的可再生能源，取之不尽，用之不竭。目前国内外海洋能技术主要出现在商业领域，商业发展以提高发电效率和功率为研究重点，导致相关发电设备额定功率和尺寸普遍较大，不适合用在水下航行器上。如英国2009年最新研制的“海蛇”海浪发电装置，其长度达到150米。如2003年英国水下涡轮公司建成的Seafow海流能发电系统，发电功率为300kW，其叶轮的直径就达到11米。

为了解决水下航行器能源补给问题，目前国内外相关机构、学者开展了大量的研究工作，但主要集中在温差能、太阳能、晃动能等环境能源技术在水下航行器上的应用研究。

王延辉，王树新，谢春刚在天津大学学报2007年02期的《基于温差能源的水下滑翔器动力学分析与设计》一文中公开了温差能的应用，水下航行器主要通过在海洋中进行锯齿运动，穿越不同的温度的海水层，利用冷热交换原理从海洋暖水层和冷水层之间的温度差中获取能量，但能量转换效率较低，且对其运行轨迹有严格的限制。

Komerska,R.J.,Chappell S.G.在2006年OCEANS会议的《A SimulationEnvironment for Testing and Evaluating Multiple Cooperating Solar-powered UUVs》一文中公开了太阳能的应用，通过将水下航行器外形改变成扁平型，在其表面增设太阳能面板，并在近水面吸收太阳能来获取能量，虽然能量转换效率较高，但受天气影响较大，且需要对航行外形进行特殊改造，不适合常规水下发射装置进行水下发射。

在公开号为102705139A的发明创造中，公开了一种回转体水下航行器发电装置。该装置通过海洋扰动引起的惯性摆摆动和质量块移动收集航行器的晃动能，但晃动能发电装置放置在航行器内，不与海洋直接接触，其转化效率低。

为此，必须进一步深入探索研究水下航行器新型能源技术。海流能是海水平稳且有规律流动的动能，海流能具有：有规律可预测，几乎不受天气的影响；能量密度大；发电装置置于海面下，受风浪影响小的特点。如果能将航行器所处环境下的海流收集起来并转换成电能，那么将解决水下航行器的水下能源供给问题，提高其水下工作时间。

发明内容

为克服现有技术中存在的或者能量转换效率较低、运行轨迹有严格的限定和不适合常规水下发射装置进行水下发射的不足，本发明提出了一种用于水下航行器的垂直轴海流发电装置。

本发明包括航行器前段、航行器中段和航行器后段。航行器前段、航行器中段、航行器后段均为回转体。其特征在于：还包括两个垂直轴海流发电装置和旋转接头，并且：

a.第一垂直轴海流发电装置位于航行器前段与航行器中段之间，第二垂直轴海流发电装置位于航行器中段与航行器后段之间，并均通过旋转接头的中心轴同轴将所述各垂直轴海流发电装置与固连所处位置的航行器同轴连接。所述航行器各段壳体外表面分别均布有三个凹槽。凹槽的横截面为弧形，用于收纳海流发电装置的叶片。

b.所述垂直轴海流发电装置包括安装支架、三个伸缩机构、三个叶片、柱塞泵、中心轴和发电机。所述安装支架位于航行器前段和航行器中段之间，套装在所述旋转接头的中心轴上，并可绕所述中心轴旋转。三个伸缩机构均匀分布并安装在所述安装支架的叶轮壳体的圆周上，并使位于各伸缩机构顶端的叶片伸出叶轮壳体之外，使各伸缩机构的第四伸缩套筒分别位于叶轮壳体上的伸缩机构的安装空间中。柱塞泵位于中心轴有盲孔一端，并通过海水输送管路将柱塞泵靠近中心轴的一端与中心轴端面的盲孔连通，在所述柱塞泵另一端的端面连接有海水进出口管路。所述中心轴的一端装入航行器前段一端端面的中心孔内，该中心轴的另一端有盲孔并装入航行器中段一端端面的中心孔内。在所述中心轴的两端分别套装固定螺母，从而将所述航行器前段和航行器中段固连。所述发电机安装在所述中心轴上，两个支撑盖分别位于发电机的两端，并通过轴承安装在所述中心轴上。

所述的伸缩机构包括第一伸缩套筒、第二伸缩套筒、第三伸缩套筒、第四伸缩套筒和套筒端盖，并且所述第一伸缩套筒、第二伸缩套筒、第三伸缩套筒和第四伸缩套筒按第一至第三的顺序依次逐级收缩，直至第一伸缩套筒至第三伸缩套筒全部收缩进入第四伸缩套筒中。所述的三个叶片分别安装在各伸缩机构中的第一伸缩套筒的顶端。所述第四伸缩套筒安装在叶轮壳体内，并且所述第四伸缩套筒一端外凸缘表面有与叶轮壳体外筒上沉头安装孔配合的螺纹孔；另一端与套筒端盖密封固连。所述套筒端盖与海水输送管路连通。

所述旋转接头包括中心轴和旋转接口。旋转接口通过滑动轴承套装在中心轴的一端。所述中心轴的圆周表面有用于海水流通的环形槽。在中心轴一端的端面有盲孔，在中心轴圆周表面的环形槽中开有一个盲孔，并且中心轴圆周表面的盲孔与位于中心轴端面的盲孔在所述中心轴内连通，形成了海水通道。该中心轴端面的盲孔与海水输送管路螺纹连接。所述中心轴两端的圆周表面有与航行器各段连接的螺纹。

所述旋转接口通过滑动轴承密封套装在中心轴上。该旋转接口的内端面固定在支撑盖上，当支撑盖在叶轮壳体的带动下旋转时，进而带动所述旋转接口绕中心轴旋转。在所述旋转接口的内圆周表面有凹槽，该凹槽与中心轴圆周表面的环形槽对合形成密封的海水通道。在所述转接口的外圆周表面均布有三个通孔，所述通孔通过海水输送管路分别与各第四伸缩套筒上的管路连通，使海水能够通过中心轴内的海水通道进入由旋转接口内表面与中心轴外表面对合形成的海水通道，通过与所述海水通道进入位于旋转接口外圆周表面的三个通孔内，继而通过海水输送管路输送到伸缩机构内。

所述安装支架包括圆筒状的叶轮壳体、两个支撑盖和端盖板；所述安装支架中的叶轮壳体为双层圆筒，由外筒、内筒和连接端板组成，并且所述外筒和内筒同一端的端面之间通过连接端板连接；外筒和内筒另一端的端面安装有端盖板，通过所述端盖板将外筒和内筒之间的空间封闭，形成了伸缩机构的安装空间。。所述叶轮壳体安装端盖板一端的内筒圆周表面上分布有用于固定连接发电机的永磁体转子的螺纹孔，使安装支架与发电机的永磁体转子固连。

所述两个支撑盖分别位于所述叶轮壳体的两端，通过滚珠轴承过盈配合安装在旋转接头的中心轴上。在所述支撑盖端面的外缘处均布有用于连接发电机永磁体转子的螺纹孔，从而将叶轮壳体、伸缩机构、叶片、发电机永磁体转子和支撑盖固连并绕旋转接头的中心轴同步旋转。

在所述安装支架中的叶轮壳体外筒的圆周表面中部的圆周上均布有三个沉头安装孔。各伸缩机构安装孔所处的叶轮壳体外筒的圆周表面有轴向分布的弧形开口，该开口的横截面为弧形，与航行器各段上的凹槽的截面形状相同，并与航行器各段上的凹槽共同组成了各叶片的收纳槽；所述收纳槽的外形尺寸与叶片的横截面尺寸相适应，当各叶片收回时，嵌入该收纳槽中。所述收纳槽长度方向中心线与叶轮壳体的中心线平行。

所述海水输送系统由海水进出口管路、柱塞泵、海水输送管路、旋转接头组成。所述连接柱塞泵的两端分别与海水进出口管路和海水输送管路连通。连接旋转接头与伸缩套筒端盖之间通过海水输送管路连通。

本发明的目的是解决水下航行器能源补给问题，延长水下工作时间。由于本发明采取了上述技术措施，取得了显著的效果。

当水下航行器处于驻留状态时，水下航行器前后段锚链投入海底，使航行器水平稳定驻留，保持发电装置叶轮轴线水平。柱塞泵将海水高压压入第四伸缩套筒中，海水推动第一伸缩套筒、第二伸缩套筒、第三伸缩套筒连同叶片一起延伸出航行器。叶片在来流v_∞的冲击下，叶片绕中心轴o转动，当转动到不同方位角时，叶片所受的升力L和阻力D不同，L和D可以分解为沿叶片翼弦方向的切向力和垂直于翼弦方向的轴向力，其中，切向力是推动转轴转动的驱动力。于是，叶片、伸缩机构以及发电装置支架绕水下航行器纵轴线旋转，从而使嵌入发电装置支架通孔内壁上的永磁体转子一同转动，切割绕组定子，产生感应电动势，从而将海流的动能转化为机械能，再将机械能转化为电能，供水下航行器使用。

此用于回转体水下航行器的垂直轴发电装置，叶片的展长越长，旋转半径越大，则其所受到的海流力矩越大，捕获海流能所产生的功率就越大。柱塞泵控制海水压力来调整叶片的伸展长度，从而控制叶片捕能功率，保护发电机构，延长装置的寿命，延长水下系留平台的工作时间。本装置可控性强、转化效率高，整体外形呈圆柱形，结构紧凑，可作为单独模块直接装载回转体型水下航行器上，将海流动能转化为供水下航行器使用的电能，从根本上解决了水下航行器的能源供给问题，延长水下航行器的工作时间，节约成本。

附图说明

图1是本发明的伸缩机构收起后的示意图；

图2是本发明的伸缩机构打开后的示意图；

图3是有垂直轴海流发电装置的航行器的结构示意图；

图4是海流发电装置与航行器配合的示意图，其中4a是轴测图，4b是4a的剖视图，4c是4b的局部放大图；

图5是海流发电装置与航行器前段连接示意图；

图6是海流发电装置与航行器中段连接示意图；

图7是海流发电装置前端结构示意图；

图8是海流发电装置内部结构示意图；

图9是海流发电装置后端结构示意图；

图10是叶轮壳体结构示意图；其中10a是轴测图，10b是10a的俯视图，10c是10b的F－F视图，10d是10a的后视图，10e是10d的剖视图，10f是10d的局部放大图；

图11是叶轮壳体内部结构示意图；其中11a是俯视图，11b是11a的剖视图；11c是11b中叶轮壳体内筒处局部放大图G；11d是11b中叶轮壳体与第四伸缩套筒连接处局部放大图F；

图12是叶轮壳体内部结构的剖视图，其中，12a是剖视图，12b是12a中叶轮壳体内筒处的放大图；

图13是伸缩机构结构示意图，其中，13a是俯视图，13b是13b的剖视图；

图14是海水输送系统的结构示意图；

图15是旋转接头的结构示意图，其中，15a是外形示意图，15b是15a的剖视图，15c是15a中F－F剖面的示意图；15d是15b中旋转接口与中心轴连接处的局部放大图；

图16是旋转接头的中心轴的结构示意图，其中16a是主视图，16b是16a的剖视图，16c是16a中J－J剖面的示意图，

图17是发电机安装示意图，其中，17a是外形示意图，17b是17a中K-K剖面的剖视图；

图18是发电机的结构示意图，其中18a是轴测图，18b是18a的侧视图；

图19是本发明的运动原理简图。

图中：1.航行器前段；2.第一垂直轴海流发电装置；3.航行器中段；4.第二垂直轴海流发电装置；5.航行器后段；6.鳍舵；7.螺旋桨；8.锚链；9.凹槽；10.端盖板；11.叶轮壳体；12.叶片；13.第一伸缩套筒；14.第二伸缩套筒；15.第三伸缩套筒；16.第四伸缩套筒；17.深沟球轴承；18.套筒端盖；19.海水输送管路；20.海水进出口管路；21.柱塞泵；22.旋转接头；23.支撑盖；24.永磁体转子；25.绕组定子；26.发电机；27.中心轴；28.旋转接口；29.密封环；30.滑动轴承。

具体实施方式

本实施例是一种用于水下航行器的垂直轴海流发电装置。

本实施例安装在水下航行器上，所述水下航行器采用现有技术，包括航行器前段1、航行器中段3、航行器后段5、鳍舵6、螺旋桨7和锚链8。航行器前段1、航行器中段3、航行器后段5均为回转体。在所述航行器前段与航行器中段之间安装有第一垂直轴海流发电装置2，在所述航行器中段与航行器后段之间安装有第二垂直轴海流发电装置4，并且所述各海流发电装置与航行器各段之间均通过旋转接头22的中心轴27采用螺母同轴固连。

所述航行器各段壳体外表面分别均布有三个凹槽9，相邻凹槽9之间间隔120o。凹槽9的横截面为弧形，用于收纳叶片12，凹槽9长宽略大于叶片12的长宽，使叶片12能够贴合与壳体外径范围内，以减小航行器所受阻力。

在航行器前段1和航行器后段5设有锚链8，航行器驻留时投放锚链8，使航行器能够水平驻留并保持稳定，并使垂直轴海流发电装置叶轮轴线保持水平。为了抵消航行器的横滚作用，在航行器前后部分别安装两套转向相反的垂直轴海流发电装置。

所述用于水下航行器的垂直轴海流发电装置有两套，并且两套的结构特征相同。安装时，所述两套水下航行器的垂直轴海流发电装置的安装方向相反，使得两套垂直轴海流发电装置上叶片前缘的朝向相反，工作时，在海流的作用下，所述的叶片受力方向相反，从而带动两套水下航行器的垂直轴海流发电装置产生方向相反的转动，以抵消与航行器的相互作用力，减小航行器的横滚运动。本实施例仅以其中的第一垂直轴海流发电装置2为例加以描述。

所述第一垂直轴海流发电装置2包括安装支架、三个伸缩机构、三个叶片12、柱塞泵21、中心轴27和发电机26，其中，所述安装支架由叶轮壳体11、两个支撑盖23和端盖板10组成。

所述安装支架位于航行器前段1和航行器中段3之间，通过深沟球轴承17套装于所述旋转接头22的中心轴27上，并可绕所述中心轴27旋转。三个伸缩机构均匀分布并安装在所述安装支架的叶轮壳体11的圆周上，并使位于各伸缩机构顶端的叶片12伸出叶轮壳体11之外，使各伸缩机构的第四伸缩套筒16分别位于叶轮壳体11上的伸缩机构的安装空间中。柱塞泵21位于中心轴27有盲孔一端，并通过海水输送管路19将柱塞泵21靠近中心轴27的一端与中心轴27端面的盲孔连通，在所述柱塞泵21另一端的端面连接有海水进出口管路20。所述中心轴27的一端装入航行器前段1一端端面的中心孔内，该中心轴27的另一端有盲孔并装入航行器中段3一端端面的中心孔内。在所述中心轴的两端分别套装固定螺母，从而将所述航行器前段1和航行器中段3固连。所述发电机26安装在所述中心轴27上，两个支撑盖23分别位于发电机26的两端，并通过深沟球轴承17安装在所述中心轴27上。

所述的三个伸缩机构均包括第一伸缩套筒13、第二伸缩套筒14、第三伸缩套筒15和第四伸缩套筒16，并且所述第一伸缩套筒13、第二伸缩套筒14、第三伸缩套筒15和第四伸缩套筒16按第一至第三的顺序依次逐级收缩，直至第一伸缩套筒至第三伸缩套筒全部收缩进入第四伸缩套筒16中。所述的三个叶片12分别安装在各伸缩机构的顶端，即各伸缩机构中的第一伸缩套筒13的顶端。

所述旋转接头22包括中心轴27和旋转接口28，通过该旋转接头22将海水输送管路19的固定通道转换为旋转通道，并通过所述中心轴27将所述的航行器前段1和航行器中段3连接。旋转接口28通过滑动轴承30套装在中心轴27的一端，并通过密封环29实现旋转接口28与中心轴27之间的密封。

所述中心轴27为圆柱形。中心轴27的圆周表面有用于海水流通的环形槽。在中心轴27一端的端面有盲孔，在中心轴27圆周表面的环形槽中开有一个盲孔，并且中心轴27圆周表面的盲孔与位于中心轴27端面的盲孔在所述中心轴27内连通，形成了海水通道。该中心轴27端面的盲孔与海水输送管路19螺纹连接。所述中心轴27两端的圆周表面有与航行器各段连接的螺纹。

所述旋转接口28为圆环形，通过滑动轴承30套装在中心轴27上，并通过密封环29进行动密封。该旋转接口28的内端面通过螺钉固连在支撑盖23上，当支撑盖23在叶轮壳体11的带动下旋转时，进而带动所述旋转接口28绕中心轴27旋转。

在所述转接口28的内圆周表面有凹槽，该凹槽与中心轴27圆周表面的环形槽对合形成密封的海水通道。在所述转接口28的外圆周表面均布有三个通孔，所述通孔通过海水输送管路19分别与各第四伸缩套筒16上的管路连通，使海水能够通过中心轴27内的海水通道进入由旋转接口28内表面与中心轴27外表面对合形成的海水通道，通过与所述海水通道进入位于旋转接口28外圆周表面的三个通孔内，继而通过海水输送管路19输送到伸缩机构内。

所述安装支架中的叶轮壳体11为双层圆筒，由外筒、内筒和连接端板组成，并且所述外筒和内筒同一端的端面之间通过连接端板连接；外筒和内筒另一端的端面安装有端盖板10，通过所述端盖板10将外筒和内筒之间的空间封闭，由外筒和内筒以及连接端板、端盖板构成的封闭空间形成了伸缩机构的安装空间。

叶轮壳体的外径与航行器的外径相同。在所述安装支架中的叶轮壳体11外筒的圆周表面中部的圆周上均布有三个沉头安装孔，三个伸缩机构中的第四伸缩套筒16分别安装在所述三个沉头安装孔内，并位于所述收缩机构的安装空间中。各伸缩机构安装孔所处的叶轮壳体11外筒的圆周表面有轴向分布的弧形开口，该开口的横截面为弧形，与航行器各段上的凹槽9的截面形状相同，并与航行器各段上的凹槽9共同组成了各叶片的收纳槽；所述收纳槽的外形尺寸与叶片12的横截面尺寸相适应，当各叶片收回时，嵌入该收纳槽中。所述收纳槽长度方向中心线与叶轮壳体11的中心线平行。

所述叶轮壳体11安装端盖板10一端的内筒圆周表面上分布有用于固定连接发电机26的永磁体转子24的螺纹孔，使安装支架与发电机26的永磁体转子24形成固连体。

两个支撑盖23为圆环形薄板，其外径与发电机26的外径相同。两个支撑盖23中心通孔的孔径均与深沟球轴承17的外径相同。两个支撑盖23分别位于所述叶轮壳体11的两端，通过滚珠轴承27过盈配合安装在旋转接头22的中心轴27上。在所述支撑盖23端面的外缘处均布有螺纹孔，用于连接发电机26永磁体转子24的端面，从而使叶轮壳体11、伸缩机构、叶片12、发电机26永磁体转子24和支撑盖23固连并绕旋转接头22的中心轴27同步旋转。

所述端盖板10为圆环形薄板，其作用为密封叶轮壳体外筒与内筒之间形成的安装空间。在所述端盖板10表面的外缘均布有螺纹孔。

所述伸缩机构由第一伸缩套筒13、第二伸缩套筒14、第三伸缩套筒15、第四伸缩套筒16及套筒端盖18组成。四级伸缩套筒中，第一伸缩套筒13直径最小，为一端外凸缘的实心回转体，可在第二伸缩套筒15中沿轴向伸缩；另一端与叶片12固定连接。第四伸缩套筒16直径最大，为一端内外的中空回转体，外凸缘表面有螺纹安装孔，可以与叶轮壳体11外筒的伸缩机构沉头安装孔处螺纹孔相匹配；另一端固定连接套筒端盖18。所述套筒端盖18用于密封第四伸缩套筒16，并通过螺纹孔与海水输送管路19连接，使伸缩机构内部与海水输送管路19连通。第四伸缩套筒16从叶轮壳体11的埋头通孔放入，并在埋头通孔处与叶轮壳体11固定连接。第二伸缩套筒14、第三伸缩套筒15都采用一端外凸缘、另一端内凸缘的中空回转体。每两节伸缩套筒之间通过凸缘嵌套连接，限制伸缩套筒轴向伸展。在海水输送系统的控制下，可控制伸缩机构的伸缩。当海水输送系统往伸缩机构内部注入海水，在高压下使伸缩机构伸展，当海水输送系统抽出伸缩机构内部的海水时，在低压下使伸缩机构收缩。

所述叶片12采用NACA翼型。三个叶片12分布固定安装在各伸缩机构中第一伸缩套筒13的顶端，当伸缩机构展开后，形成了H型的垂直轴海流发电装置叶轮。

所述海水输送系统由海水进出口管路20、柱塞泵21、海水输送管路19、旋转接头22组成。所述海水进出口管路20是海水的进出口，采用常规管道，通过常规螺纹连接柱塞泵21和航行器壳体，使海水输送系统与航行器壳体外的海水连通。

所述柱塞泵21为双向泵，采用VICKERS威格士公司的PVH074型号泵，通过螺栓螺母固定安装在航行器内部上。柱塞泵21的作用为通过海水进出口管路20从航行器外抽取海水，通过海水输送管路19和旋转接头22将海水压入或抽出第四伸缩套筒16中，控制伸缩机构的伸展与收缩，其两端分别安装海水进出口管路20和海水输送管路19。

所述海水输送管路19分为两段，均采用常规管路，采用螺纹连接。一段用于连接柱塞泵21和旋转接头22，另一段用于连接旋转接头22和伸缩套筒端盖18，这一段需要穿过叶轮壳体11的环形底板。

所述发电机26为嵌入式集成永磁发电机，额定电压为24V，由永磁体转子24、绕组定子25组成。所述永磁体转子24中磁极采用NdFeB33UH磁钢，极对数为8。该永磁体转子24固定安装在叶轮壳体11的内筒上可与叶轮壳体11、伸缩机构、旋转接口28一同转动。

所述绕组定子25绕线采用Y形，双层整距叠绕接法。绕组定子25上的并联支路数为1个，槽数为48个，线圈极距为3，线圈节距为3。绕组定子25上的电枢冲片采用35W310材料。所述绕组定子25固定安装在旋转接头22的中心轴27上。

当永磁体转子24随发电装置支架一同转动时，切割绕组定子25，从而产生感应电动势。

工作时：当水下航行器处于驻留状态时，水下航行器前段1与航行器后段5的锚链8投入海底，使航行器水平稳定驻留，保持发电装置叶轮轴线水平。柱塞泵21将海水经过海水输送管路19和旋转接头22高压压入第四伸缩套筒16中，推动三级伸缩套筒连同叶片12一起延伸出航行器。叶片12在来流v∞的冲击下，叶片绕中心轴o转动，当转动到不同方位角φ时，叶片所受的升力L和阻力D不同，L和D可以分解为沿叶片翼弦方向的切向力和垂直于翼弦方向的轴向力，其中，切向力是推动转轴转动的驱动力。于是，叶片12、伸缩机构以及发电装置支架绕水下航行器纵轴线旋转，从而使嵌入发电装置支架通孔内壁上的永磁体转子24一同转动，切割绕组定子25，产生感应电动势，从而将海流的动能转化为机械能，再将机械能转化为电能，供水下航行器使用。

Claims (7)

1.一种用于水下航行器的垂直轴海流发电装置，所述水下航行器采用现有技术，包括航行器前段、航行器中段和航行器后段；航行器前段、航行器中段、航行器后段均为回转体；其特征在于：还包括两个垂直轴海流发电装置和旋转接头，并且：

a.第一垂直轴海流发电装置位于航行器前段与航行器中段之间，第二垂直轴海流发电装置位于航行器中段与航行器后段之间，并均通过旋转接头的中心轴同轴将所述各垂直轴海流发电装置与固连所处位置的航行器同轴连接，所述航行器各段壳体外表面分别均布有三个凹槽；凹槽的横截面为弧形，用于收纳海流发电装置的叶片；

b.所述垂直轴海流发电装置包括安装支架、三个伸缩机构、三个叶片、柱塞泵、中心轴和发电机；所述安装支架位于航行器前段和航行器中段之间，套装在所述旋转接头的中心轴上，并可绕所述中心轴旋转；三个伸缩机构均匀分布并安装在所述安装支架的叶轮壳体的圆周上，并使位于各伸缩机构顶端的叶片伸出叶轮壳体之外，使各伸缩机构的第四伸缩套筒分别位于叶轮壳体上的伸缩机构的安装空间中；柱塞泵位于中心轴有盲孔一端，并通过海水输送管路将柱塞泵靠近中心轴的一端与中心轴端面的盲孔连通，在所述柱塞泵另一端的端面连接有海水进出口管路；所述中心轴的一端装入航行器前段一端端面的中心孔内，该中心轴的另一端有盲孔并装入航行器中段一端端面的中心孔内；在所述中心轴的两端分别套装固定螺母，从而将所述航行器前段和航行器中段固连；所述发电机安装在所述中心轴上，两个支撑盖分别位于发电机的两端，并通过轴承安装在所述中心轴上。

2.如权利要求1所述用于水下航行器的垂直轴海流发电装置，其特征在于，所述的伸缩机构包括第一伸缩套筒、第二伸缩套筒、第三伸缩套筒、第四伸缩套筒和套筒端盖，并且所述第一伸缩套筒、第二伸缩套筒、第三伸缩套筒和第四伸缩套筒按第一至第三的顺序依次逐级收缩，直至第一伸缩套筒至第三伸缩套筒全部收缩进入第四伸缩套筒中；所述的三个叶片分别安装在各伸缩机构中的第一伸缩套筒的顶端；所述第四伸缩套筒安装在叶轮壳体内，并且所述第四伸缩套筒一端外凸缘表面有与叶轮壳体外筒上沉头安装孔配合的螺纹孔；另一端与套筒端盖密封固连；所述套筒端盖与海水输送管路连通。

3.如权利要求1所述用于水下航行器的垂直轴海流发电装置，其特征在于，所述旋转接头包括中心轴和旋转接口；旋转接口通过滑动轴承套装在中心轴的一端；所述中心轴的圆周表面有用于海水流通的环形槽；在中心轴一端的端面有盲孔，在中心轴圆周表面的环形槽中开有一个盲孔，并且中心轴圆周表面的盲孔与位于中心轴端面的盲孔在所述中心轴内连通，形成了海水通道；该中心轴端面的盲孔与海水输送管路螺纹连接；所述中心轴两端的圆周表面有与航行器各段连接的螺纹。

4.如权利要求3所述用于水下航行器的垂直轴海流发电装置，其特征在于，所述旋转接口通过滑动轴承密封套装在中心轴上；该旋转接口的内端面固定在支撑盖上，当支撑盖在叶轮壳体的带动下旋转时，进而带动所述旋转接口绕中心轴旋转；在所述旋转接口的内圆周表面有凹槽，该凹槽与中心轴圆周表面的环形槽对合形成密封的海水通道；在所述转接口的外圆周表面均布有三个通孔，所述通孔通过海水输送管路分别与各第四伸缩套筒上的管路连通，使海水能够通过中心轴内的海水通道进入由旋转接口内表面与中心轴外表面对合形成的海水通道，通过与所述海水通道进入位于旋转接口外圆周表面的三个通孔内，继而通过海水输送管路输送到伸缩机构内。

5.如权利要求1所述用于水下航行器的垂直轴海流发电装置，其特征在于，所述安装支架包括圆筒状的叶轮壳体、两个支撑盖和端盖板；所述安装支架中的叶轮壳体为双层圆筒，由外筒、内筒和连接端板组成，并且所述外筒和内筒同一端的端面之间通过连接端板连接；外筒和内筒另一端的端面安装有端盖板，通过所述端盖板将外筒和内筒之间的空间封闭，形成了伸缩机构的安装空间；所述叶轮壳体安装端盖板一端的内筒圆周表面上分布有用于固定连接发电机的永磁体转子的螺纹孔，使安装支架与发电机的永磁体转子固连；

所述两个支撑盖分别位于所述叶轮壳体的两端，通过滚珠轴承过盈配合安装在旋转接头的中心轴上；在所述支撑盖端面的外缘处均布有用于连接发电机永磁体转子的螺纹孔，从而将叶轮壳体、伸缩机构、叶片、发电机永磁体转子和支撑盖固连并绕旋转接头的中心轴同步旋转。

6.如权利要5所述用于水下航行器的垂直轴海流发电装置，其特征在于，在所述安装支架中的叶轮壳体外筒的圆周表面中部的圆周上均布有三个沉头安装孔；各伸缩机构安装孔所处的叶轮壳体外筒的圆周表面有轴向分布的弧形开口，该开口的横截面为弧形，与航行器各段上的凹槽的截面形状相同，并与航行器各段上的凹槽共同组成了各叶片的收纳槽；所述收纳槽的外形尺寸与叶片的横截面尺寸相适应，当各叶片收回时，嵌入该收纳槽中；所述收纳槽长度方向中心线与叶轮壳体的中心线平行。

7.如权利要求1所述用于水下航行器的垂直轴海流发电装置，其特征在于，所述海水输送系统由海水进出口管路、柱塞泵、海水输送管路、旋转接头组成；所述连接柱塞泵的两端分别与海水进出口管路和海水输送管路连通；连接旋转接头与伸缩套筒端盖之间通过海水输送管路连通。