CN107187570B - 一种具有高推进效率的船舶鲸尾轮推进器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有高推进效率的船舶鲸尾轮推进器，其主要由推进器及控制系统组成，所述推进器悬挂于船舶底部，可在水平方向0～360度范围内转动，提供不同方向的水平推力；所述控制系统安装在船舱内部和推进器主体机构(7)内，通过信号线连接在一起，控制叶片(8)摆动、旋转圆盘(10)转动和推进器左右转向运动。本发明主要通过设计控制系统及叶片摆动与旋转圆盘间的运动规律，精确控制叶片在不同相位与来流的攻角，最大程度地增大叶片的推力，并通过设计导流罩的外形，来减少推进器前进时的水阻力，提高推进器的推进效率，在节能环保方面具有优势。

Description

一种具有高推进效率的船舶鲸尾轮推进器

技术领域

本发明涉及船舶推进技术领域，具体是一种具有高推进效率的船舶鲸尾轮推进器。

背景技术

当前，国家大力推行节能减排政策，而在船舶行业，提高推进器推进效率是节能减排的一项重要措施。传统的螺旋桨推进器的推进效率一般不超过65％，对于螺旋桨推进器推进效率方面的研究已相当成熟，要在短时间内再大幅提升不太现实。而鲸尾轮推进器是一种仿生鲸鱼尾摆动产生推力的滚筒式摆线推进器，具有推进效率高的特点，其推进效率理论上可达80％以上，适用于长宽比较低的中低速船舶。

基于上述背景，申请人提出了一种具有高推进效率的船舶鲸尾轮推进器，该推进装置可根据不同工况调节旋转圆盘10的转速和叶片8的摆动规律，达到较高的推进效率。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种具有高推进效率的船舶鲸尾轮推进器的运动控制算法、控制系统和控制电路，最大程度地提高该推进器的推进效率。

本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：

本发明提供的具有高推进效率的船舶鲸尾轮推进器，主要由推进器及控制系统组成，所述推进器悬挂于船舶底部，可在水平方向0～360度范围内转动，提供不同方向的水平推力；所述控制系统安装在船舱内部和推进器主体机构内，通过信号线连接在一起，控制叶片摆动、旋转圆盘转动和推进器左右转向运动。

所述的推进器导流罩，包括前导流罩和后导流罩，两者均通过螺栓固定于上壳体和下壳体上，可以较好地改善推进器周围的流场特点，减小推进器前进时的水阻力。

所述的叶片，有10片，均为特定翼型结构，左右对称布置在推进器两侧；所述特定翼型结构是指NACA0012。

所述的控制系统，由上位机PC、单片机、步进电机驱动器、步进电机、直流电机、角度传感器、传动主轴和控制电路组成，其中：步进电机与叶片8相连，用于控制叶片8摆动；直流电机安装在船体内部，用于控制旋转圆盘的转动，具体是通过传动主轴将动力传递至推进器，驱动旋转圆盘转动；角度传感器装在直流电机上，在直流电机转动时，记录不同时刻旋转圆盘的角度数据，并将数据传给单片机，单片机根据此数据，一方面可及时调整旋转圆盘的转速，另一方面可计算出该时刻各个叶片的相位角，并根据预先设定的程序计算出对应于该相位角的最优的叶片攻角，产生最大的推力。

所述的控制电路，主要由共用一块单片机的直流电机反馈控制模块、单片机控制模块、步进电机驱动模块组成，单片机通过数据线与上位机PC的I/O口连接。

所述的叶片摆角和叶片攻角，叶片攻角的计算以叶片推力和转矩最大为目标，叶片推力和转矩是攻角的函数，攻角变化，推力和转矩会跟着变化，以上参数通过叶片摆动规律运动控制理论的数学模型来计算，该数学模型包括叶片摆动规律数学模型、叶片推力与转矩的计算模型，其中：

叶片摆动规律数学模型为：

叶片推力与转矩的计算模型为：

T＝-Lsinγ+Dcosγ

式中：β为摆角，为相位角，ɑ为攻角，γ为来流角，θ为推力方向与来流的夹角，L为升力，D为阻力，R为回转半径。

所述的数学模型以效率最大为约束条件，对-8°～12°范围内的攻角进行离散化，计算叶片一个运动周期内每一攻角时的效率，取最高效率的攻角，并反算出此时的叶片摆角，得到叶片一个运动周期内的优化摆角。

本发明与现有技术相比具有以下主要的技术效果：

1.提供了鲸尾轮推进器运动控制理论的物理模型，包括叶片摆动规律数学模型、叶片推力与转矩的计算模型，可使叶片在不同相位均处于最优攻角，产生最大的推力。

2.通过MATLAB对推进器运动的仿真，得出推进器推进效率理论上可达80％以上，可减少燃油消耗，具有节能减排的效果。

3.通过控制系统控制叶片的规律摆动及推进器的转向运动，实现了叶片摆角和攻角的精确控制，提高了搭载该推进器的船舶的转向性能。

附图说明

图1为鲸尾轮推进器的轴侧视图。

图2为鲸尾轮推进器的侧视图(含内部结构11)。

图3为鲸尾轮推进器的船体装配视图。

图4为鲸尾轮推进器的叶片运动轨迹图。

图5为鲸尾轮推进器的叶片的数学模型图。

图6为控制系统理论算法流程框图。

图7为鲸尾轮推进器的转向机构图。

图8为鲸尾轮推进器的转向示意图。

图9为吊舱控制系统电路图。

图10为推进器内部传动结构图。

图11为叶片摆动机构图。

图12为叶片摆角和攻角的变化曲线示意图。

图13为鲸尾轮推进器的推力和转矩曲线示意图。

图14为鲸尾轮推进器的理论推进效率曲线示意图。

图中：1.主船体，2.推进器，3.上壳体，4.下壳体，5.前导流罩，6.后导流罩，7.推进器主体机构，8.叶片，9.转向机构，10.旋转圆盘，11.内部结构，12.叶片运动机构，13.竖向主轴，14.横向主轴，15.伞形齿轮，16.支撑隔板，17.圆锥滚子轴承，18.集电环，19.联轴器，20.叶片回转轴轴承安装基座，21.滚针轴承，22.密封圈，23.连接轴，24.步进电机，25.液压泵，26.旋转轴承，27.回转支撑。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步地详细说明。

本发明提供的具有高推进效率的船舶鲸尾轮推进器，其结构如图1至图3所示：主要由推进器及控制系统组成。推进器悬挂于船舶底部，可在水平方向0～360度范围内转动，提供不同方向的水平推力。控制系统贯穿与船体内部和推进器中，通过信号线连接在一起，控制叶片8摆动、旋转圆盘10转动和推进器左右转向。

所述推进器，如图1至图3所示，包括导流罩、推进器主体机构7、转向机构9，其中：导流罩安装在推进器主体机构7外面，并与推进器主体机构7一起安装在船舶尾部；转向机构9装在推进器与船体之间，并起到连接作用。

所述导流罩由前导流罩5、后导流罩6组成，它们分别通过螺栓与推进器主体机构7的上壳体3、下壳体4相连。

所述推进器主体机构7，主要由上壳体3、下壳体4和内部结构11组成，其中：上壳体3和下壳体4通过螺栓连接，内部结构11安装在壳体里面。

所述内部结构11，用于将动力由船体内部传递至推进器，驱动旋转圆盘10转动，并搭载叶片运动机构12和集电环18。该内部结构11由竖向主轴13、伞形齿轮15、横向主轴14、支撑隔板16、圆锥滚子轴承17、集电环18和叶片运动机构12组成，其中：伞形齿轮15分别紧定连接于竖向主轴13和横向主轴14上，横向主轴14通过平键与旋转圆盘10连接，实现动力的传递；集电环18有两个，均通过紧定连接的方式固定在横向主轴14上，每个集电环18与旋转圆盘10上的5个步进电机24的20根信号线连接，防止信号线的缠绕；圆锥滚子轴承17固定于支撑隔板16的槽型孔中，横向主轴14穿过圆锥滚子轴承17和集电环18，支撑隔板16固定于下壳体的槽型孔中，用于支撑横向主轴14和叶片运动机构12。

所述叶片运动机构12，由叶片8、旋转圆盘10、叶片回转轴轴承安装基座20、联轴器19、连接轴23和步进电机24组成，其中：叶片8通过叶片回转轴轴承安装基座20固定在旋转圆盘10上，步进电机24通过螺栓连接固定于旋转圆盘10上，通过联轴器19和连接轴23与叶片8连接，驱动叶片8按照控制算法提供的规律摆动。

所述叶片8有10片，均为特定翼型结构，左右对称布置在推进器两侧。所述特定翼型是指NACA0012。此种结构的叶片具有较高的升力系数，在同样的条件下产生的推力更高，具有较好的水动力性能。

所述叶片回转轴轴承安装基座20，固定于旋转圆盘10上，起支撑叶片8的作用，该基座由滚针轴承21和密封圈22组成，其中，滚针轴承21和密封圈22并列布置，通过紧定连接的方式固定于旋转圆盘10上。

所述转向机构9，位于推进器的顶端，可以在0～360°范围内转动，用于实现推进器的转向。该转向机构9由外向内依次设有液压泵25、旋转轴承26、回转支撑27(图7)，其中：液压泵25与回转支撑27固连成一体，通过液压油管向回转支撑27内输入液压油驱动回转支撑27回转，旋转轴承26安装在回转支撑27内，过盈配合。

所述控制系统，由上位机PC、单片机、步进电机驱动器、步进电机24、直流电机、角度传感器、传动主轴和控制电路组成，其中：步进电机24与叶片8相连，用于控制叶片8摆动；直流电机安装在船体内部，用于控制旋转圆盘10的转动，具体是通过传动主轴将动力传递至推进器，驱动旋转圆盘10转动；角度传感器装在直流电机上，在直流电机转动时，记录不同时刻旋转圆盘10的角度数据，并将数据传给单片机，单片机根据此数据，一方面可及时调整旋转圆盘10的转速，另一方面可计算出该时刻各个叶片的相位角，并根据预先设定的程序计算出对应于该相位角的最优的叶片攻角。

所述控制电路如图9所示，主要由直流电机反馈控制模块、单片机控制模块、步进电机驱动模块组成。其中：三大模块共用一块单片机，单片机通过数据线与上位机PC的I/O口连接。

所述的单片机控制模块，由步进电机24、步进电机驱动器、AT80C51单片机和上位机PC组成，其中：已编写的程序通过上位机PC下载到单片机中，单片机通过信号线分别与步进电机驱动器、直流电机、角度传感器相连，同时接收角度传感器的反馈信息，实现对叶片8摆动和旋转圆盘10转动的精确控制。

所述的步进电机驱动模块主要由AT80C51单片机、步进电机驱动器、步进电机24。其中：步进电机驱动器是步进电机24自带的，安装于船体内部，通过信号线连接至集电环18上，并与步进电机24连接于集电环18上的信号线一一对应，步进电机驱动器接收AT80C51单片机的控制信号，输出可驱动步进电机24转动的脉冲信号。

所述的直流电机-角度传感器反馈控制模块主要由AT80C51单片机、直流电机、角度传感器组成。其中：AT80C51单片机控制直流电机带动传动主轴转动，从而控制旋转圆盘10的转动；角度传感器安装在直流电机轴上，通过数据线和AT80C51单片机相连，并通过串口将数据传输给单片机，单片机接收角度数据后进行决策，通过ULN2003A芯片和桥式电路控制直流电机的正反转与加减速，以及控制步进电机24的运转步数。

本发明建立了叶片摆动规律运动控制理论的数学模型，具体如下：

单个叶片推力的变量为ɑ,β,γ,θ，其中ɑ,β,γ有攻角关系，具有周期性，推进方向确定，γ在进流系数确定后即可确定，因此，叶片在一个周期内的推力可以看作对β的唯一函数。其中，β为摆角，为相位角，ɑ为攻角，γ为来流角，θ为推力方向与来流的夹角。

叶片来流角计算方法如下：

式中：λ为进流速度，是推进速度VA与回转角速度ω、回转半径R之积的比值；

叶片攻角的计算方法为：

叶片瞬时推力T和瞬时转矩Q的计算方法为：

T＝-Lsinγ+Dcosγ

式中：L为升力，D为阻力，γ为来流角，R为回转半径；

叶片一个周期内的效率计算方法为：

本发明控制算法部分，以效率最大为约束条件，对-8°～12°范围内的攻角进行离散化，计算叶片一个运动周期内每一攻角时的效率，取最高效率的攻角，并反算出此时的叶片摆角，得到叶片一个运动周期内的优化摆角。

本发明提供的一种具有高推进效率的船舶鲸尾轮推进器，其具有较高的推进效率，通过MATLAB软件仿真实验可以验证，由图10至图12可知，推进器叶片攻角和摆角变化规律，攻角变化范围为-9°～12°，摆角变化范围为-30°～35°；此外，推力和转矩的变化也比较平稳，5叶片总推力始终在120N以上；另外，该推进器总的理论效率平稳维持在80％以上，说明可以通过此控制算法实现摆角按规律变化并维持较高的效率推动船舶前进。

本发明使用时，其装在主船体1尾部，图3中推进器2即是本发明提供的具有高推进效率的船舶鲸尾轮推进器，该推进器的工作过程为：单片机根据给定的航向、航速等基本参数，依据控制算法，计算出旋转圆盘10的转速及叶片8在该转速下的最优摆动规律，并分别发送信号给直流电机和步进电机24；直流电机接收控制信号，通过传动主轴控制旋转圆盘10转动，同时，步进电机24接收控制信号，并配合角度传感器的信息反馈对叶片8的摆角进行精确控制；当船舶需要改变航向时，控制信号由信号线传递给转向机构9控制推进器的左右转动，叶片推力与来流方向发生改变，从而改变航向。

最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围内。

Claims (6)

1.一种具有高推进效率的船舶鲸尾轮推进器，其特征是主要由推进器及控制系统组成，所述推进器悬挂于船舶底部，可在水平方向0～360度范围内转动，提供不同方向的水平推力；所述控制系统安装在船舱内部和推进器主体机构(7)内，通过信号线连接在一起，控制叶片(8)摆动、旋转圆盘(10)转动和推进器左右转向运动，实现叶片摆角和攻角的精确控制，以效率最大为约束条件，对-8°～12°范围内的攻角进行离散化，计算叶片一个运动周期内每一攻角时的效率，取最高效率的攻角，并反算出此时的叶片摆角，得到叶片一个运动周期内的优化摆角。

2.根据权利要求1所述的船舶鲸尾轮推进器，其特征在于所述的推进器导流罩，包括前导流罩和后导流罩，两者均通过螺栓固定于上壳体和下壳体上。

3.根据权利要求1所述的船舶鲸尾轮推进器，其特征在于所述的叶片(8)，有10片，均为特定翼型结构，左右对称布置在推进器两侧；所述特定翼型结构是指NACA0012。

4.根据权利要求1所述的船舶鲸尾轮推进器，其特征在于所述的控制系统，由上位机PC、单片机、步进电机驱动器、步进电机(24)、直流电机、角度传感器、传动主轴和控制电路组成，其中：步进电机(24)与叶片(8)相连，用于控制叶片(8)摆动；直流电机安装在船体内部，用于控制旋转圆盘(10)的转动，具体是通过传动主轴将动力传递至吊舱，驱动旋转圆盘(10)转动；角度传感器装在直流电机上，在直流电机转动时，记录不同时刻旋转圆盘(10)的角度数据，并将数据传给单片机，单片机根据此数据，一方面可及时调整旋转圆盘(10)的转速，另一方面可计算出该时刻各个叶片的相位角，并根据预先设定的程序计算出对应于该相位角的最优的叶片攻角，产生最大的推力。

5.根据权利要求4所述的船舶鲸尾轮推进器，其特征在于所述的控制电路，主要由共用一块单片机的直流电机反馈控制模块、单片机控制模块、步进电机驱动模块组成，单片机通过数据线与上位机PC的I/O口连接。

6.根据权利要求4所述的船舶鲸尾轮推进器，其特征在于所述的叶片攻角，叶片攻角的计算以叶片推力和转矩最大为目标，叶片推力和转矩是攻角的函数，攻角变化，推力和转矩会跟着变化，以上参数通过叶片摆动规律运动控制理论的数学模型来计算，该数学模型包括叶片摆动规律数学模型、叶片推力与转矩的计算模型，其中：

叶片摆动规律数学模型为：

叶片推力与转矩的计算模型为：

T＝-Lsinγ+Dcosγ

式中：β为摆角，为相位角，ɑ为攻角，γ为来流角，θ为推力方向与来流的夹角，L为升力，D为阻力，R为回转半径。