CN107235130A - 一种用于小型海洋航行器的摆翼式波浪能收集装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于小型海洋航行器的摆翼式波浪能收集装置，包括摆动水翼，传动舱室，内部旋转传动机构，舱室连接隔板及发电机，其中内部旋转传动机构包括输入轴、齿轮加速机构和输出轴。摆动水翼通过U形连接件与输入轴相连；输出轴与发电机相连；舱室连接隔板实现舱室间密封连接，并设有轴承座孔，用于支撑输入轴或输出轴；摆动水翼与传动舱室壳体之间还连接有弹簧。基于摆动水翼与航行器机体两部分水动力学响应的差异，本发明利用摆动水翼吸收波浪上下起伏的能量，带动输入轴转变为旋转运动，经加速后由输出轴带动发电机发电，解决小型海洋航行器长时作业的能源供给问题。本发明还具有结构简单、拆装维护方便，应用范围广的优点。

Description

一种用于小型海洋航行器的摆翼式波浪能收集装置
技术领域
本发明涉及海洋航行器技术领域，尤其涉及一种用于小型海洋航行器的摆翼式波浪能收集装置。
背景技术
小型海洋航行器主要有水下自主水下航行器(AUV)、遥控潜水器(ROV)、水下滑翔器(Glider)和水面滑翔机(ASV)等形式。其作为便捷、高效的海洋移动平台，在海洋资源勘探、水下军事侦察、远程设备监测等领域具有十分重要的战略意义，是海陆空天潜一体化监测网络的重要组成部分。
当前小型海洋航行器的电力来源主要依靠一次电池、蓄电池或燃料电池等，有限的内部空间也制约了所能装载的电源总量，只能为航行器提供几小时到数天作业时间的电力供应。有限的电力来源对航行器作业半径、航行速度、任务持续时间以及负载设备承载能力都有较大限制。如美国军方研发的Bluefin-21型自主式水下航行器，采用锂电池供电，在标准负载和3节航速下的续航能力仅25小时，在执行MH370搜寻任务时，需要频繁回收。当前，AUV进行长时间、远距离作业，需定期回收充电，成本也随之增加。
可见，能源供给技术是制约AUV等小型海洋航行器应用的主要问题之一。如何解决航行器持续的能源供应问题，提高续航能力，满足其长航时、大航程、多任务的作业需求，是当前小型海洋航行器研究的一个重要方向。而海洋波浪能作为一种储量丰富、分布广泛的可再生清洁能源为解决这一问题提供了一种可行的途径，各个国家都在进行深入研究。国内西北工业大学发明了一种用于水下滑翔机的晃动发电装置，通过偏心轮滑动发电机吸收海洋动能带动发电机发电；中船重工702研究所提出利用水下滑翔器固定机翼上下滑移运动发电，但事先需要使用浮力调节装置使机体竖直和控制旋转电机将机翼旋转；国外南安普顿大学提出利用一种陀螺式装置吸收波浪能，利用安装在AUV壳体内的惯性飞轮在波浪激励下的陀螺进动效应产生电力；Liquid Robotics公司研发的海洋观测设备WaveGlider，利用滑翔翼片实现波浪能直接推进滑翔机。包括以上在内的现有技术，都与本发明的技术特征有很大差异。
发明内容
本发明为解决上述小型海洋航行器长期作业时的能源供给问题，提供一种用于小型海洋航行器的摆翼式波浪能收集装置，捕获波浪能并转换为电能存储，为航行器作业提供电力补给，提高续航力。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种用于小型海洋航行器的摆翼式波浪能收集装置，包括摆动水翼与航行器传动舱室，传动舱室包括上半舱室壳体、下半舱室壳体和内部旋转传动机构，通过前舱室连接隔板和后舱室连接隔板支撑固定；内部旋转传动机构包括输入轴、齿轮加速机构和输出轴，输出轴穿过后舱室连接隔板与发电机连接；所述输入轴设置在传动舱室内两侧靠近外缘处与摆动水翼通过U形连接件固定连接。摆动水翼上下翼面和航行器传动舱室外壳之间还连接有弹簧，在静止时用于支撑摆动水翼处于水平位置，在摆动捕获波浪能时用于提供恢复力矩并缓冲摆动水翼与航行器传动舱室壳体之间过大的相互作用力，避免碰撞。摆动水翼随波浪摆动带动输入轴转动，经旋转加速，带动发电机发电。
所述小型海洋航行器为普通鱼雷外形，包括尾翼、舵、推进器，所述传动舱室布置在航行器中部位置，通过所述前舱室连接隔板和后舱室连接隔板与航行器其他舱室连接。
所述舱室连接隔板总体呈圆形，前舱室连接隔板上设有两个输入轴前轴承座槽，水平对称布置；后舱室连接隔板上设有两个输入轴后轴承座槽和两个输出轴轴承座槽，输出轴轴承座槽中心处还各设有输出轴孔，均水平对称布置；所述轴承座槽分别用于固定输入轴轴承和输出轴轴承；输出轴穿过输出轴孔与发电机连接。所述前舱体连接隔板和后舱体连接隔板均设有线路通孔。舱室连接隔板与传动舱室壳体连接处，设计有密封圈一和密封圈二双重密封。
所述齿轮加速机构包括锥齿轮一、锥齿轮二、锥齿轮三、锥齿轮四。摆动水翼带动输入轴旋转，输入轴带动锥齿轮一，锥齿轮一带动锥齿轮二，锥齿轮二与锥齿轮三同轴运动，并带动锥齿轮四，锥齿轮四通过输出轴带动发电机发电。其中锥齿轮二小于锥齿轮一并通过齿轮配合连接，锥齿轮三大于锥齿轮二并通过中间轴同轴运动，锥齿轮四小于锥齿轮三并通过齿轮配合连接。
所述摆动水翼为对称翼形结构，在所述传动舱室两侧对称布置，并且在与航行器传动舱室连接的一端设计有两个凸台结构。
所述航行器传动舱室外壳两侧设有凹槽结构和输入轴槽，摆动水翼上下翼面与传动舱室在凹槽壁面之间处连接有弹簧。
所述U形连接件还包括V形槽、U形槽、外斜面、螺钉孔和螺栓孔，V形槽与所述输入轴相切配合并通过紧固螺钉连接固定，U形槽与摆动水翼的凸台结构通过锁紧螺栓连接固定，外斜面与传动舱室的凹槽壁面共同形成对摆动水翼摆动角度的限位，使摆动水翼在相对于航行器水平面上下最大各60°角度范围内摆动。
本发明产生的有益效果是：
利用摆动水翼与航行器机体水动力学响应的差异，摆动水翼随波浪起伏绕输入轴上下摆动，同时带动输入轴旋转，通过传动舱室内齿轮加速机构，带动发电机发电，存储到蓄电池，为小型海洋航行器长期自维持作业提供持续的电力补给，解决小型海洋航行器长航时、大航程、多任务时的能源供给问题。
本发明充分利用航行器有限的内部空间，结构简单，拆装及维护方便，成本低廉。而且本发明应用范围广，不仅可用于水面海洋航行器，同时可兼顾水下航行器。当水下航行器感受到蓄电池电量不足时，可通过调整重力调节系统，上浮至水面利用摆动水翼收集波浪能进行发电，为蓄电池补充电力消耗，充满电后可继续下潜作业。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1为本发明摆翼式波浪能收集装置的结构示意图；
图2为传动舱室内部结构俯视图；
图3为安装摆翼式波浪能收集装置航行器的总体外形图；
图4为前舱室连接隔板结构图；
图5为后舱室连接隔板侧视图；
图6为传动舱室外部壳体结构图；
图7为摆动水翼连接方式俯视图；
图8为U形连接件结构示意图；
图9为摆动水翼结构示意图；
图10为安装摆翼式波浪能发电装置后航行器发电状态示意图。
图中各标号表示为：001、航行器机体；002、尾翼；003、舵；004、推进器；101、摆动水翼；102、U形连接件；103、紧固螺栓；104、U形连接件外斜面；105、U形槽；106、紧固螺钉；107、水翼凸台结构；108、V形槽；11、螺钉孔；12、螺栓孔；201、输入轴；202、锥齿轮一；203、锥齿轮二；204、锥齿轮三；205、锥齿轮四；206、输出轴；207、发电机；23、轴承；25、紧锁套筒；301、前舱室连接隔板；3011、输入轴前轴承座槽；302、后舱室连接隔板；3021、输入轴后轴承座槽；3022、输出轴轴承座槽；3023、输出轴孔；303、密封圈一；304、密封圈二；305、线路通孔；401、弹簧；501、下半传动舱室壳体；502、下半传动舱室壳体；503、凹槽结构；504、输入轴槽。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
如图1和图2所示，本发明所述用于海洋航行器的摆翼式波浪能收集装置，包括：用于捕获波浪能的摆动水翼101，摆动水翼101通过U形连接件102与输入轴201固定连接，并带动输入轴201转动，将波浪能传递到传动舱室，在传动舱室内，输入轴201驱动锥齿轮一202，经锥齿轮二203、锥齿轮三204、锥齿轮四205的啮合传动加速后，由输出轴206带动发电机207，将机械能转换为电能。
参见图3和图4，所述小型海洋航行器机体001为普通鱼雷外形，还包括尾翼002、舵003和推进器004，所述传动舱室布置在航行器中部位置，通过前舱室连接隔板301和后舱室连接隔板302与航行器其他舱室连接。所述传动舱室外壳两侧开有凹槽503和输入轴槽504，外壳由两部分构成，分为上半舱室壳体501和下半舱室壳体502；摆动水翼101对称布置于传动舱室外壳两侧，上下翼面与凹槽壁面之间连接有弹簧401，用于保证摆动水翼在静止时处于水平位置，并在摆动捕获波浪能时提供恢复力矩以及缓冲摆动水翼与航行器传动舱室壳体之间过大的相互作用力，避免碰撞。
所述前舱室连接隔板301和后舱室连接隔板302用于支撑固定传动舱室，并与航行器其他舱室密封连接。如图5和图6所示，前舱室连接隔板301设有输入轴前轴承座槽3011，后舱室连接隔板302设有输入轴后轴承座槽3021、输出轴轴承座槽3022和输出轴孔3023，用于支撑输入轴201和输出轴206。前舱室连接隔板301和后舱室连接隔板302与传动舱室连接处均设有密封圈一303和密封圈二304，形成双重密封，此外，还均设有线路通孔305。
参见图7到图9，摆动水翼101在与航行器传动舱室连接的一端设有凸台结构107，与U形连接件102的U形槽105配合，通过紧固螺栓103固定连接，U形连接件102设有V形槽108与输入轴201相切配合并通过紧固螺钉106和输入轴201固定连接。U形连接件102还设有外斜面104，与传动舱室的凹槽503的壁面共同形成对摆动水翼101摆动角度的限位，使摆动水翼在相对于航行器水平面上下最大各60°角度范围内摆动。
摆动水翼101利用与航行器机体001的水动力学响应的差异，在水面或近水面捕获波浪能，带动输入轴201转动，经加速后由输出轴206带动发电机207发电，并存储到蓄电池，发电状态如图10所示。
应当注意的是，以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，本领域的普通技术人员可以根据上述说明加以改进或变换，而所有形式的修改都应在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于小型海洋航行器的摆翼式波浪能收集装置，其特征在于：包括摆动水翼与航行器传动舱室，传动舱室包括上半舱室壳体、下半舱室壳体和内部旋转传动机构，通过前舱室连接隔板和后舱室连接隔板支撑固定；内部旋转传动机构包括输入轴、齿轮加速机构和输出轴，输出轴穿过后舱室连接隔板与发电机连接；所述输入轴设置在传动舱室内两侧靠近外缘处与摆动水翼通过U形连接件连接。摆动水翼上下翼面和航行器传动舱室外壳之间还连接有弹簧，在静止时用于支撑摆动水翼处于水平位置，在摆动捕获波浪能时用于提供恢复力矩并缓冲摆动水翼与航行器传动舱室壳体之间过大的相互作用力，避免碰撞。摆动水翼随波浪摆动带动输入轴转动，经旋转加速，带动发电机发电。
2.根据权利要求1所述的用于小型海洋航行器的摆翼式波浪能收集装置，其特征在于：所述小型海洋航行器机体为普通鱼雷外形，还包括尾翼、舵、推进器，所述传动舱室布置在航行器中部位置，通过所述前舱室连接隔板和后舱室连接隔板与航行器其他舱室连接。
3.根据权利要求1所述的用于小型海洋航行器的摆翼式波浪能收集装置，其特征在于：所述舱室连接隔板总体呈圆形，前舱室连接隔板上设有两个输入轴前轴承座槽，水平对称布置；后舱室连接隔板上设有两个输入轴后轴承座槽和两个输出轴轴承座槽，输出轴轴承座槽中心处还各设有输出轴孔，均水平对称布置；所述轴承座孔分别用于固定输入轴轴承和输出轴轴承；输出轴通过输出轴孔与发电机连接。所述前舱体连接隔板和后舱体连接隔板均设有线路通孔。舱体连接隔板与传动舱室壳体连接处，设计有密封圈一和密封圈二双重密封。
4.根据权利要求1所述的用于小型海洋航行器的摆翼式波浪能收集装置，其特征在于：所述齿轮加速机构包括锥齿轮一、锥齿轮二、锥齿轮三、锥齿轮四。摆动水翼带动输入轴旋转，输入轴带动锥齿轮一，锥齿轮一带动锥齿轮二，锥齿轮二与锥齿轮三同轴运动，并带动锥齿轮四，锥齿轮四通过输出轴带动发电机发电。其中锥齿轮二小于锥齿轮一并通过齿轮配合连接，锥齿轮三大于锥齿轮二并同轴运动，锥齿轮四小于锥齿轮三并通过齿轮配合连接。
5.根据权利要求1所述的用于小型海洋航行器的摆翼式波浪能收集装置，其特征在于：所述摆动水翼为对称翼形结构，在所述传动舱室两侧对称布置，并且在与航行器传动舱室连接的一端设计有两个凸台结构。
6.根据权利要求1所述的用于小型海洋航行器的摆翼式波浪能收集装置，其特征在于：所述航行器传动舱室外壳两侧设有凹槽和输入轴槽，摆动水翼上下翼面与传动舱室在凹槽壁面之间还连接有弹簧。
7.根据权利要求1所述的用于小型海洋航行器的摆翼式波浪能收集装置，其特征在于：所述U形连接件还包括V形槽、U形槽、外斜面、螺钉孔和螺栓孔，V形槽与所述输入轴相切配合并通过紧固螺钉连接固定，U形槽与摆动水翼的凸台结构通过锁紧螺栓连接固定，外斜面与传动舱室的凹槽壁面共同形成对摆动水翼摆动角度的限位，使摆动水翼在相对于航行器水平面上下最大各60°角度范围内摆动。
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