CN107264759A - 一种变海况自驱收放式波浪推进翼 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种变海况自驱收放式波浪推进翼，属于波浪能的收集和转换领域。包括摆动式水翼、传动连杆、蓄气装置、储气罐、动力输出杆、收放套杆、限位弹簧和收放弹簧。低海况下摆动式水翼受到收放弹簧的向上拉力，被拉离水面靠近航行器下表面，从而减小航行器的航行阻力，达到一定海况等级时，摆动式水翼克服限位弹簧的拉力向下运动，浸没到水线面以下，收集波浪能驱动水面航行器航行，航行器重新处于持续低海况状态时，储气罐内气压将逐渐减小，摆动式水翼受收放弹簧回复力作用，重新被拉回水面以上，从而实现不同海况下的自驱收放。本发明可减小低海况下航行阻力、节约水面航行器能源，有助于水面航行器的长期航行。

Description

一种变海况自驱收放式波浪推进翼
技术领域
本发明属于波浪能的收集和转换领域，特别涉及一种变海况自驱收放式波浪推进翼。
背景技术
常规移动观测平台如科考船、无人艇、水下航行器等，一般采用燃油或电池作为动力源，由于所携带的能源有限，导致其续航力较短，这对于长期的海洋观测来说成本高昂、经济性较差，并且容易造成环境污染。由于海洋蕴含了极其丰富的绿色能源，人们对利用海洋能作为海洋运载器的能量源表现出浓厚的兴趣。目前，国内外针对海洋能推进型海洋航行器技术开展了大量研究，主要集中在太阳能推进水下航行器或无人艇、温差能推进水下航行器、风能或太阳能推进无人艇、波浪能推进水下航行器等方面。
波浪滑翔器(unmanned wave glider，UWG)作为一种新型波浪能推进海洋无人航行器，具有超长航时、自主、零排放、经济性等突出优点。它能长期、自主地执行环境监测、水文调查、气象预报、生物追踪、远程预警、通信中继等作业任务，使得UWG在军民领域皆具有广泛的应用前景。在这种背景下，近十年来UWG技术成为了国内外的一个研究热点。
水面航行器可以利用水中的翼板，将波浪能直接转化为驱动水面航行器的前向推力。此类水面航行器以长航时作业为目标，需要对航行器本身携带的能源加以节约、合理利用，因此需要尽量减少在作业过程中对能源的消耗。
水面航行器可以利用水中的翼板，将波浪能直接转化为驱动水面航行器的前向推力。此类水面航行器以长航时作业为目标，需要对航行器本身携带的能源加以节约、合理利用，因此需要尽量减少在作业过程中对能源的消耗。
申请号为201520183626.0的专利公开了“一种双翼波浪推进远程水面航行器”，提供了一种利用固定于艇首和艇尾的推进水翼实现水面航行器的波浪能推进，大幅提高了水面航行器的续航能力。在波浪能充足的条件下，水面航行器下方布设的波浪推进水翼可以有效地收集波浪能驱动水面航行器航行，但在波浪能不充足时，波浪推进水翼不能提供推力且受到水流的冲击，成为了水面航行器航行的阻力，显著增加水面航行器的能量消耗。同时，长时间受到水流冲击，会导致波浪推进水翼的疲劳损伤，从而影响水面航行器的使用寿命。
因此，波浪驱动水面航行器迫切需要一种可以在海况等级较高(波浪能充足)环境下布放摆动式水翼，而在海况等级较低(波浪能不足)环境下收起摆动式水翼，同时耗能较少甚至不耗能的方式。
申请号为201610392011.8的专利公开了“一种可收放双体水翼船”，提供了一种可转动水翼和一种可升降水翼，实现了水翼的布放与回收要求。但是收放过程由船上携带的电能提供能量，进行控制回收与布放，消耗了水面航行器本身携带的电能，与节约水面航行器能源，以达到长航时运行的初衷相悖。同时，这种方式需要额外的控制装置和人工干预，增加了耗能与人力投入。
观察到利用摆动式水翼驱动的水面航行器，在随波浪起伏运动时，摆动式水翼的翼板在惯性作用下，也将随着水面航行器的起伏作上下摆动，而翼板自身摆动的动能没有被有效利用。同样，翼板在水中时，只有产生的水平分力为水面航行器的航行供能，而翼板的垂直分力没有被充分加以利用。因此，考虑利用翼板本身的运动特性，需要自动驱使摆动式水翼的布放和回收。
基于以上发现，本发明旨在提供一种具有自驱动布放回收、装置无能耗、增加航行器的续航性、易于维护保养的变海况自驱收放式波浪推进翼。
发明内容
本发明的目的在于提供一种实现长航时作业的水面航行器，自驱动布放回收摆动式水翼，整个过程无能耗的变海况自驱收放式波浪推进翼。
本发明的设计方案：
所述的变海况自驱收放式波浪推进翼包括了摆动式水翼、传动连杆、蓄气装置、储气罐、动力输出杆、收放套杆、固定在航行器下方的收放弹簧以及航行器上方的限位弹簧。
所述的传动连杆近水面端连接在摆动式水翼的翼板末端，海况等级较低时，摆动式水翼受固定在航行器支架下方的收放弹簧向上拉力，被拉离水面，靠近航行器下表面。
海况达到一定等级的时候，所述摆动式水翼的翼板随水面航行器的起伏上下摆动，带动传动连杆上下运动。
所述传动连杆的运动驱使蓄气装置向储气罐中注入空气，增加储气罐中的压力。气压将推动储气罐的活塞一向下运动，带动动力输出杆向下运动。此时，摆动式水翼克服收放弹簧的拉力向下运动，浸没到水线面以下，收集波浪能驱动水面航行器航行。
待海况等级降低，所述的蓄气装置不能提供足够的气压，摆动式水翼受收放弹簧的拉力作用重新被拉回到水面以上，完成不同海况的自驱动布放和回收。
所述的蓄气装置固结在蓄气罐中的动力输出杆上，当储气罐中的活塞一被气压推动向下运动的时候，蓄气装置也将随着动力输出杆向下运动，保证了摆动式水翼的翼板与蓄气装置之间始终保持着相同的距离，使得摆动式水翼的翼板的上下摆动始终可以通过传动连杆驱动蓄气装置。
所述的蓄气装置包括连杆机构、活塞二、单向阀门、进气口、导气管和气压缓释阀门。
动力输入杆的向上运动，使所述的连杆机构推动活塞二向左运动，单向阀门通过导气管向储气罐中压入气体。动力输入杆向下运动，将通过连杆机构拉动活塞二向右运动，蓄气装置通过进气口吸入空气，为下一次注入气体做准备。
所述摆动式水翼的翼板不能为蓄气装置持续提供压力的时候，摆动式水翼在收放弹簧的拉力作用下向初始位置运动，反向挤压储气罐中的活塞一和蓄气装置，在导气管的管壁上设置的气压缓释阀门，在这个时候逐渐释放出空气，使摆动式水翼可以顺利回到原位。
本发明的有益效果在于：
自驱动布放回收。在波浪能充足条件下布放摆动式水翼，在波浪能不足的条件下受弹簧拉力主动收起摆动式水翼，无需人工干预。
装置无能耗。装置有效利用了摆动式水翼翼板的运动的能量，不需要额外的对于摆动式水翼收放进行能源供给。
增加航行器的续航性。由于装置利用波浪能，不需要消耗水面航行器本身携带的能源，将水面航行器本身携带收集的能源用于航行任务，同时减小了风浪能较弱时水面航行器的航行阻力，为水面航行器提高了续航能力。
易于维护保养。所述波浪推进翼的驱动收放部分布设与水面航行器航行器上方，方便于维护保养，以及易于更换与拆卸。
附图说明
图1为一种变海况自驱收放式波浪推进翼的整体结构示意图；
图2为摆动式水翼收放装置的蓄气装置部分的局部细节结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。
图中要素说明：传动连杆1，蓄气装置2，储气罐3，动力输出杆4，收放套杆5，收放弹簧6，摆动式水翼7，活塞一8，连杆机构9，活塞二10，单向阀门11，进气口12，导气管13，气压缓释阀门14，限位弹簧15，活塞棒16。
一种变海况自驱收放式波浪推进翼，由蓄气装置2，储气装置，动力转换装置组成，其特征在于：蓄气装置2位于储气装置的内部，蓄气装置2和储气装置一端通过导气管13连接，另一端通过动力转换装置连接。
所述的蓄气装置2由外壳一，连杆机构9，单向阀门11，进气口12，导气管13，气压缓释阀门14，限位弹簧15和活塞棒16组成；
外壳一是金属薄板，围成了圆柱体空腔，外壳一的外侧面对称分布着两个孔洞，一侧为进气口12，另一侧孔洞内插入连杆机构9，外壳一上表面边缘开有孔洞，通过单向阀门11与导气管13相连；
连杆机构9由一长一短的两段金属杆和活塞二10组成，两段金属杆一端均连接在可转动的滚轴上，较短的金属杆与活塞二10相连，活塞二10位于外壳一形成是空腔内部，大小与空腔内侧的侧面积相等且不固定连接；
限位弹簧15为一根直弹簧，一端与外壳一的下表面固定连接，另一端与活塞棒16固定连接；
活塞棒16为两段直径不同的金属圆柱体固定连接而成，长度为限位弹簧15自然伸长时与航行器支架上表面的距离。
所述的储气装置由储气罐3，动力输出杆4，收放套杆5，活塞一8组成；
储气罐3是由金属薄板围成的圆柱体空腔，储气罐3的上、下表面均开有孔洞，上表面的孔洞通过气压缓释阀门14与导气管13连接，下表面孔洞内插入收放套杆5；动力输出杆4为刚性金属圆柱棒，一端与活塞一8固定连接，另一端表面套有收放套杆5；
收放套杆5为2或3层大小依次增加的圆柱体金属圆柱壳嵌套而成，彼此之间不固定连接；
活塞一8为圆柱体金属块，表面积与储气罐3内侧的侧面积相等，与储气罐3内侧不固定连接。
所述的动力转换装置由传动连杆1，收放弹簧6和摆动式水翼7组成；
传动连杆1由一长一短的两根金属刚性的圆柱杆和可自由转动的转轴组成，两根金属杆的一端同时连接在可自由转动的转轴上，传动连杆1较短金属杆的另一端与连杆机构9中较长金属杆的一端固定连接，传动连杆1较长金属杆的另一端与摆动式水翼7固定连接；
收放弹簧6一端与航行器支架下表面固定连接，另一端与摆动式水翼7固定连接，收放弹簧6自然伸长的长度等于摆动式水翼7水平摆放时与航行器支架下表面的距离；
摆动式水翼7为一端大一端小的菱形状金属柱体，较大一端与收放套杆5的最小一层固定连接，较小一端与传动连杆1较长金属杆的另一端固定连接，摆动式水翼7中部与收放弹簧6的一端固定连接。
如图1所示，本发明所述的一种变海况自驱收放式波浪推进翼包括了传动连杆1，蓄气装置2，储气罐3，动力输出杆4，收放套杆5，摆动式水翼7，固定在航行器下方的收放弹簧6以及航行器上方的限位弹簧15。
所述的传动连杆1的近水面端连接在摆动式水翼7的翼板末端，没有风浪时，摆动式水翼7在固定在航行器支架下方的收放弹簧6的向上的拉力的作用下，被拉离水面，靠近航行器下表面。
水面航行器在波浪中起伏时，所述的摆动式水翼7的翼板随着水面航行器的起伏上下摆动，带动传动连杆1上下运动。
所述的传动连杆1的运动使得蓄气装置2通过导气管13向储气罐3中注入空气，增加储气罐3中的压力，推动储气罐3中的活塞一8向下运动，进而推动动力输出杆4向下运动，再推动收放套杆5克服收放弹簧6的拉力向下运动，使得摆动式水翼7浸没到水线面以下，收集波浪能驱动水面航行器航行。
所述的蓄气装置2固结于储气罐3中的动力输出杆4，当动力输出杆4向下运动的时候，蓄气装置2同时向下运动，使蓄气装置2和水面下方的摆动式水翼7始终保持着相同的距离，确保摆动式水翼7翼板的运动始终可以通过传动连杆1把动力传递到蓄气装置2中。
波浪减小，水面航行器的起伏减弱的时候，摆动式水翼7的翼板的运动减弱，蓄气装置2不能为储气罐3提供足够的气压来源，在收放弹簧6和限位弹簧15的共同作用下，推动蓄气装置2和摆动式水翼7向上运动，储气罐中3中的气压通过导气管13上的气压缓释阀门14逐渐释放，活塞一8将逐渐回归到初始位置，摆动式水翼7也将被拉离水面，完成摆动式水翼7的自动回收。
所述的蓄气装置2和储气罐3包括连杆机构9，活塞二10，单向阀门11，进气口12，导气管13和气压缓释阀门14。
所述的动力输入杆1的向上运动，使连杆机构9推动活塞二10向左运动，单向阀门11通过导气管13向储气罐3中压入气体。
所述的动力输入杆1的向下运动，拉动活塞二10向右运动，蓄气装置2通过进气口12吸入空气，为下一次通过导气管13向储气罐3中压入气体做准备。
所述的摆动式水翼7的翼板不能为蓄气装置2持续提供动力的时候，摆动式水翼7在收放弹簧6的作用下向初始位置运动，通过动力输出杆4反向挤压蓄气装置2和和储气罐3中的活塞一8，导气管13的管壁上设置的气压缓释阀门14将逐渐释放出空气，减小其中气体的压力，摆动式水翼7顺利回到原位，完成不同海况下波浪推进翼的自动布放回收的整个过程。

Claims (4)

1.一种变海况自驱收放式波浪推进翼，由蓄气装置(2)，储气装置，动力转换装置组成，其特征在于：蓄气装置(2)位于储气装置的内部，蓄气装置(2)和储气装置一端通过导气管(13)连接，另一端通过动力转换装置连接。
2.根据权利要求1所述的一种变海况自驱收放式波浪推进翼，其特征在于：所述的蓄气装置(2)由外壳一，连杆机构(9)，单向阀门(11)，进气口(12)，导气管(13)，气压缓释阀门(14)，限位弹簧(15)和活塞棒(16)组成；
外壳一是金属薄板，围成了圆柱体空腔，外壳一的外侧面对称分布着两个孔洞，一侧为进气口(12)，另一侧孔洞内插入连杆机构(9)，外壳一上表面边缘开有孔洞，通过单向阀门(11)与导气管(13)相连；
连杆机构(9)由一长一短的两段金属杆和活塞二(10)组成，两段金属杆一端均连接在可转动的滚轴上，较短的金属杆与活塞二(10)相连，活塞二(10)位于外壳一形成是空腔内部，大小与空腔内侧的侧面积相等且不固定连接；
限位弹簧(15)为一根直弹簧，一端与外壳一的下表面固定连接，另一端与活塞棒(16)固定连接；
活塞棒(16)为两段直径不同的金属圆柱体固定连接而成，长度为限位弹簧(15)自然伸长时与航行器支架上表面的距离。
3.根据权利要求1所述的一种变海况自驱收放式波浪推进翼，其特征在于：所述的储气装置由储气罐(3)，动力输出杆(4)，收放套杆(5)，活塞一(8)组成；
储气罐(3)是由金属薄板围成的圆柱体空腔，储气罐(3)的上、下表面均开有孔洞，上表面的孔洞通过气压缓释阀门(14)与导气管(13)连接，下表面孔洞内插入收放套杆(5)；动力输出杆(4)为刚性金属圆柱棒，一端与活塞一(8)固定连接，另一端表面套有收放套杆(5)；
收放套杆(5)为2或3层大小依次增加的圆柱体金属圆柱壳嵌套而成，彼此之间不固定连接；
活塞一(8)为圆柱体金属块，表面积与储气罐(3)内侧的侧面积相等，与储气罐(3)内侧不固定连接。
4.根据权利要求1，2，3所述的一种变海况自驱收放式波浪推进翼，其特征在于：所述的动力转换装置由传动连杆(1)，收放弹簧(6)和摆动式水翼(7)组成；
传动连杆(1)由一长一短的两根金属刚性的圆柱杆和可自由转动的转轴组成，两根金属杆的一端同时连接在可自由转动的转轴上，传动连杆(1)较短金属杆的另一端与连杆机构(9)中较长金属杆的一端固定连接，传动连杆(1)较长金属杆的另一端与摆动式水翼(7)固定连接；
收放弹簧(6)一端与航行器支架下表面固定连接，另一端与摆动式水翼(7)固定连接，收放弹簧(6)自然伸长的长度等于摆动式水翼(7)水平摆放时与航行器支架下表面的距离；
摆动式水翼(7)为一端大一端小的菱形状金属柱体，较大一端与收放套杆(5)的最小一层固定连接，较小一端与传动连杆(1)较长金属杆的另一端固定连接，摆动式水翼(7)中部与收放弹簧(6)的一端固定连接。
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