CN109515662B - 一种适用于具有永久续航能力的水下无人航行器的充电系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于水下无人航行领域，特别涉及一种适用于具有永久续航能力的水下无人航行器的充电系统。此发明是通过在水下无人航行器尾部安装一个水力发电装置来为水下无人航行器充电，海流会带动水力发电装置的叶片旋转，从而驱使发电机产生电能并储存在蓄电池中，完全满足航行器的工作需求，达到永久续航的目的。该水下无人航行器可以通过所加的水力发电装置满足远洋探测所需的电力；当水下无人航行器定点探测时，同时也可以利用水力发电装置进行充电；水力发电装置安装在航行器尾部，占据航行器内部空间很小；水力发电装置可以收缩叶片贴近航行器，使水力发电装置不影响水下无人航行器的航行及其航速。

Description

一种适用于具有永久续航能力的水下无人航行器的充电系统

技术领域

本发明属于水下无人航行领域，特别涉及一种适用于具有永久续航能力的水下无人航行器的充电系统。

背景技术

海洋占地球表面71％，面积广阔，蕴藏着丰富的海洋资源，但目前开发利用的程度还很低，因此探索海洋资源具有十分重要的意义。为了了解海洋资源分布，各国从20世纪50年代末相继对水下无人航行器进行了研究，并且水下无人航行器不仅可以探测海洋资源，而且还可以用于军事活动，比如情报收集、通信中继和水雷探测等方面。传统的水下无人航行器由于体积小，容量有限，造成电源系统能量有限，因而续航能力不强，不能长时间航行，若测量的目标地点过远，还需要用其它载具携带水下无人航行器至目标区域投放，十分不便。

为了解决水下无人航行器长时间航行的问题，许多专利都提出了具有建设性的方法，但它们或多或少的存在一些问题。对于专利申请号为201410450768.9，名称为“利用风能或水流能充电续航的螺旋桨”，如果利用风能充电，飞行器停泊位置，固定方法还需要解决，若是停在地面，风力很弱，发电量低，若是停在高处，风力很强，使飞行器无法固定；如果利用水流能充电，这种两叶片的螺旋桨结构的推进效果不好，同时水下发电效率很低。对于专利申请号为201710218259.7,名称为“一种用于水下航行器的流体动能收集装置”，其装置内置于水下航行器的舱体中，包括两个以上的振动舱和一个以上的水轮舱，这种装置工作时水流由一端流入，另一端流出，需要从航行器内部穿过才能满足需要，因此其占用航行器内部空间大，会影响航行器原有的内部结构。对于专利申请号为201610185853.6，名称为“一种用于小型海洋航行器的摆翼式波浪能收集装置”，对于安装这种装置的长期工作在海面以下的水下航行器，当需要充电时，航行器还需上浮到海面上才能发挥最大的作用，从而会使航行器相应的调节系统更加复杂。对于专利申请号为201610826041.5，名称为“一种基于海浪-光能互补发电的水下航行器感应充电系统”，如果水下航行器进行远距离探测时，这种充电方式需要布置大量的集洋面漂浮模块、海浪发电模块、光能发电模块、储能模块及水下非接触充电模块，这使得成本增加，并且也为其它在海面航行的船舶增加了安全隐患。对于专利申请号为201410592554.5，名称为“一种液压式的水下航行器垂直轴海流发电装置”，包括两个垂直轴海流发电装置，分别安装在航行器前段与航行器中段之间，航行器中段与航行器后段之间。这种装置将航行器分成三段，使前段、中段及后段之间的联系更加复杂，从而会影响航行器原有的内部构造，难以实现系统有机统一。每个垂直轴海流发电装置都有一套由液压油箱、柱塞泵、液压管路和旋转接头组成的液压系统，液压系统不仅占据了很多的航行器内部空间，而且液压系统一旦发生故障，将影响垂直轴海流能发电装置的发电效果及水下航行器运行性能和安全性。

发明内容

本发明的目的是在不影响水下无人航行器内部结构布局和航行性能的前提下，提供一种可以保证水下无人航行器永久续航的充电系统。

一种适用于具有永久续航能力的水下无人航行器的充电系统，水下无人航行器整体发电装置安装在水下无人航行器尾端的外侧，该系统包括：发电装置部分和锚泊装置部分，发电装置部分包括推杆电机1、永磁发电机舱2、步进电机、垂直轴式水轮机5、主轴6，推杆电机1安装在水下无人航行器尾端的内侧，推杆电机1通过推杆伸出航行器尾端与永磁发电机舱2底部固定，永磁发电机舱2为圆柱形，主轴6穿过垂直轴式水轮机5的轴中心与之相连，永磁发电机舱2内部的永磁发电机与主轴6一端相连，主轴6另一端与锚泊装置部分相连，垂直轴式水轮机5上端均匀分布六个步进电机。

所述发电装置部分还包括：叶片和第一转轴，叶片通过第一转轴与垂直轴式水轮机5相连，步进电机通过第一转轴使叶片展开或闭合。

所述锚泊装置部分包括：锚机8、锚链8、锚唇10、锚11和滚筒13，滚筒13为空心圆筒，固定在主轴6上端与主轴6垂直，且主轴6的上端与滚筒13不接触，滚筒13一侧固定有锚机8，滚筒13通过第二转轴12与锚链8相连，第二转轴12在滚筒13中旋转方向不固定，步进电机与滚筒13上方倒扣一个漏斗形空心筒，漏斗形空心筒上端较小的口为锚唇10，滚筒13通过锚链9与锚11相连，锚链9缠绕在滚筒13上，锚11固定在锚唇10中。

本发明的有益效果在于：

(1)该水下无人航行器可以通过所加的水力发电装置满足远洋探测所需的电力；

(2)当水下无人航行器定点探测时，同时也可以利用水力发电装置进行充电；

(3)水力发电装置安装在航行器尾部，占据航行器内部空间很小；

(4)水力发电装置可以收缩叶片贴近航行器，使水力发电装置不影响水下无人航行器的航行及其航速。

附图说明

图1为水下无人航行器的整体构造示意图。

图2为水下无人航行器尾端外侧的整体发电装置安装位置示意图。

图3为水下无人航行器尾端内侧的推杆电机安装位置示意图。

图4为整体发电装置运行时的示意图。

图5为整体发电装置构造示意图。

图6为透过锚泊设备的整体发电装置的内部构造示意图。

图7为忽略锚、锚链和锚唇的整体发电装置的俯视图。

图8为发电装置部分构造示意图。

图9为锚泊装置部分构造示意图。

图10为锚泊装置的滚筒构造示意图。

图11为锚泊装置的滚筒侧面示意图。

图12为另一种锚泊装置示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述。

具体实施方式1：参见图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9、图10和图11。

本发明构造如下：

一种适用于具有永久续航能力的水下无人航行器的充电系统方案1，如图1、2和3所示，包括推杆电机1、永磁发电机舱2、步进电机、垂直轴式水轮机5和锚泊设备。水下无人航行器整体发电装置安装在水下无人航行器尾端的外侧，如图1和2所示，推杆电机1安装在水下无人航行器尾端的内侧，如图3所示。推杆电机1通过推杆伸出航行器尾端与永磁发电机舱2底部固定，从而可以控制整体发电装置的伸缩，防止垂直轴式水轮机5的叶片在发电展开时与航行器尾部两侧螺旋桨发生碰撞。当水下无人航行器需要充电时，水下无人航行器先运行至垂直海平面的位置，此时整体发电装置状态如图4所示，箭头表示海流方向,锚泊设备抛锚以此来固定水下无人航行器，垂直轴式水轮机5转动，带动永磁发电机舱2中的永磁发电机旋转产生电能。整体发电装置如图5所示，锚唇10可以在航行器航行时使锚固定，在航行器充电时使锚和锚链9有序的抛出，并在充电结束时有序的缩回。透过锚唇10分析整体发电装置如图6所示，忽略锚、锚链9和锚唇10的整体发电装置俯视图如图7所示，将其分解为两部分说明，其一是发电装置部分，如图8所示，其二是锚泊装置部分，如图9、10和11所示。对于发电装置部分，在图8中，永磁发电机舱2内部的永磁发电机通过主轴6与垂直轴式水轮机5连接，并且主轴6的上端与滚筒13保持一段距离，防止滚筒13在收缩锚链9时与主轴6产生摩擦，垂直轴式水轮机5上端均匀分布六个步进电机，六个步进电机可以分别通过第一转轴使叶片展开或闭合。对于锚泊装置的整体部分，航行器航行时，锚链9缠绕在滚筒13上，锚固定在锚唇10中，航行器充电时，锚机8使滚筒13转动，锚和锚链9通过锚唇10伸出至如图9所示的位置。对于锚泊装置的锚链9和滚筒13的连接，如图10和11所示，其中第二转轴12可以在滚筒13中以顺或逆时针的方向旋转。这是由于锚泊设备固定在发电装置上，如果不采取如图10和11的锚链9与滚筒13的连接方式，会发生航行器在充电时，垂直轴式水轮机5带动整体锚泊设备一起转动的情况。因此，采取这样的装置措施可以使锚泊设备中的锚链9、锚和第二转轴12不随整体发电装置一起转动，避免了航行器固定不稳情况的发生，也减少了垂直轴式水轮机5的启动转矩。

具体实施方式1：参见图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9、图10和图11。

水下无人航行器航行时，整体发电装置安装在水下无人航行器尾端外侧的两个螺旋桨中间位置，推杆电机1通过推杆伸出航行器尾端与永磁发电机舱2底部固定，永磁发电机舱2紧贴航行器尾端外侧，垂直轴式水轮机5呈收缩状态，锚固定在锚泊设备的锚唇10中，如图1、2和3所示。

水下无人航行器需要充电时，自动调整为垂直于海平面的状态，结合图4至图11。首先锚泊设备中的锚机8运行，使缠绕在滚筒13上的锚链9和锚从锚唇10全部伸出，使航行器固定。然后推杆电机1的推杆伸出航行器尾端，推动整体发电装置至发电位置。接下来六个步进电机通过第一转轴驱动叶片逆时针旋转90°，最后松开发电装置的电磁抱闸，开始发电。当垂直轴式水轮机5受到海流冲击时便可转动，使永磁发电机舱2中的永磁发电机旋转产生电能。发电装置在转动过程中，由于滚筒13与锚链9是通过第二转轴12连接的，因此锚链9和锚不会随发电装置一起转动，避免了航行器固定不稳的情况发生，减少发电装置启动转矩。在水下无人航行器充电时，也可以实现定点检测的功能。

水下无人航行器充电完毕后，按照上述相反的步骤运行即可回到初始位置。首先闭合发电装置的电磁抱闸，停止充电，然后六个步进电机通过第一转轴驱动叶片顺时针旋转90°，回到闭合状态。接下来推杆电机1的推杆收缩进航行器尾端内部，带动整体发电装置回到航行时的位置，永磁发电机舱2紧贴航行器尾端外侧。最后锚机8运行，收缩锚链9，并使锚再次固定在锚唇10中，水下航行器调整到初始位置，继续航行。

具体实施方式2：参加图8和图12。

水下无人航行器的发电装置如图8所示，其为具体实施方式1中整体发电装置去掉锚泊设备余下的部分。当水下无人航行器需要充电时，水下无人航行器采用图12方式抛锚固定，水下航行器航行和充电时，发电装置实施过程与具体实施方式1一致。

Claims (1)

1.一种适用于具有永久续航能力的水下无人航行器的充电系统，水下无人航行器整体发电装置安装在水下无人航行器尾端的外侧，其特征在于，该系统包括：发电装置部分和锚泊装置部分，发电装置部分包括推杆电机（1）、永磁发电机舱（2）、步进电机、垂直轴式水轮机（5）、主轴（6），推杆电机（1）安装在水下无人航行器尾端的内侧，推杆电机（1）通过推杆伸出航行器尾端与永磁发电机舱（2）底部固定，永磁发电机舱（2）为圆柱形，主轴（6）穿过垂直轴式水轮机（5）的轴中心与垂直轴式水轮机（5）相连，永磁发电机舱（2）内部的永磁发电机与主轴（6）一端相连，主轴（6）另一端与锚泊装置部分相连，垂直轴式水轮机（5）上端均匀分布六个步进电机；所述发电装置部分还包括：叶片和第一转轴，叶片通过第一转轴与垂直轴式水轮机（5）相连，步进电机通过第一转轴使叶片展开或闭合；所述锚泊装置部分包括：锚机（8）、锚链（9）、锚唇（10）、锚（11）和滚筒（13），滚筒（13）为空心圆筒，固定在主轴（6）上端与主轴（6）垂直，且主轴（6）的上端与滚筒（13）不接触，滚筒（13）一侧固定有锚机（8），滚筒（13）通过第二转轴（12）与锚链（9）相连，第二转轴（12）在滚筒（13）中旋转方向不固定，步进电机与滚筒（13）上方倒扣一个漏斗形空心筒，漏斗形空心筒上端较小的口为锚唇（10），滚筒（13）通过锚链（9）与锚（11）相连，锚链（9）缠绕在滚筒（13）上，锚（11）固定在锚唇（10）中。

Images