CN109625225A - 一种水下柔性喷射推进装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及水下航行器技术领域，具体涉及一种水下航行器喷水推进装置。一种水下柔性喷射推进装置，包括：由第一水腔壳体、第二水腔壳体以及尾端盖组成的推进舱；推进舱内设有球形水腔、干式密闭空间、与球形水腔相通的进水通道、进/排气通道、柔性气囊组件、喷水转接板、喷嘴以及电控开关阀；柔性气囊组件中的柔性气囊进气过程和抽气过程即为水下柔性喷射推进系统的一个工作周期。本发明通过以气动静压方式驱动柔性气囊工作，进而控制球形水腔的内部水压，从而达到水下柔性喷射推进目的；本发明结构简单，能够实现瞬时大推力推进、重复使用高压气体并避免向水中排放气体，应用于水下航行器可以提高其特定工况下的机动性能和隐蔽性能。
Description
技术领域
本发明涉及水下航行器技术领域，具体涉及一种水下航行器喷水推进装置。
背景技术
随着装备技术水平的不断提高，对水下航行器的隐蔽性和机动性等提出了更高要求。传统的螺旋桨推进装置结构复杂、瞬时推力小、噪音大，在高速航行时螺旋桨叶片周围的液体会发生空化，从而使螺旋桨的推力减小，且桨叶表面很容易受到空化剥蚀，严重的甚至会导致桨叶破坏。而泵压喷水推进装置中的推进泵同样具有较为复杂的叶片，且在高航速下仍然存在空化、空蚀问题。而水下喷气推进技术和水下气液两相喷射推进技术在工作时均要向水中释放气体，会在水面形成气泡，不利于水下航行器的隐蔽。因此，开发新型水下推进装置成为一种迫切需求，有较为广阔的应用前景。
专利号为ZL201010207760.1的中国专利申请《仿乌贼脉冲式喷水推进装置》提出采用活塞往复机构及单向阀配合作用来实现吸/喷水过程，专利号为ZL200510010225.6的中国专利申请《仿乌贼型软体动物大潜深水下仿生机器人》提出采用形状记忆合金SMA作为动力源来实现喷射推进过程，但这两种推进方式均无法获得较大的喷射推力。
发明内容
本发明的目的是：为克服现有推进技术存在的不足，提供一种结构简单、瞬时推力大、噪音低的水下柔性喷射推进装置。
本发明的技术方案是：一种水下柔性喷射推进装置，包括：由第一水腔壳体、第二水腔壳体以及尾端盖组成的推进舱；
第一水腔壳体与第二水腔壳体连接，内部形成球形水腔；第二水腔壳体与尾端盖连接，内部形成干式密闭空间；在第一水腔壳体的周向上设有与球形水腔相通的进水通道，进水通道的数量为一个或一个以上，具体数量根据实际需要调整，在进水通道的进水口处设有过滤网，在进水通道的出水口出设有常闭式弹性进水膜；常闭式弹性进水膜为弹性材料配合起到进水通道只能单向进水的作用，在弹力作用下其常态为闭合状态以关闭进水通道；在第一水腔壳体的中心处设有与球形水腔相通的进/排气通道；在球形水腔的轴心处设有柔性气囊组件，柔性气囊组件包括：柔性气囊、多孔支撑骨架以及安装法兰；柔性气囊为具有超弹特性的材料，且在充气状态下呈球形并可以膨胀收缩，类似于“气球”；多孔支撑骨架主要用于支撑排气后的柔性气囊以及避免在充气时柔性气囊承受直线气动冲击；多孔支撑骨架套接在进/排气通道上，柔性气囊通过安装法兰与第一水腔壳体固定连接，柔性气囊内部为气容腔；在第二水腔壳体的底部中心处设有喷水转接板，喷水转接板设有与球形水腔相匹配的球形凹表面以及与干式密闭空间相通的喷水孔，可以根据实际需要来设计喷水孔的孔径大小；尾端盖的底部中心处设有喷嘴；干式密闭空间内设有电控开关阀；喷水孔与喷嘴通过电控开关阀连接。
本装置的工作过程为：
气容腔的进气过程和抽气过程即为水下柔性喷射推进系统的一个工作周期：当通过进/排气通道向柔性气囊内充入气体时，柔性气囊体积逐渐增大，从而使球形水腔的容积变小，由于常闭式进水膜闭合进水通道，且在柔性气囊充气膨胀过程中，其内部空间形成的气容腔正好可以压住常闭式弹性进水膜，进一步增强常闭式弹性进水膜的闭合程度，起到一个自锁的作用，由此球形水腔的内部水压升高；当球形水腔的内部压力达到设定值时，电控开关阀开启，将球形水腔中的水通过喷嘴高速喷出，形成喷射推进；当通过进/排气通道从柔性气囊内抽出气体时，电控开关阀关闭，此时柔性气囊体积缩小，球形水腔的容积增大而形成相对的负压，常闭式进水膜开启进水通道，外部的水通过过滤网经进水通道流进球形水腔进行补充。
进一步的，推进舱的前端配有控制舱；控制舱内设有与进/排气通道相连并与气容腔相通的高压气瓶以及抽气装置；高压气瓶用于为推进舱在喷水时向柔性气囊提供气源，抽气装置用于为推进舱在吸水时抽出提供给柔性气囊的气体。
进一步的，可将上述方案中的喷嘴设计为变口径矢量喷口，从而可以通过控制喷嘴的方式来实现变喷射推力和变推进方向。
进一步的，上述方案中的推进舱的数量为一个或一个以上，可以按照模块化设计，根据需要将多个推进舱集成于一体，形成一个集束喷射推进装置，从而实现既可以单个小脉冲喷射推进，也可以多个大脉冲喷射推进，还可以实现交替连续喷射推进。
上述方案中，具体的，在第一水腔壳体与第二水腔壳体之间、第一水腔壳体与安装法兰之间、第二水腔壳体与喷水孔转接板之间、第二水腔壳体与尾端盖之间、喷水孔转接板与电控开关阀之间、电控开关阀与喷嘴之间、喷嘴与尾端盖之间的接合面位置均设置有密封圈或密封垫。
上述方案中，具体的，推进舱的外形呈漏斗形；控制舱的外形呈圆柱形。
有益效果：
(1)本发明通过以气动静压方式驱动柔性气囊工作，进而控制球形水腔的内部水压，从而达到水下柔性喷射推进目的，装置结构简单，能够实现瞬时大推力推进、重复使用高压气体并避免向水中排放气体，应用于水下航行器可以提高其特定工况下的机动性能和隐蔽性能。
(2)本发明可应用于水下航行器的快速机动工况，且在水深越浅越容易暴露的情况下，因水中背压越低而产生的喷射推力越大，使得水下航行器在浅水状态下的机动性能越好；
(3)本发明中所采用的柔性气囊不仅可以起到水腔和气容腔之间的弹性隔膜作用，从而避免驱动气体排放到水中而造成水下航行器暴露，而且还可以通过充气膨胀正好压住常闭式弹性进水膜，进而可以起到喷水时自锁吸水口的作用；
(4)本发明采用气动静压方式驱动柔性气囊工作，进而控制球形水腔的内部水压，从而能够实现瞬时大推力推进，并利用抽气装置回收柔性气囊中的气体，从而保证水下航行器中的气源能够重复使用。
(5)本发明中的喷嘴可以设计成变口径矢量喷口，从而可以通过控制喷嘴的方式来实现变喷射推力和变推进方向。
(6)本发明可以按照模块化来设计，根据需要将多个水下柔性喷射推进装置集成于一体，形成一个集束喷射推进装置，从而实现既可以单个小脉冲喷射推进，也可以多个大脉冲喷射推进，还可以实现交替连续喷射推进。
附图说明
图1为本发明的轴测图；
图2为图1的半剖结构示意图；
图3为图1的旋转剖视图；
图4为本发明中柔性气囊组件的半剖结构示意图；
图5为本发明与控制舱的组合结构示意图；
图6为图5的爆炸视图；
图7为实施例2中控制舱的工作原理示意图；
其中：100-推进舱、1-第一水腔壳体、12-进水通道、12A-进水口、12B-出水口、13-常闭式弹性进水膜、14-进/排气通道、101-球形水腔、102-气容腔、103-干式密闭空间、2-过滤网、3-柔性气囊组件、31-柔性气囊、32-多孔支撑骨架、33-安装法兰、4-喷水孔转接板、41-喷水孔、42-球形凹表面、5-第二水腔壳体、6-电控开关阀、7-喷嘴、8-尾端盖、200-控制舱、201-高压气瓶、202-抽/排气筒、203-直线往复驱动机构、204-气压传感器、205-充/放气管路、206-进气管路、207-排气管路、208-运行截止阀、211-进气常闭式电控阀、212-第一进气单向阀、213-第二进气单向阀、214-抽气增压常闭式电控阀、221-排气常闭式电控阀、222-第一排气单向阀、223-第二排气单向阀、224-排气减压常闭式电控阀、231-充/放气口、232-充/放气截止阀、233-过滤器、234-安全阀、235-气压表。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明做进一步的详细说明。
实施例1：
参见附图1，本实施例提供一种水下柔性喷射推进装置，包括：由第一水腔壳体1、第二水腔壳体5以及尾端盖8组成的外形呈漏斗形的推进舱100；
参见附图2、3，第一水腔壳体1与第二水腔壳体5对接，内部形成球形水腔101；第二水腔壳体5与尾端盖8对接，内部形成干式密闭空间103；在第一水腔壳体1的周向上设有与球形水腔101相通的进水通道12，进水通道12的数量为一个或一个以上，具体数量根据实际需要调整，在进水通道12的进水口12A处设有过滤网2，在进水通道12的出水口12B出设有常闭式弹性进水膜13；常闭式弹性进水膜13为弹性材料，用于起到进水通道12只能单向进水的作用，在弹力作用下其常态为闭合状态以关闭进水通道12；在第一水腔壳体1的中心处设有与球形水腔101相通的进/排气通道14；
参见附图4，在球形水腔101的轴心处设有柔性气囊组件3，柔性气囊组件3包括：柔性气囊31、多孔支撑骨架32以及安装法兰33；柔性气囊31为具有超弹特性的材料，且在充气状态下呈球形并可以膨胀收缩，类似于“气球”；多孔支撑骨架32主要用于支撑排气后的柔性气囊31以及避免在充气时柔性气囊31承受直线气动冲击；多孔支撑骨架32套接在进/排气通道14上，柔性气囊31通过安装法兰33与第一水腔壳体1固定连接，柔性气囊31内部为气容腔102；
在第二水腔壳体5的底部中心处设有喷水转接板4，喷水转接板4设有与球形水腔101相匹配的球形凹表面42以及与干式密闭空间103相通的喷水孔41，可以根据实际需要来设计喷水孔41的孔径大小；尾端盖8的底部中心处设有喷嘴7；干式密闭空间103内设有电控开关阀6；喷水孔41与喷嘴7通过电控开关阀6连接。
本装置的工作过程为：
气容腔102的进气过程和抽气过程即为水下柔性喷射推进系统的一个工作周期：当通过进/排气通道14向柔性气囊31内充入气体时，柔性气囊31体积逐渐增大，从而使球形水腔101的容积变小，由于常闭式进水膜13闭合进水通道12，且在柔性气囊31充气膨胀过程中，其内部空间形成的气容腔102正好可以压住常闭式弹性进水膜13，进一步增强常闭式弹性进水膜13的闭合程度，起到一个自锁的作用，由此球形水腔101的内部水压升高；当球形水腔101的内部压力达到设定值时，电控开关阀6开启，将球形水腔101中的水通过喷嘴7高速喷出，形成喷射推进；当通过进/排气通道14从柔性气囊31内抽出气体时，电控开关阀6关闭，此时柔性气囊31体积缩小，球形水腔101的容积增大而形成相对的负压，常闭式进水膜13开启进水通道12，外部的水通过过滤网2经进水通道12流进球形水腔101进行补充。
进一步的，可将上述方案中的喷嘴7设计为变口径矢量喷口，从而可以通过控制喷嘴的方式来实现变喷射推力和变推进方向。
进一步的，上述方案中的推进舱100的数量为一个或一个以上，可以按照模块化设计，根据需要将多个推进舱100集成于一体，形成一个集束喷射推进装置，从而实现既可以单个小脉冲喷射推进，也可以多个大脉冲喷射推进，还可以实现交替连续喷射推进。
上述方案中，具体的，在第一水腔壳体1与第二水腔壳体5之间、第一水腔壳体1与安装法兰33之间、第二水腔壳体5与喷水孔转接板4之间、第二水腔壳体5与尾端盖8之间、喷水孔转接板4与电控开关阀6之间、电控开关阀6与喷嘴7之间、喷嘴7与尾端盖8之间的接合面位置均设置有密封圈或密封垫。
实施例2：参见附图5、6，在实施例1的基础上，进一步的，推进舱100的前端配有外形呈圆柱形的控制舱200；控制舱200内设有与进/排气通道14相连并与气容腔102相通的高压气瓶以及抽气装置；高压气瓶用于为推进舱100在喷水时向柔性气囊31提供气源，抽气装置用于为推进舱100在吸水时抽出提供给柔性气囊31的气体。控制舱200内也可设置对电控开关阀6进行控制的装置，电控开关阀6根据控制舱200输入的信号指令来控制喷水孔41的启闭。
参见附图7，本例中具体的：控制舱200内包括：用作存放系统气源的高压气瓶201、用于喷水时给气容腔102抽气增压而吸水时给气容腔102排气减压的抽/排气筒202、驱动抽/排气筒202工作的直线往复驱动机构203、检测并反馈推进系统工作气压的气压传感器204、高压气瓶201的充/放气管路205、球形气囊31的进气管路206、球形气囊31的排气管路207、用于启用系统气源的运行截止阀208；直线往复驱动机构203与抽/排气筒202连接；充/放气管路205的一端设有用于连接外界气源或放气用消声器的充/放气口231，另一端接入高压气瓶201，在充/放气口231与高压气瓶201之间的充/放气管路205上依次设置有控制充/放气管路205启闭的充/放气截止阀232、用于去除杂质的过滤器233、用来保证高压气瓶201的内部气压不超过最大设计气压值的安全阀234以及用来监测高压气瓶201内部气压的气压表235；进气管路206一路通过进/排气通道14接入气容腔102，一路接入抽/排气筒202，另一路通过运行截止阀208接入高压气瓶201，在运行截止阀208与气容腔102之间的进气管路206上依次设置有进气常闭式电控阀211、第一进气单向阀212以及第二进气单向阀213，在第二进气单向阀213与抽/排气筒202之间设有抽气增压常闭式电控阀214；排气管路207一路通过进/排气通道14接入气容腔102，一路接入抽/排气筒202，另一路通过运行截止阀208接入高压气瓶201，在气容腔102与运行截止阀208之间排气管路207上依次设置有排气常闭式电控阀221、第一排气单向阀222以及第二排气单向阀223，在第二排气单向阀223与抽/排气筒202之间设有排气减压常闭式电控阀224；气压传感器204设置在进气管路206、排气管路207与气容腔102相通的管路上。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
Claims (6)
1.一种水下柔性喷射推进装置，包括：由第一水腔壳体(1)、第二水腔壳体(5)以及尾端盖(8)组成的推进舱(100)；其特征在于：
所述第一水腔壳体(1)与所述第二水腔壳体(5)对接，内部形成球形水腔(101)；所述第二水腔壳体(5)与所述尾端盖(8)对接，内部形成干式密闭空间(103)；在所述第一水腔壳体(1)的周向上设有与所述球形水腔(101)相通的进水通道(12)，在所述进水通道(12)的进水口(12A)处设有过滤网(2)，在所述进水通道(12)的出水口(12B)出设有常闭式弹性进水膜(13)；在所述第一水腔壳体(1)的中心处设有与所述球形水腔(101)相通的进/排气通道(14)；
在所述球形水腔(101)的轴心处设有柔性气囊组件(3)，所述柔性气囊组件(3)包括：柔性气囊(31)、多孔支撑骨架(32)以及安装法兰(33)，所述多孔支撑骨架(32)套接在所述进/排气通道(14)上，所述柔性气囊(31)通过所述安装法兰(33)与所述第一水腔壳体(1)固定连接，所述柔性气囊(31)内部为气容腔(102)；在所述第二水腔壳体(5)的底部中心处设有喷水转接板(4)，所述喷水转接板(4)设有与所述球形水腔(101)相匹配的球形凹表面(42)以及与所述干式密闭空间(103)相通的喷水孔(41)；所述尾端盖(8)的底部中心处设有喷嘴(7)；所述干式密闭空间(103)内设有电控开关阀(6)；所述喷水孔(41)与所述喷嘴(7)通过所述电控开关阀(6)连接。
2.如权利要求1所述的一种水下柔性喷射推进装置，其特征在于：所述推进舱(100)的前端配有控制舱(200)；
所述控制舱(200)内设有与所述进/排气通道(14)相连并与所述气容腔(102)相通的高压气瓶以及抽气装置；所述高压气瓶用于为推进舱(100)在喷水时向柔性气囊(31)提供气源，所述抽气装置用于为推进舱(100)在吸水时抽出提供给柔性气囊(31)的气体。
3.如权利要求1或2所述的一种水下柔性喷射推进装置，其特征在于：所述喷嘴(7)为变口径矢量喷口。
4.如权利要求1或2所述的一种水下柔性喷射推进装置，其特征在于：所述推进舱(100)的数量为一个以上。
5.如权利要求1或2所述的一种水下柔性喷射推进装置，其特征在于：在所述第一水腔壳体(1)与所述第二水腔壳体(5)之间、所述第一水腔壳体(1)与所述安装法兰(33)之间、所述第二水腔壳体(5)与所述喷水孔转接板(4)之间、所述第二水腔壳体(5)与所述尾端盖(8)之间、所述喷水孔转接板(4)与所述电控开关阀(6)之间、所述电控开关阀(6)与所述喷嘴(7)之间、所述喷嘴(7)与所述尾端盖(8)之间的接合面位置均设置有密封圈或密封垫。
6.如权利要求2所述的一种水下柔性喷射推进装置，其特征在于：所述推进舱(100)的外形呈漏斗形；所述控制舱(200)的外形呈圆柱形。
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