CN109677575A - 一种具有可旋桨结构的水下直升机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有可旋桨结构的水下直升机，属于水下运载技术领域。其主要组成包括：碟形艇体、一对矢量推进器、一对可旋桨叶机构。所述的可旋桨叶机构可在工作时由碟形艇体内伸展开到碟形艇体外，完成工作后收回碟形艇体，可旋桨叶机构可在一定范围内改变桨叶与XY平面的角度。本发明具有可旋桨结构的水下直升机通过独特的桨叶结构设计，能够有效提高水下直升机脱离海流的能力，同时能够降低整体功耗，使其获得更优良的运动性能和更持久的续航能力。

Description

一种具有可旋桨结构的水下直升机

技术领域

本发明涉及水下运载技术领域，具体而言，涉及一种具有可旋桨结构的水下直升机。

背景技术

目前，传统的无人潜水器基本上适合于海洋上层水体的观测与作业，出于危险等各种原因避免接近海底，而水下直升机则可以长期在近海底进行观测与作业。且目前现有的无人潜水器浮力调节较慢，无法满足快速响应需求。

基于新原理、新技术提出的新概念“水下直升机”，是围绕提高潜水器的机动性能和丰富潜水器的工作模式等关键科学问题，研制一种灵活性强，具有海底至海底工作模式的新型潜水器。它能在海底实现定点悬停、全周转向和自由起降，还能实现海底工作站点之间的往返作业等。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种具有可旋桨结构的水下直升机。

本发明所采用的技术方案是：

一种具有可旋桨结构的水下直升机，包括碟形艇体、两只可旋桨叶机构和两只矢量推进器；所述的两只可旋桨叶机构和两只矢量推进器均匀分布于碟形艇体圆周上，可旋桨叶机构可收入碟形艇体内，在需要时可展开伸出碟形艇体外；

上述技术方案中，所述的碟形艇体上设置有两个对称的箱体，可旋桨叶机构包括桨叶、第二电机、水平向的连接杆、以及设于箱体内腔中的第一电机、主齿轮、次齿轮、第一从动轮、第二从动轮、梯形丝杠、竖向的连接轴，第一电机输出轴与主齿轮连接，主齿轮与第一从动轮啮合，第一从动轮与梯形丝杠连接，次齿轮与梯形丝杠的丝杠螺母连接，并与第二从动轮啮合，第二从动轮与连接轴连接，连接轴与连接杆相连，连接杆末端安装第二电机，第二电机输出轴连接桨叶；

所述的箱体内腔设置有倒台阶面对连接杆进行限位，与第一电机一同控制可旋桨叶机构处于收入或伸出碟形艇体的状态。第二电机转动带动桨叶旋转，改变其与XY平面的夹角从而改善水动力性能；

当连接杆垂直于箱体内腔的倒台阶面从其下方伸出箱体时，可旋桨叶机构处于收入碟形艇体状态，当连接杆运动至脱离倒台阶面时，可旋桨叶机构处于伸出碟形艇体状态；

进一步的，在次齿轮上方还设置有防护板；

进一步的，所述的箱体上固定有箱盖，梯形丝杠上下两端分别嵌入设于箱盖和箱体的盲孔中进行定位；

此外，本发明中所述的桨叶可以采用任意一种可产生垂向推力的水动力造型。

本发明的有益效果为：

本发明提供的可旋桨叶机构，可在工作需要时将桨叶由碟形艇体内伸展开到碟形艇体外，而在其完成工作后将桨叶由碟形艇体外收回碟形艇体内。

本发明所采用的可旋桨叶结构可以有效改善水下直升机在洋流中的水动力性能，辅助矢量推进器，实现快速升沉及摆脱洋流，具有极强的机动能力和抗扰流能力。

附图说明

图1为本发明提供的可旋桨结构的水下直升机工作图；

图2为本发明提供的可旋桨结构的水下直升机收缩图；

图3为本发明提供的可旋桨结构示意图；

图4为本发明提供的可旋桨结构伸展图；

图5为本发明提供的可旋桨结构收缩图；

图6为本发明提供的箱体三视图；

图7为本发明提供的箱体一种具体结构示意图；

图8为本发明的实体模型；

图9为本发明的实体模型流体动力计算网格画分；

图10为本发明的实体模型压力云图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。

参照图1、图2所示，一种具有可旋桨结构的水下直升机，包括碟形艇体2、两只可旋桨叶机构1和两只矢量推进器3；所述的两只可旋桨叶机构1和两只矢量推进器3均匀分布于碟形艇体2圆周上，可旋桨叶机构1与碟形艇体2通过螺栓连接；碟形艇体2与矢量推进器3通过螺栓连接；可旋桨叶机构1可收入碟形艇体2内，在需要时可展开伸出碟形艇体2外；

参照图3所示，所述的碟形艇体2上设置有两个对称的箱体14，可旋桨叶机构1包括桨叶11、第二电机12、水平向的连接杆13、以及设于箱体14内腔中的第一电机17、主齿轮5、次齿轮7、第一从动轮6、第二从动轮9、梯形丝杠15、竖向的连接轴10，第一电机17输出轴与主齿轮5通过联接螺栓连接，主齿轮5与第一从动轮6啮合，第一从动轮6与梯形丝杠15通过联接螺栓连接，防护板8安装在次齿轮7上方，次齿轮7与梯形丝杠15的丝杠螺母16通过联接螺栓连接，并与第二从动轮9啮合，第二从动轮9与连接轴10通过联接螺栓连接，连接轴10与连接杆13通过螺栓相连，连接杆13末端安装第二电机12，第二电机输出轴连接桨叶11；所述的箱体14内腔设置有倒台阶面对连接杆13进行限位，与第一电机17一同控制可旋桨叶机构1处于收入或伸出碟形艇体2的状态。

本发明的工作过程是：

在桨叶收入碟形艇体状态时，连接杆13位于箱体14内腔的倒台阶面(即图7中面A)下方，且连接杆13的方向垂直于倒台阶面；当桨叶需要从碟形艇体内部展开到碟形艇体外部时，可旋桨叶机构中第一电机17工作带动主齿轮5转动，主齿轮5与第一从动轮6啮合，从而带动梯形丝杠15转动，从而丝杠螺母16通过次齿轮7、第二从动轮9、连接轴10、连接杆13带动整个桨叶上升，当桨叶的连接杆13碰触到箱体14的倒台阶面时，丝杠螺母无法继续带动桨叶上升则丝杠螺母被迫旋转，从而带动连接杆13随梯形丝杠15转动，当转过一定角度(可设计为约120°)后，连接杆13脱离倒台阶面，桨叶伸出碟形艇体，箱体14的倒台阶面的约束消失，桨叶停止旋转、再次随丝杠螺母上升，到达指定工作位置(如图7中面C)；当需要收缩时，第一电机反向工作，其他过程同理，不再赘述。在可旋转桨叶机构工作时，即水下直升机在做旋转运动时，受到旋转过程中不仅有垂直方向上对桨叶的作用力，水平方向也有扰动力作用在桨叶上，可以设计箱体如图7所示，利用箱体壁面D限制电机舱xy平面运动，从而防止桨叶受到水平方向上的力产生转动；同理，当桨叶在圆碟形艇体内部时，为防止水下直升机正常运动使桨叶转动，由箱体壁面B限制电机舱，从而定位桨叶。

自转性能分析

参照图8所示，本发明装置垂向推力桨叶的实体模型

参照图9所示，本发明装置垂向推力桨叶的实体模型流体动力计算网格画分

参照图10所示，由压力云图可以得出当水下直升机自转时，桨叶的受力相对较大，艇体受力相对较小。

参照表1所示，由计算水下直升机AUH的速度矢量和压力云图积分可得垂向入流速度和艇体转速以及克服阻力后向下桨叶推力的关系。可以得0.1节垂向入流速度下，转速1(rad/s)-3(rad/s),推力为正且随艇体转速变大而变大；0.25节垂向入流速下，转速1(rad/s)-5(rad/s)推力随艇体转速变大而变大，其中1(rad/s)时推力为负，2(rad/s)开始为正，代表推力阻力平衡点的转速在1(rad/s)-2(rad/s)之间。0.5节垂向入流速度下，转速4(rad/s)-5(rad/s)得到比0.25节入流速下更大的推力。以上正的推力代表AUH可以得到下潜的推力，该艇体转速范围可以被圆碟形的水下直升机所实现，因此本专利所提出的可旋桨结构的水下直升机，可以因此得到向下或向上稳定的推力，助其增强机动能力和抗扰流能力。

本发明主要克服浮力调结装置容积小、响应时间长的短板，例如目前水下直升机的主要浮力调结装置只有0.5kg的容量，无法在紧急情况，瞬时趋动水下直升机，而表1呈现出本发明装置能有效地趋动水下直升机进行垂向运动，以使其快速垂直机动或逃开扰流区，另外有流的情况下，圆碟形艇体旋转运动同时可以产生侧向力，以促其快速避开扰流区。

表1艇体转速产生向下推力的情况

Claims (6)

1.一种具有可旋桨结构的水下直升机，其特征在于，包括碟形艇体(2)、两只可旋桨叶机构(1)和两只矢量推进器(3)；所述的两只可旋桨叶机构(1)和两只矢量推进器(3)均匀分布于碟形艇体(2)圆周上，可旋桨叶机构(1)可收入碟形艇体(2)内，在需要时可展开伸出碟形艇体(2)外。

2.根据权利要求1所述的具有可旋桨结构的水下直升机，其特征在于，所述的碟形艇体(2)上设置有两个对称的箱体(14)，可旋桨叶机构(1)包括桨叶(11)、第二电机(12)、水平向的连接杆(13)、以及设于箱体(14)内腔中的第一电机(17)、主齿轮(5)、次齿轮(7)、第一从动轮(6)、第二从动轮(9)、梯形丝杠(15)、竖向的连接轴(10)，第一电机(17)输出轴与主齿轮(5)连接，主齿轮(5)与第一从动轮(6)啮合，第一从动轮(6)与梯形丝杠(15)连接，次齿轮(7)与梯形丝杠(15)的丝杠螺母(16)连接，并与第二从动轮(9)啮合，第二从动轮(9)与连接轴(10)连接，连接轴(10)与连接杆(13)相连，连接杆末端安装第二电机(12)，第二电机输出轴连接桨叶(11)；

所述的箱体(14)内腔设置有倒台阶面对连接杆(13)进行限位，与第一电机(17)一同控制可旋桨叶机构(1)处于收入或伸出碟形艇体(2)的状态。

3.根据权利要求2所述的具有可旋桨结构的水下直升机，其特征在于，当连接杆(13)垂直于箱体(14)内腔的倒台阶面从其下方伸出箱体时，可旋桨叶机构处于收入碟形艇体状态，当连接杆(13)运动至脱离倒台阶面时，可旋桨叶机构处于伸出碟形艇体状态。

4.根据权利要求2所述的具有可旋桨结构的水下直升机，其特征在于，在次齿轮(7)上方还设置有防护板(8)。

5.根据权利要求2所述的具有可旋桨结构的水下直升机，其特征在于，所述的箱体(14)上固定有箱盖(4)，梯形丝杠(15)上下两端分别嵌入设于箱盖和箱体的盲孔中进行定位。

6.根据权利要求1所述的具有可旋桨结构的水下直升机，其特征在于，所述的桨叶(11)采用任意一种可产生垂向推力的水动力造型。