CN113247224A - 基于轮缘推进器的矢量推进装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于轮缘推进器的矢量推进装置，包括轮缘推进器和偏转机构，所述轮缘推进器通过偏转机构连接在航行器的尾部，且能够在偏转机构的驱动下使轮缘推进器整体在航行器的航向上产生左右方向的偏转。本发明的偏转机构能够转动整个轮缘推进器，使轮缘推进器的流道内的水流方向整体发生偏转，相对于仅仅在轮缘推进器尾部改变水流方向而言，本发明的矢量推进装置能够产生更大的矢量推力，便于航向的调整。

Description

基于轮缘推进器的矢量推进装置
技术领域
本发明涉及船舶与海洋工程技术领域，特别是涉及一种基于轮缘推进器的矢量推进装置。
背景技术
水下航行器如AUV、UUV在水下航行和作业时，推进器和方向舵是必不可少的，推进器提供航行推力，而方向舵则控制方向。当水下航行器的航速比较低时，为了保证推进效率通常采用导管桨样式的推进器，而同时为了保证舵效，需要将方向舵布置在螺旋桨的后面，此时转舵机构通常需要穿过水下航行器的耐压壳体和导管，机构复杂，并且转舵机构会贯穿导管的内外表面，降低推进器的效率。还有推进器所产生的自翻滚力矩对航行器的稳定性有影响，也需要平衡舵予以消除。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：为了克服现有技术中的不足，本发明提供一种基于轮缘推进器的矢量推进装置，该装置可以取消方向舵，简化转向机构，提高了航行器的稳定性，同时减少平衡舵的面积和尺寸。
本发明解决其技术问题所要采用的技术方案是：一种基于轮缘推进器的矢量推进装置，包括轮缘推进器和偏转机构，所述轮缘推进器通过偏转机构连接在航行器尾部，且能够在偏转机构的驱动下使轮缘推进器整体在航行器的航向上产生左右方向的偏转。其中，航行器尾部是航行器壳体结构中的一部分，且尾部为锥形结构，便于偏转机构的安装。本发明的偏转机构能够转动整个轮缘推进器，使轮缘推进器的流道内的水流方向整体发生偏转，相对于仅仅在轮缘推进器尾部改变水流方向而言，本发明的矢量推进装置能够产生更大的矢量推力，省略了舵机结构，矢量推力可以提高航行器的机动性。
进一步，所述偏转机构包括转动连接组件和偏转驱动组件，其中，所述转动连接组件包括支撑导叶、转动销和连接座，所述支撑导叶、转动销和连接座均为两个，且所述支撑导叶沿径向对称设置在航行器的尾部的上下两端，所述连接座沿径向对称设置在轮缘推进器的旋转头部，所述支撑导叶和连接座一一对应通过转动销转动连接；其中，支撑导叶为流线型，流线型可以减少阻力；转动销安装在支撑导叶厚度比较大的一端，转动销是实现轮缘推进器旋转的关节，通过螺纹结构与航行器尾部的支撑导叶安装。
所述偏转驱动组件至少为一组，包括电动推杆、转动连接叉、第一转动轴、第二转动轴第一支撑座和第二支撑座，所述第一支撑座固定在轮缘推进器的旋转头部上，所述第二支撑座固定在航行器的尾部内侧，且电动推杆一端通过第二转动轴与第二支撑座铰接，另一端穿过航行器尾部的侧壁向轮缘推进器方向延伸，且端部与转动连接叉连接，转动连接叉的另一端部通过第一转动轴与第一支撑座铰接；所述电动推杆的延伸方向与支撑导叶的延伸方向垂直。
偏转驱动组件也可以为两组，对称设置在航行器尾部的左右两侧，且两组偏转驱动组件产生的力的方向相反，当一组向外推时，另一组则向回拉，二者产生的力使轮缘推进器向同一方向运动。
具体的，所述轮缘推进器包括从前向后依次连接的旋转头部、推进部和力矩平衡尾部，且在中部形成水流通过的流道，其中，所述旋转头部用于实现轮缘推进器与航行器的连接；所述推进部用于产生航行器航行所需的推力；所述力矩平衡尾部用于产生平衡力矩。其中，所述旋转头部与航行器尾部通过转动销实现连接和限位，其可绕转动销转动一个角度；推进部与旋转头部通过螺钉实现固连，因而其可跟随旋转头部一起转动。
进一步，所述旋转头部包括同轴环设的内侧壁和外侧壁，所述内侧壁和外侧壁的前端一体连接，使内侧壁和外侧壁之间形成环形腔。中空的环形腔可以减轻重量，避免航行器尾部太重导致配重问题。
进一步，所述内侧壁的前端设有外凸的第一弧形曲面，后端设有与第一弧形曲面一体连接的第一柱形面；所述外侧壁的前端设有外凸的第二弧形曲面，后端设有与第二弧形曲面一体连接的第二柱形面；所述第一弧形曲面的曲率小于第二弧形曲面的曲率，且第一柱形面和第二柱形面相互平行。旋转头部采用标准的导管样式，提高流体效率。
具体的，所述推进部一般主要由外壳、定子组件、转子组件和桨叶组成，定子组件和转子组件同轴设置在外壳的内部，桨叶沿周向设置在转子组件上，且位于推进部的流道内，通过定子组件和转子组件的相互作用可以带动桨叶在流道内转动，从而与水流作用产生推进力。推进部的具体结构与本发明所解决的技术问题关系不大，因此此处不进行详细说明。
进一步，为了平衡翻滚力矩，所述力矩平衡尾部的流道内沿周向固定设有多个翼型叶片，通过翼型叶片产生的力矩，可以平衡航行器在水下航行时产生的自翻滚力矩。
力矩平衡尾部的结构与旋转头部的结构类似，也包括内侧壁和外侧壁，但是力矩平衡尾部的内侧壁和外侧壁是末端一体连接，然后形成环形腔，力矩平衡尾部为标准的导管样式，提高流体效率，因此，其结构此处不再赘述。
工作原理：
当水下航行器需要转向时，电动推杆通过转动连接叉推动旋转头部、推进部、力矩平衡尾部构成的轮缘推进器整体绕转动销旋转，轮缘推进器所产生的推力跟航行器的轴线存在一个夹角，部分推力变成了转向力，从而实现了水下航行器的转向。力矩平衡尾部在流道内的翼型叶片，在轮缘推进器的尾流场中会产生一定的力矩，通过这部分力矩平衡航行器的翻滚力矩。该装置可以取消舵机，并减少翻滚力矩平衡舵的面积。
本发明的有益效果是：本发明提供的一种基于轮缘推进器的矢量推进装置，该装置将推进与转向融为一体，取消了方向舵，简化了转向机构，转向时使轮缘推进器整体偏转，能够获得更大的矢量推力，同时尾部翼型叶片的设置能够平衡自翻滚力矩，改善了航行性能，因此降低了成本并提高了水下航行器的可靠性。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1是基于轮缘推进器的矢量推进装置的三维示意图；
图2是基于轮缘推进器的矢量推进装置的竖直方向的轴向剖视图；
图3是基于轮缘推进器的矢量推进装置的水平方向的轴向剖视图；
图4是力矩平衡尾部三维示意图；
图5是基于轮缘推进器的矢量推进装置的转向力矩示意图；
图6是基于轮缘推进器的矢量推进装置的转向示意图；
图7是旋转头部的立体结构示意图；
图8是旋转头部轴截面的结构示意图；
图9是航行器尾部的立体结构示意图；
图10是支撑导叶A-A处截面的结构示意图。
图中：100、轮缘推进器，200、偏转机构，1、航行器尾部，2、转动销，3、旋转头部，31、第一弧形曲面，32、第一柱形面，33、第二弧形曲面，34、第二柱形面，35、环形腔，4、推进部，5、力矩平衡尾部，6、转动连接叉，7、电动推杆，71、不可伸缩部，72、可伸缩部，8、支撑导叶，9、翼型叶片，10、连接座，11、第一转动轴，12、第二转动轴，13、第一支撑座，14、第二支撑座，15、流道，16、桨叶。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作详细的说明。此图为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
如图1-图3所示，本发明的一种基于轮缘推进器的矢量推进装置，包括轮缘推进器100和偏转机构200，所述轮缘推进器100通过偏转机构200连接在航行器尾部1，且能够在偏转机构200的驱动下使轮缘推进器100整体在航行器的航向上产生左右方向的偏转。其中，图2和图3中箭头表示水流经过流道15的方向。
如图9和图10所示，航行器尾部1是航行器壳体结构中的一部分，与传统的水下航行器不同，其没有方向舵，而是通过转动轮缘推进器100产生矢量推力实现航行器的转向。
轮缘推进器100包括从前向后依次连接的旋转头部3、推进部4和力矩平衡尾部5，且在中部形成水流通过的流道15。
如图7和图8所示，旋转头部3整体为流线型结构，在前部设有两个上下对称的两个“耳朵”作为连接座10，连接座10上开有销孔，用于与转动销2的连接。旋转头部3包括同轴环设的内侧壁和外侧壁，所述内侧壁和外侧壁的前端一体连接，使内侧壁和外侧壁之间形成环形腔35。内侧壁的前端设有外凸的第一弧形曲面31，后端设有与第一弧形曲面31一体连接的第一柱形面32；所述外侧壁的前端设有外凸的第二弧形曲面33，后端设有与第二弧形曲面33一体连接的第二柱形面34；所述第一弧形曲面31的曲率小于第二弧形曲面33的曲率，且第一柱形面32和第二柱形面34相互平行。
推进部4是一推进单元，如图2虚线框区域所示，其用于产生航行器航行所需的推力，通过螺钉实现与旋转头部3的固连，可跟随旋转头部3一起转动，从而实现推力方向的改变。具体的，推进部4一般主要由外壳、定子组件、转子组件和桨叶16组成，定子组件和转子组件同轴设置在外壳的内部，桨叶16沿周向设置在转子组件上，且位于推进部4的流道15内，通过定子组件和转子组件的相互作用可以带动桨叶16在流道15内转动，从而与水流作用产生推进力。推进部4的具体结构与本发明所解决的技术问题关系不大，因此此处不进行详细说明。
如图4所示，力矩平衡尾部5的外部壳体为流线型结构，以减少阻力，为了平衡翻滚力矩，在力矩平衡尾部5的流道15内沿周向装有多个翼型叶片9，翼型叶片9固定不旋转，翼型叶片9在轮缘推进器100所产生的水流作用下产生力矩，该力矩可用于平衡水下航行器的翻滚力矩。力矩平衡尾部5通过螺钉实现与推进部4的固连，因而其可跟随旋转头部3以及推进部4一起转动。力矩平衡尾部5的结构与旋转头部3的结构类似，也包括内侧壁和外侧壁，但是力矩平衡尾部5的内侧壁和外侧壁是末端一体连接，然后形成环形腔35，力矩平衡尾部5的内侧壁的末端为外翻结构与旋转头部3的内壁类似，仅仅是弧形曲面部分的曲率不同，但是外侧壁的末端为内凹结构，即弧形曲面部分为朝向内侧壁的凹面，从而形成尾部流线结构。
偏转机构200包括转动连接组件和偏转驱动组件，其中，转动连接组件包括支撑导叶8、转动销2和连接座10，且支撑导叶8、转动销2和连接座10均为两个；支撑导叶8沿径向上下对称设置在航行器尾部1，且形状为流线型，支撑导叶8上开有连接转动销2的螺纹孔，支撑导叶8结构如图2所示。连接座10沿径向对称设置在轮缘推进器100的旋转头部3，支撑导叶8和连接座10一一对应通过转动销2转动连接，转动销2的底部为螺纹结构，由于与航行器尾部1的连接，中间为光杆结构，旋转头部3可绕这部分光杆结构转动。
偏转驱动组件可以为一组或两组，本实施例中，偏转驱动组件为一组，设置轮缘推进器100一侧，具体包括电动推杆7、转动连接叉6、第一转动轴11、第二转动轴12、第一支撑座13和第二支撑座14，其中，第一支撑座13固定在轮缘推进器100的旋转头部3上，第二支撑座14固定在航行器的尾部内侧，转动连接叉6是一连接部件，一头通过螺纹结构与电动推杆7实现固连，另一头通过第一转动轴11与旋转头部3的第一支撑座13连接；电动推杆7一端通过第二转动轴12与第二支撑座14铰接，另一端穿过航行器尾部1的侧壁向轮缘推进器100方向延伸，且端部与转动连接叉6连接；所述电动推杆7的延伸方向与支撑导叶8的延伸方向垂直。
电动推杆7为转动的执行机构，其行程决定了轮缘推进器100的转动角度，在0°转角时，电动推杆7位于其行程的中间部位，从而保证转动角度左右对称。其分为不可伸缩部71和可伸缩部72两部分，可伸缩部72能够沿其轴线方向直线伸缩，不可伸缩部71通过可旋转的铰关节与航行器尾部1连接，如图3所示。
如图5所示，图中O表示航行器质心，P表示航行器航向，M表示转向力矩，L表示航行器质心O到轮缘推进器100推力F作用点的垂直距离，θ表示偏转角，F表示轮缘推进器100推力，Fx和Fy分别为F在x方向和y方向上的分力，其中，M=Fy×L=F×sin(θ) ×L，Fy=F×sin(θ) ；当电动推杆7伸缩一定长度时，轮缘推进器100就会转过一个确定的角度θ，如图6所示，这样轮缘推进器100的推力F的方向和航行器的航行方向P就存在一个角度θ，推力F沿垂直角度方向的分解就会产生转向力矩Fy。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关的工作人员完全可以在不偏离本发明的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (7)

1.一种基于轮缘推进器的矢量推进装置，其特征在于：包括轮缘推进器和偏转机构，所述轮缘推进器通过偏转机构连接在航行器的尾部，且能够在偏转机构的驱动下使轮缘推进器整体在航行器的航向上产生左右方向的偏转。
2.如权利要求1所述的基于轮缘推进器的矢量推进装置，其特征在于：所述偏转机构包括转动连接组件和偏转驱动组件，其中，
所述转动连接组件包括支撑导叶、转动销和连接座，所述支撑导叶、转动销和连接座均为两个，且所述支撑导叶沿径向对称设置在航行器的尾部的上下两端，所述连接座沿径向对称设置在轮缘推进器的旋转头部，所述支撑导叶和连接座一一对应通过转动销转动连接；
所述偏转驱动组件至少为一组，包括电动推杆、转动连接叉、第一转动轴、第二转动轴、第一支撑座和第二支撑座，所述第一支撑座固定在轮缘推进器的旋转头部上，所述第二支撑座固定在航行器的尾部内侧，且电动推杆一端通过第二转动轴与第二支撑座铰接，另一端穿过航行器尾部的侧壁向轮缘推进器方向延伸，且端部与转动连接叉连接，转动连接叉的另一端部通过第一转动轴与第一支撑座铰接；所述电动推杆的延伸方向与支撑导叶的延伸方向垂直。
3.如权利要求1所述的基于轮缘推进器的矢量推进装置，其特征在于：所述轮缘推进器包括从前向后依次连接的旋转头部、推进部和力矩平衡尾部，且在中部形成水流通过的流道，其中，所述旋转头部用于实现轮缘推进器与航行器的连接；所述推进部用于产生航行器前进的动力；所述力矩平衡尾部用于产生平衡力矩。
4.如权利要求3所述的基于轮缘推进器的矢量推进装置，其特征在于：所述旋转头部包括同轴环设的内侧壁和外侧壁，所述内侧壁和外侧壁的前端一体连接，使内侧壁和外侧壁之间形成环形腔。
5.如权利要求4所述的基于轮缘推进器的矢量推进装置，其特征在于：所述内侧壁的前端设有外凸的第一弧形曲面，后端设有与第一弧形曲面一体连接的第一柱形面；所述外侧壁的前端设有外凸的第二弧形曲面，后端设有与第二弧形曲面一体连接的第二柱形面；所述第一弧形曲面的曲率小于第二弧形曲面的曲率，且第一柱形面和第二柱形面相互平行。
6.如权利要求3所述的基于轮缘推进器的矢量推进装置，其特征在于：所述推进部包括外壳、定子组件、转子组件和桨叶，定子组件和转子组件同轴设置在外壳的内部，桨叶沿周向设置在转子组件上，且位于推进部的流道内，通过定子组件和转子组件的相互作用可以带动桨叶在流道内转动。
7.如权利要求3所述的基于轮缘推进器的矢量推进装置，其特征在于：所述力矩平衡尾部的流道内沿周向固定设有多个翼型叶片。
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