CN113562149B - 一种水下三维可偏转喷管矢量推进器 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种水下三维可偏转喷管矢量推进器，包括导管、喷管鳞片、液压推杆、万向联轴器、万向环、双节传动连杆。其特征在于：铰接于导管内部的三个液压推杆，通过万向联轴器与万向环并联，由三个液压推杆的行程改变来调节万向环任意方向偏转和沿导管轴线方向移动；万向环一面分布有等间距的倒T型滑槽，使双节传动连杆的球头一端可以在滑槽中发生一定的偏转；传动连杆又带动喷管鳞片发生不同的偏转角度，改变导管尾端出流的方向，最终实现有效的矢量推进。本发明采用万向环作为传递桥梁，通过三个执行机构控制大量喷管鳞片偏转来改变喷管尾端的口径大小和方向，且矢量推进状态下喷口形状是与导管平滑过渡的椭圆，具有控制简单、推进效率高的优点。

Description

一种水下三维可偏转喷管矢量推进器

技术领域

本发明属于水下推进器领域，特别涉及一种三维可偏转喷管矢量推进器。

背景技术

矢量推进技术应用于水下推进器是提高船舶及潜航器的推进效率及机动性的有效途径，也是目前国内外水下推进器的研究热点。传统船舶或潜航器推进方式主要为固定转轴的螺旋桨配合可动舵板调节前进方向，由于舵板在大偏转角度时效果较差且依赖舵板表面的高速水流提供的升力用于控制，因此在船舶或潜航器低速航行时舵板作用甚微，航行机动性大大降低。

目前水下矢量推进方式呈多元化、多样化发展，出现了螺旋桨式矢量推进、喷水式矢量推进、仿生推进、磁流体推进等推进方式。螺旋桨式和喷水式由于技术较成熟，应用难度较低，是目前主流的水下矢量推进方式。而仿生推进随具有理论的高机动性和高推进效率，但由于技术难度大、不适合高速推进，难以应用于大型潜水器；磁流体推进具有良好的静音效果，但由于建设成本太高、航行速度太慢等原因难以大规模应用。

矢量螺旋桨推进器一般采用一些传动系统等附加的机械结构，通过改变螺旋桨的方向来实现矢量推力，这样能达到较好的矢量推进效果，但也会增大传动系统，使传动轴承受较大的周向力；也有固定螺旋桨轴，在发明专利CN104295404A中公开了一种二元流体式推力矢量动力装置，在导管后安装可摆动的挡流板获得矢量推力，但挡流板会增加潜航器尾端质量，并且影响导管流场水动力性能；在发明专利CN112319747A中公开了一种分体导管矢量推进器，将导管分体为主导管和多个副导管，通过对副导管的偏转控制完成获得矢量推力，但每个副导管需要一个驱动装置，且喷口形状变化不规则，也对流场产生了不利影响。

发明内容

本发明解决的技术问题是：为克服现有水下矢量推进技术不足之处，本发明提出一种水下三维可偏转喷管矢量推进器，能在较短的响应时间之内，通过少量执行机构改变导管尾端大量喷管鳞片角度，从而实现矢量推进。该推进器能够提供潜航器上下俯仰和左右偏转的全矢量推力，在潜航器低速航行仍具备良好的操控性；同时尾端大量周向分布的喷管鳞片有效的保持了导管的形状，避免了剧烈的形状变化影响导管流场的水动力性能；本发明还提出一种三控制臂控制大量喷管鳞片的传动结构，解决了矢量推进器执行结构多、控制复杂的问题。

本发明的技术方案是:一种三维可偏转喷管矢量推进器，包括螺旋桨，还包括导管、喷管鳞片、液压推杆、万向联轴器、万向环和双节传动连杆；其中螺旋桨和导管同轴安装且导管位于螺旋桨外围；

所述喷管鳞片为若干个，沿螺旋桨轴线周向均布在导管尾端并与其铰接；

所述万向环同轴套在导管上，且万向环通过双节传动连杆与喷管鳞片铰接，使得喷管鳞片在进行角度变换时，万向环与喷管鳞片角度变换保持一致；

所述液压推杆为若干个，沿导管轴线周向均布在导管前端并与导管前端铰接，液压推杆另一端通过万向联轴器与万向环连接；若干液压推杆能够独立进行工作，能够沿导管轴线进行轴向运动或者沿导管轴线向内或者向外运动，从而带动万向环进行任何角度偏转以及沿导管轴线进行轴向移动。

本发明进一步的技术方案是：所述导管整体为柱状体，外壁为多阶状且小径端位于中部；导管外缘设有铰接孔，另一端外缘为流线型，内部设有三个铰链孔。

本发明进一步的技术方案是：所述喷管鳞片整体为一等腰梯形体，其中底边为弧形状，底端轴向开有铰接孔，用于与双节传动连杆铰接，同时底端设有凸起的铰接支座，用于与导管外缘的铰接孔配合连接。

本发明进一步的技术方案是：所述凸起的铰接支座为两个凸片组成，沿喷管鳞片轴线对称布置，凸片上开有铰接孔且铰接孔轴线重合，该轴线即为喷管鳞片的转动轴线。

本发明进一步的技术方案是：所述喷管鳞片底边弧形状与导管形状相同，降低了装配间隙对流场的影响。

本发明进一步的技术方案是：所述双节传动连杆包括第一连杆和第二连杆,第一连杆一端为球形端，另一端为凹形端，且凹形端上开有铰接孔；第二连杆两端均开有铰接孔，一端与第一连杆的凹形端相互配合，另一端与喷管鳞片相连。

本发明进一步的技术方案是：所述万向环一面上开有若干个倒T型滑槽，分别与双节传动连杆的球形端配合，保证连杆球头一端能在滑槽中偏转，并且不会脱离。

本发明进一步的技术方案是：所述双节传动连杆使喷管鳞片的倾角与万向环位置相对应，使得一周喷管鳞片的角度渐变，保证所围成的形状不发生突变，近似于中心偏移的椭圆。

本发明进一步的技术方案是：所述喷管鳞片的转动角度范围是-30°～60°。

本发明进一步的技术方案是：所述液压推杆同步收缩，带动万向环向导管前端移动，16对传动连杆同步向导管内部移动，由于喷管鳞片前端与导管尾端铰接，受双节传动连杆的短连杆带动向外偏转，完成了导管尾端喷口的扩张；液压推杆同步伸长，带动万向环向导管尾端移动，16对传动连杆同步向导管外部移出，此时喷管鳞片被带动内外偏转，完成了导管尾端喷口的收缩。

发明效果

本发明的技术效果在于：本发明和现有技术相比，产生的有益效果如下：

1本发明在导管尾端安装多片可转动的喷管鳞片，通过不同喷管鳞片的角度改变达到推力矢量化。相比较传统的变桨轴的矢量推进方式，不需要庞大的变轴系机构，同时整套驱动装置位于导管内部，提高了推进器的空间利用率。

2通过控制喷管鳞片的位置，可以实现潜航器在水中俯仰和偏转以及组合动作的功能；喷管鳞片同时向内或向外偏转时，可改变导管喷口的直径大小；且由于喷管鳞片组成的导管末端倾斜角度和万向环倾斜角一致，喷管鳞片与万向环之间的传动快捷有效，对比传统的变桨轴式推进的变轴系结构，降低了主轴损耗，进而提升了整体推进效率。

3创新性地使用所述的万向环作为控制桥梁，将16片喷管鳞片的控制简化成3个液压推杆的控制，通过对3个液压推杆的行程距离控制，可以完成矢量推进和导管喷口直径的改变。相比航空矢量发动机复杂的推进结构，本发明只需要3个驱动执行器就可以快速改变螺旋桨出流方向。相比其他推进器尾端挡流板的矢量推进方式，本发明通过16片喷管鳞片的协同控制出流方向，末端轮廓始终近似于圆导管，降低了对流场的影响，提高了推进效率。比如，在进速系数为0.6时，该实施例极限矢量位置的侧向力与轴向力比值达1.34，且轴向推力仍有初始位置轴向推力的74.3％。

附图说明

图1为喷管鳞片与导管初始位置的三维结构示意图。

图2为图1中矢量推进器状态的侧向视图。

图3为图1中矢量推进器状态的轴向视图。

图4为喷管鳞片尾端口径最大极限位置三维结构示意图。

图5为图4中矢量推进器状态的侧向视图。

图6为图4中矢量推进器状态的轴向视图。

图7为喷管鳞片尾端口径最小极限位置三维结构示意图。

图8为图7中矢量推进器状态的侧向视图。

图9为图7中矢量推进器状态的轴向视图。

图10为矢量推进器处于某一矢量位置三维结构示意图。

图11为图10中矢量推进器状态的侧向视图。

图12为图10中矢量推进器状态的轴向视图。

图13为喷管鳞片的示意图。

图14为万向环的示意图。

图15为双节传动连杆的示意图。

图16为安装万向联轴器的液压推杆示意图。

图17为导管示意图。

附图标记说明：1.螺旋桨；2.导管；3.喷管鳞片；4.液压推杆；5.万向联轴器；6.万向环；7.双节传动连杆；8.铰接孔；9.铰接支座；7-1.第一连接杆；7-2.第二连接杆

具体实施方式

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

参见图1-图16，下面结合附图和实施例对本发明进一步详细的说明，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

本发明的技术方案是：所述的矢量导管推进器，包括导管、喷管鳞片、双节传动连杆、万向环、万向联轴器、驱动机构；其特征在于导管同轴设置于螺旋桨的外围；所述的16片喷管鳞片分别同轴等距设置在导管尾端并与其铰接，形状为扇形圆弧板；所述的双节传动连杆一端与喷管鳞片铰接，另一端与万向环的滑槽连接；所述万向环通过万向联轴器与驱动机构进行连接；

所述驱动机构包括3个液压推杆，液压推杆一端与导管铰接，另一端通过万向联轴器和万向环连接，3个液压推杆可以单独进行控制行程距离，从而带动万向环实现不同方向不同角度的倾斜以及前进与后退运动；

所述万向环一面有16个倒T型滑槽，对应与16对双节连杆的球头一端进行配合，保证连杆球头一端能在滑槽中偏转，并且不会脱离；

所述喷管鳞片有两个对称分布的凸起铰支座，用于与导管外缘的铰支座进行铰接，两铰支座的孔轴共线并且为喷管鳞片的转动轴线，另外喷管鳞片前缘中间有一向内凹的铰支座，用于与双节传动连杆铰接；喷管鳞片在转动角度范围是-30°～60°；

所述双节传动连杆为两端相互铰接的连杆，短连杆与喷管鳞片相连，长连杆与万向环相连，通过16对双节传动连杆使16片喷管鳞片的倾角与万向环位置相对应，使得一周喷管鳞片的角度渐变，保证所围成的形状不发生突变，近似于中心偏移的椭圆。参照附图1和图2所示，本发明一种喷管三维矢量水下推进器具体包括螺旋桨1、导管2、喷管鳞片3、液压推杆4、万向联轴器5、万向环6、双节传动连杆7。其特征在于所述的液压推杆4通过铰接的方式安装在导管2，可向导管轴线内或外偏转；同时液压推杆4的推杆顶端安装有万向联轴器5，万向联轴器5的另一部分安装在万向环背面，由此完成了由三控制臂调节万向环任意方向偏转和沿导管轴线方向移动的功能；万向环6正面16个周向等间距分布的倒T型滑槽，保证双节传动连杆7的球头一端可以在滑槽中以球面与滑槽贴合处为中心发生一定的偏转，该角度决定了喷管鳞片的偏转范围，本具体实例给定其具有±30°偏转范围取喷管鳞片向内转动方向为正，即在进行矢量推进状态时，喷管鳞片可偏转±30°；但这并不限制尾端喷口扩张和收缩时喷管鳞片的偏转角度，此时双节传动连杆7的长连杆均垂直于万向环6的端面，因此该状态喷管鳞片的转动范围是-30°～60°。

参照附图4所示，液压推杆4同步收缩，带动万向环6向导管前端移动，16对传动连杆7同步向导管内部移动，由于喷管鳞片3前端与导管尾端铰接，受双节传动连杆7的短连杆带动向外偏转，完成了导管尾端喷口的扩张。

参照附图7所示，液压推杆4同步伸长，带动万向环6向导管尾端移动，16对传动连杆7同步向导管外部移出，此时喷管鳞片3被带动内外偏转，完成了导管尾端喷口的收缩。

参照附图11所示，液压推杆4沿导管周向120°等间距分布；位于顶端的液压推杆收缩的同时底部两个液压推杆同步伸长，带动万向环6倾斜转动，从而使每个喷管鳞片3偏转不同的角度，改变导管尾端喷口方向；附图11实例中完成了尾流流场向上偏转的功能，还可通过三个液压推杆的协同控制实现不同方向的矢量推力，本发明只列举了某一方向的矢量推进方式。

参照附图12所示，喷管鳞片尾端外缘构成的曲线近似于椭圆，且椭圆中心上移。

Claims (9)

1.一种三维可偏转喷管矢量推进器，包括螺旋桨(1)，其特征在于，还包括导管(2)、喷管鳞片(3)、液压推杆(4)、万向联轴器(5)、万向环(6)和双节传动连杆(7)；其中螺旋桨(1)和导管(2)同轴安装且导管(2)位于螺旋桨(1)外围；

所述喷管鳞片(3)为若干个，沿螺旋桨(1)轴线周向均布在导管(2)尾端并与其铰接；

所述万向环(6)同轴套在导管(2)上，且万向环(6)通过双节传动连杆(7)与喷管鳞片(3)铰接，使得喷管鳞片(3)在进行角度变换时，万向环(6)与喷管鳞片(3)角度变换保持一致；

所述液压推杆(4)为若干个，沿导管(2)轴线周向均布在导管(2)前端并与导管(2)前端铰接，液压推杆(4)另一端通过万向联轴器(5)与万向环(6)连接；若干液压推杆(4)能够独立进行工作，能够沿导管(2)轴线进行轴向运动，或者沿导管(2)前端向内偏转，或者沿导管(2)前端向外偏转，从而带动万向环(6)进行任何角度偏转以及沿导管(2)轴线进行轴向移动；

所述液压推杆(4)同步收缩，带动万向环(6)向导管前端移动，16对传动连杆(7)同步向导管内部移动，由于喷管鳞片(3)前端与导管尾端铰接，受双节传动连杆(7)的短连杆带动向外偏转，完成了导管尾端喷口的扩张；液压推杆(4)同步伸长，带动万向环(6)向导管尾端移动，16对传动连杆(7)同步向导管外部移出，此时喷管鳞片(3)被带动向内偏转，完成了导管尾端喷口的收缩。

2.如权利要求1所述的一种三维可偏转喷管矢量推进器，其特征在于，所述导管(2)整体为柱状体，外壁为多阶状且小径端位于中部；导管(2)外缘设有铰接孔，另一端外缘为流线型，内部设有三个铰链孔。

3.如权利要求1所述的一种三维可偏转喷管矢量推进器，其特征在于，所述喷管鳞片(3)整体为一等腰梯形体，其中底边为弧形状，底端轴向开有铰接孔(8)，用于与双节传动连杆铰接，同时底端设有凸起的铰接支座(9)，用于与导管(2)外缘的铰接孔配合连接。

4.如权利要求3所述一种三维可偏转喷管矢量推进器，其特征在于，所述凸起的铰接支座(9)为两个凸片组成，沿喷管鳞片(3)轴线对称布置，凸片上开有铰接孔且铰接孔轴线重合，该轴线即为喷管鳞片(3)的转动轴线。

5.如权利要求3所述一种三维可偏转喷管矢量推进器，其特征在于，所述喷管鳞片(3)底边弧形状与导管(2)形状相同，降低了装配间隙对流场的影响。

6.如权利要求1所述一种三维可偏转喷管矢量推进器，其特征在于，所述双节传动连杆(7)包括第一连杆(7-1)和第二连杆(7-2)，第一连杆(7-1)一端为球形端，另一端为凹形端，且凹形端上开有铰接孔；第二连杆(7-2)两端均开有铰接孔，一端与第一连杆(7-1)的凹形端相互配合，另一端与喷管鳞片相连。

7.如权利要求1或6所述一种三维可偏转喷管矢量推进器，其特征在于，所述万向环(6)一面上开有若干个倒T型滑槽，分别与双节传动连杆(7)的球形端配合，保证连杆球头一端能在滑槽中偏转，并且不会脱离。

8.如权利要求1所述的一种三维可偏转喷管矢量推进器，其特征在于，所述双节传动连杆使喷管鳞片的倾角与万向环位置相对应，使得一周喷管鳞片的角度渐变，保证所围成的形状不发生突变，近似于中心偏移的椭圆。

9.如权利要求1所述的一种三维可偏转喷管矢量推进器，其特征在于，所述喷管鳞片(3)的转动角度范围是-30°～60°。

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