CN114084341B - 涡桨泵一体化可重复出入水的跨介质飞行器动力装置 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供涡桨泵一体化可重复出入水的跨介质飞行器动力装置，包括动力装置外壳、燃气发生器、燃气喷管外壳、螺旋桨，动力装置外壳头部设置燃气喷管外壳，动力装置外壳尾部设置燃气发生器，螺旋桨通过螺旋桨弯折杆安装在燃气喷管外壳外侧，动力装置外壳上设置进水口，燃气喷管外壳的端部设置出水口和燃气喷口。本发明没有轴向传动部件，实现了一体化超紧凑设计，大幅缩小了动力装置的轴向尺寸和结构重量。本发明在入水过程及水下航行时，涡轮带动推进泵动叶转动提供推力，螺旋桨停止转动，并通过螺旋桨向后翻折的结构设计，减小了入水过程和水下航行时螺旋桨受到的冲击和阻力；在出水过程中，螺旋桨恢复转动并逐渐展开提供推力。

Description

涡桨泵一体化可重复出入水的跨介质飞行器动力装置

技术领域

本发明涉及的是一种飞行器动力装置，具体地说是水跨介质飞行器动力装置。

背景技术

跨介质飞行器是一种既可以在水中航行，也能在空中飞行的水空新概念飞行器，是既能够实现空中的快速部署和高速飞行，也兼具了水中航行的隐蔽性，具有多任务能力的一体化新型设备。对于传统的无人机、水面舰艇和水下航行器来说，完成海上搜索和救援任务需要多机协同或编队协作。而对于这种集多种无人系统特性于一身的新型航空—潜水器来说，可以单独完成洪灾、海难、台风、海啸等自然灾害条件下的搜索和通信中继等任务。

由于空气和水的物理性质有着较大的差别，可以同时在两种介质中工作以及在介质转换过程中平稳运行的动力装置设计是跨介质飞行器设计中需要解决的一个重要问题。目前国内外关于跨介质飞行器的动力装置基本是分开独立的空中动力与水下动力的简单组合叠加，一体化的跨介质动力方装置仍属空白。并且国内外关于跨介质飞行器水空动力系统的切换，由于采用两套分开独立的动力系统，其往往通过类似换挡选择模式的齿轮组来实现水下动力与空中动力的切换，这种结构虽在一定程度上实现了动力系统的一体化设计，但是该动力装置仍然存在不小的轴向尺寸，并且其在出入水的动力系统切换过程中，齿轮的换挡模式存在不小的动力空窗期与冲击载荷，在此期间飞行器的动力将大幅度降低，故在重复出入水过程，尤其出水过程中，动力的持续性难以保证，使得其出入水过程面临失败的可能。

发明内容

本发明的目的在于提供可以同时在水空两栖运行的涡桨泵一体化可重复出入的水跨介质飞行器动力装置。

本发明的目的是这样实现的：

本发明涡桨泵一体化可重复出入的水跨介质飞行器动力装置，其特征是：包括动力装置外壳、燃气发生器、燃气喷管外壳、螺旋桨，动力装置外壳头部设置燃气喷管外壳，动力装置外壳尾部设置燃气发生器，螺旋桨通过螺旋桨弯折杆安装在燃气喷管外壳外侧，动力装置外壳上设置进水口，燃气喷管外壳的端部设置出水口和燃气喷口。

本发明还可以包括：

1、燃气喷管外壳里设置喷水推进装置，所述喷水推进装置包括喷水推进泵动叶、动力涡轮、太阳轮、行星齿轮和齿圈，喷水推进泵动叶、动力涡轮、太阳轮、行星齿轮、齿圈和螺旋桨由内到外布置于同一纵向平面上，齿圈位于燃气喷管外壳外侧，螺旋桨弯折杆安装在齿圈外部，喷水推进泵动叶通过涡轮轮毂连接在动力涡轮内侧，太阳轮安装在动力涡轮轮缘外侧，行星架位于齿圈与太阳轮之间，行星齿轮通过行星架均匀布置在太阳轮周围，行星齿轮同时与太阳轮和齿圈啮合。

2、还包括离合制动控制机构，所述离合制动控制机构包括一号离合制动器、二号离合制动器，一号离合制动器安装在行星架上，二号离合制动器安装在齿圈上。

3、采用空中螺旋桨转动模式，一号离合制动器制动行星架，动力涡轮带动与其连接的太阳轮旋转，太阳轮带动行星齿轮自转，行星齿轮带动齿圈旋转，齿圈带动与其通过螺旋桨弯折杆连接的螺旋桨转动，转动的螺旋桨提供空中飞行的推力。

4、采用水下螺旋桨翻折静止模式，二号离合制动器制动齿圈，动力涡轮带动与其通过涡轮轮毂连接的喷水推进泵动叶旋转，转动的喷水推进泵动叶通过进水口从外部吸水，并向外部喷水从而在水中航行，同时动力涡轮带动与其连接的太阳轮旋转，太阳轮带动行星齿轮自转并随行星架公转，螺旋桨通过螺旋桨弯折杆向后翻折，保持平行于前进方向的姿态。

5、采用水下螺旋桨翻折静止模式，准备入水时，二号离合制动器制动齿圈的同时，一号离合制动器松开对行星架的制动，当齿圈被完全制动后，螺旋桨绕螺旋桨弯折杆向后翻折。

6、采用水下螺旋桨翻折静止模式，出水时，一号离合制动器开始制动行星架，并解除对螺旋桨弯折杆的控制，二号离合制动器松开对齿圈的制动，当齿圈的制动被完全解除后，随齿圈旋转的螺旋桨在惯性的作用下完全展开，在此过程中通过动力涡轮后的燃气经燃气喷口喷出以产生额外推力，用于保障运行模式切换过程中的动力需求。

本发明的优势在于：本发明没有轴向传动部件，实现了一体化超紧凑设计，大幅缩小了动力装置的轴向尺寸和结构重量。本发明在空中飞行时，涡轮带动螺旋桨转动提供推力；在入水过程及水下航行时，涡轮带动推进泵动叶转动提供推力，螺旋桨停止转动，并通过螺旋桨向后翻折的结构设计，减小了入水过程和水下航行时螺旋桨受到的冲击和阻力；在出水过程中，螺旋桨恢复转动并逐渐展开提供推力。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为螺旋桨翻折示意图；

图3为进气、水管道内部示意图；

图4为传动部分前侧示意图；

图5为传动部分后侧示意图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1-5，本发明公开的一种转动部件位于同一平面的跨介质飞行器动力装置，包括：燃气发生器1、进水管2、燃气发生器出口3、进水管出口4、主轴5、喷水推进泵动叶6、涡轮轮毂7、动力涡轮8、太阳轮9、行星齿轮10、行星架11、齿圈12、螺旋桨13、螺旋桨弯折杆14、一号离合制动器15、二号离合制动器16、喷水推进泵静叶17、燃气喷管内壳18、出水管19、燃气喷管20、燃气喷管外壳21。

喷水推进泵动叶6、动力涡轮8、太阳轮9、行星齿轮10、齿圈12和螺旋桨13由内到外布置于同一纵向平面上，其中，喷水推进泵动叶6通过涡轮轮毂7直接连接在动力涡轮8内侧；行星齿轮组包括太阳轮9、齿圈12、行星齿轮10及行星架11，太阳轮9直接安装在动力涡轮8轮缘外侧，齿圈12设置在螺旋桨13底部并通过螺旋桨弯折杆14与之连接，行星架11位于齿圈12与太阳轮9之间，行星齿轮10通过行星架11均匀布置在太阳轮9周围，行星齿轮10同时与太阳轮9和齿圈12啮合。

燃气发生器1中产生的燃气从燃气发生器出口3喷出，推动动力涡轮8转动并使与其连接的可转动部件一同运动。经过动力涡轮8做功的燃气经燃气喷管20喷出，对外进行二次做功。

外流水经进水管2流入装置，从进水管出口4流入喷水推进泵流道，被动力涡轮8所带动的喷水推进泵动叶6对水做功，使其高速流经喷水推进泵静叶17与出水管19并向外喷出做功。

离合制动控制机构包括用于控制行星架11的一号离合制动器15、用于控制齿圈12的二号离合制动器16。所述的螺旋桨13桨叶能够通过螺旋桨弯折杆14向后翻折，从垂直于前进方向变换到平行于前进方向。

一种可重复出入水的涡桨泵一体化跨介质飞行器动力装置包括两种运行模式：空中螺旋桨转动模式和水下螺旋桨翻折静止模式。

一、空中螺旋桨转动模式

此模式在跨介质飞行器空中飞行时使用，控制系统通过一号离合制动器15制动行星架11，动力涡轮8带动与其连接的太阳轮9旋转，太阳轮9带动行星齿轮10自转，行星齿轮10带动齿圈12旋转，齿圈12带动与其通过螺旋桨弯折杆14连接的螺旋桨13转动，转动的螺旋桨13为跨介质飞行器提供空中飞行的推力。空中飞行形态如图1所示。

二、水下螺旋桨翻折静止模式

此模式在跨介质飞行器水下航行时使用，控制系统通过二号离合制动器16制动齿圈12，动力涡轮8带动与其通过涡轮轮毂7连接的喷水推进泵动叶6旋转，转动的喷水推进泵动叶6通过进水管2从外部吸水，并通过喷水推进泵静叶17与出水管19向外部喷水推动跨介质飞行器在水中航行，同时动力涡轮8带动与其连接的太阳轮9旋转，太阳轮9带动行星齿轮10自转并随行星架11公转。其中螺旋桨13桨叶通过螺旋桨弯折杆14向后翻折，保持平行于前进方向的姿态。水下航行形态如图2所示。

当跨介质飞行器准备入水时，控制系统通过二号离合制动器16开始逐渐制动齿圈12的同时，操控一号离合制动器15逐渐松开对行星架11的制动。当齿圈12被完全制动后控制系统使螺旋桨13绕螺旋桨弯折杆14逐渐向后翻折，翻折后的形态如图2所示。

当跨介质飞行器出水时，控制系统通过一号离合制动器15开始逐渐制动行星架11，并解除对螺旋桨弯折杆14的控制，同时操控二号离合制动器16逐渐松开对齿圈12的制动。当齿圈12的制动被完全解除后，随齿圈12旋转的螺旋桨13在惯性的作用下完全展开，在此过程中通过动力涡轮8后的燃气经燃气喷管20喷出以产生额外推力，用于保障运行模式切换过程中的动力需求，随后跨介质飞行器进入空中飞行状态，如图1所示。

Claims (7)

1.涡桨泵一体化可重复出入水的跨介质飞行器动力装置，其特征是：包括动力装置外壳、燃气发生器、燃气喷管外壳、螺旋桨，动力装置外壳头部设置燃气喷管外壳，动力装置外壳尾部设置燃气发生器，螺旋桨通过螺旋桨弯折杆安装在燃气喷管外壳外侧，动力装置外壳上设置进水口，燃气喷管外壳的端部设置出水口和燃气喷口。

2.根据权利要求1所述的涡桨泵一体化可重复出入水的跨介质飞行器动力装置，其特征是：燃气喷管外壳里设置喷水推进装置，所述喷水推进装置包括喷水推进泵动叶、动力涡轮、太阳轮、行星齿轮和齿圈，喷水推进泵动叶、动力涡轮、太阳轮、行星齿轮、齿圈和螺旋桨由内到外布置于同一纵向平面上，齿圈位于燃气喷管外壳外侧，螺旋桨弯折杆安装在齿圈外部，喷水推进泵动叶通过涡轮轮毂连接在动力涡轮内侧，太阳轮安装在动力涡轮轮缘外侧，行星架位于齿圈与太阳轮之间，行星齿轮通过行星架均匀布置在太阳轮周围，行星齿轮同时与太阳轮和齿圈啮合。

3.根据权利要求2所述的涡桨泵一体化可重复出入水的跨介质飞行器动力装置，其特征是：还包括离合制动控制机构，所述离合制动控制机构包括一号离合制动器、二号离合制动器，一号离合制动器安装在行星架上，二号离合制动器安装在齿圈上。

4.根据权利要求3所述的涡桨泵一体化可重复出入水的跨介质飞行器动力装置，其特征是：采用空中螺旋桨转动模式，一号离合制动器制动行星架，动力涡轮带动与其连接的太阳轮旋转，太阳轮带动行星齿轮自转，行星齿轮带动齿圈旋转，齿圈带动与其通过螺旋桨弯折杆连接的螺旋桨转动，转动的螺旋桨提供空中飞行的推力。

5.根据权利要求3所述的涡桨泵一体化可重复出入水的跨介质飞行器动力装置，其特征是：采用水下螺旋桨翻折静止模式，二号离合制动器制动齿圈，动力涡轮带动与其通过涡轮轮毂连接的喷水推进泵动叶旋转，转动的喷水推进泵动叶通过进水口从外部吸水，并向外部喷水从而在水中航行，同时动力涡轮带动与其连接的太阳轮旋转，太阳轮带动行星齿轮自转并随行星架公转，螺旋桨通过螺旋桨弯折杆向后翻折，保持平行于前进方向的姿态。

6.根据权利要求3所述的涡桨泵一体化可重复出入水的跨介质飞行器动力装置，其特征是：采用水下螺旋桨翻折静止模式，准备入水时，二号离合制动器制动齿圈的同时，一号离合制动器松开对行星架的制动，当齿圈被完全制动后，螺旋桨绕螺旋桨弯折杆向后翻折。

7.根据权利要求3所述的涡桨泵一体化可重复出入水的跨介质飞行器动力装置，其特征是：采用水下螺旋桨翻折静止模式，出水时，一号离合制动器开始制动行星架，并解除对螺旋桨弯折杆的控制，二号离合制动器松开对齿圈的制动，当齿圈的制动被完全解除后，随齿圈旋转的螺旋桨在惯性的作用下完全展开，在此过程中通过动力涡轮后的燃气经燃气喷口喷出以产生额外推力，用于保障运行模式切换过程中的动力需求。