NO863601L - Propellersystem med elektronisk regulert syklisk og kollektiv bladstigning. - Google Patents

Abstract

Et flertall blader strekker seg radielt fra et nav som blir rotert av en motor rundt en drivakse. Hvert blad har en rot som er roterbart forbundet med navet slik at det kan bli uavhengig vridd for å variere stigningen av bladet i forhold til drivaksen. Et flertall elektromagneter er plassert i ring nær navet slik at permanente magneter forbundet med roten av et tilsvarende blad kan bli tiltrukket og/eller frastøtt for å generere en vridende bevegelse i bladene mens navet roterer rundt drivaksen. En styringskrets mottar inngangs-kommando for en manuell styreinnretning og bevirker at forutbestemte elektriske signaler blir påtrykt elektromagnetene for samtidig variering av stigningen til bladene. Stigningen til bladene kan bli variert syklisk og kollektivt i henhold til enhver reell kontinuerlig funksjon, og ikke bare en sinusfunksjon som var tilfelle i tidligere mekaniske forbindelser som benyttet kamskiver. Et fartøy utstyrt med propellersystem ved for- og akterenden kan bli presist manøvrert i seks frihetsgrader. A

Description

Den foreliggende oppfinnelse angår skovlhjultyper av fremdriftssystemer, og mer spesielt et propellersystem som er innrettet for presis styring av et neddykket fartøy i seks forskjellige frihetsgrader.

Det er mange anvendelser for et ubemannet (fjernstyrt) dyptgående havfartøy, så som vedlikehold av undersjøiske olje-brønner, lokalisering og berging av sunkne fly, og undersjøisk oppmåling. Kommando-og sensordata fra kameraer og andre instru-menter ombord kan sendes til og fra fartøyet via en kabel eller ved sonar. Et slikt dyptgående fartøy må ha en høy grad av manøvrerbarhet og presis, pålitelig styring for effektivt å kunne utføre slike oppgaver. Spesielt må et slikt undervannsfartøy være i stand til å utføre presise translasjons- og rotasjonsbevegelser i forhold til langskips, tverrskips og vertikale akser. Fartøyet må også være i stand til å opprettholde enhver stilling, og må kunne utøve store krefter og momenter med presisjon.

Hittil kjente fjernstyrte dyptgående fartøyer for å utføre denne type arbeid har typisk omfattet en ramme eller slede med kamera, lys, robotarmer og et flertall skyvere for bevegelse i forhold til de forskjellige akser. Disse skyverne har typisk vært hydrauliske, og har krevet kompliserte styremekanismer. Effektivitet og reaksjonstid for slike skyvere, samt deres evne til å utføre presisjonsmanøvre, er begrenset.

I U.S.Patent nr. 3,101,066 er det vist et undervannsfartøy med kontra-roterende propeller forut og akterut, og mekanismer for uavhengig styring av syklisk og kollektiv stigning av propellerbladene for manøvrering av fartøyet med seks frihetsgrader. Hittil eksisterende mekanismer for utførelse av syklisk og kollektiv stigningsregulering har typisk vært kompliserte mekaniske anordninger i likhet med kamskive-mekanismene (Swash plate mechanisms) i helikopteret. Slike mekanismer krever en god del vedlikehold, og passer derfor dårlig til undervannsbruk. I tillegg kan de bare endre bladstigningen som en sinusfunksjon, d.v.s. bladvinkelen alfa varierer som en sinusfunksjon av bladets vinkelposisjon theta i forhold til propellerens rotasjonsakse, p.g.a. kamskive-mekanismens geometri. Dette setter en grense for mulighetene til å oppnå presise manøvre.

Det primære formål med den foreliggende oppfinnelse er å frembringe et forbedret system for å regulere stigningsvinkelen til bladene av en propeller mens denne roterer.

Et annet formål med oppfinnelsen er å frembringe et system for å regulere stigningsvinkelen til et flertall propellerblader både syklisk og kollektivt.

Et tredje formål med oppfinnelsen er å frembringe et system for å regulere stigningsvinkelen til et flertall propellerblader både syklisk og kollektivt, på en ikke-sinusformet måte.

Et fjerde formål med oppfinnelsen er å frembringe et system for å styre syklisk og kollektiv stigning til bladene av en propeller uten kamskive eller andre mekaniske forbindelser mellom bladene og styreanordningen.

Et femte formål med oppfinnelsen er å frembringe et elek-tronisk styresystem for samtidig regulering av stigningen til et flertall propellerblader både syklisk og kollektivt.

Et sjette formål med oppfinnelsen er å frembringe et forbedret fremdriftssystem for presis manøvrering av et under-vannsf artøy i seks frihetsgrader.

Ifølge den illustrerte utførelsesform av den foreliggende oppfinnelse er det et flertall blader som strekker seg radielt fra et nav som blir rotert av en motor rundt en drivakse. Hvert blad har en rot som er rotertbart forbundet med navet, slik at det kan bli uavhengig vridd for å variere dets stigning i forhold til drivaksen. Et flertall elektromagneter er plassert i en ring nær navet, slik at permanente magneter forbundet med tilsvarende blader blir tiltrukket og/eller frastøtt for å skape en vridende bevegelse i bladene når navet roterer rundt drivaksen. En styrekrets mottar inngangs-kommandoer for en manuell styre-anordning, og bevirker at forutbestemte, elektriske signaler blir påtrykt elektromagnetene for samtidig å variere stigningen til bladene. Bladenes stigning kan varieres syklisk og kollektivt i henhold til hvilken som helst reell kontinuerlig funksjon, og ikke bare en sinusfunksjon som var tilfelle i tidligere mekaniske forbindelser som benytter kamskiver. Et fartøy utstyrt med propeller forut og akterut kan derfor bli presist manøvrert i seks frihetsgrader.

Oppfinnelsen skal i det følgende beskrives nærmere under henvisning til tegningene, hvor

Fig. 1 er et perspektivriss av et neddykkbart fartøy utstyrt med et propellersystem ifølge den foreliggende oppfinnelse ved for- og akterende. Fig. 2 er et forstørret utsnitt av et sideriss, og viser propelleren og drivmotoren ved forenden av fartøyet. Fig. 3 er et ytterligere forstørret utsnitt av et sideriss, og illustrerer en del av propelleren på figur 2 med dens mekanisme for stigningsvariasjon. Fig. 4 er en skjematisk illustrasjon av forholdet mellom et antall elektromagneter og den permanente magnet forbundet med roten av hvert blad. Fig. 5 er en skjematisk illustrasjon av den måten med hvilken stilling en for hvert blad på propelleren blir brukt i syklisk og kollektiv bladstignings-regulering. Fig. 6 er et blokkdiagram av styringskretsen for den fore-trukne utførelse av propellersystemet.

Det henvises først til figur 1. Et neddykkbart fartøy 10 har et strømlinjeformet skrog 12 som smalner av ved for- og akterenden. Propellene 14 og 16 er montert nær for- og akterenden av skroget, med sine rotasjonsakser fallende sammen med skrogets sentrale lengdeakse. Hver av propellene har seks blader 18 med variabel stigning, plassert langs omkretsen, og stikkende ut i radiell retning. Syklisk og kollektiv stigning til bladene på hver av propellene kan varieres uavhengig, for presis manøvrering av fartøyet i seks frihetsgrader. Disse omfatter translasjons-og rotasjonsbevegelser i forhold til de illustrerte langskips, tverrskips og vertikale akser. Fartøyet blir således drevet frem og styrt via de to propellene 14 og 16, og ror er ikke påkrevet.

Det henvises nå til figur 2. Hver av propellene, så som 14, blir drevet og styrt med lignende mekanismer. Et nav 20 under-støtter bladene 18 for rotasjon rundt en felles drivakse 22, vist i prikket linje, og for å tillate bladene å bli vridd rundt tilsvarende bladeakser så som 24 (figur 3) roten av hvert blad er forbundet med en tilsvarende aksel 26 som strekker seg radielt gjennom et hull i navet og er opplagret der med passende lagre

(ikke vist) for å tillate fri rotasjon av bladet. Den perifere del av navet 20 faller sammen med skroget 12 slik at den fungerer som en strømlinjeformet fortsettelse av skroget mens den tillater relativ rotasjon mellom dem. På konvensjonell måte kan skroget 10 ha anordinger, som ikke er illustrert, for å tillate at vann blir pumpet inn i og ut av deler av skroget for å regulere oppdriften. Navet 20 kan være utstyrt med forskjellige hus og tetninger som fagforlk på området lett kan forestille seg, for å hindre at sjøvann kommer i kontakt med mekanismene for stigningsvariasjon som skal beskrives nedenfor.

Det henvises igjen til figur 2. Hvert av bladene 18 skråner litt i akter-retningen slik at det er en spiss vinkel mellom den ledende og den følgende kant av hvert blad og dets akse 24. Det er også en spiss vinkel mellom hvert av bladene og drivaksen 22. En elektrisk, hydraulisk eller annen type motor 28 er drivbart forbundet med navet 20 via drivakselen 30. Hvert blad har fortrinnsvis et aerofoil tverrsnitt, og er utformet slik at sentrum av fluid-trykket P på bladet (figur 3) faller sammen med bladets vrideakse 24. Dette minimaliserer mengden av dreiemoment som er nødvendig på spindelen for å drie bladet under neddykket rotering av propelleren 14. Under henvisning til figurene 2 og 5, er stigningen for hvert blad i forhold til propellerens drivakse 22 betegnet med vinkelen alfa. Stillingen av individuelle blad rundt drivaksen 22 mens propelleren roterer er betegnet med vinkelen theta.

Det henvises nå til figur 3. En permanent magnet så som 32 er fast forbundet med den indre ende av akselen 26 på hvert av bladene 18. Et flertall av stasjonære elektromagneter 34 er plassert inne i navet 20 for å bevirke bevegelse av de permanente magnetene når navet roterer, for dermed å tillate at stigningen til bladene blir syklisk og kollektivt regulert uten noe direkte mekanisk forbindelse med bladene. Hver elektromagnet 34 omfatter et U-formet metallelement 36 som danner et par poler som er adskilt i lengderetningen, og hvis styrke og polarisering (nord eller syd) kan bli styrt ved å påtrykke forutbestemte elektriske signaler til en spole 33 rundt et segment av metallelementet 36. Som illustrert på figurene 3 og 4 er de U-formede metallelementene 36 i flertallet av elektromagneter festet i posisjoner som er adskilt slik at de danner en ring rundt den perifere kant av en stillestående støtteskive 40 via festeanordnignene 42. Som vist på figur 4 er de U-formede metallelementene 36 parallelle og nær hverandre slik at de danner en radiell utadvendt kanal 44 med hvilken de permanente magnetene beveger seg under rotasjon av navet 20 som illustrert på figur 3. Det henvises igjen til figur 4. Spolen på en gitt elektromagnet 34' kan for eksempel bli energisert til å generere poler n og s av forutbestemt magnetisk styrke som frastøter polene N og S av den umiddelbart nærliggende permanente magnet 32'. Det er klart at bare en av polene av den permanente magnet trenger å tiltrekkes eller frastøtes for å vri bladet 18, men ved å påvirke begge polene kan imidlertid større spindelmoment bli generert. Det er også klart at de fire elektromagnetene umiddelbart nær elektromagneten 34' på figur 4 kan bli energisert for ytterligere å øke spindelmomentet på bladet 18 som er festet til den permanente magnet 32' når denne magnet er i denøyeblikks stilling som illustrert på figur 4.

Det henvises nå til figur 6, hvor en styrekrets for samtidig uavhengig styring av stigningen til bladene 18 er illustrert i blokkdiagram for. Analoge signaler som representerer manøvreringskommandoer blir generert ved manuell aktivering av et sett styringsanordninger 46 så som styrestikker og kontroll-knapper. Disse analoge signalene blir matet til en mikroprosessor 48 via en analog/digital-omformerkrets 50. Et takometer eller annen sensoranordning nær navet 20 eller drivakselen 30 sender digitale signaler til mikroprosessoren 48 som representerer vinkelstillingen for hvert av de seks bladene 18 rundt drivaksen. Et visst pulsantall kan for eksempel indikere at bladet A (figur 5) er i stillingen theta subindeks 1, bladet D er i stillingen theta subindeks n o.s.v. Alle seks bladene A-F av propelleren 14 er illustrert diagramatisk på figur 5. Spolene 38 (figur 6) for hver av elektromagnetene er forbundet med tilsvarende forsterkede 54, som i sin tur er forbundet med mikroprosessoren 48 via digital/analog-omformeren 56. Ved bruk av et program som er lagret i hukommelsen 58 bevirker mikroprosessoren at forutbestemte strømmer blir påtrykt de utvalgte spoler (38) i passende tidsintervaller slik at elektromagnetene nær de permanente magnetene 32 forbundet med hvert av de seks propellerbladene 18 vil bli beveget en passende mengde til å frembringe den spesielle sykliske og kollektive stigningsregulering som er nødvendig for å manøvrere fartøyet i henhold til kommandoer som blir innført manuelt via styringsanordnignene 46. Mikroprosessoren "vet" vinkelstillingen theta for hvert av bladene A-F rundt drivaksen 22 ved ethvert gitt tidspunkt fra inngangen av takometeret 52 og "vet" derfor hvilken av elektromagnetene som skal energiseres og med hvilken polaritet og mengde for å generere deønskede stigninger alfa subindeks A til alfa subindeks F ved ethvert gittøyeblikk for å oppnå en manøver i henhold til den gitte kommando.

Forsterkerne 54 kan for eksempel omfatte FET "SMART POWER"-anordninger. Det kan være trehundreogseksti elektromagneter 34 for å sikre tilstrekkelig presisjon i stigningsreguleringen. Fem elektromagneter kan bli energisert samtidig nær en gitt øyeblikks-stilling for et gitt blad. Hvor det i alt er trehunde elektromagneter vil således bare tretti kunne bli energisert et gitt øyeblikk. I et typisk ubemannet undervannsfartøy kan propelleren 14 rotere med en relativt lav hastighet på etthundre-ogåtti omdreininger pr. minutt. Kommersielt tilgjengelige mikroprosessorer kan operere med ekstremt høye hastigheter, så som en megahertz. I det foregående eksempel ville det ta omtrent to millisekunder for en av de permanente magnetene å bevege seg avstanden mellom to nærliggende elektromagneter. På denne tiden kunne mikroprosessoren gjøre omtrent totusen flytekomma-operasjoner. Dette er mer enn nok regnekapasitet for å sette mikroprosessoren i stand til å beregne å påtrykke det neste sett strømmer som må påtrykkes det ettefølgende sett av tretti elektromagneter før bladene har beveget seg en omkrets-avstand som er lik den som skiller to umiddelbart følgende blader. Styringskretsen på figur 6 kan samtidig styre elektromagneter for for- og akter-propellene 14 og 16 for å muliggjøre hurtig responstid ved manøvrering av fartøyet 10 i seks frihetsgrader.

I motsetning til tidligere kjente sykliske og kollektive stignings-reguleringssystemer som har benyttet kompliserte mekaniske forbindelser med kamskiver, tillater denne oppfinnelsen at stigningsreguleringen blir utført i henhold til ikke-sinusfunksjoner så vel som sinusfunksjoner. Hvis syklisk og kollektiv stigning er begrenset til sinusfunksjon-stigning vil fartøyet miste evnen til uavhengig manøvrering i forhold til de tre aksene, det vil si langskips, tverrskips og vertikal. Bladenes styringsfunksjon kan bli definert slik at den strekker seg over mer enn en omdreining av navet eller over en del av en omdreining. Siden anordningen for å generere vridning av bladene ikke har noen direkte mekanisk forbindelse med bladene er responstiden meget kort, vekten og kompleksiteten er redusert, og påliteligheten er øket. Med systemet ifølge oppfinnelsen er for eksempel mulig å oppnå sideveis og vertikal skyvekraft som er en stor prosent av den oppnåelige skyvekraft i lengderetningen. Fartøyet 10 kunne for eksempel oppnå femhundre kilo skyvekraft i lengderetningen og tohundreogfemti kilo tverrskips eller i vertikal retning. En enkel og billig elektrisk motor kan rotere navene med konstant hastighet, mens stigningen bli variert for hastighets- og retningskontroll. På grunn av at de mange utenbord skyvere er eliminert, er fartøyet letter og mer amnøvrerbart enn eksisterende ubemannede undervannsfartøyer. Fartøyet kan for eksempel feste en enkel robotarm til en båt, og bevege armen for å stramme bolten mens dreiemomentet umiddelbart blir motvirket med en spesiell skyvekraft fra propelleren.

Detaljer av syklisk og kollektiv stigningsregulering som er nødvendig for å manøvrere i seks frihetsgrader er vel kjent blant fagfolk på området. Se for eksempel "Effeets of Configurational Changes on Tandem Propeller Performance" av William G. Wilson, datert februar 1966 og utført for the Office og Naval Research Mathematical Sciences Divisin, Department of the Navy, CAL Report No. AG-16334-V-). Se ogs "Experimental Studies of Tandem Propeller Performance at Static Conditions" av Roy S. Rice, Jr., datert 2. februar 1968 og utført for Department of the Navy, Naval Ship Systems Command, CAL Report No. AG-2381-K-2.

Etter denne beskrivelsen av en foretrukken utførelse av propellersysternet ifølge oppfinnelsen, vil man forstå at fagfolk på området kan tenke seg endringer og tilpasninger av oppfinnelsen. Den separate drivmotoren 28 kunne f.eks. bli eliminert, og navet rotert med koordinert energisering av elektromagnetene. En sekvens-styreinnretning med noniusskala kunne for eksempel bli brukt for nøyaktig styring av overgangsfasen mellom umiddelbart etterfølgende sett på fem elektromagneter. Beskyttelsen av oppfinnelsen må derfor bare begrenses i henhold til utstrekningen av kravene.

Claims (8)

1. Propellersystem, karakterisert ved : et flertall av blader som hver har en rot, en anordning for å understøtte bladene for rotering rundt en felles drivakse slik at hvert blad kan bli uavhengig vridd rundt en tilsvarende bladakse for å variere stigningen av bladet i forhold til drivaksen, en anordning for å rotere blad-støtteanordningen rundt drivaksen, og en anordning for å vri bladene under rotering av blad-støtteanordningen for uavhengig å variere en syklisk stigning av bladene og en kollektiv stigning av bladene under rotering av blad-støtteanordningen rundt drivaksen, omfattende et flertall elektromagnetiske anordninger plassert i ring rundt drivaksen nær roten av bladene, for hver å generere et forut bestemt dreiemoment på et utvalgt blad mens'det beveger seg forbi.

2. Propellersystem ifølge krav 1, karakterisert ved at vrianordningen for bladene videre omfatter et flertall av permanente magneter, som hver er fast forbundet med roten av et tilsvarende blad.

3. Propellersystem ifølge krav 1, karakterisert ved at anordningen for å rotere blad-stø tteanordningen rundt drivaksen omfatter en motor.

4. Propellersystem ifølge krav 1, karakterisert ved at vrianordningen for bladene videre omfatter en styre-anordning for å generere elektriske signaler som følge av et sett manuelle kommandoer.

5. Propellersystem ifølge krav 1, karakterisert ved at roteringen av blad-stø tteanordningen rundt drivaksen blir utført ved koordinert energisering av elektromagnet-anordningene.

6. Propellersystem ifølge krav 1, karakterisert ved at hvert blad er utformet slik at sentrum av fluid-trykket som genereres på hvert blad i hovedsak faller sammen med bladets tilsvarende blad-akse.

7. Propellersystem ifølge krav 2, karakterisert ved at elektromagnet-anordningene har en generell U-form, og at flertallet av elektromagnet-anordninger danner en radiell utadvendt kanal i hvilken de permanente magnetene beveger seg.

8. Propellersystem ifølge krav 1, karakterisert ved at den videre omfatter minst en manuell styringsanordning for å generere analoge elektriske signaler som representerer et sett kommandoer ført inn ved manuell aktivering av styringsanordningen, en digital prosessor, en hukommelse forbundet med prosessoren for å lagre et styreprogram, en analog/digital-omformer som operativt forbinder den manuelle styringsanordningen og prosessoren, et flertall av forsterkere, hver operativt forbundet med en tilsvarende elektromagnetisk anordning, en sensor for å påtrykke et elektrisk signal til prosessoren som representerer stillingen av blad-støtteanordningen i forhold til drivaksen, og en digital/analog-omformer som operativt forbinder prosessoren og forsterkerne for å tillate prosessoren å bevirke at forut bestemte elektriske signaler påtrykkes forsterkerne i henhold til inngangskommandoene, vinkelstillingen og styrings-programmet.