用于水下航行器的水平軸海流發電裝置的制作方法

本發明屬水下航行器領域，具體涉及一種用于水下航行器的水平軸海流發電裝置。

背景技術：
水下航行器是一種航行于水下的航行體，包括載人水下航行器和無人水下航行器，它能夠完成水下勘探、偵測甚至是軍事上的進攻防守等任務。水下航行器具有活動范圍大、潛水深度深、可進入復雜結構中、不需要龐大水面支持等優點，還具有成本和維護費用低、可重復利用、投放回收方便、續航能力長等特點。在海洋開發日益重要的現在，水下航行器越來越得到了各個國家的重視，無論是在民用還是在軍用上，都扮演著重要的角色。能源對水下航行器的長時間水下連續工作和執行遠程任務能力起著決定性的作用。目前國內外的水下航行器主要由機載電池供電，但體積尺寸、重量限制，水下航行器的使用壽命及作用范圍，無法滿足攜帶大量探測、通訊設備在水下長時連續工作的需求。如果能充分利用海洋中蘊藏的能量，解決水下航行器的能源供給問題，將會是水下航行器能源供給的重大突破。海洋中蘊藏著豐富的可再生能源，取之不盡，用之不竭。目前國內外海洋能技術主要出現在商業領域，商業發展以提高發電效率和功率為研究重點，導致相關發電設備額定功率和尺寸普遍較大，不適合用在水下航行器上。如英國2009年最新研制的“海蛇”海浪發電裝置，其長度達到150米。如2003年英國水下渦輪公司建成的Seafow海流能發電系統，發電功率為300kW，其葉輪的直徑就達到11米。為了解決水下航行器能源補給問題，目前國內外相關機構、學者開展了大量的研究工作，但主要集中在溫差能、太陽能、晃動能等環境能源技術在水下航行器上的應用研究。王延輝，王樹新，謝春剛在天津大學學報2007年02期的《基于溫差能源的水下滑翔器動力學分析與設計》一文中公開了溫差能的應用，水下航行器主要通過在海洋中進行鋸齒運動，穿越不同的溫度的海水層，利用冷熱交換原理從海洋暖水層和冷水層之間的溫度差中獲取能量，但能量轉換效率較低，且對其運行軌跡有嚴格的限制。Komerska,R.J.,ChappellS.G.在2006年OCEANS會議的《ASimulationEnvironmentforTestingandEvaluatingMultipleCooperatingSolar-poweredUUVs》一文中公開了太陽能的應用，通過將水下航行器外形改變成扁平型，在其表面增設太陽能面板，并在近水面吸收太陽能來獲取能量，雖然能量轉換效率較高，但受天氣影響較大，且需要對航行外形進行特殊改造，不適合常規水下發射裝置進行水下發射。在公開號為102705139A的發明創造中，公開了一種回轉體水下航行器發電裝置。該裝置通過海洋擾動引起的慣性擺擺動和質量塊移動收集航行器的晃動能，但晃動能發電裝置放置在航行器內，不與海洋直接接觸，其轉化效率低。為此，必須進一步深入探索研究水下航行器新型能源技術。海流能是海水平穩且有規律流動的動能，海流能具有：有規律可預測，幾乎不受天氣的影響；能量密度大；發電裝置置于海面下，受風浪影響小的特點。如果能將航行器所處環境下的海流收集起來并轉換成電能，那么將解決水下航行器的水下能源供給問題，提高其水下工作時間。

技術實現要素：
為克服現有技術中存在的能量轉換效率較低、運行軌跡有嚴格的限定和不適合常規水下發射裝置進行水下發射的不足，本發明提出了一種用于水下航行器的水平軸海流發電裝置。本發明所述的水下航行器包括航行器前段、航行器中段和航行器后段，均為現有技術。本發明還包括一個水平軸海流發電裝置，并且：a.所述水平軸海流發電裝置對稱固定安裝在航行器前段與航行器中段之間；所述航行器中段殼體外表面分別均布有三個凹槽；凹槽的橫截面為弧形，用于收納海流發電裝置的葉片；b.所述水平軸海流發電裝置，包括發電裝置安裝支架、三個葉片、三套展開機構和發電機組成。其中安裝支架由葉輪殼體、前蓋板和后蓋板。所述安裝支架套裝在中心軸上。所述三個展開機構均勻分布并安裝在所述安裝支架的葉輪殼體圓周上的凹槽內，并使位于各展開機構頂端的葉片伸出葉輪殼體之外。所述葉片鉸接在所述前蓋板的耳片上。所述發電機安裝在所述中心軸上，所述前蓋板和后蓋板分別位于發電機的兩端，并通過軸承安裝在所述中心軸上。所述三個展開機構均包括連桿、推進電機、滾珠絲杠和絲杠螺母。所述展開機構安裝在所述葉輪殼體圓周表面的凹槽內。所述展開機構的連桿一端與絲杠螺母鉸接，另一端與葉片鉸接。所述展開機構的推進電機固定安裝在后蓋板的內表面；該推進電機輸出軸表面加工有螺紋，形成展開機構的滾珠絲杠。所述滾珠絲杠的另一端通過軸承安裝在前蓋板上。所述展開機構的絲杠螺母套裝在所述滾珠絲杠上。所述葉輪殼體的兩端分別安裝有前蓋板和后蓋板，在葉輪殼體內形成了封閉空間。葉輪殼體的外徑與航行器的外徑相同。葉輪殼體的圓周表面有三個軸向分布的階梯凹槽，該階梯凹槽的底部用于安放展開機構，該階梯凹槽的上部用于收納葉片。所述發電機為嵌入式集成永磁發電機，額定電壓為24V，包括永磁體轉子和繞組定子。所述永磁體轉子中磁極的極對數為8。該永磁體轉子分別與前蓋板和后蓋板固定連接，并與安裝支架中的葉輪殼體、前蓋板、后蓋板以及展開機構一同轉動。所述繞組定子繞線采用Y形，雙層整距疊繞接法。繞組定子上的并聯支路數為1個，槽數為48個，線圈極距為3，線圈節距為3。所述繞組定子固定安裝在中心軸上。所述中心軸的一端與航行器前段一端端面的中心孔固連，該中心軸的另一端與航行器中段一端端面的中心孔固連。本發明的目的是解決水下航行器能源補給問題，延長水下工作時間。由于本發明采取了上述技術措施，取得了顯著的效果。當水下航行器處于駐留狀態時，水下航行器前段與航行器后段的錨鏈投入海底，使航行器水平穩定駐留，保持發電裝置葉輪軸線水平。推進電機帶動滾珠絲杠旋轉，使絲杠螺母沿著滾珠絲杠軸向移動，通過連桿推動葉片從航行器外側呈傘骨狀展開，形成水平軸海流發電裝置。葉片受到海流力矩作用于，葉片、安裝支架、以及發電機的永磁體轉子一同繞水下航行器縱軸線旋轉，使發電機的永磁體轉子相對于繞組定子做相對運動，切割磁感線，從而產生感應電動勢，從而將海流的動能轉化為機械能，再將機械能轉化為電能，供水下航行器使用。此用于回轉體水下航行器的水平軸發電裝置，可控性強、轉化效率高，整體外形呈圓柱形，結構緊湊，可作為單獨模塊直接裝載回轉體型水下航行器上；本裝置將海流動能轉化為供水下航行器使用的電能，從根本上解決了水下航行器的能源供給問題。附圖說明圖1是本發明的展開機構收起后的結構示意圖，圖2是本發明的展開機構打開后的結構示意圖；圖3是有水平軸海流發電裝置的航行器的結構示意圖；圖4是海流發電裝置與航行器配合的示意圖，其中4a是軸測圖，4b是4a的放大圖，4c是4a的剖視圖；圖5是海流發電裝置的結構示意圖，其中5a是俯視圖；5b是軸測圖，5c是5b的放大圖；圖6是海流發電裝置內部結構示意圖，其中6a是軸測圖，6b是6a的放大圖，6c是6b的剖視圖；圖7是傳動機構的結構示意圖，其中7a是軸測圖，7b是7a的仰視圖；圖8是前蓋板的結構示意圖；圖9是后蓋板的結構示意圖；圖10是葉輪殼體的結構示意圖；圖11是葉片的結構示意圖。圖中：1.航行器前段；2.水平軸海流發電裝置；3.凹槽；4.航行器中段；5.航行器后段；6.鰭舵；7.錨鏈；8.葉片；9.前蓋板；10.中心軸；11.葉輪殼體；12.發電機；13.后蓋板；14.推進電機；15.滾珠絲杠；16.絲杠螺母；17.連桿；18.繞組定子；19.永磁體轉子；20.軸承。具體實施方式本實施例是一種用于回轉體水下航行器的水平軸海流發電裝置。本實施例安裝在水下航行器上，所述水下航行器采用現有技術，包括航行器前段1、航行器中段4、航行器后段5、鰭舵6和錨鏈7。航行器前段1、航行器中段4、航行器后段5均為回轉體。在所述航行器前段1與航行器中段4之間安裝有水平軸海流發電裝置2，在所述航行器前段1與航行器中段4之間通過中心軸10采用螺母同軸固連。所述航行器中段4殼體外表面分別均布有三個凹槽3，相鄰凹槽3之間間隔120°。凹槽3的橫截面為矩形，用于收納葉片8，凹槽3長寬略大于葉片8的長寬，使葉片8能夠貼合與殼體外徑范圍內，以減小航行器所受阻力。在航行器前段1和航行器后段5設有錨鏈7，航行器駐留時投放錨鏈7，使航行器能夠水平駐留并保持穩定，并使水平軸海流發電裝置葉輪軸線保持水平。所述水平軸海流發電裝置2，主要由發電裝置安裝支架、三個葉片8、三套展開機構和發電機12組成。其中安裝支架由葉輪殼體11、前蓋板9和后蓋板13組成。所述安裝支架位于航行器前段1和航行器中段4之間，通過軸承20套裝在中心軸10上，并能夠繞所述中心軸10旋轉。所述三個展開機構均勻分布并安裝在所述安裝支架的葉輪殼體11圓周上的凹槽內，并使位于各展開機構頂端的葉片8伸出葉輪殼體11之外。所述葉片8通過銷軸鉸接在所述前蓋板9的耳片上。所述中心軸10的一端裝入航行器前段1一端端面的中心孔內，該中心軸10的另一端裝入航行器中段4一端端面的中心孔內。在所述中心軸10的兩端分別套裝固定螺母，從而將所述航行器前段1和航行器中段4固連。所述發電機12安裝在所述中心軸10上，所述前蓋板9和后蓋板13分別位于發電機12的兩端，并通過軸承20安裝在所述中心軸10上。所述三個展開機構均包括連桿17、推進電機14、滾珠絲杠15和絲杠螺母16組成。所述展開機構安裝在所述葉輪殼體11的圓周上的凹槽內。所述展開機構的連桿17一端通過銷軸鉸接在絲杠螺母16上，另一端通過銷軸鉸接在葉片8的耳片上。所述展開機構的推進電機14采用現有技術中的直線步進電機，固定安裝在后蓋板13的內表面，該推進電機輸出軸表面加工有螺紋，形成展開機構的滾珠絲杠15。所述滾珠絲杠15的另一端通過軸承安裝在前蓋板9上。所述展開機構的絲杠螺母16套裝在所述滾珠絲杠15上。所述絲杠螺母16由螺紋套筒和安裝筋板組成。在所述安裝筋板上有一通孔，通過銷軸與連桿17鉸接。所述安裝支架中的葉輪殼體11為圓筒形，在該葉輪殼體的兩端分別安裝有前蓋板9和后蓋板13，在葉輪殼體內形成了封閉空間。葉輪殼體11的外徑與航行器的外徑相同。各展開機構所處的葉輪殼體11的圓周表面有三個軸向分布的階梯凹槽，該階梯凹槽的槽底為U形，形成用于安放展開機構的空間；該階梯凹槽的上部為弧形，與航行器中段4上的凹槽3的截面形狀相同，并與航行器各段上的凹槽3共同組成了各葉片8的收納槽；所述收納槽的外形尺寸與葉片8的橫截面尺寸相適應，當各葉片8收回時，嵌入該收納槽中。所述收納槽長度方向中心線與葉輪殼體11的中心線平行。所述前蓋板9為圓環形薄板，在所述前蓋板9表面的外緣均布有螺紋孔，其作用為密封葉輪殼體11。在所述前蓋板9的中心有安裝滾珠絲杠15的通孔。在所述前蓋板9的一端面外緣均布有三個耳片，通過銷軸將葉片8鉸接在該耳片上。所述前蓋板9通過軸承20套裝在中心軸10上。所述后蓋板13為圓環形薄板，在所述后蓋板13表面的外緣均布有螺紋孔，其作用為密封葉輪殼體11，所述后蓋板13上固定安裝有推進電機14。同時后蓋板13圓周有與收納槽相同的豁口。所述后蓋板13通過軸承20套裝在中心軸10上。所述葉片8采用NACA翼型。所述葉片8的根部通過銷軸與前蓋板9上的耳片鉸接。葉片8靠近根部的葉面上固定連接一耳片，通過銷軸與連桿17鉸接。在展開機構的驅動作用下葉片8將呈傘骨狀展開。所述發電機12為嵌入式集成永磁發電機，額定電壓為24V，由永磁體轉子19、繞組定子18組成。所述永磁體轉子19中磁極采用NdFeB33UH磁鋼，極對數為8。該永磁體轉子19通過端面的螺紋孔分別有前蓋板9和后蓋板13固定安裝，可與安裝支架中的葉輪殼體11、前蓋板9、后蓋板13以及展開機構一同轉動。所述繞組定子18繞線采用Y形，雙層整距疊繞接法。繞組定子18上的并聯支路數為1個，槽數為48個，線圈極距為3，線圈節距為3。繞組定子18上的電樞沖片采用35W310材料。所述繞組定子18固定安裝在中心軸10上。當永磁體轉子19隨發電裝置支架一同轉動時，切割繞組定子18，從而產生感應電動勢。工作時，當水下航行器處于駐留狀態時，水下航行器前段1與航行器后段5的錨鏈7投入海底，使航行器水平穩定駐留，保持發電裝置葉輪軸線水平。推進電機14帶動滾珠絲杠15旋轉，使絲杠螺母16沿著滾珠15絲杠軸向移動，通過連桿17推動葉片8從航行器外側呈傘骨狀展開，形成水平軸海流發電裝置。葉片8受到海流力矩作用于，葉片8、安裝支架、以及發電機12的永磁體轉子19一同繞水下航行器縱軸線旋轉，使發電機12的永磁體轉子19相對于繞組定子18做相對運動，切割磁感線，從而產生感應電動勢，從而將海流的動能轉化為機械能，再將機械能轉化為電能，供水下航行器使用。