CN104454299A - 直驱式的水下航行器垂直轴海流发电装置 - Google Patents

Abstract

一种直驱式的水下航行器垂直轴海流发电装置，两个垂直轴海流发电装置分别安装在航行器壳体上，并且两个垂直轴海流发电装置的安装方向相反。发电机通过绕组定子固定安装在中心轴上。三个叶片分别安装在垂直轴海流发电装置中各伸缩机构的顶端，叶片在来流的冲击下绕中心轴转动，并产生驱动转轴转动的切向力，使叶片、伸缩机构以及发电装置支架绕水下航行器纵轴线旋转，带动与叶轮壳连接的内齿轮旋转，进而带动外齿轮和发电机转动，从而将海流的动能转化为供水下航行器使用的电能。本发明解决了水下航行器的能源供给问题，延长水下航行器的工作时间，节约了成本。

Description

直驱式的水下航行器垂直轴海流发电装置

技术领域

本发明属水下航行器领域，具体涉及一种直驱式的水下航行器垂直轴海流发电装置。

背景技术

水下航行器是一种航行于水下的航行体，包括载人水下航行器和无人水下航行器，它能够完成水下勘探、侦测甚至是军事上的进攻防守等任务。水下航行器具有活动范围大、潜水深度深、可进入复杂结构中、不需要庞大水面支持等优点，还具有成本和维护费用低、可重复利用、投放回收方便、续航能力长等特点。在海洋开发日益重要的现在，水下航行器越来越得到了各个国家的重视，无论是在民用还是在军用上，都扮演着重要的角色。

能源对水下航行器的长时间水下连续工作和执行远程任务能力起着决定性的作用。目前国内外的水下航行器主要由机载电池供电，但体积尺寸、重量限制，水下航行器的使用寿命及作用范围，无法满足携带大量探测、通讯设备在水下长时连续工作的需求。如果能充分利用海洋中蕴藏的能量，解决水下航行器的能源供给问题，将会是水下航行器能源供给的重大突破。

海洋中蕴藏着丰富的可再生能源，取之不尽，用之不竭。目前国内外海洋能技术主要出现在商业领域，商业发展以提高发电效率和功率为研究重点，导致相关发电设备额定功率和尺寸普遍较大，不适合用在水下航行器上。如英国2009年最新研制的“海蛇”海浪发电装置，其长度达到150米。如2003年英国水下涡轮公司建成的Seafow海流能发电***，发电功率为300kW，其叶轮的直径就达到11米。

为了解决水下航行器能源补给问题，目前国内外相关机构、学者开展了大量的研究工作，但主要集中在温差能、太阳能、晃动能等环境能源技术在水下航行器上的应用研究。

王延辉，王树新，谢春刚在天津大学学报2007年02期的《基于温差能源的水下滑翔器动力学分析与设计》一文中公开了温差能的应用，水下航行器主要通过在海洋中进行锯齿运动，穿越不同的温度的海水层，利用冷热交换原理从海洋暖水层和冷水层之间的温度差中获取能量，但能量转换效率较低，且对其运行轨迹有严格的限制。

Komerska,R.J.,Chappell S.G.在2006年OCEANS会议的《A SimulationEnvironment for Testing and Evaluating Multiple Cooperating Solar-powered UUVs》一文中公开了太阳能的应用，通过将水下航行器外形改变成扁平型，在其表面增设太阳能面板，并在近水面吸收太阳能来获取能量，虽然能量转换效率较高，但受天气影响较大，且需要对航行外形进行特殊改造，不适合常规水下发射装置进行水下发射。

在公开号为102705139A的发明创造中，公开了一种回转体水下航行器发电装置。该装置通过海洋扰动引起的惯性摆摆动和质量块移动收集航行器的晃动能，但晃动能发电装置放置在航行器内，不与海洋直接接触，其转化效率低。

为此，必须进一步深入探索研究水下航行器新型能源技术。海流能是海水平稳且有规律流动的动能，海流能具有：有规律可预测，几乎不受天气的影响；能量密度大；发电装置置于海面下，受风浪影响小的特点。如果能将航行器所处环境下的海流收集起来并转换成电能，那么将解决水下航行器的水下能源供给问题，提高其水下工作时间。

发明内容

为克服现有技术中存在的能量转换效率较低、运行轨迹有严格的限定和不适合常规水下发射装置进行水下发射的不足，本发明提出了一种直驱式的水下航行器垂直轴海流发电装置。

本发明包括航行器前段、航行器中段、航行器后段、鳍舵、螺旋桨和锚链；其特征在于：还包括两个垂直轴海流发电装置，并且：

a.第一垂直轴海流发电装置位于航行器前段与航行器中段之间，第二垂直轴海流发电装置位于航行器中段与航行器后段之间，并均通过中心轴同轴将所述各垂直轴海流发电装置与固连所处位置的航行器同轴连接。所述航行器各段壳体外表面分别均布有三个凹槽。凹槽的横截面为弧形，用于收纳海流发电装置的叶片。

b.所述垂直轴海流发电装置包括安装支架、中心轴、发电机，以及伸缩机构、叶片、控制电机、电机轴滑轮端盖滑轮、卷绳和伸缩弹簧，其中，所述安装支架由叶轮壳体和端盖板组成。所述安装支架位于航行器前段和航行器中段之间，通过深沟球轴承套装于所述中心轴上，并可绕所述中心轴旋转。所述伸缩机构有三个，均匀分布并安装在所述安装支架的叶轮壳体的圆周上；在各伸缩机构的顶端分别安装有叶片，并使所述的叶片伸出叶轮壳体之外；各伸缩机构的第四伸缩套筒分别位于叶轮壳体内的伸缩机构的安装空间中。在所述各伸缩机构的第四伸缩套筒有端盖的一端分别安装有控制电机。各控制电机的电机轴上分别安装有电机轴滑轮；在各第四伸缩套筒端盖的吊耳上铰接有端盖滑轮；在各伸缩机构内分别放置有伸缩弹簧，并且各伸缩弹簧的一端顶住第一伸缩套筒，另一端顶住套筒端盖。所述卷绳有三根，该卷绳的一端分别固定系于一个电机轴滑轮上，另一端绕过端盖滑轮并穿过套筒端盖系于顶住第一伸缩套筒的伸缩弹簧一端。卷绳在在控制电机的控制下，可以控制伸缩弹簧的伸缩，从而控制伸缩机构的伸缩。

c.所述发电机通过绕组定子固定安装在所述中心轴上；该发电机为嵌入式集成永磁发电机，额定电压为24V，包括永磁体转子和绕组定子。所述永磁体转子中磁极的极对数为8。所述绕组定子绕线采用Y形，双层整距叠绕接法。绕组定子上的并联支路数为1个，槽数为48个，线圈极距为3，线圈节距为3。

所述安装支架中的叶轮壳体为双层圆筒，由外筒、内筒和连接端板组成，。所述外筒和内筒同一端的端面之间通过端板连接，形成了半封闭的空间；外筒和内筒另一端的端面安装有端盖板，通过所述端盖板将外筒和内筒之间的空间封闭，形成了伸缩机构和控制电机的安装空间。

所述中心轴的一端装入航行器前段一端端面的中心孔内，该中心轴的另一端装入航行器中段一端端面的中心孔内。在所述中心轴的两端分别套装固定螺母，从而将所述航行器前段和航行器中段固连。

本发明的目的是解决水下航行器能源补给问题，延长水下工作时间。由于本发明采取了上述技术措施，取得了显著的效果。

当水下航行器处于驻留状态时，水下航行器前后段锚链投入海底，使航行器水平稳定驻留，保持发电装置叶轮轴线水平。控制电机释放缠绕在电机轴滑轮上的卷绳，使伸缩弹簧伸展，在弹簧推动下，四级套筒连杆连同叶片一起延伸出航行器。叶片在来流v_∞冲击下，叶片绕中心轴O转动，当转动到不同方位角时，叶片所受的升力L和阻力D不同，升力L和阻力D可以分解为沿叶片翼弦方向的切向力和垂直于翼弦方向的轴向力，其中，切向力是推动转轴转动的驱动力。于是，叶片、伸缩机构以及发电装置支架绕水下航行器纵轴线旋转，从而使嵌入发电装置支架通孔内壁上的永磁体转子一同转动，切割绕组定子，产生感应电动势，从而将海流的动能转化为机械能，再将机械能转化为电能，供水下航行器使用。

此直驱式的水下航行器垂直轴发电装置，叶片的展长越长，旋转半径越大，则其所受到的海流力矩越大，捕获海流能所产生的功率就越大。控制电机控制伸缩的长度来调整叶片的伸展长度，从而控制叶片捕能功率，保护发电机构，延长装置的寿命，延长水下系留平台的工作时间。本装置可控性强、转化效率高，整体外形呈圆柱形，结构紧凑，可作为单独模块直接装载回转体型水下航行器上，将海流动能转化为供水下航行器使用的电能，从根本上解决了水下航行器的能源供给问题，延长水下航行器的工作时间，节约成本。

附图说明

图1是本发明的伸缩机构收起后的示意图；

图2是本发明的伸缩机构打开后的示意图；

图3是有垂直轴海流发电装置的航行器的结构示意图；

图4是海流发电装置与航行器配合的示意图，其中4a是剖视图，4b是4a的局部放大图；

图5是海流发电装置前端结构示意图；

图6是海流发电装置内部结构示意图；

图7是叶轮壳体结构示意图；其中7a是轴测图，7b是7a的俯视图，7c是7b的F－F视图，7d是7a的后视图，7e是7d的剖视图，7f是7d的局部放大图；

图8是叶轮壳体内部结构示意图；其中8a是轴测图，8b是8a的俯视图，8c是8b的径向剖视图，8d是8b的轴向剖视图；

图9是伸缩机构结构示意图，其中，9a是俯视图，9b是剖视图；

图10是发电机的结构示意图，其中10a是轴测图，10b是10a的侧视图；

图11是发电机绕组图的示意图；

图12是本发明的运动原理简图。

图中：1.航行器前段；2.第一垂直轴海流发电装置；3.航行器中段；4.第二垂直轴海流发电装置；5.航行器后段；6.鳍舵；7.螺旋桨；8.锚链；9.凹槽；10.端盖板；11.叶轮壳体；12.深沟球轴承；13.叶片；14.第一伸缩套筒；15.第二伸缩套筒；16.第三伸缩套筒；17.第四伸缩套筒；18.伸缩弹簧；19.控制电机；20.电机轴滑轮；21.端盖滑轮；22.卷绳；23.套筒端盖；24.支撑盖；25.永磁体转子；26.绕组定子；27.中心轴；28.电机支架；29.发电机。

具体实施方式

本实施例是一种直驱式的水下航行器垂直轴海流发电装置。

本实施例安装在水下航行器上，所述水下航行器采用现有技术，包括航行器前段1、航行器中段3、航行器后段5、鳍舵6、螺旋桨7和锚链8。航行器前段1、航行器中段3、航行器后段5均为回转体。在所述航行器前段1与航行器中段3之间安装有第一垂直轴海流发电装置2，在所述航行器中段3与航行器后段5之间安装有第二垂直轴海流发电装置4，并且所述各海流发电装置与航行器各段之间均通过中心轴27采用螺母同轴固连。

所述航行器各段壳体外表面分别均布有三个凹槽9，相邻凹槽9之间间隔120°。凹槽9的横截面为弧形，用于收纳叶片13，凹槽9长宽略大于叶片13的长宽，使叶片13能够贴合与壳体外径范围内，以减小航行器所受阻力。

在航行器前段1和航行器后段5设有锚链8，航行器驻留时投放锚链8，使航行器能够水平驻留并保持稳定，并使垂直轴海流发电装置叶轮轴线保持水平。为了抵消航行器的横滚作用，在航行器前后部分别安装两套转向相反的垂直轴海流发电装置。

所述用于水下航行器的垂直轴海流发电装置有两套，并且两套的结构特征相同。安装时，所述两套水下航行器的垂直轴海流发电装置的安装方向相反，使得两套垂直轴海流发电装置上叶片前缘的朝向相反，工作时，在海流的作用下，所述的叶片受力方向相反，从而带动两套水下航行器的垂直轴海流发电装置产生方向相反的转动，以抵消与航行器的相互作用力，减小航行器的横滚运动。本实施例仅以其中的第一垂直轴海流发电装置2为例加以描述。

所述第一垂直轴海流发电装置2包括安装支架、三个相同的伸缩机构、三个相同的叶片13、三个相同的控制电机19、三个相同的电机轴滑轮20、三个相同的端盖滑轮21、三根相同的卷绳22、三个相同的伸缩弹簧18、中心轴27和发电机29，其中，所述安装支架由叶轮壳体11、两个支撑盖24和端盖板10组成。

所述安装支架位于航行器前段1和航行器中段3之间，通过深沟球轴承12套装于所述中心轴27上，并可绕所述中心轴27旋转。三个伸缩机构均匀分布并安装在所述安装支架的叶轮壳体11的圆周上，并使位于各伸缩机构顶端的叶片13伸出叶轮壳体11之外，使各伸缩机构的第四伸缩套筒17分别位于叶轮壳体11上的伸缩机构的安装空间中。所述控制电机19分别位于第四伸缩套筒17有端盖23的一端，通过电机支架28安装叶轮壳体11内。

所述三个电机轴滑轮20固定安装在控制电机19的电机轴上。所述三个端盖滑轮21通过销轴分别铰接在套筒端盖23的吊耳上，能够绕销轴旋转。所述伸缩弹簧18放置于伸缩机构内，一端顶住第一伸缩套筒14，另一端顶住套筒端盖23。所述卷绳22一端固定系于电机轴滑轮20上，另一端绕过端盖滑轮21并穿过套筒端盖23系于顶住第一伸缩套筒14的伸缩弹簧18一端。卷绳22在控制电机19的控制下，可以控制伸缩弹簧18的伸缩，从而控制伸缩机构的伸缩。

所述中心轴27的一端装入航行器前段1一端端面的中心孔内，该中心轴27的另一端装入航行器中段3一端端面的中心孔内。在所述中心轴27的两端分别套装固定螺母，从而将所述航行器前段1和航行器中段3固连。所述发电机29套装在所述中心轴27上，两个支撑盖24分别位于发电机29的两端，并通过深沟球轴承12安装在所述中心轴27上，通过所述支撑盖支撑叶轮壳体。

所述的三个伸缩机构均包括第一伸缩套筒14、第二伸缩套筒15、第三伸缩套筒16和第四伸缩套筒17，并且所述第一伸缩套筒14、第二伸缩套筒15、第三伸缩套筒16和第四伸缩套筒17按第一至第三的顺序依次逐级收缩，直至第一伸缩套筒14至第三伸缩套筒16全部收缩进入第四伸缩套筒17中。所述的三个叶片13分别安装在各伸缩机构的顶端，即各伸缩机构中的第一伸缩套筒14的顶端。

所述安装支架中的叶轮壳体11为双层圆筒，由外筒、内筒和连接端板组成，所述外筒和内筒同一端的端面之间通过连接端板连接；外筒和内筒另一端的端面安装有端盖板10，通过所述端盖板10将外筒和内筒之间的空间封闭，由外筒和内筒以及连接端板、端盖板构成的封闭空间形成了伸缩机构和控制电机19的安装空间。

叶轮壳体的外径与航行器的外径相同。在所述安装支架中的叶轮壳体11外筒的圆周表面中部的圆周上均布有三个沉头安装孔，三个伸缩机构中的第四伸缩套筒17分别安装在所述三个沉头安装孔内，并位于所述收缩机构的安装空间中。各伸缩机构安装孔所处的叶轮壳体11外筒的圆周表面有轴向分布的弧形开口，该开口的横截面为弧形，与航行器各段上的凹槽9的截面形状相同，并与航行器各段上的凹槽9共同组成了各叶片13的收纳槽；所述收纳槽的外形尺寸与叶片13的横截面尺寸相适应，当各叶片13收回时，嵌入该收纳槽中。所述收纳槽长度方向中心线与叶轮壳体11的中心线平行。

所述叶轮壳体11安装端盖板10一端的内筒圆周表面上分布有用于固定连接发电机29的永磁体转子25的螺纹孔，使安装支架与发电机29的永磁体转子25形成固连体。

两个支撑盖24为圆环形薄板，其外径与发电机29的外径相同。两个支撑盖24中心通孔的孔径均与深沟球轴承12的外径相同。两个支撑盖24分别位于所述叶轮壳体11的两端，通过滚珠轴承27过盈配合安装在中心轴27上。在所述支撑盖24端面的外缘处均布有螺纹孔，用于连接发电机29永磁体转子25的端面，从而使叶轮壳体11、伸缩机构、叶片13、发电机26永磁体转子25和支撑盖24固连并绕中心轴27同步旋转。

所述端盖板10为圆环形薄板，其作用为密封叶轮壳体11外筒与内筒之间形成的安装空间。在所述端盖板10表面的外缘均布有螺纹孔。

所述伸缩机构由第一伸缩套筒14、第二伸缩套筒15、第三伸缩套筒16、第四伸缩套筒17及套筒端盖23组成。四级伸缩套筒中，第一伸缩套筒14直径最小，为一端外凸缘的实心回转体，可在第二伸缩套筒15中沿轴向伸缩；另一端与叶片13固定连接。第四伸缩套筒17直径最大，为一端内外的中空回转体，外凸缘表面有螺纹安装孔，可以与叶轮壳体11外筒的伸缩机构沉头安装孔处螺纹孔相匹配；另一端固定连接套筒端盖23。所述套筒端盖23用于密封第四伸缩套筒17，并通过螺纹孔与海水输送管路19连接，使伸缩机构内部与海水输送管路19连通。第四伸缩套筒17从叶轮壳体11的埋头通孔放入，并在埋头通孔处与叶轮壳体11固定连接。第二伸缩套筒15、第三伸缩套筒16都采用一端外凸缘、另一端内凸缘的中空回转体。每两节伸缩套筒之间通过凸缘嵌套连接，限制伸缩套筒轴向伸展。在海水输送***的控制下，可控制伸缩机构的伸缩。当海水输送***往伸缩机构内部注入海水，在高压下使伸缩机构伸展，当海水输送***抽出伸缩机构内部的海水时，在低压下使伸缩机构收缩。

所述叶片13采用NACA翼型。三个叶片13分布固定安装在各伸缩机构中第一伸缩套筒14的顶端，当伸缩机构展开后，形成了H型的垂直轴海流发电装置叶轮。

所述控制电机19为控制伸缩机构伸缩的电机，采用Maxon公司的RE35型号电机，通过电机支架28通过螺钉固定连接在叶轮壳体11内的端板上。该控制电机19的电机轴上固定连接有电机轴滑轮20.

所述电机轴滑轮20为常规滑轮，直径与控制电机19的直径相当，固定安装在控制电机19的电机轴上，该电机轴滑轮20上系有卷绳22，可通过控制电机19控制电机轴滑轮20带动卷绳22卷动，进而控制伸缩机构伸缩。

所述端盖滑轮21同样为常规滑轮，直径为电机轴滑轮20的直径的一半，通过销轴铰接在套筒端盖23的吊耳上。该端盖滑轮21可为卷绳22导向。所述卷绳22为常规绳索，一点系于电机轴滑轮20上，另一端绕过导向的端盖滑轮21，并穿过套筒端盖23系于顶住第一伸缩套筒14的伸缩弹簧18一端。卷绳22可在控制电机19的控制下，进而控制伸缩机构的伸缩。

所述伸缩弹簧18为常规弹簧，正常长度为伸缩机构伸展长度的两倍，外径与第二伸缩套筒15内径相同。伸缩弹簧18放置于伸缩机构内，一端顶住第一伸缩套筒14，另一端顶住套筒端盖23。在卷绳22的拉伸下，弹簧一直处于压缩状态。通过控制电机19控制卷绳22拉伸，控制伸缩弹簧18的伸缩长度，进而控制伸缩机构伸展。

所述发电机29为嵌入式集成永磁发电机，额定电压为24V，由永磁体转子25、绕组定子26组成。所述永磁体转子25中磁极采用NdFeB33UH磁钢，极对数为8。该永磁体转子25固定安装在叶轮壳体11的内筒上并与叶轮壳体11、伸缩机构一同转动。

所述绕组定子26绕线采用Y形，双层整距叠绕接法。绕组定子26上的并联支路数为1个，槽数为48个，线圈极距为3，线圈节距为3。绕组定子26上的电枢冲片采用35W310材料。所述绕组定子26固定安装在中心轴27上。

当永磁体转子25随发电装置支架一同转动时，切割绕组定子26，从而产生感应电动势。

工作时：当水下航行器处于驻留状态时，水下航行器前后段锚链8投入海底，使航行器水平稳定驻留，保持发电装置叶轮轴线水平。控制电机19释放缠绕在电机轴滑轮20上的卷绳22，使伸缩弹簧18伸展，在弹簧推动下，四级套筒连杆连同叶片13一起延伸出航行器。叶片13在来流v_∞冲击下，叶片13绕中心轴O转动，当转动到不同方位角时，叶片13所受的升力L和阻力D不同，L和D分解为沿叶片13翼弦方向的切向力和垂直于翼弦方向的轴向力，其中，切向力是推动转轴转动的驱动力。于是，叶片13、伸缩机构以及发电装置支架绕水下航行器纵轴线旋转，从而使嵌入发电装置支架通孔内壁上的永磁体转子25一同转动，切割绕组定子26，产生感应电动势，从而将海流的动能转化为机械能，再将机械能转化为电能，供水下航行器使用。

Claims (3)

1.一种直驱式的水下航行器垂直轴海流发电装置，所述水下航行器采用现有技术，包括航行器前段、航行器中段、航行器后段、鳍舵、螺旋桨和锚链；其特征在于：还包括两个垂直轴海流发电装置，并且：

a.第一垂直轴海流发电装置位于航行器前段与航行器中段之间，第二垂直轴海流发电装置位于航行器中段与航行器后段之间，并均通过中心轴同轴将所述各垂直轴海流发电装置与固连所处位置的航行器同轴连接；所述航行器各段壳体外表面分别均布有三个凹槽；凹槽的横截面为弧形，用于收纳海流发电装置的叶片；

b.所述垂直轴海流发电装置包括安装支架、中心轴、发电机，以及伸缩机构、叶片、控制电机、电机轴滑轮端盖滑轮、卷绳和伸缩弹簧，其中，所述安装支架由叶轮壳体和端盖板组成；所述安装支架位于航行器前段和航行器中段之间，通过深沟球轴承套装于所述中心轴上，并可绕所述中心轴旋转；所述伸缩机构有三个，均匀分布并安装在所述安装支架的叶轮壳体的圆周上；在各伸缩机构的顶端分别安装有叶片，并使所述的叶片伸出叶轮壳体之外；各伸缩机构的第四伸缩套筒分别位于叶轮壳体内的伸缩机构的安装空间中；在所述各伸缩机构的第四伸缩套筒有端盖的一端分别安装有控制电机；各控制电机的电机轴上分别安装有电机轴滑轮；在各第四伸缩套筒端盖的吊耳上铰接有端盖滑轮；在各伸缩机构内分别放置有伸缩弹簧，并且各伸缩弹簧的一端顶住第一伸缩套筒，另一端顶住套筒端盖；所述卷绳有三根，该卷绳的一端分别固定系于一个电机轴滑轮上，另一端绕过端盖滑轮并穿过套筒端盖系于顶住第一伸缩套筒的伸缩弹簧一端；卷绳在在控制电机的控制下，可以控制伸缩弹簧的伸缩，从而控制伸缩机构的伸缩；

c.所述发电机通过绕组定子固定安装在所述中心轴上；该发电机为嵌入式集成永磁发电机，额定电压为24V，包括永磁体转子和绕组定子；所述永磁体转子中磁极的极对数为8；所述绕组定子绕线采用Y形，双层整距叠绕接法；绕组定子上的并联支路数为1个，槽数为48个，线圈极距为3，线圈节距为3。

2.如权利要求1所述直驱式的水下航行器垂直轴海流发电装置，其特征在于，所述安装支架中的叶轮壳体为双层圆筒，由外筒、内筒和连接端板组成，；所述外筒和内筒同一端的端面之间通过端板连接，形成了半封闭的空间；外筒和内筒另一端的端面安装有端盖板，通过所述端盖板将外筒和内筒之间的空间封闭，形成了伸缩机构和控制电机的安装空间。

3.如权利要求1所述直驱式的水下航行器垂直轴海流发电装置，其特征在于，所述中心轴的一端装入航行器前段一端端面的中心孔内，该中心轴的另一端装入航行器中段一端端面的中心孔内；在所述中心轴的两端分别套装固定螺母，从而将所述航行器前段和航行器中段固连。