CN104500313B - 用于水下航行器的水平轴海流发电装置 - Google Patents

Abstract

一种用于回转体水下航行器的水平轴海流发电装置，所述水平轴海流发电装置对称固定安装在航行器前段与航行器中段之间。三个展开机构均匀分布并安装在所述安装支架的叶轮壳体圆周上的凹槽内，并使位于各展开机构顶端的叶片伸出叶轮壳体之外。展开机构安装在所述叶轮壳体圆周表面的凹槽内。发电机的绕组定子固定安装在中心轴上。叶片受到海流力矩作用于，叶片、安装支架、以及发电机的永磁体转子一同绕水下航行器纵轴线旋转，使发电机的永磁体转子相对于绕组定子做相对运动，切割磁感线，从而产生感应电动势，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，延长水下航行器的工作时间，节约成本。

Description

用于水下航行器的水平轴海流发电装置

技术领域

本发明属水下航行器领域，具体涉及一种用于水下航行器的水平轴海流发电装置。

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-poweredUUVs》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，本发明提出了一种用于水下航行器的水平轴海流发电装置。

本发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，均为现有技术。本发明还包括一个水平轴海流发电装置，并且：

a.所述水平轴海流发电装置对称固定安装在航行器前段与航行器中段之间；所述航行器中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.所述水平轴海流发电装置，包括发电装置安装支架、三个叶片、三套展开机构和发电机组成。其中安装支架由叶轮壳体、前盖板和后盖板。

所述安装支架套装在中心轴上。所述三个展开机构均匀分布并安装在所述安装支架的叶轮壳体圆周上的凹槽内，并使位于各展开机构顶端的叶片伸出叶轮壳体之外。所述叶片铰接在所述前盖板的耳片上。所述发电机安装在所述中心轴上，所述前盖板和后盖板分别位于发电机的两端，并通过轴承安装在所述中心轴上。

所述三个展开机构均包括连杆、推进电机、滚珠丝杠和丝杠螺母。所述展开机构安装在所述叶轮壳体圆周表面的凹槽内。所述展开机构的连杆一端与丝杠螺母铰接，另一端与叶片铰接。所述展开机构的推进电机固定安装在后盖板的内表面；该推进电机输出轴表面加工有螺纹，形成展开机构的滚珠丝杠。所述滚珠丝杠的另一端通过轴承安装在前盖板上。所述展开机构的丝杠螺母套装在所述滚珠丝杠上。

所述叶轮壳体的两端分别安装有前盖板和后盖板，在叶轮壳体内形成了封闭空间。叶轮壳体的外径与航行器的外径相同。叶轮壳体的圆周表面有三个轴向分布的阶梯凹槽，该阶梯凹槽的底部用于安放展开机构，该阶梯凹槽的上部用于收纳叶片。

所述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。该永磁体转子分别与前盖板和后盖板固定连接，并与安装支架中的叶轮壳体、前盖板、后盖板以及展开机构一同转动。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。所述绕组定子固定安装在中心轴上。

所述中心轴的一端与航行器前段一端端面的中心孔固连，该中心轴的另一端与航行器中段一端端面的中心孔固连。

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，水下航行器前段与航行器后段的锚链投入海底，使航行器水平稳定驻留，保持发电装置叶轮轴线水平。推进电机带动滚珠丝杠旋转，使丝杠螺母沿着滚珠丝杠轴向移动，通过连杆推动叶片从航行器外侧呈伞骨状展开，形成水平轴海流发电装置。叶片受到海流力矩作用于，叶片、安装支架、以及发电机的永磁体转子一同绕水下航行器纵轴线旋转，使发电机的永磁体转子相对于绕组定子做相对运动，切割磁感线，从而产生感应电动势，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。

此用于回转体水下航行器的水平轴发电装置，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；本装置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。

附图说明

图1是本发明的展开机构收起后的结构示意图，

图2是本发明的展开机构打开后的结构示意图；

图3是有水平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是轴测图，4b是4a的放大图，4c是4a的剖视图；

图5是海流发电装置的结构示意图，其中5a是俯视图；5b是轴测图，5c是5b的放大图；

图6是海流发电装置内部结构示意图，其中6a是轴测图，6b是6a的放大图，6c是6b的剖视图；

图7是传动机构的结构示意图，其中7a是轴测图，7b是7a的仰视图；

图8是前盖板的结构示意图；

图9是后盖板的结构示意图；

图10是叶轮壳体的结构示意图；

图11是叶片的结构示意图。

图中：1.航行器前段；2.水平轴海流发电装置；3.凹槽；4.航行器中段；5.航行器后段；6.鳍舵；7.锚链；8.叶片；9.前盖板；10.中心轴；11.叶轮壳体；12.发电机；13.后盖板；14.推进电机；15.滚珠丝杠；16.丝杠螺母；17.连杆；18.绕组定子；19.永磁体转子；20.轴承。

具体实施方式

本实施例是一种用于回转体水下航行器的水平轴海流发电装置。

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4、航行器后段5、鳍舵6和锚链7。航行器前段1、航行器中段4、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4之间安装有水平轴海流发电装置2，在所述航行器前段1与航行器中段4之间通过中心轴10采用螺母同轴固连。

所述航行器中段4壳体外表面分别均布有三个凹槽3，相邻凹槽3之间间隔120°。凹槽3的横截面为矩形，用于收纳叶片8，凹槽3长宽略大于叶片8的长宽，使叶片8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7，航行器驻留时投放锚链7，使航行器能够水平驻留并保持稳定，并使水平轴海流发电装置叶轮轴线保持水平。

所述水平轴海流发电装置2，主要由发电装置安装支架、三个叶片8、三套展开机构和发电机12组成。其中安装支架由叶轮壳体11、前盖板9和后盖板13组成。

所述安装支架位于航行器前段1和航行器中段4之间，通过轴承20套装在中心轴10上，并能够绕所述中心轴10旋转。所述三个展开机构均匀分布并安装在所述安装支架的叶轮壳体11圆周上的凹槽内，并使位于各展开机构顶端的叶片8伸出叶轮壳体11之外。所述叶片8通过销轴铰接在所述前盖板9的耳片上。所述中心轴10的一端装入航行器前段1一端端面的中心孔内，该中心轴10的另一端装入航行器中段4一端端面的中心孔内。在所述中心轴10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4固连。所述发电机12安装在所述中心轴10上，所述前盖板9和后盖板13分别位于发电机12的两端，并通过轴承20安装在所述中心轴10上。

所述三个展开机构均包括连杆17、推进电机14、滚珠丝杠15和丝杠螺母16组成。所述展开机构安装在所述叶轮壳体11的圆周上的凹槽内。所述展开机构的连杆17一端通过销轴铰接在丝杠螺母16上，另一端通过销轴铰接在叶片8的耳片上。所述展开机构的推进电机14采用现有技术中的直线步进电机，固定安装在后盖板13的内表面，该推进电机输出轴表面加工有螺纹，形成展开机构的滚珠丝杠15。所述滚珠丝杠15的另一端通过轴承安装在前盖板9上。所述展开机构的丝杠螺母16套装在所述滚珠丝杠15上。所述丝杠螺母16由螺纹套筒和安装筋板组成。在所述安装筋板上有一通孔，通过销轴与连杆17铰接。

所述安装支架中的叶轮壳体11为圆筒形，在该叶轮壳体的两端分别安装有前盖板9和后盖板13，在叶轮壳体内形成了封闭空间。叶轮壳体11的外径与航行器的外径相同。

各展开机构所处的叶轮壳体11的圆周表面有三个轴向分布的阶梯凹槽，该阶梯凹槽的槽底为U形，形成用于安放展开机构的空间；该阶梯凹槽的上部为弧形，与航行器中段4上的凹槽3的截面形状相同，并与航行器各段上的凹槽3共同组成了各叶片8的收纳槽；所述收纳槽的外形尺寸与叶片8的横截面尺寸相适应，当各叶片8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。

所述前盖板9为圆环形薄板，在所述前盖板9表面的外缘均布有螺纹孔，其作用为密封叶轮壳体11。在所述前盖板9的中心有安装滚珠丝杠15的通孔。在所述前盖板9的一端面外缘均布有三个耳片，通过销轴将叶片8铰接在该耳片上。所述前盖板9通过轴承20套装在中心轴10上。

所述后盖板13为圆环形薄板，在所述后盖板13表面的外缘均布有螺纹孔，其作用为密封叶轮壳体11，所述后盖板13上固定安装有推进电机14。同时后盖板13圆周有与收纳槽相同的豁口。所述后盖板13通过轴承20套装在中心轴10上。

所述叶片8采用NACA翼型。所述叶片8的根部通过销轴与前盖板9上的耳片铰接。叶片8靠近根部的叶面上固定连接一耳片，通过销轴与连杆17铰接。在展开机构的驱动作用下叶片8将呈伞骨状展开。

所述发电机12为嵌入式集成永磁发电机，额定电压为24V，由永磁体转子19、绕组定子18组成。所述永磁体转子19中磁极采用NdFeB33UH磁钢，极对数为8。该永磁体转子19通过端面的螺纹孔分别有前盖板9和后盖板13固定安装，可与安装支架中的叶轮壳体11、前盖板9、后盖板13以及展开机构一同转动。

所述绕组定子18绕线采用Y形，双层整距叠绕接法。绕组定子18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18上的电枢冲片采用35W310材料。所述绕组定子18固定安装在中心轴10上。

当永磁体转子19随发电装置支架一同转动时，切割绕组定子18，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，水下航行器前段1与航行器后段5的锚链7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。推进电机14带动滚珠丝杠15旋转，使丝杠螺母16沿着滚珠15丝杠轴向移动，通过连杆17推动叶片8从航行器外侧呈伞骨状展开，形成水平轴海流发电装置。叶片8受到海流力矩作用于，叶片8、安装支架、以及发电机12的永磁体转子19一同绕水下航行器纵轴线旋转，使发电机12的永磁体转子19相对于绕组定子18做相对运动，切割磁感线，从而产生感应电动势，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 (5)

1.一种用于水下航行器的水平轴海流发电装置，所述水下航行器包括航行器前段、航行器中段和航行器后段；航行器前段、航行器中段、航行器后段均为回转体；其特征在于，还包括一个水平轴海流发电装置，并且：

a.所述水平轴海流发电装置对称固定安装在航行器前段与航行器中段之间；所述航行器中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.所述水平轴海流发电装置，包括发电装置安装支架、三个叶片、三套展开机构和发电机；其中安装支架由叶轮壳体、前盖板和后盖板组成；

所述安装支架套装在中心轴上；所述三个展开机构均匀分布并安装在所述安装支架的叶轮壳体圆周上的凹槽内，并使位于各展开机构顶端的叶片伸出叶轮壳体之外；

所述叶片铰接在所述前盖板的耳片上；所述发电机安装在所述中心轴上，所述前盖板和后盖板分别位于发电机的两端，并通过轴承安装在所述中心轴上。

2.如权利要求1所述用于水下航行器的水平轴海流发电装置，其特征在于，所述三个展开机构均包括连杆、推进电机、滚珠丝杠和丝杠螺母；所述展开机构安装在所述叶轮壳体圆周表面的凹槽内；所述展开机构的连杆一端与丝杠螺母铰接，另一端与叶片铰接；所述展开机构的推进电机固定安装在后盖板的内表面；该推进电机输出轴表面加工有螺纹，形成展开机构的滚珠丝杠；所述滚珠丝杠的另一端通过轴承安装在前盖板上；所述展开机构的丝杠螺母套装在所述滚珠丝杠上。

3.如权利要求1所述用于水下航行器的水平轴海流发电装置，其特征在于，所述叶轮壳体的两端分别安装有前盖板和后盖板，在叶轮壳体内形成了封闭空间；叶轮壳体的外径与航行器的外径相同；叶轮壳体的圆周表面有三个轴向分布的阶梯凹槽，该阶梯凹槽的底部用于安放展开机构，该阶梯凹槽的上部用于收纳叶片。

4.如权利要求1所述用于水下航行器的水平轴海流发电装置，其特征在于，所述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；该永磁体转子分别与前盖板和后盖板固定连接，并与安装支架中的叶轮壳体、前盖板、后盖板以及展开机构一同转动；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；所述绕组定子固定安装在中心轴上。

5.如权利要求1所述用于水下航行器的水平轴海流发电装置，其特征在于，所述中心轴的一端与航行器前段一端端面的中心孔固连，该中心轴的另一端与航行器中段一端端面的中心孔固连。