一种可变向超声波无轴对转轮缘推进器

本发明涉及水下推进器，具体涉及一种可变向超声波无轴对转轮缘推进器。

背景技术：

1、中国拥有广阔的海域，保护海洋权益与海上通道对于维护国家安全与利益至关重要，使得开发各种新型海洋装备的已成为国防和民用的关注重点。水下航行器在高压、高盐等特殊环境下进行长时间高负荷作业时，对推进器的整体要求非常高，同时水下航行器的机动能力也是其作业能力的重要评判标准，而推进器又是水下航行器的动力来源与主要噪声源对于水下航行器的总体性能有着至关重要的影响。传统螺旋桨噪声较大，推进性能有限，对复杂环境的适应能力较差。单桨在旋转过程中易产生偏移扭矩影响潜航器的整体稳定性，无轴轮缘推进器集成度高，推进性能好且噪声小，是目前推进器领域研究的热点之一。

2、目前，无轴轮缘推进器分为单转子和对转两种形式。中国发明专利cn104326073a中公开了一种船用永磁电机推进器螺旋桨，该船用永磁电机推进器螺旋桨为单转子无轴轮缘推进器，该类推进器通过将电机、定子以及单组转子安装在导管中，将转子与单组普通桨叶相连，利用转子带动普通桨叶旋转产生推力，集成度较高且噪声相对较小，但是由于普通桨叶存在叶梢，工作过程中产生的叶梢涡结构较强，对推进器的噪声与空化性能影响较大，同时，由于单桨叶所产生的偏移扭矩影响航行器稳定性，同时永磁电机对磁场的敏感度较高，导致该类推进器在某些特殊环境下无法正常使用。中国发明专利cn105109650a中公开的对转无轴轮缘驱动推进器、中国发明专利cn115892417a中公开的对转轮缘推进器均为对转无轴轮缘推进器，该类推进器通过将导管与前、后转子进行组合，将前、后转子分别与普通桨叶连接，运行时前、后转子带动桨叶向相反方向旋转，提高了能量的利用率与稳定性且噪声小，但是由于目前该类推进器采用的均是普通螺旋桨叶，桨叶叶梢涡产生的噪声与空化问题依然存在。同时，现有技术中的单转子与对转无轴轮缘推进器所采用的螺旋桨桨叶与电机重量较大，特别是对转无轴轮缘推进器，不利于水下推进器的轻量化，并且目前大多数推进器需要固定在航潜器上，无法进行回转、俯仰等转向功能，灵活性较差。

技术实现思路

1、为了解决上述现有技术的不足，本发明提供了一种可变向超声波无轴对转轮缘推进器，推进效率高、噪声低、集成度高且可靠性高，既实现了对推进器回转控制与俯仰控制，又保证了推进器的轻量化，还提高了推进器对复杂航行环境的适应性。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种可变向超声波无轴对转轮缘推进器，包括相连接的变向结构和无轴对转轮缘环形螺旋桨；

4、所述变向结构包括回转组件和俯仰组件，所述回转组件包括回转关节、回转驱动电机、回转连接杆和回转杆，所述回转关节内设置有第一槽体，第一槽体内部沿垂直方向由上到下同轴设置有回转驱动电机、回转连接杆和回转杆，所述回转连接杆固定在回转驱动电机的底部，且与回转杆的顶端固定连接，回转杆的底端从第一槽体中伸出，与俯仰关节相连接；

5、所述俯仰组件包括俯仰关节、俯仰驱动电机和俯仰杆；所述俯仰关节顶端设置有回转杆固定槽，回转杆的底部固定于回转杆固定槽内，用于带动俯仰关节回转运动；所述俯仰关节的底部设置有第二槽体，设置于导管顶部的连接杆置于第二槽体内，所述俯仰关节的底部侧壁上设置有第三槽体，俯仰驱动电机嵌于第三槽体内，俯仰驱动电机与俯仰杆在水平方向上同轴设置，所述俯仰杆一端与俯仰驱动电机固定连接，另一端穿过无轴对转轮缘环形螺旋桨的连接杆并与连接杆固定连接，用于带动无轴对转轮缘环形螺旋桨旋转；

6、所述无轴对转轮缘环形螺旋桨包括连接杆和导管，所述导管呈圆环形，导管的内腔中设置有前旋转组件、后旋转组件和压电陶瓷组件，压电陶瓷组件设置于前旋转组件和后旋转组件之间，前旋转组件与后旋转组件同轴设置且旋转方向相反，前旋转组件与后旋转组件上均设置有多个无轴环形螺旋桨。

7、优选地，所述压电陶瓷组件的侧壁上设置有防护层。

8、优选地，所述防护层为环氧树脂层。

9、优选地，所述前旋转组件包括前定子、前转子环和前桨叶，前定子固定在导管内腔中且与压电陶瓷组件侧壁相紧贴，前转子环与导管内腔轴承连接，前转子环内壁上沿周向等间隔设置有多个前定位槽，前定位槽的数量与前桨叶的数量相等，设置于前桨叶端部的前桨叶板嵌于前定位槽内，用于带动前桨叶随前转子环转动。

10、优选地，所述后旋转组件包括后定子、后转子环和后桨叶，后定子固定在导管内腔中且与压电陶瓷组件固定连接，后转子环与导管内腔轴承连接，后转子环内壁上沿周向等间隔设置有多个后定位槽，后定位槽的数量与后桨叶的数量相等，设置于后桨叶端部的后桨叶板嵌于后定位槽内，用于带动后桨叶随后转子环转动。

11、优选地，所述前桨叶和后桨叶均为无轴环形螺旋桨。

12、优选地，所述回转连接杆与回转杆通过螺栓固定连接。

13、优选地，所述回转连接杆的底面中心处和回转杆的顶面中心处均设置有螺纹槽。

14、优选地，所述回转杆与回转关节之间以及俯仰杆与俯仰关节之间均为轴承连接。

15、优选地，所述回转驱动电机和俯仰驱动电机均为超声电机。

16、本发明所带来的有益技术效果：

17、本发明提出了可变向超声波无轴对转轮缘推进器，通过设置变向结构仅利用单推进器就能实现对潜航器前进方位的控制，实现对推进器的回转控制和俯仰控制，具有结构紧凑、灵活性好、推进效率高、稳定性好、可靠性高的特点，有利于复杂环境下推进器的回收和姿态调整。

18、本发明提出的可变向超声波无轴对转轮缘推进器采用的无轴对转轮缘环形螺旋桨中，前转子环和后转子环均极大减小了桨叶的重量，实现了推进器的轻量化，同时，本发明中前桨叶和后桨叶均为无轴环形螺旋桨，相比于传统桨叶，环形螺旋桨的设计使得桨叶不存在叶梢，从而抑制了梢涡的产生，削弱了泄出涡的产生，有效避免了噪声与空化现象，同时，螺旋桨的无轴设计有效避免了推进器被碰撞损坏以及被水下结构缠绕等事故的发生，提高了推进器对复杂环境的适应能力。

19、同时，本发明提出的可变向超声波无轴对转轮缘推进器中，利用压电陶瓷组件驱动前转子环与后转子环的转动方向相反，由于前桨叶与后桨叶的转动方向相反，两者产生的偏移扭矩相互抵消，保证了潜航器的稳定航行，同时，配合采用不受磁场环境影响的超声电机，实现了推进器的轻量化，有效提高了推进器对复杂环境的适应能力。

技术特征：

1.一种可变向超声波无轴对转轮缘推进器，其特征在于，包括相连接的变向结构和无轴对转轮缘环形螺旋桨；

2.根据权利要求1所述的可变向超声波无轴对转轮缘推进器，其特征在于，所述压电陶瓷组件的侧壁上设置有防护层。

3.根据权利要求2所述的可变向超声波无轴对转轮缘推进器，其特征在于，所述防护层为环氧树脂层。

4.根据权利要求1所述的可变向超声波无轴对转轮缘推进器，其特征在于，所述前旋转组件包括前定子、前转子环和前桨叶，前定子固定在导管内腔中且与压电陶瓷组件侧壁相紧贴，前转子环与导管内腔轴承连接，前转子环内壁上沿周向等间隔设置有多个前定位槽，前定位槽的数量与前桨叶的数量相等，设置于前桨叶端部的前桨叶板嵌于前定位槽内，用于带动前桨叶随前转子环转动。

5.根据权利要求4所述的可变向超声波无轴对转轮缘推进器，其特征在于，所述后旋转组件包括后定子、后转子环和后桨叶，后定子固定在导管内腔中且与压电陶瓷组件固定连接，后转子环与导管内腔轴承连接，后转子环内壁上沿周向等间隔设置有多个后定位槽，后定位槽的数量与后桨叶的数量相等，设置于后桨叶端部的后桨叶板嵌于后定位槽内，用于带动后桨叶随后转子环转动。

6.根据权利要求5所述的可变向超声波无轴对转轮缘推进器，其特征在于，所述前桨叶和后桨叶均为无轴环形螺旋桨。

7.根据权利要求1所述的可变向超声波无轴对转轮缘推进器，其特征在于，所述回转连接杆与回转杆通过螺栓固定连接。

8.根据权利要求7所述的可变向超声波无轴对转轮缘推进器，其特征在于，所述回转连接杆的底面中心处和回转杆的顶面中心处均设置有螺纹槽。

9.根据权利要求1所述的可变向超声波无轴对转轮缘推进器，其特征在于，所述回转杆与回转关节之间以及俯仰杆与俯仰关节之间均为轴承连接。

10.根据权利要求1所述的可变向超声波无轴对转轮缘推进器，其特征在于，所述回转驱动电机和俯仰驱动电机均为超声电机。

技术总结本发明提供了一种可变向超声波无轴对转轮缘推进器，具体涉及水下推进器技术领域。本发明包括变向结构和无轴对转轮缘环形螺旋桨，所述变向结构包括回转组件和俯仰组件，其中，回转组件包括回转关节、回转驱动电机、回转连接杆和回转杆，俯仰组件包括俯仰关节、俯仰驱动电机和俯仰杆，所述无轴对转轮缘环形螺旋桨包括连接杆和导管，导管内腔中设有前旋转组件、后旋转组件和压电陶瓷组件，前旋转组件与后旋转组件同轴设置且均设有多个无轴环形螺旋桨，两者旋转方向相反。本发明的推进器推进效率高、噪声低、集成度高且可靠性高，实现推进器回转控制与俯仰控制的同时保证了推进器的轻量化，有效提高了推进器对复杂航行环境的适应性。技术研发人员：秦洪德,李振琦,曹小建,邓忠超,朱仲本,薛祎凡,牟晓凯,白桂强受保护的技术使用者：哈尔滨工程大学技术研发日：技术公布日：2024/5/8