專利名稱：扭矩平衡集成式水下推進裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及的是一種水下艦艇的推進裝置，特別是一種微小型水下運載器的 扭矩平衡水下推進裝置。(二) 背景技術微小型水下運載器一般采用螺旋槳推進器作為其推進裝置。螺旋槳由固定在 槳轂上的若干槳葉組成，相鄰葉片間隔的角度相等。當螺旋槳轉動時，槳葉撥水 向后，自身受到水流的反作用力而產生推力。螺旋槳構造簡單、造價低廉、使用 方便、效率較高，當前水面和水下運載器多采用螺旋槳作為推進器。螺旋槳旋轉時，水流對其的反作用力不僅會使螺旋槳產生推力，而且還會使 螺旋槳產生扭矩，而扭矩正是主機驅動螺旋槳旋轉所要克服的。由于驅動主機安 裝在運載器上，所以螺旋槳旋轉產生的扭矩最終需要運載器來克服。對于水面艦 船、大中型水下運載器，由于相對螺旋槳運載器主體的尺度很大，來自螺旋槳的 扭矩對其影響很小，?？珊雎圆挥?，所以，在設計螺旋槳推進器時不需要考慮扭 矩的影響；而對于微小型水下運載器特別是細長回轉體載體的運載器，由于相對 螺旋槳運載器載體的尺度很小，運載器橫向尺度往往是和螺旋槳尺度處于同一量 級，這樣螺旋槳旋轉所帶來的扭矩就會使運載器產生明顯的橫傾，從而改變運載 器的運動姿態(tài)，進而影響運載器的正常工作狀態(tài)甚至威脅其生命力，所以，在微 小型水下運載器的推進器設計過程中就必須考慮扭矩的影響。目前，平衡螺旋槳扭矩的方法主要有兩種， 一種是應用對轉螺旋槳來解決這 一問題。對轉螺旋槳是兩只普通螺旋槳分別裝于兩根同心軸上，并以等速或不等 速反向轉動，因為兩只螺旋槳旋轉方向相反，所以它們產生的扭矩方向也相反， 這樣兩只螺旋槳旋轉產生的扭矩就可以達到相互平衡，以消除使運載器橫傾的扭 矩。對轉螺旋槳廣泛應用于魚雷推進方面，效果良好。但是，對轉螺旋槳傳動裝 置復雜，體積與重量較大，造價高，對于體積小、重量輕、操縱性要求高的微小 型水下運載器，不適宜選取對轉螺旋槳作為其推進裝置。另一種解決辦法是在一 臺微小型水下運載器上采用多個螺旋槳推進器，使它們的扭矩相互平衡，如在縱向上采用左右布置的兩套相同的螺旋槳推進器作為主推進裝置，如果螺旋槳的旋 向相反，則可以達到平衡扭矩的目的。但是，微小型水下運載器一般能源有限， 體積形狀也受到限制，不適合采用多個推進器。因此，研發(fā)一種新的適用于微小型水下運載器的扭矩平衡水下推進裝置是很 有工程意義的。一個美國專利(U.S. Patent 5445105)所述的水下推進器是基于扭矩平衡原 理設計的，該推進器在螺旋槳后方加裝了與螺旋槳葉旋向相反的固定導葉片來平 衡螺旋槳旋轉帶來的扭矩。但該專利所述的推進器為非集成式，其固定導葉安裝 在運載器尾部與運載器成為一整體，其產生的反扭矩要直接作用在運載器上，即 螺旋槳扭矩和與其平衡的反扭矩都要傳遞到運載器主體上而互相平衡，故每個運 載器均需要單獨設計該專利所述的推進器，其通用性差；其次，該專利所述推進 器的螺旋槳由一根空心軸連接在驅動主機上，空心軸內還有附加的傳動軸，使推 進機構龐大復雜笨重且易磨損，不適宜作為微小型水下運載器的推進器；再次， 該專利的固定導葉半徑小于螺旋槳半徑，不利于充分利用螺旋槳的旋轉來流，特 別是不能利用螺旋槳葉梢產生的梢渦，對于平衡扭矩和提高效率不利。
發(fā)明內容本發(fā)明的目的在于提供一種在設計工況工作時對其推進的運載器不產生橫 向扭矩的扭矩平衡集成式水下推進裝置。本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的'本發(fā)明包括驅動主機l、固定在槳轂3的螺旋 槳葉2，槳轂3安裝在驅動主機的傳動軸上，驅動主機通過整體固定架8安裝在 運載器主體上，螺旋槳葉的外面設置有導管4、導管內分布有一端與導管固聯(lián)另 一端與支架固定轂6固聯(lián)的導管支架5，導管通過導管固定架7固定在驅動主機 外殼上。本發(fā)明還可以包括這樣一些結構特征-1、 所述的導管支架是直葉式導管支架，其展向各橫剖面的攻角相同。2、 所述的導管支架是扭曲式導管支架，其展向各橫剖面的攻角各不相同。3、 所述的導管為短導管，其長度為螺旋槳直徑的1/4，剖面翼型為JD7704，導管支架剖面弦長為導管長度的1/3，剖面翼型為NACA0018。工作時，主機通過傳動軸驅動螺旋槳旋轉，螺旋槳推水向后，同時受到水流 對其的反作用力和扭矩M，螺旋槳通過傳動軸將扭矩M傳遞給主機外殼；水流經螺旋槳推動向后運動，通過導管的整流加速作用流向橫剖面為翼型的導管支架， 導管支架受到水流的作用而產生扭矩m，導管支架通過導管和導管固定架將扭矩 m傳遞給連在導管固定架上的驅動主機外殼；則驅動主機外殼受到了扭矩M和扭 矩m的作用，若M與m等值反向，則推進器的整體輸出凈扭矩為零，即運載器主 體受到的推進器對其的凈扭矩為零，從而達到扭矩平衡的目的。 本發(fā)明的工作原理是考慮螺旋槳在來流Vp中以角速度"旋轉。結合圖8， Ua和Ut為螺旋槳對水 流的誘導速度，它們與Vp、"的合速度為螺旋槳葉元體真正的進流速度Vr。則 螺旋槳葉元體所受的升力方向與Vr垂直，大小為dLl。升力dLl可分解為葉元 體的推力分量dTl與葉元體受到的周向力分量dFl兩項，dFl使得螺旋槳產生橫 向扭矩，設為M1。結合圖9，水流經螺旋槳盤面后，獲得加速及旋轉作用，則螺 旋槳后方的導管支架的葉元體的進流速度為V。導管支架葉元體所受的升力為 dL2，如圖。升力dL2可分解為推力分量dT2與周向力分量dF2兩項，dT2與dTl 同向，增加了推進器整體的推力；dF2使得導管支架產生橫向扭矩，設為M2。由 dFl、 dF2的方向可知，M1與M2的方向是相反的，若調整螺旋槳及導管支架的設 計參數(shù)，使推進器在設計工況下M1、 M2的大小相等，因為M1、 M2最終都要傳遞 到驅動主機的外殼上，那么M1、 M2在驅動主機外殼上將互相平衡，最終可使推 進器整體不產生扭矩。本發(fā)明的實質是，通過導管和導管支架的整流作用，使螺旋槳轉動誘導的水 流旋轉周向速度消失，最終水流經過推進器整體后，只是獲得了航速反方向的加 速，而沒有對推進器整體產生周向反作用力，即不會使推進器整體產生扭矩。從能量方面考慮，由于水流旋轉的能量不存在了，其必然轉化為水流的流速 方面的動能，則推進器的推力也可相應增加，效率也可提高，故本發(fā)明還可以間 接提高推進器的推進效率。本發(fā)明的導管支架有兩種形式直葉式導管支架和扭曲式導管支架。其中， 直葉式導管支架展向各橫剖面的攻角相同；扭曲式導管支架展向各橫剖面的攻角 各不相同。本發(fā)明的效果和益處是，結構簡單，易于實現(xiàn)，平衡扭矩效果明顯，便于安 裝，通用性好，且可以間接提高推進效率，特別適用于橫向尺度受限的或細長回 轉體載體的水下微小型運載器。(四)


圖l是本發(fā)明的結構示意圖；圖2是導管及導管支架的結構示意圖；圖3是圖2的A-A剖視圖；圖4是直葉式導管支架俯視圖；圖5是導管及直葉式導管支架示意圖；圖6扭曲式導管支架俯視圖；圖7是導管及扭曲式導管支架示意圖；圖8是螺旋槳葉元體的受力圖；圖9是導管支架葉元體的受力圖。
具體實施方式
下面結合附圖舉例對本發(fā)明做更詳細地描述結合圖1，本發(fā)明所述的裝置包括驅動主機1、螺旋槳葉2、槳轂3、導管4、 導管支架5、支架固定轂6、導管固定架7整體固定架8、和螺孔9。其中，驅動 主機1內部的傳動軸與槳轂3銷鍵配合形成一體，螺旋槳葉2與槳轂3鑄成一體， 導管支架5 —端與支架固定轂6焊接或鑄接、另一端焊接或鑄接在導管4上支撐 住導管4，導管固定架7—端用螺栓固定在導管4上、另一端用螺栓箍住固定在 驅動主機1外殼上，整體固定架8 —端用螺栓箍住固定在驅動主機1外殼上、另 一端用螺栓與運載器主體相連接。實施方案中，驅動主機采用直流無刷水密耐壓電機；螺旋槳采用三葉槳，槳 葉的剖面翼型可選用新翼型或已有翼型；槳轂與槳葉鑄(焊)成一體，無轂帽； 螺旋槳及槳轂采用碳纖維材料制造；導管為短導管，其長度為螺旋槳直徑的1/4， 剖面翼型為JD7704，導管制造材料為鋁合金；導管支架剖面弦長為導管長度的 1/3，剖面翼型為NACA0018，其安裝角度(即攻角)需理論設計，導管支架制造 材料為鋁合金，導管支架與導管鑄(焊)成一體；支架固定轂對應導管支架尺寸 與導管支架鑄(焊)成一體，外形為轂帽形，與螺旋槳轂呈流線型過渡，制造材 料為鋁合金；導管固定架尺寸按照導管與驅動主機之間的空間幾何關系設計，其 一端用螺栓固定在導管上、另一端用螺栓箍住固定在驅動主機外殼上，固定架三 根支架為矩形薄板、箍住驅動主機外殼部分為一帶螺孔的薄圓環(huán)，導管固定架制 造材料為鋁合金；整體固定架尺寸按照驅動主機與運載器的空間幾何關系設計，其一端用螺栓與運載器固定、另一端用螺栓箍住固定在驅動主機外殼上，整體固 定架外形與導管固定架相同、制造材料為鋁合金。以下列出推進裝置拆卸步驟，裝配步驟自后向前操作即可。1. 斷開驅動主機l電源，脫開整體固定架8上與運載器相接端的6個螺栓， 在運載器上取下推進裝置；2. 脫開整體固定架8上箍在驅動主機1外殼一端的6個螺栓，將整體固定 架8與推進裝置脫離；3. 脫開導管固定架7上與導管4相連一端的6個螺栓，將導管4、導管支 架5、支架固定轂6與推進裝置脫離；4. 將槳轂3與驅動主機1的傳動軸的銷鍵配合分開，使槳轂3從驅動主機 1的傳動軸上推出，則螺旋槳2、槳轂3與驅動主機1分離；5. 脫開導管固定架7上箍在驅動主機1外殼一端的6個螺栓，將導管固定 架7與驅動主機1分離，至此，分解完畢。
權利要求
1、一種扭矩平衡集成式水下推進裝置，包括驅動主機(1)、固定在槳轂(3)的螺旋槳葉(2)，槳轂(3)安裝在驅動主機的傳動軸上，驅動主機通過整體固定架(8)安裝在運載器主體上，其特征是螺旋槳葉的外面設置有導管(4)、導管內分布有一端與導管固聯(lián)另一端與支架固定轂(6)固聯(lián)的導管支架(5)，導管通過導管固定架(7)固定在驅動主機外殼上。
2、 根據權利要求l所述的扭矩平衡集成式水下推進裝置，其特征是所述 的^管支架是直葉式導管支架，其展向各橫剖面的攻角相同。
3、 根據權利要求l所述的扭矩平衡集成式水下推進裝置，其特征是所述 的導管支架是扭曲式導管支架，其展向各橫剖面的攻角各不相同。
4、 根據權利要求l、 2或3所述的扭矩平衡集成式水下推進裝置，其特征 是所述的導管為短導管，其長度為螺旋槳直徑的1/4，剖面翼型為JD7704， 導管支架剖面弦長為導管長度的1/3，剖面翼型為NACA0018。
全文摘要
本發(fā)明提供的是一種扭矩平衡集成式水下推進裝置。包括驅動主機(1)、固定在槳轂(3)的螺旋槳葉(2)，槳轂(3)安裝在驅動主機的傳動軸上，驅動主機通過整體固定架(8)安裝在運載器主體上，螺旋槳葉的外面設置有導管(4)、導管內分布有一端與導管固聯(lián)另一端與支架固定轂(6)固聯(lián)的導管支架(5)，導管通過導管固定架(7)固定在驅動主機外殼上。本發(fā)明的效果和益處是，結構簡單，易于實現(xiàn)，平衡扭矩效果明顯，便于安裝，通用性好，且可以間接提高推進效率，特別適用于橫向尺度受限的或細長回轉體載體的水下微小型運載器。
文檔編號B63H5/00GK101234669SQ20081006405
公開日2008年8月6日 申請日期2008年3月3日 優(yōu)先權日2008年3月3日
發(fā)明者秦再白, 蘇玉民, 蔡昊鵬 申請人:哈爾濱工程大學