一种用于回转体水下航行器的水平轴海流发电装置的制造方法

本发明属水下航行器领域，具体涉及一种用于回转体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海流能发电系统，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.,ChappellS.G.在2006年OCEANS会议的《ASimulationEnvironmentforTestingandEvaluatingMultipleCooperatingSolar-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。

技术实现要素：
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回转体水下航行器的水平轴海流发电装置。本发明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：还包括两个水平轴海流发电装置，并且：a.所述两个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；所述航行器各段壳体外表面分别均布有两个凹槽；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安装支架、伸缩机构、叶片、柱塞泵、大锥齿轮、小锥齿轮和发电机；其中，所述安装支架由叶轮壳体、两个端盖板和两个支撑板组成；所述的伸缩机构包括叶片安装架、第一伸缩套筒、第二伸缩套筒、第三伸缩套筒和套筒端盖；所述伸缩机构安装在所述叶轮壳体的圆周上，并使位于伸缩机构顶端的叶片分别伸出叶轮壳体之外；伸缩机构中的第三伸缩套筒一端位于叶轮壳体内，另一端通过套筒端盖固定连接，并通过滚珠轴承安装在所述安装支架的支撑板上；所述大锥齿轮安装在所述各第三伸缩套筒安装有套筒端盖的一端；所述小锥齿轮安装在发电机的输出轴上，并与所述大锥齿轮齿合；所述发电机安装在所述支撑板的外表面上；所述柱塞泵固定安装在所述支撑板的内表面上；各柱塞泵的顶端通过液压管路及旋转接头与伸缩机构的套筒端盖上的接口连接；柱塞泵底端通过液压管路与液压油箱连通；c.所述伸缩机构中，第一伸缩套筒、第二伸缩套筒和第三伸缩套筒按第一至第二的顺序依次逐级收缩；所述叶片安装架固定安装在第一伸缩套筒内；所述的两个叶片安装在各伸缩机构的顶端。所述第一伸缩套筒为实心回转体，直径与第二伸缩套筒的内凸缘孔径相同；所述第一伸缩套筒套装在第二伸缩套筒内，并带动该第二伸缩套筒旋转；所述第二伸缩套筒的外径与叶轮壳体上通孔的孔径相同；第二伸缩套筒的一端有限制第一伸缩套筒的轴向移动范围的内凸缘；第二伸缩套筒另一端的圆周表面与第三伸缩套筒的内表面通过键配合，并带动第三伸缩套筒旋转；第三伸缩套筒的外径与叶轮壳体上通孔的内径相同；第三伸缩套筒一端有用于限制第二伸缩套筒的轴向移动范围的内凸缘，另一端通过套筒端盖密封固定；所述第三伸缩套筒有内凸缘一端套装在叶轮壳体的通孔内，并能够在该通孔内旋转；第三伸缩套筒的另一端通过滚珠轴承安装在支撑板的通孔内；所述滚珠轴承固定在套筒端盖上的接头上。所述套筒端盖的中心有通孔，该套筒端盖外表面的中心有凸出的接头，该接头的内孔与套筒端盖上的通孔同轴；安装时，所述套筒端盖的内表面与第三伸缩套筒的端面固定连接，所述套筒端盖的接头装入滚珠轴承内，并与该滚珠轴承过盈配合；所述套筒端盖接头的端面与旋转接头的旋转部分固定连接；旋转接头的固定部分通过螺钉固定在支撑板的内表面；由第二伸缩套筒的内孔、第三伸缩套筒的内孔、套筒端盖的内孔和旋转接头的内孔组成了液压油的流通通道。所述安装支架中的叶轮壳体为圆筒形，该叶轮壳体的两端均端盖板，形成了封闭的叶轮壳体；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的两侧圆周表面中部的圆周上分别有两个通孔，两个水平轴发电装置的伸缩机构中的第三伸缩套筒分别安装在所述各通孔内；各伸缩机构所处的叶轮壳体的圆周表面有轴向分布的开口，开口为半圆形，截面与所述伸缩机构的叶片安装架截面形状相同，形成叶片安装架的收纳槽。所述两个支撑板均为平板；两个支撑板平行的固定安装于叶轮壳体内的底部，在两支撑板内表面之间形了成柱塞泵和液压油箱的安装空间；各支撑板的表面平行于叶轮壳体的轴线；在两个支撑板的外表面与叶轮壳体内表面之间形成了伸缩机构、大锥齿轮、小锥齿轮和发电机的安装空间；在支撑板上部中间位置有一通孔，所述套筒端盖通过滚珠轴承在该通孔内。工作时：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。柱塞泵将液压油经过液压管路和旋转接头高压压入第三伸缩套筒中，推动两级伸缩套筒连同叶片一起延伸出航行器。叶片收到海流作用力矩，带动伸缩机构绕轴线旋转，通过大锥齿轮和小锥齿轮传动，带动发电机电机轴转动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是本发明伸展前的结构简图图2是本发明伸展后的结构简图图3是本发明伸展后锚泊的结构简图图4是本发明内部整体结构简图图5是本发明回转体外壳、捕能机构结构简图图6是本发明回转体外壳中段结构简图图7是本发明伸缩机构结构简图图8是本发明三角街头结构简图图9是本发明二级伸缩套筒结构简图图10是本发明伸缩套筒结构简图图11是本发明传动机构、发电机构结构简图图中：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.螺旋桨；8.锚链；9.叶片；10.端盖板；11.叶轮壳体；12.叶片安装架；13.第一伸缩套筒；14.第二伸缩套筒；15.第三伸缩套筒；16.大锥齿轮；17.小锥齿轮；18.发电机；19.发电机安装架；20.柱塞泵；21.柱塞泵安装架；22.液压管路；23.支撑板；24.旋转接头；25.液压油箱；26.滚珠轴承；27.套筒端盖。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、螺旋桨7和锚链8。航行器前段1、航行器中段4、航行器后段5均为回转体，航行器各段之间通过常规螺钉螺帽连接。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。所述航行器前段1和航行器中段4壳体外表面分别均布有两个凹槽3，相邻凹槽3之间间隔180°。凹槽3的横截面为矩形，用于收纳叶片9，凹槽3长宽略大于叶片9的长宽，使叶片9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，并使水平轴海流发电装置叶轮轴线保持水平。为了抵消航行器的俯仰作用，在航行器前段与航行器中段之间对称安装两套水平轴海流发电装置2，并且所述两套水平轴海流发电装置的安装方向相反，使得两套水平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，减小航行器的俯仰运动。所述用于回转体水下航行器的水平轴海流发电装置2有两套，并且两套水平轴发电装置2结构特征相同。本实施例仅以其中一套水平轴海流发电装置为例加以说明。所述水平轴海流发电装置2包括安装支架、伸缩机构、叶片9、柱塞泵20、大锥齿轮16、小锥齿轮17和发电机18。其中，所述安装支架由叶轮壳体11、两个端盖板10和两个支撑板23组成；所述的伸缩机构包括叶片安装架12、第一伸缩套筒13、第二伸缩套筒14、第三伸缩套筒15和套筒端盖27。所述安装支架位于航行器前段1和航行器中段4之间，通过螺钉与各段同轴连接。所述伸缩机构安装在所述叶轮壳体11的圆周上，并使位于伸缩机构顶端的叶片9伸出叶轮壳体11之外。伸缩机构中的第三伸缩套筒15一端位于叶轮壳体11内，另一端通过套筒端盖27固定密封连接，并通过滚珠轴承26安装在所述安装支架的支撑板23上，使所述伸缩机构能够旋转。所述大锥齿轮16安装在所述第三伸缩套筒安装有套筒端盖27的一端；所述小锥齿轮17安装在发电机18的输出轴上，并与所述大锥齿轮16齿合。所述发电机18通过发电机安装架19固定安装在所述支撑板23的外表面上。所述柱塞泵20通过柱塞泵安装架21固定安装在所述支撑板23的内表面上。柱塞泵20的顶端通过液压管路22及旋转接头24与伸缩机构的套筒端盖27上的接口连接。柱塞泵20底端通过液压管路22与液压油箱25连通。所述旋转接头24通过螺钉固定在支撑板23上部。所述伸缩机构中，第一伸缩套筒13、第二伸缩套筒14和第三伸缩套筒15按第一至第二的顺序依次逐级收缩，直至第一伸缩套筒13至第二伸缩套筒14全部收缩进入第三伸缩套筒15中。所述叶片安装架12固定安装于第一伸缩套筒13内。所述的两个叶片9分别安装在各伸缩机构的顶端的叶片安装架12上。所述第一伸缩套筒13为实心回转体，直径与第二伸缩套筒14的内凸缘孔径相同。在该第一伸缩套筒13顶端有一盲孔，用于固定安装叶片安装架12；该第一伸缩套筒另一端圆周表面有凸起的花键，与第二伸缩套筒14内的花键槽配合。所述第一伸缩套筒13套装在第二伸缩套筒14内，能够沿轴向伸缩，并带动第二伸缩套筒14旋转。所述第二伸缩套筒14为中空回转体，其直径与叶轮壳体11上的通孔直径相同。该第二伸缩套筒的一端有内凸缘，该内凸缘处的内径与第一伸缩套筒13外径相同，以限制第一伸缩套筒13的轴向移动范围；该第二伸缩套筒另一端的圆周表面有与第三伸缩套筒15内的花键槽配合的花键。所述第二伸缩套筒的内表面有轴向的花键槽，用于与位于第一伸缩套筒13外圆表面的花键配合，使所述第二伸缩套筒与第一伸缩套筒能够在周向同步运动。所述第二伸缩套筒14套装在第三伸缩套筒15内，能够沿第三伸缩套筒轴向伸缩，并带动第三伸缩套筒15同时绕轴线旋转。第三伸缩套筒15为中空回转体，其直径与叶轮壳体11上的通孔直径相同。一端有内凸缘，内凸缘直径与第二伸缩套筒14直径相同，可限制第二伸缩套筒14的轴向移动范围；另一端通过套筒端盖27固定密封；且其内壁上有与第二伸缩套筒14花键相同的花键槽。所述第三伸缩套筒15有内凸缘一端套装在叶轮壳体11的通孔内，可在通孔内绕轴线旋转；另一端通过固定安装的套筒端盖27上的接头过盈配合滚珠轴承26，安装于支撑板23的通孔内。所述套筒端盖27为圆形板状。在该套筒端盖的中心有通孔，该套筒端盖外表面的中心有凸出的接头，该接头为中空回转体，并且该接头的内孔与套筒端盖上的通孔同轴。安装时，所述套筒端盖27的内表面与第三伸缩套筒15的端面固定连接，所述套筒端盖27的接头装入滚珠轴承26内，并与该滚珠轴承26过盈配合。所述套筒端盖接头的端面与旋转接头24的旋转部分固定连接；旋转接头24的固定部分通过螺钉固定在支撑板的内表面。由第二伸缩套筒14的内孔、第三伸缩套筒15的内孔、套筒端盖27的内孔和旋转接头24的内孔组成了液压油的流通通道。所述安装支架中的叶轮壳体11为圆筒形，该叶轮壳体的两端均端盖板10，形成了封闭的叶轮壳体。叶轮壳体11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的两侧圆周表面中部的圆周上分别有两个通孔，两个水平轴发电装置的伸缩机构中的第三伸缩套筒15分别安装在所述各通孔内。各伸缩机构所处的叶轮壳体11的圆周表面有轴向分布的开口，开口为半圆形，截面与所述伸缩机构的叶片安装架12截面形状相同，形成叶片安装架12的收纳槽。所述两个支撑板23均为平板。两个支撑板23平行的固定安装于叶轮壳体11内的底部，在两支撑板23内表面之间形了成柱塞泵20和液压油箱25的安装空间。各支撑板的表面平行于叶轮壳体的轴线。在两个支撑板23的外表面与叶轮壳体11内表面之间形成了伸缩机构、大锥齿轮16、小锥齿轮17和发电机18的安装空间。在支撑板23上部中间位置有一通孔，所述套筒端盖27通过滚珠轴承26在该通孔内。所述端盖板10为圆形薄板，其作用为密封叶轮壳体11，其圆周上有与叶轮壳体11截面形状相同的豁口。在所述端端盖板10表面的外缘均布有螺纹孔。所述叶片安装架12的截面为“T”形，叶片固定安装在该叶片安装架水平杆的两端。所述叶片9采用NACA翼型。所述两个叶片9的根部固定连接在叶片安装架12内，呈180°水平对称布置。未工作时，叶片9紧贴于航行器各段凹槽3内减小流体阻力，工作时其在伸缩机构的作用下水平向外伸出。所述液压系统由液压油箱25、柱塞泵20、液压管路22、旋转接头24组成。所述液压油箱25是液压油的储存容器，采用常规油箱，油箱的容积是两个伸缩机构伸展后内部容积总和的两倍，通过螺栓螺母固定安装叶轮壳体11内的两支撑板23之间的安装空间内，并通过液压管路22将液压油箱25和柱塞泵20连通。所述柱塞泵20为双向泵，采用VICKERS威格士公司的PVH074型号泵，通过柱塞泵安装架21固定安装支撑板23远离伸缩机构的一面上。柱塞泵20的作用为通过液压管路22从液压油箱22抽取液压油，通过液压管路22和旋转接头24将液压油压入或抽出所述伸缩机构的第三伸缩套筒15中，控制伸缩机构的伸展与收缩，其两端分别连通液压管路22，并通过液压管路22分别有旋转接头24和液压油箱25连通。所述液压管路22分为两段，均采用常规管路，采用螺纹连接。一段用于连接柱塞泵20和旋转接头24；另一段用于连接柱塞泵20和液压油箱25。所述旋转接头24采用公开号为CN101936434B的发明创造中公开的旋转接头，通过该旋转接头将固定通道转换为旋转通道。旋转接头24旋转端套装在所述伸缩机构的套筒端盖27的接头上，固定端通过液压管路22连接柱塞泵20。旋转接头24固定端通过螺钉固定在支撑板23通孔位置。所述大锥齿轮16为主动传动齿轮，固定连接在第三伸缩套筒15有套筒端盖27一端，与发电机18上固定连接的小锥齿轮17啮合。所述大锥齿轮16的齿数：小锥齿轮17＝13：1，使大锥齿轮16在传动过程中增加传动速度。所述发电机18采用Maxon公司的RE65型号电机，通过发电机安装架19固定安装在支撑板23靠近伸缩机构的一侧，在电机轴顶端上固定连接有小锥齿轮17。大锥齿轮16带动小锥齿轮27和电机轴旋转时，发电机18将机械能转化为电能。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。柱塞泵20将液压油经过液压管路22和旋转接头24高压压入第三伸缩套筒15中，推动两级伸缩套筒连同叶片9一起延伸出航行器。叶片9收到海流作用力矩，带动伸缩机构绕轴线旋转，通过大锥齿轮16和小锥齿轮17传动，带动发电机18电机轴转动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。