一种适用于水下滑翔机的折叠式端板螺旋桨

本发明涉及水下推进器，特别是一种适用于水下滑翔机的折叠式端板螺旋桨。

背景技术：

1、近年来，水下潜航器逐渐成为海洋探索的核心问题。水下滑翔机是一款结合浮标技术研发的自主式无人水下航行器，通过浮力调节，结合水翼的水动力学特性产生推力，具有尺寸小、功耗低、航程远、隐身性能好、自主性能高等突出特点，能够满足长时续、大范围、三维连续海洋探测的需求。但是，水下滑翔机在实际作业过程中也存在许多问题，如下列举三点主要问题但不包括全部问题：

2、1、传统水下滑翔机的推进原理限制其本身的航行速度和运动观测轨迹，机动性能极差，无法实现对特定观测对象的定位、多角度和抵近式的观察监测，且由于缺乏较强动力源而不利于在强海流环境下维持稳定的航迹。

3、2、2001年出现混合驱动式水下滑翔机的概念，螺旋桨开始作为辅助推进器安装在水下滑翔机艉部，用于提高机动性能，但是，由于螺旋桨的加入，导致水下滑翔机失去原始的流线型鱼雷外形，大幅度增加在滑翔运动过程中受到的流体阻力，大大降低运行效率。

4、3、目前，用于水下滑翔机的螺旋桨敞水推进效率不高，造成螺旋桨作为辅助推进器提高水下滑翔机机动性能的效果不佳，同时，该种螺旋桨的加入大大增加整体能耗，使现有航程远远低于未加装螺旋桨时的航程。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对现有技术不足而提出一种适用于水下滑翔机的折叠式端板螺旋桨，创新提出一种实现桨叶折叠处理以及螺距角调节变化的机构，以低阻力、高效率、强动力的突出特点，实现水下滑翔机对特定对象的精准定位和多角度抵近式观测，同时能够在强海流环境下维持稳定的航迹。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种适用于水下滑翔机的折叠式端板螺旋桨，包括伞形折叠式桨毂机构、若干步进式螺距角调节机构、若干新型端板螺旋桨桨叶；所述伞形折叠式桨毂机构包括能够折叠/展开的伞形骨架，每根伞骨末端各通过一所述步进式螺距角调节机构连接一个新型端板螺旋桨桨叶；通过调控所述伞形折叠式桨毂机构的折叠角控制所有新型端板螺旋桨桨叶在水下滑翔机正常滑翔过程中折叠收起、在观察监测过程中展开，并通过所述步进式螺距角调节机构调控对应连接的新型端板螺旋桨桨叶的螺距角。

4、上述技术方案中，进一步地，所述伞形折叠式桨毂机构，包括外壳、若干连杆、若干曲柄，以及依次连接的伺服电机、联轴器、法兰式固定盘、第一轴承、丝杠和限位顶盖，丝杠上设有螺母，所述螺母绕中心轴线均匀分布有开孔垂耳，所述曲柄两端分别开有定位通孔，所述连杆一端也开有定位通孔，另一端作为所述伞骨末端用于连接步进式螺距角调节机构，在连杆中部也开有定位通孔，所述法兰式固定盘绕中心轴线均匀分布有开孔垂耳，螺母与丝杠配合，将曲柄一端的定位通孔与螺母的开孔垂耳通过销钉连接，将曲柄另一端的定位通孔与连杆中部的定位通孔通过销钉连接，将连杆端部的定位通孔与法兰式固定盘的开孔垂耳通过销钉连接，分别形成转动副；

5、所述伺服电机及联轴器设于外壳内，法兰式固定盘固定连接在外壳一端，丝杠与第一轴承内圈进行过盈配合，第一轴承外圈与法兰式固定盘进行过盈配合；所述限位顶盖固定连接在丝杠端部，限制螺母的最大运动距离。

6、进一步地，通过控制伺服电机带动丝杠转动从而使螺母轴向移动，控制曲柄、连杆在二者所在平面内转动，使得连杆与丝杠中心轴线夹角即折叠角在不超过90°范围内变化，实现螺旋桨的伸缩折叠或展开；当螺母位于丝杠上靠近伺服电机一端时，连杆与丝杠中心轴线的夹角为90°，螺旋桨处于完全展开状态；随着伺服电机带动丝杠不断转动，螺母逐渐向远离伺服电机一端运动，连杆与丝杠中心轴线的夹角逐渐减小，即连杆与丝杠中心轴线夹角小于90°，螺旋桨处于部分折叠状态；当螺母移动至限位顶盖处，连杆与丝杠中心轴线夹角为所设计的极限折叠角，螺旋桨呈完全折叠状态。

7、进一步地，所述的极限折叠角为30°。当连杆与丝杠中心轴线夹角呈30°时，螺旋桨配合水下滑翔机的滑翔阻力，相较于螺旋桨完全展开状态时配合水下滑翔机的滑翔阻力，降低45％～50％，仿真结果显示，已接近水下滑翔机携带螺旋桨时滑翔阻力的最低值，当连杆与丝杠中心轴线夹角再小于30°时，滑翔阻力减小幅度不大，且在折叠和展开时机构易出现干涉，故设定连杆与丝杠中心轴线夹角最小为30°。

8、为说明螺距角对螺旋桨水动力性能的影响，在本说明书中定义螺距角的概念：桨叶导边在叶片根部上的点与随边在叶片根部上的点的连线(即桨叶根部切面的内弦)为基准线，基准线与桨毂中心轴线所构成的角度即为桨叶螺距角θ。

9、进一步地，所述步进式螺距角调节机构包括耐压舱体、前端盖、绝缘绕组、定子铁芯、两个转子铁芯、磁钢、第二轴承、后端盖、主轴、耐压舱盖、动密封装置，耐压舱盖中心设有通孔，固定安装于耐压舱体端部，在耐压舱体内，所述磁钢套置于主轴一端且位于主轴对称位置，两块所述转子铁芯均通过键与主轴固定连接并分别位于磁钢两侧，所述定子铁芯与转子铁芯根据磁极对应进行放置，在两者中间布置绝缘绕组，绝缘绕组通过螺栓与前端盖、后端盖固定，支承固定定子铁芯，所述第二轴承内圈与主轴进行过盈配合，第二轴承外圈分别与前端盖、后端盖的中心孔槽进行过盈配合，前端盖的中心孔槽为封闭孔，后端盖的中心孔槽为通孔，主轴穿过后端盖中心通孔后从耐压舱盖中心通孔穿出且与耐压舱盖中心通孔通过动密封装置密封，前端盖与后端盖通过螺栓连接固定，耐压舱体内部设置空槽，用于放置蓄电池，为步进式螺距角调节机构供电。

10、进一步地，所述前端盖与耐压舱体内的预留肋板螺栓连接，耐压舱盖通过螺钉固定连接于耐压仓体端部，且在耐压舱盖和耐压仓体中间放置o型密封圈，共同实现水下静密封。

11、进一步地，所述动密封装置，包括设置在耐压舱盖内依次套置于主轴上的动环、静环、及弹簧，所述动环与主轴之间放置o型密封圈实现两者固定，同时防止外界液体从动环与主轴之间的间隙向内泄露，所述静环与耐压舱盖中心通孔之间放置o型密封圈实现两者固定，同时防止外界液体从静环与耐压舱盖中心通孔之间的间隙向内泄露，所述动环与静环接触端面滑动摩擦保持密封，在静环与动环之间设有填充材料，弹簧通过螺钉安装在耐压舱盖一侧，推动静环与动环接触端面紧贴，共同实现耐压舱盖中心通孔与主轴之间的动密封。

12、进一步地，蓄电池为步进式螺距角调节机构供电，转子铁芯通电，在定子铁芯的作用下带动主轴步进式转动，进而主轴末端安装的新型端板螺旋桨桨叶转动，调节螺距角。

13、进一步地，所述新型端板螺旋桨桨叶在桨叶半径大于0.9r处，即叶梢部分设有向吸力面的弯折部分，弯折程度由新型端板螺旋桨桨叶叶稍末端纵倾参数纵倾参数xs/de决定，xs/de取0.075～0.125，在桨叶半径小于0.9r处，新型端板螺旋桨桨叶叶稍末端纵倾参数xs/de为0，其中r为螺旋桨旋转中心到叶稍之间的距离，xs为桨叶叶面参考线在旋转中心轴线上的投影长度，de为2倍螺旋桨旋转中心到叶稍之间的距离。所述新型端板螺旋桨桨叶本质上是由一系列二维翼型截面在半径方向上“积分”得到，纵倾参数x/de是控制端板形状变化的决定性参数，将纵倾参数x/de沿螺旋桨半径r方向上的分布作为设计新型端板螺旋桨桨叶的依据。进一步地，对所述折叠角与螺距角进行耦合控制，折叠角从90°减小到30°，螺旋桨产生的阻力减小45％～50％，产生的升力减小75％～80％，可见升力减小幅度大于阻力减小幅度，故在控制所有新型端板螺旋桨桨叶折叠收起过程中应耦合螺距角调节，通过螺距角调节，降低因折叠角减小而导致的升力下降幅度，达到升力减小幅度等于或者小于阻力减小幅度。

14、本发明的有益效果是：

15、1、本发明提出的一种适用于水下滑翔机的折叠式端板螺旋桨，所述折叠式端板螺旋桨的加入，弥补传统水下滑翔机单一推进导致的缺陷，能够在水下正常滑翔过程中，实现对特定观测对象的定位、多角度和抵近式的观察监测，拓宽运动观测轨迹，提高机动性能，同时，补充提供强劲动力源，实现在强海流环境下维持稳定的航迹。

16、2、本发明提出的一种适用于水下滑翔机的折叠式端板螺旋桨，所述伞形折叠式桨毂机构，能够实现在特定情况下对桨叶的自动折叠或展开，在观察监测过程中，所述伞形折叠式桨毂机构呈展开状态，通过调节展开程度实现对水下滑翔机姿态的整体控制；在正常滑翔过程中，所述伞形折叠式桨毂机构呈折叠状态，最大程度上恢复水下滑翔机原始的流线型鱼雷外形，大幅度减小在滑翔运动过程中受到的流体阻力，大大提升运行效率。

17、3、本发明提出的一种适用于水下滑翔机的折叠式端板螺旋桨，所述步进式螺距角调节机构，能够实现步进式调节螺距角，螺距角对螺旋桨的性能有着重要的影响，螺距角的大小会影响到螺旋桨的推力、扭矩、速度和操纵性等，因此，在滑翔运动过程中，所述步进式螺距角调节机构可以根据具体要求，灵活调节桨叶根部切面的内弦与桨毂中心轴线所构成的角度，获得最合适的螺距角，以达到最佳的性能。

18、4、本发明提出的一种适用于水下滑翔机的折叠式端板螺旋桨，所述新型端板螺旋桨桨叶在流体中做旋转运动时，在桨叶叶梢处会产生梢涡，如果在桨叶叶尖处增加挡板将会有效地减少螺旋桨叶尖梢涡的能量损失，弯折程度越大，端板效应也就越强，抑制叶尖梢涡的能力越强，减小叶梢处压力面向吸力面的回流，从而使得端板螺旋桨叶片两端维持较高的压力差，提高端板螺旋桨的推力输出。