一种用于水下航行器的流体动能收集装置的制作方法

本发明属于能量回收技术领域，具体涉及一种用于水下航行器的流体动能收集装置。

背景技术：

海洋资源巨大而丰富，但水下探测困难，至今仍存在许多难以攻克的难关。水下航行器的发展为海洋资源的开发提供了强有力的技术条件。水下航行器作为一种高技术手段，在海洋探测中起着至关重要的作用，发展水下航行器的意义是显而易见的。目前世界上的水下航行器已达数百种,水下航行器活跃在海洋科学、海洋工程、水下安保和水下作战等多个领域。

水下航行器主要通过蓄电池供给能量，蓄电池的续航时间有限，这严重制约了水下航行器的发展和应用，水下航行器的航速和负载能力均受制于可用能源。为了延长水下航行器的续航时间，需对水下航行器进行能源补给，目前已有多种方法对水下航行器进行能源补给。如一种基于海浪-光能互补发电的水下航行器感应充电系统，包括洋面漂浮模块、海浪发电模块、光能发电模块、储能模块及水下非接触充电模块；海浪发电模块通过永磁直线电机将波浪能转化为电能输出；光能发电模块通过光电反应将太阳能转化为电能输出；储能模块将海浪发电模块及光能发电模块输出的交流电整流为直流电并将其存储于蓄电池中；水下非接触充电模块将蓄电池中的直流电逆变成高频交流电，通过电磁感应对水下航行器上的锂电池进行感应充电。该装置虽然采用了电磁、光电双重效应进行发电，但是整个发电系统结构复杂、模块繁多，制作成本较高；发电模块浮在海面上，而储能模块与充电模块位于水下，各模块之间需要依靠较长的水中线缆来连接，整个装置安装十分不便，实用性较差；装置长期浸没在海水当中，对结构的防水性能和耐腐蚀性能都有极高的要求，因此结构工作稳定性较低；装置经过发电、储能、交直流转换、感应充电等多个环节才能将电能传输到水下航行器中，能量传输损耗率较高；整套装置只能安装在某一固定位置，使得水下航行器无法实现航行途中任意位置的实时充电；装置结构受线缆长度的限制，只能设置安装在浅海区域，无法为在深海中执行任务的水下航行器补充能源。

水下航行器在水中的工作状态主要有两种：航行前进和定点监测。水下航行器航行前进时，航行器和水流有较大的相对运动速度，航行器动力装置的振动和外部水流的冲击作用都会引发航行器的整体振动；水下航行器锚系于海底进行定点监测时也会受到海浪、潮汐等影响，时刻处于晃动状态。

技术实现要素：

针对水下航行器在水中的两种工作状态，为了实现既可以收集航行器振动能量，又能收集水流动能，并转换成电能，本发明提供一种用于水下航行器的流体动能收集装置。

一种用于水下航行器的流体动能收集装置包括管状的本体，所述本体由两个以上的管状的振动舱1和一个以上的管状的水轮舱3交替串联组成；所述振动舱1的直径大于水轮舱3的直径；

每个振动舱1的内设有波纹管2，所述波纹管2的管壁内层设有柔性压电材料，波纹管2和振动舱1的内壁之间留有充足的空间，以保证波纹管2在振动舱1内拥有足够的振动空间；

每个水轮舱3内部通过转轴5设有水轮4，且转轴5垂直于本体的轴线，转轴5的两端伸至水轮舱3的两侧外部；转轴5的两个外伸端分别连接着电磁发电机的输入端；

工作时，水流由所述本体的一端流入，从另一端流出，诱导振动舱1内的波纹管2振动，实现振动压电能量转换，并实现电能输出；同时水流带动水轮舱3内的水轮4转动，进而带动电磁发电机6进行电磁发电。

进一步限定的技术方案如下：

每个振动舱1的两端口直径小于中部舱体的直径，振动舱1的两端口分别连接着波纹管2的两端口。

所述波纹管2为柔性管，管壁由三层材料组成，外面两层的材料为硅胶或橡胶，内层的材料为柔性压电材料，在柔性压电材料上设电极构成压电元件。

所述柔性压电材料为聚偏氟乙烯。

所述振动舱1的直径为120-1000㎜，波纹管2的直径不超过所述振动舱1直径的7/10。

所述电磁发电机6和波纹管2管壁内层的柔性压电材料的电极通过串联或并联的方式实现电能输出。

所述振动舱1和水轮舱3的材料均为不锈钢或耐腐蚀的合金材料。

所述水轮为切击式水轮。

本发明的有益技术效果体现在以下方面：

1、本发明装置结构简单，制作成本较低，环境适应性强。将该装置内置于水下航行器的舱体中，产生的电能可直接存储到水下航行器的蓄电池中，能量存储传输损耗率低且能够为水下航行器进行实时充电。

2、本发明实用性强，利用内嵌压电材料的柔性波纹管进行振动压电能量转换，利用水流带动水轮和发电机转动进行电磁能量转换，既可以收集航行器振动能量，又能收集水流动能。将收集到的电能输出和存储，为水下航行器提供能量补充，可有效延长水下航行器在海底勘测任务中的续航时间。

3、本发明采用了柔性波纹管进行振动能量收集，由于柔性波纹管的对称结构使其易于沿轴向和径向各个方向振动，因而可以通过波纹管采集到多方向的振动能量，对于海洋环境中不同方向的随机激励，本发明装置中的柔性波纹管具有很好的适应性。本发明利用了水流在波纹管内流动诱导波纹管产生涡激振动。当水流流经振动舱内的波纹管时，会不断地在波峰处产生漩涡并脱落进入波谷，当涡脱落的频率与波纹管的某阶轴向固有频率相一致时，波纹管结构与流体涡的产生和脱落过程实现动态耦合，最终引发波纹管的强烈振动，增大压电元件的发电量。

附图说明

图1为本发明装置的整体外观结构图。

图2为本发明装置的纵剖视图。

图3为本发明装置的横剖视图。

图4为本发明装置中的波纹管产生涡激振动的原理示意图。

上图中序号：振动舱1、波纹管2、水轮舱3、水轮4、转轴5、电磁发电机6。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步地描述。

参见图1，一种用于水下航行器的流体动能收集装置包括管状的本体，本体由三个管状的振动舱1和两个管状的水轮舱3交替串联组成；振动舱1和水轮舱3的材料均为不锈钢。振动舱1的直径大于水轮舱3的直径，振动舱1的直径为644㎜，水轮舱3的直径为400㎜。

参见图2、图3，每个振动舱1的内安装有波纹管2；波纹管2为柔性管，管壁由三层材料组成，外面两层的材料为硅胶，内层的材料为柔性压电材料，在柔性压电材料上安装电极构成压电元件，柔性压电材料为聚偏氟乙烯。

波纹管2的波谷处直径为400㎜，波纹管2的波峰处与振动舱1的内壁之间的间距为194㎜，留有充足的空间，以保证波纹管2在振动舱1内拥有足够的振动空间。

每个振动舱1的两端口直径小于中部舱体的直径，振动舱1的两端口分别连接着波纹管2的两端口，并连接着水轮舱3的两端口。

每个水轮舱3内部通过转轴5安装有水轮4，且转轴5垂直于本体的轴线，转轴5的两端伸至水轮舱3的两侧外部；水轮4为切击式水轮；转轴5的两个外伸端分别连接着电磁发电机6的输入端。

参见图4，当水下航行器航行前进时，航行器和水流有较大的相对运动速度v，水流由本体的一端流入，从另一端流出，诱导振动舱1内的波纹管2振动，进行振动压电能量转换，通过压电元件实现电能输出；当水流流经波纹管2时，会不断地在波峰处产生漩涡并脱落进入波谷，当漩涡脱落的频率与波纹管2的某阶轴向固有频率相一致时，波纹管2结构与流体涡的产生和脱落过程实现动态耦合，最终引发波纹管2的强烈振动，增大压电元件的发电量。同时水流带动水轮舱3内的水轮4转动，进而带动电磁发电机6进行电磁发电。电磁发电机6和波纹管2的柔性压电材料的输出电极通过串联或并联的方式实现电能输出。

当水下航行器锚系于海底进行定点监测时，由于受到海浪、潮汐等的影响，时刻处于晃动状态。在航行器的机身振动以及波纹管内海水流动的共同激励下，压电波纹管2也会产生低频的振动，致使其内层的压电元件产生电荷并输出。