水下航行器的折展式波浪能捕获机构的制作方法

1.本发明涉及水下航行器和新能源领域，具体地，涉及一种水下航行器的折展式波浪能捕获机构。


背景技术：

2.水下航行器是开展海洋环境监测、海洋科学研究和海洋军事任务的重要载体。现有的水下航行器主要依靠外部电缆供电或由自身所携带的电池供电，存在运动灵活性不足、运动范围小、续航能力弱等问题，难以开展长时序大范围的水下作业。波浪能作为品位最高的海洋能，具有能量密度高、储量大、分布广等特点，是理想的能量捕获对象，因此，发展波浪能随体发电技术是实现水下航行器持续能源供给的重要途径。
3.现有公开号为cn107235130a的中国专利，其公开了一种用于小型海洋航行器的摆翼式波浪能收集装置，包括摆动水翼，传动舱室，内部旋转传动机构，舱室连接隔板及发电机，其中内部旋转传动机构包括输入轴、齿轮加速机构和输出轴。摆动水翼通过u形连接件与输入轴相连；输出轴与发电机相连；舱室连接隔板实现舱室间密封连接，并设有轴承座孔，用于支撑输入轴或输出轴；摆动水翼与传动舱室壳体之间还连接有弹簧。
4.发明人认为，现有技术中的波浪能收集装置受到水下航行器自身尺寸的限制，摆翼的翼展、与波浪间的有效作用面积都非常有限，进而导致整个装置的发电功率较低，在运动时，摆翼的存在也显著增加了水下航行器的运动阻力，并对其运动造成干扰，同时在发电状态下，现有装置也无法根据海面波浪状况被动调整机身的迎浪姿态，对波浪能的捕获能力较弱，存在待改进之处。


技术实现要素：

5.针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种水下航行器的折展式波浪能捕获机构。
6.根据本发明提供的一种水下航行器的折展式波浪能捕获机构,包括水下航行器本体和波浪能捕获装置本体，所述波浪能捕获装置本体设置在水下航行器本体上；所述波浪能捕获装置本体包括水翼组件和横摆组件，所述水翼组件和横摆组件均包括第一状态和第二状态，所述水翼组件的第一状态为折叠状态，所述水翼组件的第二状态为展开状态，所述横摆组件的第一状态为折叠状态，所述横摆组件的第二状态为展开状态；所述波浪能捕获装置本体还包括主动组件和储能组件，所述主动组件用于将水翼组件在第一状态和第二状态相互切换，所述主动组件还用于将横摆组件在第一状态和第二状态相互切换，所述储能组件用于将水翼组件捕获的波浪能储存。
7.优选地，所述水翼组件包括水翼膜和多根连接杆，多根所述连接杆相互铰接形成具有一个或多个平行四边形的折叠结构，所述折叠结构收拢为水翼组件的第一状态，所述折叠结构打开为水翼组件的第二状态；所述水翼膜包覆在折叠结构上，所述水翼膜为柔性薄膜，当所述水翼组件处于第一状态时，所述水翼膜处于压缩状态，当所述水翼组件处于第
二状态时，所述水翼膜处于展开状态。
8.优选地，所述横摆组件包括第一杆件、第二杆件以及横摆膜，所述第一杆件的一端与第二杆件的中部铰接连接，所述第一杆件和第二杆件均铰接连接在主动组件上；所述横摆膜设置在第二杆件和水翼组件之间，所述横摆膜为柔性膜，当所述横摆组件处于第一状态时，所述横摆膜处于压缩状态，当所述横摆组件处于第二状态时，所述横摆膜处于展开状态。
9.优选地，当所述水翼组件和横摆组件二者均处于第二状态时，所述横摆膜与水翼膜相互垂直。
10.优选地，所述第一杆件和第二杆件靠近主动组件的一端均通过定位销轴与水翼组件连接。
11.优选地，所述储能组件包括传动轴、变速齿轮箱以及发电电机，所述传动轴与变速齿轮箱的一端传动连接，所述变速齿轮箱的另一端与发电电机传动连接；所述传动轴上固定设置有转动铰链，所述传动轴上转动滑移设置有滑动铰链，且所述第一杆件和与之连接的连接杆二者均与转动铰链铰接连接，所述第二杆件和与之连接的连接杆二者均与滑动铰链铰接连接。
12.优选地，所述主动组件包括丝杆、步进电机、螺母以及挡板，所述挡板与滑动铰链固定连接，且所述挡板与螺母固定连接；所述丝杆螺纹穿过螺母，且所述步进电机用于驱动丝杆转动。
13.优选地，所述波浪能捕获装置本体包括：第一隔板、第二隔板、第三隔板、第四隔板、底板、第五隔板、迎流板以及上盖板；所述第一隔板、第二隔板、第三隔板、第四隔板、底板以及上盖板配合形成后腔，所述后腔用于容纳储能组件。
14.优选地，所述底板、第五隔板、迎流板以及上盖板配合形成前舱，所述前舱用于容纳主动组件。
15.优选地，所述第五隔板背离迎流板的一侧设置有限位挡块。
16.与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
17.1、本发明通过可折展的水翼组件，在水翼组件展开时，水翼组件在波浪的作用下发电，有助于增大水翼组件的展开面积，进而有助于提高波浪能捕获机构的发电效率；在水翼组件收拢时，降低了水下航行器的运动阻力，有助于提高水下航行器的运动灵活性和续航能力；
18.2、本发明通过可折展的横摆组件，使得在横摆组件展开时，水下航行器能够根据水面波浪情况被动地调整迎浪资态，有助于提高对波浪能的捕获效率；
19.3、本发明通过限位挡块，能够在折叠过程中对水翼组件和横摆组件进行导向和限位保护，有助于削弱水翼组件和横摆组件在折叠时的晃动对水下航行器的运动造成干扰。
附图说明
20.通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
21.图1为本发明主要体现捕获机构整体未安装水翼膜的俯视示意图；
22.图2为本发明主要体现捕获机构整体剖视结构的俯视示意图；
23.图3为本发明主要体现储能组件整体结构的示意图；
24.图4为本发明主要体现捕获机构展开状态下的侧面示意图；
25.图5为本发明主要体现捕获机构主要体现主动组件的整体结构示意图；
26.图6为本发明主要体现捕获机构实现往复摆动的运动示意图；
27.图7为本发明主要体现捕获机构实现被动调整迎浪姿态的运动示意图。
28.图中所示：
[0029][0030]
具体实施方式
[0031]
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
[0032]
如图1和图2所示，根据本发明提供的一种水下航行器的折展式波浪能捕获机构，包括水下航行器本体1和波浪能捕获装置本体2，波浪能捕获装置本体2通过固定件8安装在水下航行器本体1上，且固定件8可以是抱箍。波浪能捕获装置本体2包括水翼组件3和横摆组件6，水翼组件3和横摆组件6均包括第一状态和第二状态，水翼组件3的第一状态为折叠状态，水翼组件3的第二状态为展开状态，横摆组件6的第一状态为折叠状态，横摆组件6的第二状态为展开状态。
[0033]
波浪能捕获装置本体2还包括主动组件和储能组件，主动组件用于将水翼组件3在第一状态和第二状态相互切换，主动组件还用于将横摆组件6在第一状态和第二状态相互切换，储能组件用于将水翼组件3捕获的波浪能储存。
[0034]
需要捕获波浪能时，通过主动组件将水翼组件3和横摆组件6均切换为第二状态，水翼组件3和横摆组件6在水波的作用下将波浪能转化为机械能，并通过储能组件将其捕获的能量储存。
[0035]
如图2所示，波浪能捕获装置本体2包括：第一隔、第二隔板22、第三隔板23、第四隔板24、底板25、第五隔板26、迎流板27以及上盖板28。第一隔板21、第二隔板22、第三隔板23、第四隔板24、底板25以及上盖板28配合形成有用于容纳储能组件的后腔，后腔为封闭空间，从而对储能组件进行防水保护。底板25、第五隔板26、迎流板27以及上盖板28配合形成有用于容纳主动组件的前舱，前舱为封闭空间，从而对主动组件的驱动部件进行防水保护。
[0036]
如图2和图3所示，储能组件包括传动轴9、变速齿轮箱11以及发电电机12，传动轴9的一端穿过第四隔板24进入后舱，且传动轴9与第四隔板24转动配合。变速齿轮箱11和发电电机12均固定安装在后舱内，传动轴9穿入后舱的一端通过联轴器10与变速齿轮箱11的一端传动连接，变速齿轮箱11的另一端与发电电机12传动连接。当传动轴9产生转动时，传动轴9通过联轴器10将旋转运动传递给变速齿轮箱11，从而驱动发电电机12发电，为水下航行器供能或将能量储存。
[0037]
如图2、图3和图4所示，水翼组件3和横摆组件6二者均安装在波浪能捕获装置本体2的前舱和后舱之间，传动轴9上固定安装有转动铰链4，转动铰链4可随传动轴9共同作往复转动运动并传递扭矩，传动轴9上转动滑移安装有滑动铰链5。水翼组件3和横摆组件6二者均通过转动铰链4和滑动铰链5安装在传动轴9上。为了使水下航行器保持平衡，水翼组件3和横摆组件6二者在波浪能捕获装置本体2呈相对设置的两侧分别安装有一组，因此储能组件在波浪能捕获装置本体2上平行间隔安装有两组，两组储能组件与两组水翼组件3一一对应，且两组储能组件也与两组横摆组件6一一对应。
[0038]
由于两组水翼组件3的结构、运动方式以及与储能装置的连接关系均相同，现以一组水翼结构为例进行阐述：水翼组件3包括水翼膜31和多根连接杆32，多根连接杆32相互铰接形成具有两个平行四边形的折叠结构，折叠结构靠近波浪能捕获装置本体2的一侧具有与转动铰链4铰接连接的连接杆32端部、具有与滑动铰链5铰接连接的连接杆32端部。折叠结构收拢为水翼组件3的第一状态，折叠结构打开为水翼组件3的第二状态，当折叠结构打开时，位于最外侧的连接杆32的外端轮廓为流线型，从而减少折叠结构打开时水下航行器受到的阻力。
[0039]
水翼膜31包覆在折叠结构上，水翼膜31为柔性薄膜，本技术的水翼膜31材料优选硅凝胶膜，当水翼组件3处于第一状态时，水翼膜31处于压缩状态，从而降低整个装置在水下的运动阻力。当水翼组件3处于第二状态时，水翼膜31处于展开状态，以此增大水翼组件3与波浪间的有效作用面积，提高波浪能捕获效率。
[0040]
如图2、图3以及图4所示，由于两组横摆组件6的结构运动方式以及与储能装置和水翼组件3的连接关系均相同，现以一组横摆组件6为例进行阐述：横摆组件6包括第一杆件62、第二杆件63以及横摆膜64，第一杆件62的一端与第二杆件63的中部铰接连接，第一杆件62的另一端与转动铰链4铰接连接，第二杆件63靠近波浪能捕获装置本体2的一端与滑动铰
链5铰接连接。
[0041]
横摆膜64安装在第二杆件63和水翼组件3之间，横摆膜64为柔性膜，本技术优先的横摆膜64的材料为硅凝胶膜。当横摆组件6处于第一状态时，横摆膜64处于压缩状态，当横摆组件6处于第二状态时，横摆膜64处于展开状态，且当水翼组件3和横摆组件6二者均处于第二状态时，横摆膜64与水翼膜31相互垂直。
[0042]
如图2和图5所示，主动组件包括丝杆51、步进电机52、螺母54以及挡板53，挡板53与两个滑动铰链5固定连接，且挡板53在两个滑动铰链5的两侧分别固定安装有一块。螺母54固定安装在其一挡板53上，且螺母54位于两个滑动铰链5的中部。
[0043]
步进电机52固定安装在前舱内，丝杆51的轴向与传动轴9的轴向同向，丝杆51的一端与步进电机52传动连接，丝杆51的另一端穿过第五隔板26穿出前舱，丝杆51与第五隔板26转动配合，且丝杆51穿出前舱的一端螺纹穿过螺母54。工作时，由步进电机52驱动丝杆51做旋转运动，并带动螺母54沿丝杆51作的轴向做直线运动，进一步通过挡板53向两个滑动铰链5传递作用力，使两个滑动铰链5同时沿传动轴9的轴向做直线运动。
[0044]
进一步地，位于波浪能捕获装置本体2同一侧的横摆组件6和水翼组件3上与转动铰链4铰接连接的第一杆件62和连接杆32靠近转动铰链4的一侧通过定位销轴61连接；位于波浪能捕获装置本体2同一侧的横摆组件6和水翼组件3上与转动铰链4铰接连接的第二杆件63和连接杆32靠近转动铰链4的一侧也通过定位销轴61连接，从而能够实现横摆组件6和水翼组件3同时在第一状态和第二状态之间切换。
[0045]
再进一步地，第五隔板26背离迎流板27的一侧设置有限位挡块7，限位挡块7能够对水翼组件3和横摆组件6的折叠运动起到导向作用，并在运动模式下起到固定作用，避免折展机构的晃动对水下航行器的运动造成影响。
[0046]
如图2、图6和图7所示，在发电模式下，步进电机52驱动丝杆51转动，而后由挡板53同时带动两个滑动铰链5沿传动轴9的轴线作直线运动，使得水翼组件3和横摆组件6同时展开，进而将水翼膜31和横摆膜64同时撑开。在波浪的激励力作用下，水翼组件3绕着与之连接的传动轴9的轴线作往复摆动，并由转动铰链4将旋转运动传递给传动轴9。进一步地，传动轴9通过联轴器10将旋转运动传递给变速齿轮箱11，驱动发电电机12发电，为水下航行器供能或储存。
[0047]
另一方面，展开状态下的横摆组件6能够根据波浪的情况被动调整水下航行器本体1的迎浪姿态，当机身未以侧身迎浪时，波浪将在横摆膜64上产生作用力，并为水下航行器本体1提供恢复扭矩，使其侧身迎浪，以此提高整个装置的波浪能捕获效率。
[0048]
在运动模式下，步进电机52驱动丝杆51转动，使得水翼组件3和横摆组件6同时折叠，以此降低整个装置在水下的运动阻力。在折叠过程中，限位挡块7将对水翼组件3和横摆组件6的运动进行导向；在折叠完成后，限位挡块7将对水翼组件3和横摆组件6起到固定作用，避免水翼组件3和横摆组件6在运动过程中产生晃动，进而影响水下航行器的运动。
[0049]
工作原理
[0050]
在发电模式下，步进电机52驱动丝杆51转动，而后由挡板53同时带动两个滑动铰链5沿传动轴9的轴线作直线运动，使得水翼组件3和横摆组件6同时展开，进而将水翼膜31和横摆膜64同时撑开。在波浪得激励力作用下，水翼组件3绕着与之连接的传动轴9的轴线作往复摆动，并由转动铰链4将旋转运动传递给传动轴9；进一步地，传动轴9通过联轴器10
将旋转运动传递给变速齿轮箱11，驱动发电电机12发电，为水下航行器供能或储存；在运动模式下，步进电机52驱动丝杆51转动，使得水翼组件3和横摆组件6同时折叠，以此降低整个装置在水下的运动阻力。在折叠过程中，限位挡块7将对水翼组件3和横摆组件6的运动进行导向；在折叠完成后，限位挡块7将对水翼组件3和横摆组件6起到固定作用，避免水翼组件3和横摆组件6在运动过程中产生晃动，进而影响水下航行器的运动。
[0051]
在本技术的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
[0052]
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本技术的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。