一种仿生活塞驱动喷射推进器

1.本实用新型属于舰艇推进器相关技术领域，更具体地，涉及一种仿生活塞驱动喷射推进器。


背景技术：

2.随着水下探测技术的发展，各种水下航行器的隐身性能要求越来越高，减振降噪已经成为了重要的发展领域和研究发展方向。在舰艇的推进器中，螺旋桨是应用最为广泛的设备，但其传动过程中的传动轴扭转会产生振动。目前水下航行器大多采用旋转电机通过传动系统来驱动螺旋桨，但现如今直线电机的技术发展迅速，可以实现对活塞的直接驱动，相较于旋转电机通过传动系统来驱动螺旋桨，其具体如下优势：1)没有机械接触，传动力是在气隙中产生的，除了直线电机导轨以外没有其它的摩擦；2)结构简单体积小，通过较少的零部件数量即可实现直线驱动，而且仅仅是只存在一个运动的部件；3)运行的行程在理论上是不受任何限制的，而且其性能不会因为其行程的大小改变而受到影响；4)其运转可以提供很宽的转速运动范围，其涵盖包括从每秒几微米到数米；5)加速度很大，峰值可达10g；6) 除了起支撑作用的直线导轨或气浮轴承外，没有其他机械连接或转换装置，因此运动平稳；7)消除了影响精度的中间环节，系统的精度取决于位置检测元件，位置检测元件的精度可达亚微米级，精度和重复精度高；8)由于部件少、运动时无机械接触，从而大大降低了零部件的磨损，只需很少甚至无需维护，使用寿命更长。因此设计一种能够由直线电机驱动的、利用活塞代替螺旋桨的喷射推进器具有重大的意义。


技术实现要素：

3.针对现有技术的缺陷，本实用新型的目的在于提供了一种仿生活塞驱动喷射推进器，采用直线电机实现呼吸式仿生推进，极大了降低了推进噪声，具有重要的应用价值。
4.为实现上述目的，本实用新型提供了一种仿生活塞驱动喷射推进器，所述推进器包括：缸体，所述缸体的内部设有活塞通道，所述缸体的表面依次设有贯通的四组流道，每组流道均匀布置于所述缸体的周向，其中，两组流道为进水流道，另外两组流道为出水流道，进水流道和出水流道相邻布置；活塞，所述活塞的运动区域在第二组流道和第三组流道之间；直线电机，所述直线电机设于所述缸体与待推进装置连接的连接端，并与所述活塞的端部连接。
5.优选地，所述四组流道沿推进方向依次为第一流道、第二流道、第三流道以及第四流道，其中，所述第一流道和第三流道为进水流道，所述第二流道和第四流道为出水流道。
6.优选地，所述第一流道、第三流道以及第四流道内设有单向阀。
7.优选地，所述第一流道和第三流道的进水流道处设有刀栅。
8.优选地，所述第一流道、第二流道和第三流道为圆弧形，其中，其一流道和第二流道弯曲方向相背，所述第二流道和第三流道弯曲方向相对。
9.优选地，所述第四流道设于所述缸体的尾部。
10.优选地，所述第一流道、第二流道、第三流道和第四流道的横截面积相等。
11.优选地，所述推进器还包括密封装置，所述密封装置设于所述第一流道和直线电机之间，所述活塞的杆部穿过所述密封装置与所述直线电机连接。
12.优选地，所述缸体的外形为流线型。
13.通过本实用新型所构思的以上技术方案，与现有技术相比具有如下有益效果：
14.1.相比于传统的螺旋将推进系统，减少了电机与推进器之间的传动装置，消去了传动轴的扭振振动，降低了噪声，增强了隐身性能，同时减轻了重量，降低了结构的复杂程度，减轻了能源消耗并降低了制造和维护成本；
15.2.利用活塞直线往复运动，实现吸水和出水驱动，属于内部驱动，消除了外部噪声，并且避开了与水生物缠绕的风险，更加平稳；
16.3.第一流道和第三流道的进水流道处设有刀栅，防止吸入的水下生物等阻塞出水流道。
17.4.第一流道、第二流道和第三流道为圆弧形符合流体的流线要求，运行更加平稳。
附图说明
18.图1是仿生活塞驱动喷射推进器的结构示意图；
19.图2是仿生活塞驱动喷射推进器向左运动时的状态示意图；
20.图3是仿生活塞驱动喷射推进器向右运动时的状态示意图。
21.在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
22.1-第一流道；2-第二流道；3-第三流道；4-第四流道；5-直线电机；6
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活塞；7-密封装置；8-缸体。
具体实施方式
23.为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
24.请参阅图1，本实用新型提供了一种仿生活塞驱动喷射推进器，所述推进器包括缸体8、活塞6、直线电机5以及密封装置7。
25.缸体8的内部设有活塞通道，所述缸体8的表面依次设有贯通的四组流道，每组流道均匀布置于所述缸体8的周向，其中，两组流道为进水流道，另外两组流道为出水流道，进水流道和出水流道相邻布置，也即两组进水流道之间间隔布置，两组出水流道之间间隔布置。所述缸体8的外形为流线型，例如渐缩喇叭形。
26.进一步优选的，所述四组流道沿推进方向依次为第一流道1、第二流道 2、第三流道3以及第四流道4，其中，所述第一流道1和第三流道3为进水流道，所述第二流道2和第四流道4为出水流道。
27.活塞6设于所述活塞通道内，所述活塞的运动区域在第二组流道和第三组流道之间，也即第二流道2和第三流道3之间。
28.进一步优选的，所述第一流道1、第三流道3以及第四流道4内设有单向阀，用于控制流体的流向。
29.所述第一流道1和第三流道3的进水流道处设有刀栅，用于防止吸入的水下生物等阻塞出水流道。
30.进一步优选的，所述第一流道1、第二流道2和第三流道3为圆弧形，其中，其中第一流道1和第二流道2弯曲方向相背，所述第二流道2和第三流道3弯曲方向相对。所述第一流道1的弯曲方向与推进方向相背。
31.进一步优选的，所述第四流道4设于所述缸体8的尾部。
32.进一步优选的，所述第一流道1、第二流道2、第三流道3和第四流道 4的横截面积相等。
33.直线电机5，所述直线电机5设于所述缸体8与待推进装置连接的连接端，并与所述活塞的端部连接。
34.所述密封装置7设于所述第一流道1和直线电机5之间，所述活塞的杆部穿过所述密封装置与所述直线电机连接，以避免流体流进直线电机舱室。还可以设置限位装置实现对活塞运动的限位，使活塞在第二流道和第三流道之间运动。
35.如图2所示，当直线电机带动活塞向左运动时，活塞左侧缸体内的容积变小、压力变大，缸体内的水受到挤压，通过第二流道向外流出，同时活塞右侧缸体容积变大，压力减小，第三流道的单向进水阀打开，水通过第三流道被吸进缸体。
36.此过程中推进器获得的推力计算方法为：
37.设缸体横截面积为s，第一流道、第二流道、第三流道和第四流道的横截面积分别为s1、s2、s3和s4，且s1＝s2＝s3＝s4，活塞运动速度为v。
38.由于第二流道和第三流道关于轴线成对称分布，故其所得合力沿轴方向，无其他方向分量。
39.第二流道中水流速度大小为：
40.第二流道中水流量大小：q2＝s
2v2
；
41.由第三流道中水流量q3＝q2及s3＝s2，故第三流道中水流速度大小为 v3＝v2。
42.第二流道喷水所获得轴向的总推力大小为：f2＝ρq2cosθ
2v2
，其中，θ2为第二流道出口处横截面外法线与推进器轴线夹角。
43.第三流道喷水所获得轴向总推力大小为：f3＝ρq3cosθ
3v3
，其中，θ3为第三流道入口处横截面外法线与推进器轴线夹角。
44.此时推进器获得的总推力大小为：f＝f2 f3。
45.如图3所示，当直线电机带动活塞向右运动时，活塞右侧缸体内的容积变小、压力变大、缸体内的水受到挤压，第四流道的单向出水阀打开，水通过第四流道喷出，同时活塞左侧缸体容积变大，压力减小，水通过第一流道被吸进缸体，第二流道无单向阀，但此过程中第二流道吸水可以忽略。
46.此过程中推进器获得的推力计算方法为：
47.第一流道中水流速度大小为：
48.第一流道中水流量大小为：q1＝s
1v1
；
49.第四流道中水流速度大小为：
50.第四流道中水流量大小为：q4＝q1＝q；
51.第一流道吸水所获得轴向的总推力大小为：f1＝ρq1cosθ
1v1
，其中，θ1为第一流道入口处横截面外法线与推进器轴线夹角。
52.第四流道喷水所获得的轴向总推力大小为：f4＝ρq4cosθ
4v4
，其中，θ4为第四流道出口处横截面外法线与推进器轴线夹角。
53.此时，推进器获得的总推力大小为：f＝f1 f4。
54.如上所述通过直线电机带动活塞不断的进行往复运动，推进器将处于不间断的向后喷水的状态，即可持续获得向前的推力。
55.本技术中的推进器尤其适用于水下船体或舰艇的推进。
56.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。