一种内置泵喷式水下航行器

1.本发明涉及水下航行器的技术领域，特别是涉及一种内置泵喷式水下航行器。


背景技术：

2.无人水下航行体(uuv)作为完成多种水下任务的重要工具，无论在军事还是科研领域都有广阔的应用前景。推进器是航行体的主要动力源，其效率和水动力噪声对整机性能和隐蔽性至关重要。由于推进效率高、抗空泡能力强、辐射噪声小等优点，轴流式泵喷推进器被广泛应用各种类型的水下航行体。水下航行体常存在航速跨度比较大的工作情况，譬如勘探工作状态5节航速(运行时间久)、航行工作状态9节航速、应急状态15节航速。一般通过调节推进器转速来实现航行体变工况运行的需要，由于水下航行体上由前至后的设置有很长的流道，推进器过高的转速会带来空化、噪声大等问题，使传统的泵喷推进方法不能兼顾提速快和低噪声设计要求。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种内置泵喷式水下航行器，以解决上述现有技术存在的问题，使航行器的推力极限值能够瞬间增大，且噪声降低。
4.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
5.本发明提供了一种内置泵喷式水下航行器，包括机壳及设置于所述机壳头部的存储仓和设置于所述机壳尾部的主推进机构，所述存储仓内存储有探测设备和蓄电池组，所述主推进机构的前端与所述存储仓的尾部之间设置有进水口、后端设置有喷水口，所述主推进机构内部设置有泵喷式推进器，水流由所述进水口进入，贯穿所述主推进机构后由喷水口喷出。
6.优选的，所述主推进机构包括整流通道和所述泵喷式推进器，所述整流通道呈漏斗型，所述泵喷式推进器固定于所述整流通道的内壁上。
7.优选的，所述泵喷式推进器包括电机、叶轮、导流锥和后置导叶，所述电机的转轴连接所述叶轮、壳体连接有所述导流锥，所述壳体的前端与所述存储仓固定连接、后端通过后置导叶与所述主推进机构的内壁连接。
8.优选的，所述电机转轴的两端分别设置有一轴承；所述电机为变频电机，所述电机的频率为20hz-100hz、转速为400r/min-1450r/min。
9.优选的，所述整流通道为有夹腔的双层壳体，所述整流通道的内壁包括圆滑连接的平直段和锥形段，所述锥形段的尺寸逐渐缩小且位于出水端。
10.优选的，所述夹腔内设置有至少一个应急加速器，所述应急加速器包括药剂箱、排液管和电磁阀，所述药剂箱上设置有所述排液管，所述排液管上设置有所述电磁阀，所述药剂箱内设置有湍流减阻药剂。
11.优选的，所述药剂箱内设置有一活塞板，所述活塞板的一侧设置有所述湍流减阻药剂的药剂腔、另一侧设置有进水腔，所述进水腔上设置有进水孔，所述进水孔与所述整流
通道连通且位于所述导流锥的附近。
12.优选的，所述湍流减阻药剂为聚氧化乙烯，所述电磁阀打开后使所述整流通道内的湍流减阻药剂浓度控制在75mg/l-100mg/l；所述排液管的出口位于所述叶轮的上游位置，且与所述叶轮的距离不大于所述叶轮的叶片翼型弦长的1/3。
13.优选的，所述整流通道的外壁上对称设置有一对辅助推进器，所述辅助推进器与所述机壳尾部的距离不超过所述机壳总长度的1/6。
14.优选的，所述机壳上对称设置有两个所述进水口，所述主推进机构与所述存储仓之间圆滑连接。
15.本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
16.本发明是一种新型组合式推进方法和推进器结构，航行体侧面进水方式使得整体阻力有所降低，内置泵喷结构使系统，具有噪声小、重量轻、航行体到达航速极限后还可短时间内大幅度增大推力等优点，完全适用于发现目标进行追踪或遇敌逃逸等一些特殊场合的使用。
附图说明
17.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
18.图1为本发明实施例中内置泵喷式水下航行器的结构示意图；
19.图2为本发明实施例中机壳的结构示意图；
20.图3为本发明实施例中中药剂箱的局部结构示意图；
21.其中：1-存储仓，2-进水口，3-电磁阀，4-排液管，5-药剂箱，6-活塞板，7-进水孔，8-辅助推进器，9-整流通道，10-锥形段，11-平直段，12-电机，13-导流锥，14-后置导叶，15-叶轮，16-轴承，17-机壳。
具体实施方式
22.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
23.本发明的目的是提供一种内置泵喷式水下航行器，以解决现有技术存在的问题，使航行器的推力极限值能够瞬间增大，且噪声降低。
24.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
25.如图1至图3所示：本实施例提供了一种内置泵喷式水下航行器，包括机壳17及设置于机壳17头部的存储仓1和设置于机壳17尾部的主推进机构，存储仓1内存储有探测设备和蓄电池组，主推进机构的前端与存储仓1的尾部之间设置有进水口2、后端设置有喷水口，主推进机构内部设置有泵喷式推进器(主推进器)，内置泵喷结构使系统具有噪声小的优
点，水流由进水口2进入，贯穿主推进机构后由喷水口喷出。本实施例相当于在航行体侧面设置进水口2，一方面缩短了内流道长度，从而减小了阻力，另一方面也使航行体内腔容积增大，可容纳更多设备。
26.具体的，本实施例中主推进机构包括整流通道9和泵喷式推进器，整流通道9呈漏斗型，具有整流管作用，泵喷式推进器固定于整流通道9的内壁上，采用了内置泵喷结构来减小噪声。泵喷式推进器包括电机12、叶轮15、导流锥13和后置导叶14，电机12的转轴两端分别设置有一轴承16，电机12的转轴连接叶轮15、壳体连接有导流锥13，电机12壳体的前端与存储仓1固定连接、后端通过后置导叶14与主推进机构的内壁连接，其中后置导叶14使用的是翼型结构，后置导叶是直接与整流通道内壁面相连的，作用有两个，一是可使水流尽可能沿轴向运动，可减少漩涡区的产生，改善流态；二是起固定架作用，支撑起流道内部的推进系统。电机12为变频电机，电机12的频率为20hz-100hz、转速为400r/min-1450r/min，电机12的动力线沿电机定子外壁布置，并作防水密封处理。本实施例的机壳上对称设置有两个进水口，主推进机构与存储仓之间圆滑连接，形成两个类椭圆形的进水口，相当于航行体侧面布置的两个进水口2，有效缩短水流通道的长度，减小了动力损失，使得整体阻力有所降低，叶轮15通过固定螺栓与电机12转轴的轴肩定位，防止其轴向窜动。其中，航行体的机壳17平均厚度35mm，可承受水下3000m-4500m的压强。
27.具体的，本实施例中整流通道9为有夹腔的双层壳体，整流通道9掏空设置，在保证强度的基础上缩小了壁厚，进一步节省了空间，也可以减轻整体重量，整流通道9的内壁包括圆滑连接的平直段11和锥形段10，锥形段10的尺寸逐渐缩小且位于出水端，形成一个整流通道9。夹腔内设置有至少一个应急加速器，应急加速器包括药剂箱5、排液管4和电磁阀3，药剂箱5上设置有排液管4，排液管4上设置有电磁阀3，药剂箱5内设置有湍流减阻药剂。药剂箱5内设置有一活塞板6，活塞板6的一侧设置有湍流减阻药剂的药剂腔、另一侧设置有进水腔，进水腔上设置有进水孔7，进水孔7连通整流通道9，进水孔7通过一流道与整流通道连通且位于导流锥13的附近，当主推进器运行时，后置导叶14的区域会产生较高的流体压力，可通过水压推动活塞板6挤出药液。湍流减阻药剂为聚氧化乙烯，电磁阀3打开后使整流通道内的湍流减阻药剂浓度控制在75mg/l-100mg/l，该湍流减阻剂为一种水溶性非牛顿流体，溶解速率快、无污染。聚氧化乙烯可通过电磁阀3调节开度来控制其排出量，其开度与排量关系满足下式：
28.q/q
max
＝(1/r)[1+(r-1)l/l
max
]
[0029]
q为排量；l为阀门开度；r为可调比，既电磁阀3能控制的最大与最小流量之比。其中整流通道内海水的流量可根据实时航速计算出一个大概的数据，通过调节电磁阀3的开度将整流通道内聚氧化乙烯浓度控制在75mg/l-100mg/l之间，在此浓度范围内减阻效果最佳。
[0030]
其中，活塞板6前侧为药剂腔、后侧始终为高压流体(海水)，为保证高压流体可以有效推动活塞板6，进水孔7的面积不得小于进水腔后板面积的1/8。当航行器需要瞬时加速时，可通过电磁阀3打开排液管4，其内部的聚氧化乙烯与水流混合，可有效改变通过整流通道内流体的粘度，从而使流动阻力大大减小，可使得瞬时速度迅速增加；当加速结束后，通过电磁阀3关闭排液管4，推进器最终可恢复到之前的航速。
[0031]
排液管4的出口位于叶轮15的上游位置，且排液管4的出口与叶轮15的距离不大于
叶轮15的叶片翼型弦长的1/3，可保证混合后的流体可迅速进入叶轮15实现减阻、加速功能。本实施例中通过释放舱体内存储的聚氧化乙烯与海水混合后的湍流产生减阻效应，使航行体的推力极限值能够瞬间增大，实现航行体应急状态下提高航速的需求，并且由于推进器安装在航体内部，噪声也会显著降低。本实施例中利用了非牛顿流体湍流减阻效应，在整流管上安装盛有聚氧化乙烯的药剂箱5，使用阀门控制开度，聚氧化乙烯注入整流通道9中与海水混合后，可使海水粘性减小、阻力降低，从而相同时间内流过泵喷的流量变大，产生的反作用力增大，推力增大；采用收缩型出口，使海水经出口挤压进一步提速，可产生更大的推力。本实施例中盛有聚氧化乙烯的药剂箱5安装在整流通道9的上方，充分利用了航行体内部空间，使结构更为紧凑。
[0032]
整流通道9的外壁上对称设置有一对辅助推进器8，辅助推进器8分布于航行器前进方向的左右两侧，辅助推进器8与机壳17尾部的距离不超过机壳17总长度的1/6，本实施例中的辅助推进器8为本领域常规的推进器结构，此处不再赘述，在航行工作状态(9节航速)时，两个辅助推进器8可协助主推进器共同运行。
[0033]
本实施例的水下航行系统在正常巡航时的航速为5kn，在此航速下系统阻力为490n。在航行状态(9节航速)下阻力为800n；而在应急状态(15节航速)时阻力为1250n，加入聚氧化乙烯后，减阻百分比计算如下：
[0034][0035]
dr——减阻率；
[0036]
δp0——流体没有添加减阻剂时的基本摩阻压降(mpa)；
[0037]
δp
dr
——添加减阻剂后的摩阻压降(mpa)。
[0038]
增输率的计算公式如下：
[0039][0040]
当进水管直径为7.8mm时，加入50mg/l聚氧化乙烯水溶液其减阻率为63.5％。喷水推进器的推力值可以用流经推进器的流体在单位时间内的动量增量来表示，当推进器转速为1000r/min，流量为14kg/s时，由：
[0041]
t＝ρq(v
j-vs)
ꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0042]
可算得使用减阻剂后推力可增大70％，即短时间内航速可增大到15kn。
[0043]
本实施例的内置泵喷式水下航行器，海水由侧面喇叭形的进水口2流入航行体尾部的主推进机构中，在整流通道9中汇集进入叶轮15，经叶轮15加速后由缩型出口排出。期间，可根据速度需求打开药剂箱5上阀门，流放聚氧化乙烯药剂，由于聚氧化乙烯的湍流减阻作用，在其与海水混合后使整体粘性降低，阻力减小，相同时间内流入泵推的流体增多从而达到短时间大幅度增大推力的目的。本实施例基于非牛顿流体湍流减阻原理，可通过泵喷推进系统在短时间内实现提速，新型推进方法可短时间内突破推进器叶轮15设计极限继续增加推进器的推力、提高航速，满足极端应急状态航行的需要，减小了系统噪声及重量，并且不影响平时正常航速巡航时的使用，解决了传统单泵喷推进器不能兼顾大航速范围uuv航行的问题。
[0044]
本实施例在靠近机壳尾部外侧对称分布着两个辅助小推进器，在勘探工作状态(5节航速)时，由主推进器提供动力；在航行工作状态(9节航速)时，两个辅助推进器协助主推进器共同运行；而在应急状态(15节航速)时，通过药剂箱内释放的聚氧化乙烯，改变舱体内部的湍流结构，使流动阻力大大减小，加上三个推进器提供的动力，从而实现不提高推进器转速的情况下短时间内迅速增大推力提高航行体航速的目的，在所有的推进器共同工作的基础上，释放舱体内的聚氧化乙烯从而提供大推力。本实施例是一种新型组合式推进方法和推进器结构，内置泵喷结构使系统具有噪声小的优点，采用聚氧化乙烯湍流减阻效应使航行体到达航速极限后还可短时间内大幅度增大推力，航行体侧面进水方式缩短了流道减小了损失使得整体阻力有所降低，完全适用于发现目标进行追踪或遇敌逃逸等一些特殊场合的使用。
[0045]
本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

技术特征：
1.一种内置泵喷式水下航行器，其特征在于：包括机壳及设置于所述机壳头部的存储仓和设置于所述机壳尾部的主推进机构，所述存储仓内存储有探测设备和蓄电池组，所述主推进机构的前端与所述存储仓的尾部之间设置有进水口、后端设置有喷水口，所述主推进机构内部设置有泵喷式推进器，水流由所述进水口进入，贯穿所述主推进机构后由喷水口喷出。2.根据权利要求1所述的内置泵喷式水下航行器，其特征在于：所述主推进机构包括整流通道和所述泵喷式推进器，所述整流通道呈漏斗型，所述泵喷式推进器固定于所述整流通道的内壁上。3.根据权利要求2所述的内置泵喷式水下航行器，其特征在于：所述泵喷式推进器包括电机、叶轮、导流锥和后置导叶，所述电机的转轴连接所述叶轮、壳体连接有所述导流锥，所述壳体的前端与所述存储仓固定连接、后端通过后置导叶与所述主推进机构的内壁连接。4.根据权利要求3所述的内置泵喷式水下航行器，其特征在于：所述电机转轴的两端分别设置有一轴承；所述电机为变频电机，所述电机的频率为20hz-100hz、转速为400r/min-1450r/min。5.根据权利要求3所述的内置泵喷式水下航行器，其特征在于：所述整流通道为有夹腔的双层壳体，所述整流通道的内壁包括圆滑连接的平直段和锥形段，所述锥形段的尺寸逐渐缩小且位于出水端。6.根据权利要求5所述的内置泵喷式水下航行器，其特征在于：所述夹腔内设置有至少一个应急加速器，所述应急加速器包括药剂箱、排液管和电磁阀，所述药剂箱上设置有所述排液管，所述排液管上设置有所述电磁阀，所述药剂箱内设置有湍流减阻药剂。7.根据权利要求6所述的内置泵喷式水下航行器，其特征在于：所述药剂箱内设置有一活塞板，所述活塞板的一侧设置有所述湍流减阻药剂的药剂腔、另一侧设置有进水腔，所述进水腔上设置有进水孔，所述进水孔与所述整流通道连通且位于所述导流锥的附近。8.根据权利要求6所述的内置泵喷式水下航行器，其特征在于：所述湍流减阻药剂为聚氧化乙烯，所述电磁阀打开后使所述整流通道内的湍流减阻药剂浓度控制在75mg/l-100mg/l；所述排液管的出口位于所述叶轮的上游位置，且与所述叶轮的距离不大于所述叶轮的叶片翼型弦长的1/3。9.根据权利要求2所述的内置泵喷式水下航行器，其特征在于：所述整流通道的外壁上对称设置有一对辅助推进器，所述辅助推进器与所述机壳尾部的距离不超过所述机壳总长度的1/6。10.根据权利要求1所述的内置泵喷式水下航行器，其特征在于：所述机壳上对称设置有两个所述进水口，所述主推进机构与所述存储仓之间圆滑连接。

技术总结
本发明公开了一种内置泵喷式水下航行器，包括机壳及设置于机壳头部的存储仓和设置于机壳尾部的主推进机构，存储仓内存储有探测设备和蓄电池组，主推进机构的前端与存储仓的尾部之间设置有进水口、后端设置有喷水口，主推进机构内部设置有泵喷式推进器，水流由进水口进入，贯穿主推进机构后由喷水口喷出，靠近尾部机壳位置对称布置了两个辅助小推进器。本发明是一种新型组合式推进方法和推进器结构，内置泵喷结构使系统噪声小，采用聚氧化乙烯湍流减阻效应使航行体到达航速极限后，还可短时间内大幅度增大推力，航行体侧面进水方式缩短了流道，使得整体阻力有所降低，完全适用于发现目标进行追踪或遇敌逃逸等一些特殊场合的使用。用。用。


技术研发人员：司乔瑞 刘金凤 姬培锋 王鹏 孙陆阳 田鼎 卢雨
受保护的技术使用者：江苏大学
技术研发日：2023.09.05
技术公布日：2023/10/20