本發(fā)明屬水下航行器領(lǐng)域，具體涉及一種用于水下航行器的水平軸海流發(fā)電裝置。

背景技術(shù)：
水下航行器是一種航行于水下的航行體，包括載人水下航行器和無人水下航行器，它能夠完成水下勘探、偵測甚至是軍事上的進(jìn)攻防守等任務(wù)。水下航行器具有活動(dòng)范圍大、潛水深度深、可進(jìn)入復(fù)雜結(jié)構(gòu)中、不需要龐大水面支持等優(yōu)點(diǎn)，還具有成本和維護(hù)費(fèi)用低、可重復(fù)利用、投放回收方便、續(xù)航能力長等特點(diǎn)。在海洋開發(fā)日益重要的現(xiàn)在，水下航行器越來越得到了各個(gè)國家的重視，無論是在民用還是在軍用上，都扮演著重要的角色。能源對水下航行器的長時(shí)間水下連續(xù)工作和執(zhí)行遠(yuǎn)程任務(wù)能力起著決定性的作用。目前國內(nèi)外的水下航行器主要由機(jī)載電池供電，但體積尺寸、重量限制，水下航行器的使用壽命及作用范圍，無法滿足攜帶大量探測、通訊設(shè)備在水下長時(shí)連續(xù)工作的需求。如果能充分利用海洋中蘊(yùn)藏的能量，解決水下航行器的能源供給問題，將會(huì)是水下航行器能源供給的重大突破。海洋中蘊(yùn)藏著豐富的可再生能源，取之不盡，用之不竭。目前國內(nèi)外海洋能技術(shù)主要出現(xiàn)在商業(yè)領(lǐng)域，商業(yè)發(fā)展以提高發(fā)電效率和功率為研究重點(diǎn)，導(dǎo)致相關(guān)發(fā)電設(shè)備額定功率和尺寸普遍較大，不適合用在水下航行器上。如英國2009年最新研制的“海蛇”海浪發(fā)電裝置，其長度達(dá)到150米。如2003年英國水下渦輪公司建成的Seafow海流能發(fā)電系統(tǒng)，發(fā)電功率為300kW，其葉輪的直徑就達(dá)到11米。為了解決水下航行器能源補(bǔ)給問題，目前國內(nèi)外相關(guān)機(jī)構(gòu)、學(xué)者開展了大量的研究工作，但主要集中在溫差能、太陽能、晃動(dòng)能等環(huán)境能源技術(shù)在水下航行器上的應(yīng)用研究。王延輝，王樹新，謝春剛在天津大學(xué)學(xué)報(bào)2007年02期的《基于溫差能源的水下滑翔器動(dòng)力學(xué)分析與設(shè)計(jì)》一文中公開了溫差能的應(yīng)用，水下航行器主要通過在海洋中進(jìn)行鋸齒運(yùn)動(dòng)，穿越不同的溫度的海水層，利用冷熱交換原理從海洋暖水層和冷水層之間的溫度差中獲取能量，但能量轉(zhuǎn)換效率較低，且對其運(yùn)行軌跡有嚴(yán)格的限制。Komerska,R.J.,ChappellS.G.在2006年OCEANS會(huì)議的《ASimulationEnvironmentforTestingandEvaluatingMultipleCooperatingSolar-poweredUUVs》一文中公開了太陽能的應(yīng)用，通過將水下航行器外形改變成扁平型，在其表面增設(shè)太陽能面板，并在近水面吸收太陽能來獲取能量，雖然能量轉(zhuǎn)換效率較高，但受天氣影響較大，且需要對航行外形進(jìn)行特殊改造，不適合常規(guī)水下發(fā)射裝置進(jìn)行水下發(fā)射。在公開號(hào)為102705139A的發(fā)明創(chuàng)造中，公開了一種回轉(zhuǎn)體水下航行器發(fā)電裝置。該裝置通過海洋擾動(dòng)引起的慣性擺擺動(dòng)和質(zhì)量塊移動(dòng)收集航行器的晃動(dòng)能，但晃動(dòng)能發(fā)電裝置放置在航行器內(nèi)，不與海洋直接接觸，其轉(zhuǎn)化效率低。為此，必須進(jìn)一步深入探索研究水下航行器新型能源技術(shù)。海流能是海水平穩(wěn)且有規(guī)律流動(dòng)的動(dòng)能，海流能具有：有規(guī)律可預(yù)測，幾乎不受天氣的影響；能量密度大；發(fā)電裝置置于海面下，受風(fēng)浪影響小的特點(diǎn)。如果能將航行器所處環(huán)境下的海流收集起來并轉(zhuǎn)換成電能，那么將解決水下航行器的水下能源供給問題，提高其水下工作時(shí)間。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
為克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的能量轉(zhuǎn)換效率較低、運(yùn)行軌跡有嚴(yán)格的限定和不適合常規(guī)水下發(fā)射裝置進(jìn)行水下發(fā)射的不足，本發(fā)明提出了一種用于水下航行器的水平軸海流發(fā)電裝置。本發(fā)明所述的水下航行器包括航行器前段、航行器中段和航行器后段，均為現(xiàn)有技術(shù)。本發(fā)明還包括一個(gè)水平軸海流發(fā)電裝置，并且：a.所述水平軸海流發(fā)電裝置對稱固定安裝在航行器前段與航行器中段之間；所述航行器中段殼體外表面分別均布有三個(gè)凹槽；凹槽的橫截面為弧形，用于收納海流發(fā)電裝置的葉片；b.所述水平軸海流發(fā)電裝置，包括發(fā)電裝置安裝支架、三個(gè)葉片、三套展開機(jī)構(gòu)和發(fā)電機(jī)組成。其中安裝支架由葉輪殼體、前蓋板和后蓋板。所述安裝支架套裝在中心軸上。所述三個(gè)展開機(jī)構(gòu)均勻分布并安裝在所述安裝支架的葉輪殼體圓周上的凹槽內(nèi)，并使位于各展開機(jī)構(gòu)頂端的葉片伸出葉輪殼體之外。所述葉片鉸接在所述前蓋板的耳片上。所述發(fā)電機(jī)安裝在所述中心軸上，所述前蓋板和后蓋板分別位于發(fā)電機(jī)的兩端，并通過軸承安裝在所述中心軸上。所述三個(gè)展開機(jī)構(gòu)均包括連桿、推進(jìn)電機(jī)、滾珠絲杠和絲杠螺母。所述展開機(jī)構(gòu)安裝在所述葉輪殼體圓周表面的凹槽內(nèi)。所述展開機(jī)構(gòu)的連桿一端與絲杠螺母鉸接，另一端與葉片鉸接。所述展開機(jī)構(gòu)的推進(jìn)電機(jī)固定安裝在后蓋板的內(nèi)表面；該推進(jìn)電機(jī)輸出軸表面加工有螺紋，形成展開機(jī)構(gòu)的滾珠絲杠。所述滾珠絲杠的另一端通過軸承安裝在前蓋板上。所述展開機(jī)構(gòu)的絲杠螺母套裝在所述滾珠絲杠上。所述葉輪殼體的兩端分別安裝有前蓋板和后蓋板，在葉輪殼體內(nèi)形成了封閉空間。葉輪殼體的外徑與航行器的外徑相同。葉輪殼體的圓周表面有三個(gè)軸向分布的階梯凹槽，該階梯凹槽的底部用于安放展開機(jī)構(gòu)，該階梯凹槽的上部用于收納葉片。所述發(fā)電機(jī)為嵌入式集成永磁發(fā)電機(jī)，額定電壓為24V，包括永磁體轉(zhuǎn)子和繞組定子。所述永磁體轉(zhuǎn)子中磁極的極對數(shù)為8。該永磁體轉(zhuǎn)子分別與前蓋板和后蓋板固定連接，并與安裝支架中的葉輪殼體、前蓋板、后蓋板以及展開機(jī)構(gòu)一同轉(zhuǎn)動(dòng)。所述繞組定子繞線采用Y形，雙層整距疊繞接法。繞組定子上的并聯(lián)支路數(shù)為1個(gè)，槽數(shù)為48個(gè)，線圈極距為3，線圈節(jié)距為3。所述繞組定子固定安裝在中心軸上。所述中心軸的一端與航行器前段一端端面的中心孔固連，該中心軸的另一端與航行器中段一端端面的中心孔固連。本發(fā)明的目的是解決水下航行器能源補(bǔ)給問題，延長水下工作時(shí)間。由于本發(fā)明采取了上述技術(shù)措施，取得了顯著的效果。當(dāng)水下航行器處于駐留狀態(tài)時(shí)，水下航行器前段與航行器后段的錨鏈投入海底，使航行器水平穩(wěn)定駐留，保持發(fā)電裝置葉輪軸線水平。推進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)，使絲杠螺母沿著滾珠絲杠軸向移動(dòng)，通過連桿推動(dòng)葉片從航行器外側(cè)呈傘骨狀展開，形成水平軸海流發(fā)電裝置。葉片受到海流力矩作用于，葉片、安裝支架、以及發(fā)電機(jī)的永磁體轉(zhuǎn)子一同繞水下航行器縱軸線旋轉(zhuǎn)，使發(fā)電機(jī)的永磁體轉(zhuǎn)子相對于繞組定子做相對運(yùn)動(dòng)，切割磁感線，從而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，從而將海流的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，再將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，供水下航行器使用。此用于回轉(zhuǎn)體水下航行器的水平軸發(fā)電裝置，可控性強(qiáng)、轉(zhuǎn)化效率高，整體外形呈圓柱形，結(jié)構(gòu)緊湊，可作為單獨(dú)模塊直接裝載回轉(zhuǎn)體型水下航行器上；本裝置將海流動(dòng)能轉(zhuǎn)化為供水下航行器使用的電能，從根本上解決了水下航行器的能源供給問題。附圖說明圖1是本發(fā)明的展開機(jī)構(gòu)收起后的結(jié)構(gòu)示意圖，圖2是本發(fā)明的展開機(jī)構(gòu)打開后的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是有水平軸海流發(fā)電裝置的航行器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是海流發(fā)電裝置與航行器配合的示意圖，其中4a是軸測圖，4b是4a的放大圖，4c是4a的剖視圖；圖5是海流發(fā)電裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，其中5a是俯視圖；5b是軸測圖，5c是5b的放大圖；圖6是海流發(fā)電裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖，其中6a是軸測圖，6b是6a的放大圖，6c是6b的剖視圖；圖7是傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖，其中7a是軸測圖，7b是7a的仰視圖；圖8是前蓋板的結(jié)構(gòu)示意圖；圖9是后蓋板的結(jié)構(gòu)示意圖；圖10是葉輪殼體的結(jié)構(gòu)示意圖；圖11是葉片的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中：1.航行器前段；2.水平軸海流發(fā)電裝置；3.凹槽；4.航行器中段；5.航行器后段；6.鰭舵；7.錨鏈；8.葉片；9.前蓋板；10.中心軸；11.葉輪殼體；12.發(fā)電機(jī)；13.后蓋板；14.推進(jìn)電機(jī)；15.滾珠絲杠；16.絲杠螺母；17.連桿；18.繞組定子；19.永磁體轉(zhuǎn)子；20.軸承。具體實(shí)施方式本實(shí)施例是一種用于回轉(zhuǎn)體水下航行器的水平軸海流發(fā)電裝置。本實(shí)施例安裝在水下航行器上，所述水下航行器采用現(xiàn)有技術(shù)，包括航行器前段1、航行器中段4、航行器后段5、鰭舵6和錨鏈7。航行器前段1、航行器中段4、航行器后段5均為回轉(zhuǎn)體。在所述航行器前段1與航行器中段4之間安裝有水平軸海流發(fā)電裝置2，在所述航行器前段1與航行器中段4之間通過中心軸10采用螺母同軸固連。所述航行器中段4殼體外表面分別均布有三個(gè)凹槽3，相鄰凹槽3之間間隔120°。凹槽3的橫截面為矩形，用于收納葉片8，凹槽3長寬略大于葉片8的長寬，使葉片8能夠貼合與殼體外徑范圍內(nèi)，以減小航行器所受阻力。在航行器前段1和航行器后段5設(shè)有錨鏈7，航行器駐留時(shí)投放錨鏈7，使航行器能夠水平駐留并保持穩(wěn)定，并使水平軸海流發(fā)電裝置葉輪軸線保持水平。所述水平軸海流發(fā)電裝置2，主要由發(fā)電裝置安裝支架、三個(gè)葉片8、三套展開機(jī)構(gòu)和發(fā)電機(jī)12組成。其中安裝支架由葉輪殼體11、前蓋板9和后蓋板13組成。所述安裝支架位于航行器前段1和航行器中段4之間，通過軸承20套裝在中心軸10上，并能夠繞所述中心軸10旋轉(zhuǎn)。所述三個(gè)展開機(jī)構(gòu)均勻分布并安裝在所述安裝支架的葉輪殼體11圓周上的凹槽內(nèi)，并使位于各展開機(jī)構(gòu)頂端的葉片8伸出葉輪殼體11之外。所述葉片8通過銷軸鉸接在所述前蓋板9的耳片上。所述中心軸10的一端裝入航行器前段1一端端面的中心孔內(nèi)，該中心軸10的另一端裝入航行器中段4一端端面的中心孔內(nèi)。在所述中心軸10的兩端分別套裝固定螺母，從而將所述航行器前段1和航行器中段4固連。所述發(fā)電機(jī)12安裝在所述中心軸10上，所述前蓋板9和后蓋板13分別位于發(fā)電機(jī)12的兩端，并通過軸承20安裝在所述中心軸10上。所述三個(gè)展開機(jī)構(gòu)均包括連桿17、推進(jìn)電機(jī)14、滾珠絲杠15和絲杠螺母16組成。所述展開機(jī)構(gòu)安裝在所述葉輪殼體11的圓周上的凹槽內(nèi)。所述展開機(jī)構(gòu)的連桿17一端通過銷軸鉸接在絲杠螺母16上，另一端通過銷軸鉸接在葉片8的耳片上。所述展開機(jī)構(gòu)的推進(jìn)電機(jī)14采用現(xiàn)有技術(shù)中的直線步進(jìn)電機(jī)，固定安裝在后蓋板13的內(nèi)表面，該推進(jìn)電機(jī)輸出軸表面加工有螺紋，形成展開機(jī)構(gòu)的滾珠絲杠15。所述滾珠絲杠15的另一端通過軸承安裝在前蓋板9上。所述展開機(jī)構(gòu)的絲杠螺母16套裝在所述滾珠絲杠15上。所述絲杠螺母16由螺紋套筒和安裝筋板組成。在所述安裝筋板上有一通孔，通過銷軸與連桿17鉸接。所述安裝支架中的葉輪殼體11為圓筒形，在該葉輪殼體的兩端分別安裝有前蓋板9和后蓋板13，在葉輪殼體內(nèi)形成了封閉空間。葉輪殼體11的外徑與航行器的外徑相同。各展開機(jī)構(gòu)所處的葉輪殼體11的圓周表面有三個(gè)軸向分布的階梯凹槽，該階梯凹槽的槽底為U形，形成用于安放展開機(jī)構(gòu)的空間；該階梯凹槽的上部為弧形，與航行器中段4上的凹槽3的截面形狀相同，并與航行器各段上的凹槽3共同組成了各葉片8的收納槽；所述收納槽的外形尺寸與葉片8的橫截面尺寸相適應(yīng)，當(dāng)各葉片8收回時(shí)，嵌入該收納槽中。所述收納槽長度方向中心線與葉輪殼體11的中心線平行。所述前蓋板9為圓環(huán)形薄板，在所述前蓋板9表面的外緣均布有螺紋孔，其作用為密封葉輪殼體11。在所述前蓋板9的中心有安裝滾珠絲杠15的通孔。在所述前蓋板9的一端面外緣均布有三個(gè)耳片，通過銷軸將葉片8鉸接在該耳片上。所述前蓋板9通過軸承20套裝在中心軸10上。所述后蓋板13為圓環(huán)形薄板，在所述后蓋板13表面的外緣均布有螺紋孔，其作用為密封葉輪殼體11，所述后蓋板13上固定安裝有推進(jìn)電機(jī)14。同時(shí)后蓋板13圓周有與收納槽相同的豁口。所述后蓋板13通過軸承20套裝在中心軸10上。所述葉片8采用NACA翼型。所述葉片8的根部通過銷軸與前蓋板9上的耳片鉸接。葉片8靠近根部的葉面上固定連接一耳片，通過銷軸與連桿17鉸接。在展開機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)作用下葉片8將呈傘骨狀展開。所述發(fā)電機(jī)12為嵌入式集成永磁發(fā)電機(jī)，額定電壓為24V，由永磁體轉(zhuǎn)子19、繞組定子18組成。所述永磁體轉(zhuǎn)子19中磁極采用NdFeB33UH磁鋼，極對數(shù)為8。該永磁體轉(zhuǎn)子19通過端面的螺紋孔分別有前蓋板9和后蓋板13固定安裝，可與安裝支架中的葉輪殼體11、前蓋板9、后蓋板13以及展開機(jī)構(gòu)一同轉(zhuǎn)動(dòng)。所述繞組定子18繞線采用Y形，雙層整距疊繞接法。繞組定子18上的并聯(lián)支路數(shù)為1個(gè)，槽數(shù)為48個(gè)，線圈極距為3，線圈節(jié)距為3。繞組定子18上的電樞沖片采用35W310材料。所述繞組定子18固定安裝在中心軸10上。當(dāng)永磁體轉(zhuǎn)子19隨發(fā)電裝置支架一同轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，切割繞組定子18，從而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢。工作時(shí)，當(dāng)水下航行器處于駐留狀態(tài)時(shí)，水下航行器前段1與航行器后段5的錨鏈7投入海底，使航行器水平穩(wěn)定駐留，保持發(fā)電裝置葉輪軸線水平。推進(jìn)電機(jī)14帶動(dòng)滾珠絲杠15旋轉(zhuǎn)，使絲杠螺母16沿著滾珠15絲杠軸向移動(dòng)，通過連桿17推動(dòng)葉片8從航行器外側(cè)呈傘骨狀展開，形成水平軸海流發(fā)電裝置。葉片8受到海流力矩作用于，葉片8、安裝支架、以及發(fā)電機(jī)12的永磁體轉(zhuǎn)子19一同繞水下航行器縱軸線旋轉(zhuǎn)，使發(fā)電機(jī)12的永磁體轉(zhuǎn)子19相對于繞組定子18做相對運(yùn)動(dòng)，切割磁感線，從而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，從而將海流的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，再將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，供水下航行器使用。