本發(fā)明涉及船舶推進(jìn)技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種具有高推進(jìn)效率的船舶鯨尾輪推進(jìn)器。

背景技術(shù)：

當(dāng)前，國家大力推行節(jié)能減排政策，而在船舶行業(yè)，提高推進(jìn)器推進(jìn)效率是節(jié)能減排的一項(xiàng)重要措施。傳統(tǒng)的螺旋槳推進(jìn)器的推進(jìn)效率一般不超過65％，對于螺旋槳推進(jìn)器推進(jìn)效率方面的研究已相當(dāng)成熟，要在短時(shí)間內(nèi)再大幅提升不太現(xiàn)實(shí)。而鯨尾輪推進(jìn)器是一種仿生鯨魚尾擺動產(chǎn)生推力的滾筒式擺線推進(jìn)器，具有推進(jìn)效率高的特點(diǎn)，其推進(jìn)效率理論上可達(dá)80％以上，適用于長寬比較低的中低速船舶。

基于上述背景，申請人提出了一種具有高推進(jìn)效率的船舶鯨尾輪推進(jìn)器，該推進(jìn)裝置可根據(jù)不同工況調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)圓盤10的轉(zhuǎn)速和葉片8的擺動規(guī)律，達(dá)到較高的推進(jìn)效率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：提供一種具有高推進(jìn)效率的船舶鯨尾輪推進(jìn)器的運(yùn)動控制算法、控制系統(tǒng)和控制電路，最大程度地提高該推進(jìn)器的推進(jìn)效率。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題采用以下的技術(shù)方案：

本發(fā)明提供的具有高推進(jìn)效率的船舶鯨尾輪推進(jìn)器，主要由推進(jìn)器及控制系統(tǒng)組成，所述推進(jìn)器懸掛于船舶底部，可在水平方向0～360度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動，提供不同方向的水平推力；所述控制系統(tǒng)安裝在船艙內(nèi)部和推進(jìn)器主體機(jī)構(gòu)內(nèi)，通過信號線連接在一起，控制葉片擺動、旋轉(zhuǎn)圓盤轉(zhuǎn)動和推進(jìn)器左右轉(zhuǎn)向運(yùn)動。

所述的推進(jìn)器導(dǎo)流罩，包括前導(dǎo)流罩和后導(dǎo)流罩，兩者均通過螺栓固定于上殼體和下殼體上，可以較好地改善推進(jìn)器周圍的流場特點(diǎn)，減小推進(jìn)器前進(jìn)時(shí)的水阻力。

所述的葉片，有10片，均為特定翼型結(jié)構(gòu)，左右對稱布置在推進(jìn)器兩側(cè)；所述特定翼型結(jié)構(gòu)是指naca0012。

所述的控制系統(tǒng)，由上位機(jī)pc、單片機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器、步進(jìn)電機(jī)、直流電機(jī)、角度傳感器、傳動主軸和控制電路組成，其中：步進(jìn)電機(jī)與葉片8相連，用于控制葉片8擺動；直流電機(jī)安裝在船體內(nèi)部，用于控制旋轉(zhuǎn)圓盤的轉(zhuǎn)動，具體是通過傳動主軸將動力傳遞至推進(jìn)器，驅(qū)動旋轉(zhuǎn)圓盤轉(zhuǎn)動；角度傳感器裝在直流電機(jī)上，在直流電機(jī)轉(zhuǎn)動時(shí)，記錄不同時(shí)刻旋轉(zhuǎn)圓盤的角度數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳給單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)此數(shù)據(jù)，一方面可及時(shí)調(diào)整旋轉(zhuǎn)圓盤的轉(zhuǎn)速，另一方面可計(jì)算出該時(shí)刻各個(gè)葉片的相位角，并根據(jù)預(yù)先設(shè)定的程序計(jì)算出對應(yīng)于該相位角的最優(yōu)的葉片攻角，產(chǎn)生最大的推力。

所述的控制電路，主要由共用一塊單片機(jī)的直流電機(jī)反饋控制模塊、單片機(jī)控制模塊、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動模塊組成，單片機(jī)通過數(shù)據(jù)線與上位機(jī)pc的i/o口連接。

所述的葉片擺角和葉片攻角，葉片攻角的計(jì)算以葉片推力和轉(zhuǎn)矩最大為目標(biāo)，葉片推力和轉(zhuǎn)矩是攻角的函數(shù)，攻角變化，推力和轉(zhuǎn)矩會跟著變化，以上參數(shù)通過葉片擺動規(guī)律運(yùn)動控制理論的數(shù)學(xué)模型來計(jì)算，該數(shù)學(xué)模型包括葉片擺動規(guī)律數(shù)學(xué)模型、葉片推力與轉(zhuǎn)矩的計(jì)算模型，其中：

葉片擺動規(guī)律數(shù)學(xué)模型為：

葉片推力與轉(zhuǎn)矩的計(jì)算模型為：

t＝-lsinγ+dcosγ

式中：β為擺角，為相位角，ɑ為攻角，γ為來流角，θ為推力方向與來流的夾角，l為升力，d為阻力，r為回轉(zhuǎn)半徑。

所述的數(shù)學(xué)模型以效率最大為約束條件，對-8°～12°范圍內(nèi)的攻角進(jìn)行離散化，計(jì)算葉片一個(gè)運(yùn)動周期內(nèi)每一攻角時(shí)的效率，取最高效率的攻角，并反算出此時(shí)的葉片擺角，得到葉片一個(gè)運(yùn)動周期內(nèi)的優(yōu)化擺角。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下主要的技術(shù)效果：

1.提供了鯨尾輪推進(jìn)器運(yùn)動控制理論的物理模型，包括葉片擺動規(guī)律數(shù)學(xué)模型、葉片推力與轉(zhuǎn)矩的計(jì)算模型，可使葉片在不同相位均處于最優(yōu)攻角，產(chǎn)生最大的推力。

2.通過matlab對推進(jìn)器運(yùn)動的仿真，得出推進(jìn)器推進(jìn)效率理論上可達(dá)80％以上，可減少燃油消耗，具有節(jié)能減排的效果。

3.通過控制系統(tǒng)控制葉片的規(guī)律擺動及推進(jìn)器的轉(zhuǎn)向運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)了葉片擺角和攻角的精確控制，提高了搭載該推進(jìn)器的船舶的轉(zhuǎn)向性能。

附圖說明

圖1為鯨尾輪推進(jìn)器的軸側(cè)視圖。

圖2為鯨尾輪推進(jìn)器的側(cè)視圖(含內(nèi)部結(jié)構(gòu)11)。

圖3為鯨尾輪推進(jìn)器的船體裝配視圖。

圖4為鯨尾輪推進(jìn)器的葉片運(yùn)動軌跡圖。

圖5為鯨尾輪推進(jìn)器的葉片的數(shù)學(xué)模型圖。

圖6為控制系統(tǒng)理論算法流程框圖。

圖7為鯨尾輪推進(jìn)器的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)圖。

圖8為鯨尾輪推進(jìn)器的轉(zhuǎn)向示意圖。

圖9為吊艙控制系統(tǒng)電路圖。

圖10為推進(jìn)器內(nèi)部傳動結(jié)構(gòu)圖。

圖11為葉片擺動機(jī)構(gòu)圖。

圖12為葉片擺角和攻角的變化曲線示意圖。

圖13為鯨尾輪推進(jìn)器的推力和轉(zhuǎn)矩曲線示意圖。

圖14為鯨尾輪推進(jìn)器的理論推進(jìn)效率曲線示意圖。

圖中：1.主船體，2.推進(jìn)器，3.上殼體，4.下殼體，5.前導(dǎo)流罩，6.后導(dǎo)流罩，7.推進(jìn)器主體機(jī)構(gòu)，8.葉片，9.轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，10.旋轉(zhuǎn)圓盤，11.內(nèi)部結(jié)構(gòu)，12.葉片運(yùn)動機(jī)構(gòu)，13.豎向主軸，14.橫向主軸，15.傘形齒輪，16.支撐隔板，17.圓錐滾子軸承，18.集電環(huán)，19.聯(lián)軸器，20.葉片回轉(zhuǎn)軸軸承安裝基座，21.滾針軸承，22.密封圈，23.連接軸，24.步進(jìn)電機(jī)，25.液壓泵，26.旋轉(zhuǎn)軸承，27.回轉(zhuǎn)支撐。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步地詳細(xì)說明。

本發(fā)明提供的具有高推進(jìn)效率的船舶鯨尾輪推進(jìn)器，其結(jié)構(gòu)如圖1至圖3所示：主要由推進(jìn)器及控制系統(tǒng)組成。推進(jìn)器懸掛于船舶底部，可在水平方向0～360度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動，提供不同方向的水平推力?？刂葡到y(tǒng)貫穿與船體內(nèi)部和推進(jìn)器中，通過信號線連接在一起，控制葉片8擺動、旋轉(zhuǎn)圓盤10轉(zhuǎn)動和推進(jìn)器左右轉(zhuǎn)向。

所述推進(jìn)器，如圖1至圖3所示，包括導(dǎo)流罩、推進(jìn)器主體機(jī)構(gòu)7、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)9，其中：導(dǎo)流罩安裝在推進(jìn)器主體機(jī)構(gòu)7外面，并與推進(jìn)器主體機(jī)構(gòu)7一起安裝在船舶尾部；轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)9裝在推進(jìn)器與船體之間，并起到連接作用。

所述導(dǎo)流罩由前導(dǎo)流罩5、后導(dǎo)流罩6組成，它們分別通過螺栓與推進(jìn)器主體機(jī)構(gòu)7的上殼體3、下殼體4相連。

所述推進(jìn)器主體機(jī)構(gòu)7，主要由上殼體3、下殼體4和內(nèi)部結(jié)構(gòu)11組成，其中：上殼體3和下殼體4通過螺栓連接，內(nèi)部結(jié)構(gòu)11安裝在殼體里面。

所述內(nèi)部結(jié)構(gòu)11，用于將動力由船體內(nèi)部傳遞至推進(jìn)器，驅(qū)動旋轉(zhuǎn)圓盤10轉(zhuǎn)動，并搭載葉片運(yùn)動機(jī)構(gòu)12和集電環(huán)18。該內(nèi)部結(jié)構(gòu)11由豎向主軸13、傘形齒輪15、橫向主軸14、支撐隔板16、圓錐滾子軸承17、集電環(huán)18和葉片運(yùn)動機(jī)構(gòu)12組成，其中：傘形齒輪15分別緊定連接于豎向主軸13和橫向主軸14上，橫向主軸14通過平鍵與旋轉(zhuǎn)圓盤10連接，實(shí)現(xiàn)動力的傳遞；集電環(huán)18有兩個(gè)，均通過緊定連接的方式固定在橫向主軸14上，每個(gè)集電環(huán)18與旋轉(zhuǎn)圓盤10上的5個(gè)步進(jìn)電機(jī)24的20根信號線連接，防止信號線的纏繞；圓錐滾子軸承17固定于支撐隔板16的槽型孔中，橫向主軸14穿過圓錐滾子軸承17和集電環(huán)18，支撐隔板16固定于下殼體的槽型孔中，用于支撐橫向主軸14和葉片運(yùn)動機(jī)構(gòu)12。

所述葉片運(yùn)動機(jī)構(gòu)12，由葉片8、旋轉(zhuǎn)圓盤10、葉片回轉(zhuǎn)軸軸承安裝基座20、聯(lián)軸器19、連接軸23和步進(jìn)電機(jī)24組成，其中：葉片8通過葉片回轉(zhuǎn)軸軸承安裝基座20固定在旋轉(zhuǎn)圓盤10上，步進(jìn)電機(jī)24通過螺栓連接固定于旋轉(zhuǎn)圓盤10上，通過聯(lián)軸器19和連接軸23與葉片8連接，驅(qū)動葉片8按照控制算法提供的規(guī)律擺動。

所述葉片8有10片，均為特定翼型結(jié)構(gòu)，左右對稱布置在推進(jìn)器兩側(cè)。所述特定翼型是指naca0012。此種結(jié)構(gòu)的葉片具有較高的升力系數(shù)，在同樣的條件下產(chǎn)生的推力更高，具有較好的水動力性能。

所述葉片回轉(zhuǎn)軸軸承安裝基座20，固定于旋轉(zhuǎn)圓盤10上，起支撐葉片8的作用，該基座由滾針軸承21和密封圈22組成，其中，滾針軸承21和密封圈22并列布置，通過緊定連接的方式固定于旋轉(zhuǎn)圓盤10上。

所述轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)9，位于推進(jìn)器的頂端，可以在0～360°范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動，用于實(shí)現(xiàn)推進(jìn)器的轉(zhuǎn)向。該轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)9由外向內(nèi)依次設(shè)有液壓泵25、旋轉(zhuǎn)軸承26、回轉(zhuǎn)支撐27(圖7)，其中：液壓泵25與回轉(zhuǎn)支撐27固連成一體，通過液壓油管向回轉(zhuǎn)支撐27內(nèi)輸入液壓油驅(qū)動回轉(zhuǎn)支撐27回轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)軸承26安裝在回轉(zhuǎn)支撐27內(nèi)，過盈配合。

所述控制系統(tǒng)，由上位機(jī)pc、單片機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器、步進(jìn)電機(jī)24、直流電機(jī)、角度傳感器、傳動主軸和控制電路組成，其中：步進(jìn)電機(jī)24與葉片8相連，用于控制葉片8擺動；直流電機(jī)安裝在船體內(nèi)部，用于控制旋轉(zhuǎn)圓盤10的轉(zhuǎn)動，具體是通過傳動主軸將動力傳遞至推進(jìn)器，驅(qū)動旋轉(zhuǎn)圓盤10轉(zhuǎn)動；角度傳感器裝在直流電機(jī)上，在直流電機(jī)轉(zhuǎn)動時(shí)，記錄不同時(shí)刻旋轉(zhuǎn)圓盤10的角度數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳給單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)此數(shù)據(jù)，一方面可及時(shí)調(diào)整旋轉(zhuǎn)圓盤10的轉(zhuǎn)速，另一方面可計(jì)算出該時(shí)刻各個(gè)葉片的相位角，并根據(jù)預(yù)先設(shè)定的程序計(jì)算出對應(yīng)于該相位角的最優(yōu)的葉片攻角。

所述控制電路如圖9所示，主要由直流電機(jī)反饋控制模塊、單片機(jī)控制模塊、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動模塊組成。其中：三大模塊共用一塊單片機(jī)，單片機(jī)通過數(shù)據(jù)線與上位機(jī)pc的i/o口連接。

所述的單片機(jī)控制模塊，由步進(jìn)電機(jī)24、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器、at80c51單片機(jī)和上位機(jī)pc組成，其中：已編寫的程序通過上位機(jī)pc下載到單片機(jī)中，單片機(jī)通過信號線分別與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器、直流電機(jī)、角度傳感器相連，同時(shí)接收角度傳感器的反饋信息，實(shí)現(xiàn)對葉片8擺動和旋轉(zhuǎn)圓盤10轉(zhuǎn)動的精確控制。

所述的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動模塊主要由at80c51單片機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器、步進(jìn)電機(jī)24。其中：步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器是步進(jìn)電機(jī)24自帶的，安裝于船體內(nèi)部，通過信號線連接至集電環(huán)18上，并與步進(jìn)電機(jī)24連接于集電環(huán)18上的信號線一一對應(yīng)，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器接收at80c51單片機(jī)的控制信號，輸出可驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)24轉(zhuǎn)動的脈沖信號。

所述的直流電機(jī)-角度傳感器反饋控制模塊主要由at80c51單片機(jī)、直流電機(jī)、角度傳感器組成。其中：at80c51單片機(jī)控制直流電機(jī)帶動傳動主軸轉(zhuǎn)動，從而控制旋轉(zhuǎn)圓盤10的轉(zhuǎn)動；角度傳感器安裝在直流電機(jī)軸上，通過數(shù)據(jù)線和at80c51單片機(jī)相連，并通過串口將數(shù)據(jù)傳輸給單片機(jī)，單片機(jī)接收角度數(shù)據(jù)后進(jìn)行決策，通過uln2003a芯片和橋式電路控制直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)與加減速，以及控制步進(jìn)電機(jī)24的運(yùn)轉(zhuǎn)步數(shù)。

本發(fā)明建立了葉片擺動規(guī)律運(yùn)動控制理論的數(shù)學(xué)模型，具體如下：

單個(gè)葉片推力的變量為ɑ,β,γ,θ，其中ɑ,β,γ有攻角關(guān)系，具有周期性，推進(jìn)方向確定，γ在進(jìn)流系數(shù)確定后即可確定，因此，葉片在一個(gè)周期內(nèi)的推力可以看作對β的唯一函數(shù)。其中，β為擺角，為相位角，ɑ為攻角，γ為來流角，θ為推力方向與來流的夾角。

葉片來流角計(jì)算方法如下：

式中：λ為進(jìn)流速度，是推進(jìn)速度va與回轉(zhuǎn)角速度ω、回轉(zhuǎn)半徑r之積的比值；

葉片攻角的計(jì)算方法為：

葉片瞬時(shí)推力t和瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩q的計(jì)算方法為：

t＝-lsinγ+dcosγ

式中：l為升力，d為阻力，γ為來流角，r為回轉(zhuǎn)半徑；

葉片一個(gè)周期內(nèi)的效率計(jì)算方法為：

本發(fā)明控制算法部分，以效率最大為約束條件，對-8°～12°范圍內(nèi)的攻角進(jìn)行離散化，計(jì)算葉片一個(gè)運(yùn)動周期內(nèi)每一攻角時(shí)的效率，取最高效率的攻角，并反算出此時(shí)的葉片擺角，得到葉片一個(gè)運(yùn)動周期內(nèi)的優(yōu)化擺角。

本發(fā)明提供的一種具有高推進(jìn)效率的船舶鯨尾輪推進(jìn)器，其具有較高的推進(jìn)效率，通過matlab軟件仿真實(shí)驗(yàn)可以驗(yàn)證，由圖10至圖12可知，推進(jìn)器葉片攻角和擺角變化規(guī)律，攻角變化范圍為-9°～12°，擺角變化范圍為-30°～35°；此外，推力和轉(zhuǎn)矩的變化也比較平穩(wěn)，5葉片總推力始終在120n以上；另外，該推進(jìn)器總的理論效率平穩(wěn)維持在80％以上，說明可以通過此控制算法實(shí)現(xiàn)擺角按規(guī)律變化并維持較高的效率推動船舶前進(jìn)。

本發(fā)明使用時(shí)，其裝在主船體1尾部，圖3中推進(jìn)器2即是本發(fā)明提供的具有高推進(jìn)效率的船舶鯨尾輪推進(jìn)器，該推進(jìn)器的工作過程為：單片機(jī)根據(jù)給定的航向、航速等基本參數(shù)，依據(jù)控制算法，計(jì)算出旋轉(zhuǎn)圓盤10的轉(zhuǎn)速及葉片8在該轉(zhuǎn)速下的最優(yōu)擺動規(guī)律，并分別發(fā)送信號給直流電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)24；直流電機(jī)接收控制信號，通過傳動主軸控制旋轉(zhuǎn)圓盤10轉(zhuǎn)動，同時(shí)，步進(jìn)電機(jī)24接收控制信號，并配合角度傳感器的信息反饋對葉片8的擺角進(jìn)行精確控制；當(dāng)船舶需要改變航向時(shí)，控制信號由信號線傳遞給轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)9控制推進(jìn)器的左右轉(zhuǎn)動，葉片推力與來流方向發(fā)生改變，從而改變航向。

最后應(yīng)說明的是，以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍內(nèi)。