一种水空双介质可切换式推进装置

1.本发明实施例涉及航行器推进技术领域，具体涉及一种水空双介质可切换式推进装置。


背景技术：

2.海洋是我国的主要边疆和走向世界海域的必经战略通道，复杂的海空环境和作战任务需求向航行器的设计制造提出了强空间适应性、大机动、高隐蔽性等要求。而跨水空介质航行器可以在水空介质中自主航行，并实现稳定的运动过渡，能够有效降低跨空间无人系统协同作战复杂度，极大地拓展了航行空间和应用场景，形成多维态势感知、信息交互和全空间突防能力。
3.为了保证跨水空介质航行器在两种以上介质中持续、稳定运行，推进装置需要满足航行模态切换的动力需求。不同介质环境中推进系统的工作原理和设计原理截然不同。水动螺旋桨的特性是大扭矩、低转速，气动螺旋桨则是小扭矩、高转速，传统的推进形式不能适应多介质的工作环境，即使是不受限制的火箭推进器在空中和水下的推进特性也有很大不同。
4.如果跨水空航行器采用两套分别用于水下和空气中的推进装置，则会导致整个推进系统的体积和重量增大，从而造成推进效率降低并会提高系统的复杂度，可用性不高。正是由于水空两种介质中的推进形式很难通用，所以需要设计新型跨水空介质一体推进器来满足不同介质中的运动需求。


技术实现要素：

5.为此，本发明实施例提供一种水空双介质可切换式推进装置，通过对输出扭矩和转速的调节，针对性地实现对气动螺旋组件和水动螺旋组件的切换式调节，进而实现水下和空中的推进功能的一体化，同时，二者结构的协同式配合，进一步使得其整体具有结构紧凑、重量轻、可靠性高等特点。
6.为了实现上述目的，本发明的实施方式提供如下技术方案：
7.在本发明实施例的一个方面，提供了一种水空双介质可切换式推进装置，包括贯通形成有空腔的涵道壳体，部分位于所述空腔中且与所述涵道壳体同轴设置的双向驱动结构，以及分别设置于所述双向驱动结构其中一端的气动螺旋组件和水动螺旋组件；其中，
8.所述双向驱动结构包括形成有两个连接端的转动机构，以及连接于所述转动机构的其中一个连接端上的减速机构；
9.所述水动螺旋组件通过第一单向转动件与连接有所述减速机构的所述转动机构的一端连接，所述气动螺旋组件通过第二单向转动件与所述转动机构的另一个连接端连接；
10.所述第一单向转动件和所述第二单向转动件仅能沿其中一个方向锁止，且当所述第一单向转动件或所述第二单向转动件锁止时，所述转动机构能够通过锁止的所述第一单
向转动件或所述第二单向转动件对应带动所述水动螺旋组件或所述气动螺旋组件旋转；
11.所述第一单向转动件与所述第二单向转动件的锁止方向相反。
12.作为本发明的一种优选方案，所述涵道壳体包括沿轴向方向顺次连接的扩流唇口和圆柱导管，且所述扩流唇口自靠近所述圆柱导管的一端至远离所述圆柱导管的一端的截面积逐渐增大；
13.所述扩流唇口位于靠近所述气动螺旋组件的一端。
14.作为本发明的一种优选方案，所述空腔中还设置有与所述涵道壳体固定连接的机架，所述机架的外表面上形成有叶轮；
15.所述驱动结构至少部分安装于所述机架的内部。
16.作为本发明的一种优选方案，所述转动机构为电机，所述减速机构通过所述第一单向转动件连接于所述电机的转轴上；
17.所述减速机构为行星减速器。
18.作为本发明的一种优选方案，所述行星减速器包括同轴连接于所述第一单向转动件上的太阳齿轮，与所述太阳齿轮的外周面啮合的多个行星齿轮，以及啮合位于所述行星齿轮外部的内齿轮，且多个所述行星齿轮上还连接有行星支架，所述行星支架的输出轴与所述转轴同轴。
19.作为本发明的一种优选方案，所述行星支架的输出轴中远离所述第一单向转动件的一端连接有所述水动螺旋组件；
20.所述水动螺旋组件包括自靠近所述第一单向转动件的一侧顺次延伸设置于所述行星支架的输出轴上的后导流罩、水动螺旋桨和防退毂帽。
21.作为本发明的一种优选方案，所述气动螺旋组件包括自靠近所述第二单向转动件的一侧顺次延伸连接的气动螺旋桨和前导流罩。
22.作为本发明的一种优选方案，一组啮合设置的所述太阳齿轮和所述行星齿轮配合形成为一组减速调节件，所述内齿轮中沿轴线方向顺次形成有多组所述减速调节件，多组所述减速调节件上的所述太阳齿轮的直径不同，且多组所述减速调节件上的所述行星齿轮的轴线在同一条直线上；
23.所述电机的转轴中朝向所述减速机构的一端通过伸缩件连接有卡接轴，所述卡接轴贯穿多个所述太阳齿轮并与其中一个所述太阳齿轮卡接；
24.通过所述伸缩件带动所述卡接轴的伸缩，能够使得所述卡接轴对应卡接不同的所述太阳齿轮。
25.作为本发明的一种优选方案，所述卡接轴包括光杆部和表面形成有凸条的卡接部，且所述卡接部沿轴向方向上的长度不大于所述太阳齿轮沿轴向方向上的长度；
26.所述内齿轮沿轴线方向形成为多段，且多段所述内齿轮的内径不同。
27.作为本发明的一种优选方案，所述行星支架贯穿多组所述减速调节件中的所述行星齿轮；
28.相邻的两组所述减速调节件之间通过固定设置的隔片，所述隔片上形成有用于所述卡接轴和所述行星支架贯穿的通孔。
29.本发明的实施方式具有如下优点：
30.1、本发明可以实现水空一体推进功能，是实现跨介质航行器的关键组成部分。
31.2、本发明能够以大直径、多叶片、小螺距的涵道风扇形式实现高转速、小扭矩的空中推进，且具有较大的推重比；与此同时，还能够通过减速机构和小直径、少叶片、大螺距的水动螺旋组件在水下实现低转速、大扭矩推进，整体工作效率得到了有效的提高。
32.3、本发明结构合理，安装方便，具有结构紧凑、重量轻、可靠性高等优点，进而可以提高航行器系统的集成度和负载能力。
附图说明
33.为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述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示例性的，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，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。
34.本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。
35.图1为本发明实施例提供的水空双介质可切换式推进装置的剖视图；
36.图2为本发明实施例提供的水空双介质可切换式推进装置的局部内部结构示意图；
37.图3为本发明实施例提供的双向驱动结构的局部结构示意图；
38.图4为本发明实施例提供的水空双介质可切换式推进装置的端面视图；
39.图5为本发明实施例提供的水空双介质可切换式推进装置的结构示意图；
40.图6为本发明实施例提供的水空双介质可切换式推进装置的另一视角下的结构示意图；
41.图7为本发明实施例提供的另一种减速机构的局部结构示意图。
42.图中：
43.1-前导流罩；2-涵道壳体；3-气动螺旋桨；4-第二单向转动件；5-转轴；6-机架；7-叶轮；8-电机；9-前减速器轴承；10-行星减速器；11-第一单向转动件；12-后减速器轴承；13-输出轴；14-后导流罩；15-双向轴承；16-水动螺旋桨；17-防退毂帽；18-太阳齿轮；19-行星齿轮；20-内齿轮；21-行星支架；22-隔片。
具体实施方式
44.以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例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做出创造性劳动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。
45.以下结合附图对本发明的具体实施例进行进一步的说明。
46.如图1-图6所示，本发明提供了一种水空双介质可切换式推进装置，可以作为跨介质航行器动力装置，可实现一套推进装置同时满足在空中和水下进行动力需求。该推进器主要由前导流罩1、涵道壳体2、气动螺旋桨3、第二单向转动件4、转轴5、机架6、叶轮7、电机
8、行星减速器10、第一单向转动件11、输出轴13、后导流罩14、双向轴承15、水动螺旋桨16、防退毂帽17组成。其中，气动螺旋桨3、转轴5、电机8、行星减速器10、输出轴13和水动螺旋桨16位于同一轴线上；气动螺旋桨3顺时针旋转产生推力，水动螺旋桨16逆时针旋转产生推力，第二单向转动件4顺时针旋转时内外圈锁死，第一单向转动件11逆时针旋转时内外圈锁死。这里的第一单向转动件11和第二单向转动件4可以选用本领域技术人员能够理解和选择的结构类型，只要使得其仅能朝向一侧旋转即可，例如，可以选择为单向轴承结构。当然，其他本领域技术人员能够使用的结构在此均可以使用。
47.涵道壳体2在结构上分为扩流唇口和圆柱导管组成。扩流唇口与圆柱导管之间无缝隙紧固连接，且扩流唇口的最小直径与圆柱导管的直径相同。进一步地，所述扩流唇口自靠近所述圆柱导管的一端至远离所述圆柱导管的一端的截面积逐渐增大。
48.机架6、叶轮7和涵道壳体2一体加工而成，三者共同构成推进装置的主体框架。
49.前导流罩1与气动螺旋桨3的轮毂连接，后导流罩14首端与行星减速器10连接，后导流罩14尾端与双向轴承15外圈相连，双向轴承15内圈与行星减速器10的输出轴13相连。需要说明的是，这里的前导流罩1和后导流罩14均为流线型结构，其表面曲率由布置空间和桨叶大小进一步确定。
50.进一步地，这里对气动螺旋桨3和水动螺旋桨16可以进行进一步的选择，例如，气动螺旋桨3为多叶小螺距气动螺旋结构，水动螺旋桨16为少叶大螺距水动螺旋结构，两种螺旋桨桨叶均匀布置在轮毂上但产生的旋向相反，气动螺旋桨3顺时针旋转产生推力，水动桨螺旋桨16逆时针旋转产生推力。
51.气动螺旋桨3的轮毂与第二单向转动件4的外圈通过键槽连接，且第二单向转动件4的内圈与电机8的转轴5首端通过键槽连接。水动螺旋桨16与输出轴13通过键槽连接，并通过防退毂帽17固定。
52.行星减速器10由太阳齿轮18、行星齿轮19、内齿轮20、行星支架21组成、前减速器轴承9和后减速器轴承12组成。行星减速器10首端与机架6固定，后端和后导流罩14相连。行星减速器10的内齿轮20固定不动，太阳齿轮18通过第一单向转动件11与电机转轴5相连，其中，后单向轴承11的内圈与电机8的转轴5通过键槽相连，外圈与太阳齿轮18通过键槽相连。行星支架21与行星齿轮19同步转动，并与输出轴13相连。通过这样的设置，能够基于行星减速器10的设置，在使用同一电机8的前提下，有效地调节后导流罩14上连接的水动螺旋桨16的扭矩。进一步优选的实施例中，如图7所示，一组啮合设置的所述太阳齿轮18和所述行星齿轮19配合形成为一组减速调节件，所述内齿轮20中沿轴线方向顺次形成有多组所述减速调节件，多组所述减速调节件上的所述太阳齿轮18的直径不同，且多组所述减速调节件上的所述行星齿轮19的轴线在同一条直线上；所述电机8的转轴5中朝向所述减速机构的一端通过伸缩件连接有卡接轴，所述卡接轴贯穿多个所述太阳齿轮18并与其中一个所述太阳齿轮18卡接；通过所述伸缩件带动所述卡接轴的伸缩，能够使得所述卡接轴对应卡接不同的所述太阳齿轮18。基于伸缩件的伸缩，能够对应卡接(即沿周向方向上限位)连接对应的太阳齿轮18，并通过带动卡接的该组减速调节件上的太阳齿轮18的转动，实现对应的行星齿轮19的转动，从而带动行星支架21旋转，进而通过输出轴13输出扭矩。通过不同直径的太阳齿轮18和对应的行星齿轮19的设置，从而能够基于带动不同的太阳齿轮18的旋转，对应通过行星支架21输出不同的扭矩，实现扭矩大小的进一步调节。
53.需要说明的是，所述卡接轴包括光杆部和表面形成有凸条的卡接部，且所述卡接部沿轴向方向上的长度不大于所述太阳齿轮18沿轴向方向上的长度。即其他太阳齿轮18通过贯穿的卡接轴的光杆部进行限位，避免其发生位置上的偏移，且光杆部不会影响太阳齿轮18的随动转速。因此，其与主动的太阳齿轮18之间不会互相干扰。
54.进一步地，为了使得多组行星齿轮19的轴线在同一条直线上，所述内齿轮20沿轴线方向形成为多段，且多段所述内齿轮20的内径不同。并且，所述行星支架21贯穿多组所述减速调节件中的所述行星齿轮19。
55.为了更好地对太阳齿轮18和行星齿轮19在轴向上的距离进行限位，相邻的两组所述减速调节件之间通过固定设置的隔片22，所述隔片22上形成有用于所述卡接轴和所述行星支架21贯穿的通孔。
56.需要说明的是，电机8为自密封耐压类型的电机结构，电机8固定在机架6内，电机8的转轴5首端通过第二单向转动件4与气动螺旋桨3紧固相连，后端与第一单向转动件11的内圈相连，并进一步与太阳齿轮18连接。需要说明的是，对于具有多个太阳齿轮18的情况下，则能够通过伸缩件带动转轴5部分移动至与对应的太阳齿轮18卡接，具体见图7和前述的说明，在此不多作赘述。
57.由于第二单向转动件4和第一单向转动件11锁死方向相反，电机8顺逆时针转动可分别带动气动螺旋桨3和水动螺旋桨16转动。第二单向转动件4和第一单向转动件11锁死的方向分别与气动螺旋桨3和水动螺旋桨16产生推进的旋向相同。
58.本发明提供的跨水动介质一体推进器在空中和水下的工作原理为：
59.在空中推进时，电机8带动转轴5瞬时针方向旋转，第二单向转动件4的内外圈锁死，内外圈无相对旋转，转轴5通过锁死的第二单向转动件4带动气动螺旋桨3高速旋转，实现高转速低扭矩的空中推进功能；第一单向转动件11内圈跟随电机8的转轴5旋转，外圈与行星减速器10中的太阳齿轮18相连，处于相对自由状态，此时转轴5不带动行星支架21、减速器输出轴13和水动螺旋桨16旋转。
60.在水下推进时，电机8带动转轴5逆时针方向旋转，所述第一单向转动件11内外圈锁死，内外圈无相对旋转，转轴5通过第一单向转动件11带动行星减速器10中的太阳齿轮18旋转，内齿轮20处于固定状态，太阳齿轮18带动行星支架21转动，行星支架21与输出轴13同步转动，经过行星减速器10的减小转速和增大扭矩的处理，转轴5带动水动螺旋桨16低速旋转，实现低转速高扭矩的水下推进功能；第二单向转动件4内圈跟随转轴5旋转，外圈与气动螺旋桨3轮毂连接，并处于相对自由状态，此时转轴5不带动气动螺旋桨3旋转。推进器在空中和水下推进中的电机8旋转方向的选择可以根据实际安装和螺旋桨加工的需要进行确定。
61.结合第一单向转动件11、第二单向转动件4、行星减速器10、气动螺旋桨3和水动螺旋桨16，搭配电机8的顺、逆时针旋转，可以在空中和水下的推进需求调整电机8输出扭矩和转速，实现水下和空中的一体共用推进功能，并具有结构紧凑、重量轻、可靠性高等特点，可为跨介质航行器提供低成本、小重量和高效率的动力装置。
62.虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

技术特征：
1.一种水空双介质可切换式推进装置，其特征在于，包括贯通形成有空腔的涵道壳体(2)，部分位于所述空腔中且与所述涵道壳体(2)同轴设置的双向驱动结构，以及分别设置于所述双向驱动结构其中一端的气动螺旋组件和水动螺旋组件；其中，所述双向驱动结构包括形成有两个连接端的转动机构，以及连接于所述转动机构的其中一个连接端上的减速机构；所述水动螺旋组件通过第一单向转动件(11)与连接有所述减速机构的所述转动机构的一端连接，所述气动螺旋组件通过第二单向转动件(4)与所述转动机构的另一个连接端连接；所述第一单向转动件(11)和所述第二单向转动件(4)仅能沿其中一个方向锁止，且当所述第一单向转动件(11)或所述第二单向转动件(4)锁止时，所述转动机构能够通过锁止的所述第一单向转动件(11)或所述第二单向转动件(4)对应带动所述水动螺旋组件或所述气动螺旋组件旋转；所述第一单向转动件(11)与所述第二单向转动件(4)的锁止方向相反。2.根据权利要求1所述的一种水空双介质可切换式推进装置，其特征在于，所述涵道壳体(2)包括沿轴向方向顺次连接的扩流唇口和圆柱导管，且所述扩流唇口自靠近所述圆柱导管的一端至远离所述圆柱导管的一端的截面积逐渐增大；所述扩流唇口位于靠近所述气动螺旋组件的一端。3.根据权利要求1或2所述的一种水空双介质可切换式推进装置，其特征在于，所述空腔中还设置有与所述涵道壳体(2)固定连接的机架(6)，所述机架(6)的外表面上形成有叶轮(7)；所述驱动结构至少部分安装于所述机架(6)的内部。4.根据权利要求3所述的一种水空双介质可切换式推进装置，其特征在于，所述转动机构为电机(8)，所述减速机构通过所述第一单向转动件(11)连接于所述电机(8)的转轴(5)上；所述减速机构为行星减速器(10)。5.根据权利要求4所述的一种水空双介质可切换式推进装置，其特征在于，所述行星减速器(10)包括同轴连接于所述第一单向转动件(11)上的太阳齿轮(18)，与所述太阳齿轮(18)的外周面啮合的多个行星齿轮(19)，以及啮合位于所述行星齿轮(19)外部的内齿轮(20)，且多个所述行星齿轮(19)上还连接有行星支架(21)，所述行星支架(21)的输出轴(13)与所述转轴(5)同轴。6.根据权利要求5所述的一种水空双介质可切换式推进装置，其特征在于，所述行星支架(21)的输出轴(13)中远离所述第一单向转动件(11)的一端连接有所述水动螺旋组件；所述水动螺旋组件包括自靠近所述第一单向转动件(11)的一侧顺次延伸设置于所述行星支架(21)的输出轴(13)上的后导流罩(14)、水动螺旋桨(16)和防退毂帽(17)。7.根据权利要求1或2所述的一种水空双介质可切换式推进装置，其特征在于，所述气动螺旋组件包括自靠近所述第二单向转动件(4)的一侧顺次延伸连接的气动螺旋桨(3)和前导流罩(1)。8.根据权利要求5所述的一种水空双介质可切换式推进装置，其特征在于，一组啮合设置的所述太阳齿轮(18)和所述行星齿轮(19)配合形成为一组减速调节件，所述内齿轮(20)
中沿轴线方向顺次形成有多组所述减速调节件，多组所述减速调节件上的所述太阳齿轮(18)的直径不同，且多组所述减速调节件上的所述行星齿轮(19)的轴线在同一条直线上；所述电机(8)的转轴(5)中朝向所述减速机构的一端通过伸缩件连接有卡接轴，所述卡接轴贯穿多个所述太阳齿轮(18)并与其中一个所述太阳齿轮(18)卡接；通过所述伸缩件带动所述卡接轴的伸缩，能够使得所述卡接轴对应卡接不同的所述太阳齿轮(18)。9.根据权利要求8所述的一种水空双介质可切换式推进装置，其特征在于，所述卡接轴包括光杆部和表面形成有凸条的卡接部，且所述卡接部沿轴向方向上的长度不大于所述太阳齿轮(18)沿轴向方向上的长度；所述内齿轮(20)沿轴线方向形成为多段，且多段所述内齿轮(20)的内径不同。10.根据权利要求8所述的一种水空双介质可切换式推进装置，其特征在于，所述行星支架(21)贯穿多组所述减速调节件中的所述行星齿轮(19)；相邻的两组所述减速调节件之间通过固定设置的隔片(22)，所述隔片(22)上形成有用于所述卡接轴和所述行星支架(21)贯穿的通孔。

技术总结
本发明实施例公开了一种水空双介质可切换式推进装置，包括涵道壳体，双向驱动结构，以及气动螺旋组件和水动螺旋组件；双向驱动结构包括形成有两个连接端的转动机构，以及连接于转动机构的其中一个连接端上的减速机构；水动螺旋组件通过第一单向转动件与连接有减速机构的转动机构的一端连接，气动螺旋组件通过第二单向转动件与转动机构的另一个连接端连接；第一单向转动件和第二单向转动件仅能沿其中一个方向锁止；第一单向转动件与第二单向转动件的锁止方向相反。实现了气动螺旋组件和水动螺旋组件的切换式调节，以及水下和空中的推进功能的一体化的操作要求，并使得整体具有结构紧凑、重量轻、可靠性高等优点。可靠性高等优点。可靠性高等优点。


技术研发人员：肖志坚 王一伟 王广航 黄荐 王永九 杜特专 黄仁芳 王静竹 杨丹丹
受保护的技术使用者：中国科学院力学研究所
技术研发日：2023.03.10
技术公布日：2023/6/28