一种摆线推进器的叶片摆动控制机构

技术领域

本发明属于船舶机械推进装置技术领域，具体涉及一种摆线推进器叶片摆动控制机构。

背景技术

摆线推进器是一种回转轴与船舶前进方向垂直的水下推进器，可通过改变其内部偏心控制点的位置实现推进器推力大小及方向的变化。相比其他船舶推进器，摆线推进器具有高度的灵活性及较高的推进效率特点，在一些大型船舶及其他海洋工程装备中广泛应用。

除德国福伊特集团生产的摆线推进器外，目前国内外自主设计的摆线推进器多采用液压装置或连杆滑块机构控制叶片摆动规律，在叶片随回转箱公转的同时，通过液压装置控制叶片实现按一定规律自转，从而获得特定航行方向上的推力；或采用滑块与连杆相配合的方式，使叶片按一定规律摆动，获得特定航行方向上的推力。但上述两种方式均存在不足，液压控制式精度低、响应慢、维修困难，而连杆滑块式则存在磨损严重、使用寿命短等问题。

发明内容

为了克服上述两种技术中存在的问题及不足，与德国福伊特公司设计的摆线推进器叶片控制机构有明显区分，本发明提供了一种可以实现高效率、高灵活性以及高精度叶片运动规律的叶片摆动控制机构。

本发明所述的叶片摆动控制机构包括回转箱、偏心控制杆、控制叶片摆动的多连杆机构、叶片、叶片轴，以及保证叶片轴和连杆轴同速的同步连杆机构，每一组叶片摆动控制机构控制一个叶片运动，推进器内叶片摆动控制机构数量由叶片数量决定；其中，所述回转箱1由箱体11和顶盖12组成，箱体11呈圆柱形，内部中空；箱体11内底盘外缘开有阶梯孔111，其数量与叶片数量一致，底盘径向上开有圆槽I112和圆槽II113，当叶片数量不多于4时，圆槽I112和圆槽II113的数量均和叶片数量一致，当叶片数量大于4时，圆槽I112和圆槽II113的数量设为叶片数量的一半左右，其空间分布应保证连杆和轴在运动中互不干涉；箱体11外壳顶部开有螺纹孔I114；顶盖12最外侧开有螺纹孔II124，向内设有圆槽III121，其数量与叶片数量一致，当叶片数量大于4时，顶盖12径向上开有圆槽IV122和圆槽V123，圆槽IV122和圆槽V123的数量设为叶片数量的一半左右，其空间分布应保证连杆和轴在运动中互不干涉；顶盖12中心处开有大圆孔I125，其半径大于偏心控制杆2活动半径与偏心控制杆2半径之和；箱体11与顶盖12依靠螺栓7连接组成回转箱1，回转箱1安装在船体上并通过外部驱动机构不断转动。

所述偏心控制杆2上端穿过回转箱1顶盖12上的大圆孔I125与回转箱1外的偏心控制机构连接，获得相对回转箱1的不同偏心位置，从而控制叶片摆动规律以获得不同方向和大小的航行推力，偏心控制杆2竖直安装在回转箱1内部，其下端与回转箱1底盘留有一定空隙。

所述多连杆机构中的连杆I31一端设有套环311，一端设向下设有圆柱销I312，套环高度略大于连杆I31、长连杆II32厚度之和；所述偏心控制杆2底端设有凸块21，用于支撑靠近底端的连杆I31的套环311，其余连杆I31各依靠本身套环311支撑在下方连杆I31套环311上，偏心控制杆2长度略大于所有连杆I31之套环311高度之和。

在本发明的一些实例中，所述多连杆机构中的长连杆II32两端开有销孔I322和销孔II 323，靠近中间部位向下(或向上)设有支撑轴I321，支撑轴I321长度取决于长连杆II32位于回转箱1的高度；长连杆II32紧贴于连杆I31正下方，通过连杆I31的圆柱销I312与长连杆II32的销孔II323相配合；所述支撑轴I321通过轴承与回转箱1底盘上的圆槽I112(或回转箱1顶盖12上的圆槽IV122)连接。

所述多连杆机构中的短连杆III33一端向下设有圆柱销II331，一端开有销孔III332，其中圆柱销II331略长于长连杆II32与从动杆IV34厚度之和；短连杆III33位于长连杆II32正上方，两者之间存在略大于一个连杆厚度的间隙，通过圆柱销II331与销孔I322相配合；短连杆III33带有销孔一端指向长连杆II32靠近回转箱1回转轴一侧。

所述多连杆机构中从动杆IV34一端向上设有圆柱销III342，一端向下(或向上)设有支撑轴 II341，其中支撑II341长度取决于从动杆IV34位于回转箱1的高度；从动杆IV34位于长连杆II32与短连杆III33之间，通过圆柱销III342与短连杆III33的销孔III332相配合，其正下方的投影与长连杆II32形成交叉；所述支撑轴II341通过轴承与回转箱1底盘上的圆槽II113(或回转箱1顶盖12上的圆槽V123)连接。

所述同步连杆机构包括短连杆V41、短连杆VI42，长连杆VII51、长连杆VIII52以及可拆卸圆柱销8(I-IV)，其中短连杆V41、短连杆VI42两端及中间部位开有圆孔II411、圆孔III421 以及销孔(IV-VII)412、413、422、423，长连杆VII51、长连杆VIII52两端开有凹槽以及销孔(VIII- XI)511、512、521、522，将短连杆V41两端分别伸入长连杆VII51、长连杆VIII52后端的凹槽内，并分别将销孔IV412、销孔V413与销孔X521、销孔VIII511的轴线相重合，通过可拆卸圆柱销8(I)、8(II)将对应销孔连接；同样的，将短连杆VI42两端分别伸入长连杆VII51、长连杆VIII52前端的凹槽内，并分别将销孔VI422、销孔VII423与销孔XI522、销孔IX512的轴线相重合，通过可拆卸圆柱销8(IV)、8(III)将对应圆孔连接，此时短连杆V41、短连杆VI42与长连杆VII51、长连杆VIII52形成平行四连杆机构，即所述同步连杆机构；所述短连杆V41通过其中间圆孔II411与所述支撑轴341固结，其径向方向与从动杆IV34径向方向相同或成一定夹角，所述短杆42通过其中间圆孔III421与叶片轴61固结；其中，当支撑轴I321与支撑轴II 341向下伸入回转箱1底盘时，所述同步连杆机构紧贴于回转箱1底盘上方，当支撑轴I321 与支撑轴II341向上伸入回转箱1顶盖时，所述同步连杆机构紧贴于回转箱1之顶盖12下方。

所述叶片轴61与叶片62固结，叶片轴61穿过回转箱1底盘的阶梯孔111并通过轴承和密封圈与之连接，同时穿过回转箱1顶盖12的圆槽III121并通过轴承与之连接，叶片轴61穿过短连杆VI42中间孔III421并与之固结；所述叶片62弦线与短连杆VI62径向对称面平行或成一定夹角。

所述支撑轴I321、支撑轴II341以及叶片轴61轴线位于过圆心的径向切面上。

在本发明的另一些实例中，所述长连杆II32以支撑轴I321为界划分前后两部分(支撑轴 321至销孔322视为前半部分，支撑轴321至销孔323视为后半部分，下同)，可拆分为前后两支长度不同、一端设有支撑轴、一端设有销孔的长连杆II(A)32A、长连杆II(B)32B，并在回转箱底盘(或顶盖12)上增设用于安装多出支撑轴的圆槽，两连杆销孔分别与连杆I31的圆柱销I312以及连杆III33的圆柱销II331相配合，两连杆支撑轴分别向上(或向下)伸入回转箱 1底盘(或顶盖12)的对应的圆槽中，两连杆支撑轴均位于支撑轴II341以及叶片轴61轴线所在的过圆心的径向切面上，通过联轴器或齿轮组或同步带或链条保持同速转动，两连杆始终平行或成一定夹角。

本发明提供了一种多连杆的控制摆线推进器叶片摆动的机构，可根据不同的叶片摆动规律设计各连杆长度，连杆长度易于获取，并实现了偏心率较大变化后仍能较好地实现所需叶片摆动规律。该机构与其他类型摆线推进器叶片控制一样，通过控制偏心控制杆的位置，可以产生垂直于旋转平面内任意方向、不同大小的推力，具有高度的灵活特性；此外，该机构可以通过优化设计各连杆长度获取更加优异叶片摆动规律，进而获取更加优异的推进性能。

本发明的工作过程如下：

本发明以不拆分的长连杆II32、短连杆V41与从动杆IV34径向方向相同以及叶片62的弦线与短连杆VI42径向对称面平行的实例进行说明。

当外部驱动装置带动回转箱1转动时，支撑轴I321、支撑轴II341、叶片轴61及叶片62均随回转箱1绕其轴心转动，当偏心控制杆2处于圆心位置时，连杆I31、长连杆II32后半部分、支撑轴I321与偏心控制杆2的连线形成稳定三角形，此时回转箱内各连杆及轴相对回转箱保持静止状态，即叶片62仅存在绕回转箱1轴线的公转，自身不存在摆动或自转，此时叶片弦线与水流流向相切，此时类似于螺旋桨的零滑脱状态，推进器几乎不获取推进力。

当外部驱动装置带动回转箱1转动时，支撑轴I321、支撑轴II341、叶片轴61及叶片62均随回转箱1绕其轴心转动，当偏心控制杆2处于某一偏心位置时，其绝对空间位置不随回转箱1转动而改变，连杆I31、长连杆II32后半部分、支撑轴I321与圆心连线、偏心控制杆2与圆心连线形成一个曲柄摇杆机构，其中偏心控制杆2与圆心连线作为机架，支撑轴 I321与圆心连线作为曲柄，长连杆II32后半部分作为连杆，连杆I31作为摇杆，此时曲柄绕圆心作整周转动，连杆和摇杆随曲柄做相应运动，使得长连杆II32绕其支撑轴I321轴线持续摆动，其摆动角度变化规律近似于正弦曲线；长连杆II32的摆动继续带动短连杆III33、从动杆IV34的摆动以及支撑轴II341的转动，支撑轴II341的转动角度变化规律仍近似于正弦曲线，但在长连杆II32摆动角度变化规律的基础上得到进一步修正，使其更加逼近于摆线推进器理论的叶片摆动规律；进一步的，由同步连杆机构将支撑轴I321的转动传递到叶片轴61和叶片62上，实现了摆线推进器叶片62随回转箱公转的同时，按一定规律摆动，叶片弦线始终与水流成一定夹角，即存在攻角，获得优异的水动力性能；当偏心控制杆偏心距离或偏心方向改变时，叶片摆动规律随之改变，获得不同方向和大小的推力。

附图说明

图1为叶片摆动控制机构的多连杆示意图

图2为回转箱箱体示意图

图3为回转箱顶盖示意图

图4为连杆I示意图

图5为长连杆II示意图

图6为短连杆III图

图7为从动杆IV示意图

图8为同步连杆机构爆炸图

图9为备选的长连杆II示意图

图10为回转箱外部示意图

图11为回转箱内部示意图

图12为回转箱不同转动角度下多连杆机构姿态示意图

图13为不同偏心距离下叶片摆动规律示意图

图14为六叶片摆线推进器的摆动控制机构安装顺序表

其中：1.回转箱 11.箱体 111.阶梯孔 112.圆槽I 113.圆槽II 114.螺纹孔I 12.顶盖 121.圆槽III 122.圆槽IV 123.圆槽V 124.螺纹孔II 125.大圆孔I 2.偏心控制杆21.凸块 31.连杆I 311.套环 312.圆柱销I 32.长连杆II 321.支撑轴 I 322.销孔I 323.销孔II 32A.连杆II(A) 32B.连杆II(B) 321A.支撑轴I(A) 321B.支撑轴I(B) 33.短连杆III 331.圆柱销II 332.销孔III 34.从动杆IV 341.支撑轴II 342.圆柱销III 41.短连杆V 411.圆孔II 412.销孔IV 413.销孔V 42.短连杆VI 421.圆孔III 422.销孔VI 423.销孔VII 51.长连杆VII 511.销孔VIII 512.销孔 IX 52.长连杆VIII 521.销孔X 522.销孔XI61.叶片轴 62.叶片 7.螺栓 8.可拆卸圆柱销

具体实施方式

如图1至图3、图10至图11所示，本发明所述的叶片摆动控制机构包括回转箱、偏心控制杆、控制叶片摆动的多连杆机构、叶片、叶片轴，以及保证叶片轴和连杆轴同速的同步连杆机构，每一组叶片摆动控制机构控制一个叶片运动，推进器内叶片摆动控制机构数量由叶片数量决定；其中，所述回转箱1由箱体11和顶盖12组成，箱体11呈圆柱形，内部中空；箱体11内底盘外缘开有阶梯孔111，其数量与叶片数量一致，底盘径向上开有圆槽I112和圆槽II113，当叶片数量不多于4时，圆槽I112和圆槽II113的数量均和叶片数量一致，当叶片数量大于4时，圆槽I112和圆槽II113的数量常设为叶片数量的一半上下，其空间分布应保证连杆和轴在运动中互不干涉；箱体11外壳顶部开有螺纹孔I114；顶盖12最外侧开有螺纹孔II124，向内设有圆槽III121，其数量与叶片数量一致，当叶片数量大于4时，顶盖12 径向上开有圆槽IV122和圆槽V123，圆槽IV122和圆槽V123的数量常设为叶片数量的一半上下，其空间分布应保证连杆和轴在运动中互不干涉；顶盖12中心处开有大圆孔I125，其半径大于偏心控制杆2活动半径与偏心控制杆2半径之和；箱体11与顶盖12依靠螺栓7连接组成回转箱1，回转箱1安装在船体上并通过外部驱动机构不断转动。

如图1、图10所示，所述偏心控制杆2上端穿过回转箱1顶盖12上的大圆孔I125与回转箱1外的偏心控制机构连接，获得相对回转箱1的不同偏心位置，从而控制叶片摆动规律以获得不同方向和大小的航行推力，偏心控制杆2竖直安装在回转箱1内部，其下端与回转箱1底盘留有一定空隙。

如图1、图4所示，所述多连杆机构中的连杆I31一端设有套环311，一端设向下设有圆柱销I312，套环高度略大于连杆I31、长连杆II32厚度之和；所述偏心控制杆2底端设有凸块21，用于支撑靠近底端的连杆I31的套环311，其余连杆I31各依靠本身套环311支撑在下方连杆I31套环311上，偏心控制杆2长度略大于所有连杆I31的套环311高度之和。

如图1、图5所示，在本发明的一些实例中，所述杆机构中的长连杆II32两端开有销孔 I322和销孔II323，靠近中间部位向下(或向上)设有支撑轴I321，支撑轴I321长度取决于长连杆II32位于回转箱1的高度；长连杆II32紧贴于连杆I31正下方，通过连杆I31的圆柱销I312与长连杆II32的销孔II323相配合；所述支撑轴I321通过轴承与回转箱1底盘上的圆槽I112(或回转箱1顶盖12上的圆槽IV122)连接。

如图1、图6所示，所述多连杆机构中的短连杆III33一端向下设有圆柱销II331，一端开有销孔III332，其中圆柱销II331略长于长连杆II32与从动杆IV34厚度之和；短连杆III33位于长连杆II32正上方，两者之间存在略大于一个连杆厚度的间隙，通过圆柱销II331与销孔 I322相配合；短连杆III33带有销孔一端指向长连杆II32靠近回转箱1回转轴一侧。

如图1、图7所示，所述多连杆机构中从动杆IV34一端向上设有圆柱销III342，一端向下 (或向上)设有支撑轴II341，其中支撑轴II341长度取决于从动杆IV34位于回转箱1的高度；从动杆IV34位于长连杆II32与短连杆III33之间，通过圆柱销III342与短连杆III33的销孔III 332相配合，其正下方的投影与长连杆II32形成交叉；所述支撑轴II341通过轴承与回转箱1 底盘上的圆槽II113(或回转箱1顶盖12上的圆槽V123)连接。

如图1、图8所示，所述同步连杆机构包括短连杆V41、短连杆VI42，长连杆VII51、长连杆VIII52以及可拆卸圆柱销8(I-IV)，其中短连杆V41、短连杆VI42两端及中间部位开有圆孔II411、圆孔III421以及销孔(IV-VII)412、413、422、423，长连杆VII51、长连杆VIII52两端开有凹槽以及销孔(VIII-XI)511、512、521、522，将短连杆V41两端分别伸入长连杆VII51、长连杆VIII52后端的凹槽内，并分别将销孔IV412、销孔V413与销孔x521、销孔VIII511的轴线相重合，通过可拆卸圆柱销8(I)、8(II)将对应销孔连接；同样的，将短连杆VI42两端分别伸入长连杆VII51、长连杆VIII52前端的凹槽内，并分别将销孔VI422、销孔VII423与销孔XI522、销孔IX512的轴线相重合，通过可拆卸圆柱销8(IV)、8(III)将对应圆孔连接，此时短连杆V41、短连杆VI42与长连杆VII51、长连杆VIII52形成平行四连杆机构，即所述同步连杆机构；所述短连杆V41通过其中间圆孔II411与所述支撑轴341固结，其径向方向与从动杆IV34径向方向相同或成一定夹角，所述短杆42通过其中间圆孔III421与叶片轴61固结；其中，当支撑轴 I321与支撑轴II341向下伸入回转箱1底盘时，所述同步连杆机构紧贴于回转箱1底盘上方，当支撑轴I321与支撑轴II341向上伸入回转箱1顶盖时，所述同步连杆机构紧贴于回转箱1 之顶盖12下方。

所述同步连杆机构的设置可解决所述多连杆机构杆长过大的问题。

如图1、图10所示，所述叶片轴61与叶片62固结，叶片轴61穿过回转箱1底盘的阶梯孔111并通过轴承和密封圈与之连接，同时穿过回转箱1顶盖12的圆槽III121并通过轴承与之连接，叶片轴61穿过短连杆VI42中间孔III421并与之固结；所述叶片62弦线与短连杆VI62径向对称面平行或成一定夹角。

如图1所示，所述支撑轴I321、支撑轴II341以及叶片轴61轴线位于过圆心的径向切面上。

如图9所示，在本发明的另一些实例中，备选方案将所述长连杆II32以支撑轴I321为界划分前后两部分(支撑轴321至销孔322视为前半部分，支撑轴321至销孔323视为后半部分，下同)，可拆分为前后两支长度不同、一端设有支撑轴、一端设有销孔的长连杆II(A)32A、长连杆II(B)32B，并在回转箱底盘(或顶盖12)上增设用于安装多出支撑轴的圆槽，两连杆销孔分别与连杆I31的圆柱销I312以及连杆III33的圆柱销II331相配合，两连杆支撑轴分别向上(或向下)伸入回转箱1底盘(或顶盖12)的对应的圆槽中，两连杆支撑轴均位于支撑轴II 341以及叶片轴61轴线所在的过圆心的径向切面上，通过联轴器或齿轮组或同步带或链条保持同速转动，两连杆始终平行或成一定夹角。

本发明以不拆分的长连杆II32、短连杆V41与从动杆IV34径向方向相同以及叶片62的弦线与短连杆VI42径向对称面平行的六叶片摆线推进器为实例做进一步说明。

如图1、图11所示，当外部驱动装置带动回转箱1转动时，支撑轴I321、支撑轴II341、叶片轴61及叶片62均随回转箱1绕其轴心转动，当偏心控制杆2处于圆心位置时，连杆I 31、长连杆II32后半部分、支撑轴I321与偏心控制杆2的连线形成稳定三角形，此时回转箱内各连杆及轴相对回转箱保持静止状态，即叶片62仅存在绕回转箱1轴线的公转，自身不存在摆动或自转，此时叶片弦线与水流流向相切，此时类似于螺旋桨的零滑脱状态，推进器几乎不获取推进力。

如图1、图11至图13所示，当外部驱动装置带动回转箱1转动时，支撑轴I321、支撑轴II341、叶片轴61及叶片62均随回转箱1绕其轴心转动，当偏心控制杆2处于某一偏心位置时，其绝对空间位置不随回转箱1转动而改变，连杆I31、长连杆II32后半部分、支撑轴 I321与圆心连线、偏心控制杆2与圆心连线形成一个曲柄摇杆机构，其中偏心控制杆2与圆心连线作为机架，支撑轴I321与圆心连线作为曲柄，长连杆II32后半部分作为连杆，连杆I31作为摇杆，此时曲柄绕圆心作整周转动，连杆和摇杆随曲柄做相应运动，使得长连杆 II32绕其支撑轴I321轴线持续摆动，其摆动角度变化规律近似于正弦曲线；长连杆II32的摆动继续带动短连杆III33、从动杆IV34的摆动以及支撑轴II341的转动，支撑轴II341的转动角度变化规律仍近似于正弦曲线，但在长连杆II32摆动角度变化规律的基础上得到进一步修正，其规律如图13所示，其中β为叶片摆动规律，θ为支撑轴I321与圆心连线跟圆心与偏心控制杆2连线的夹角；进一步的，由同步连杆机构将支撑轴I321的转动传递到叶片轴61 和叶片62上，实现了摆线推进器叶片62随回转箱公转的同时，按一定规律摆动，叶片弦线始终与水流成一定夹角，即存在攻角，获得优异的水动力性能；当偏心控制杆偏心距离或偏心方向改变时，叶片摆动规律随之改变，获得不同方向和大小的推力。

如图12至图13所示，当偏心控制杆2绝对位置不变，回转箱逆时针转动时，各连杆姿态不断变化，叶片62与回转箱6叶片所在处切线夹角不断变化；当偏心距离改变时，其叶片角度的幅值和产生最大幅值的回转角也会随之改变，其中E1的偏心距离最大，E3的最小；当偏心方向改变时，该规律会发生相位的相应移动，以获得新的攻角和推力方向。

如图11、图14所示，在回转箱半径一定的情况下，随着叶片的增多，其控制机构之间可能会产生干涉，为了避免干涉应对多叶片推进器的连杆机构进行合理布置，本发明就六叶片摆线推进器的空间布置进行举例说明：将每个叶片及其控制机构划分为一组并进行编号，并将安装在偏心控制杆最底部的叶片组编号为BlAde1，按叶片在推进器转动方向上的分布依次编号为BlAde2-BlAde6，将叶片组依次从下向上安装，则安装的叶片组先后顺序为 BlAde1、BlAde6、BlAde4、BlAde2、BlAde3、BlAde5，各组支撑轴方向详见图14。