本發(fā)明屬于能量回收技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于水下航行器的流體動能收集裝置。

背景技術(shù)：

海洋資源巨大而豐富，但水下探測困難，至今仍存在許多難以攻克的難關(guān)。水下航行器的發(fā)展為海洋資源的開發(fā)提供了強有力的技術(shù)條件。水下航行器作為一種高技術(shù)手段，在海洋探測中起著至關(guān)重要的作用，發(fā)展水下航行器的意義是顯而易見的。目前世界上的水下航行器已達(dá)數(shù)百種,水下航行器活躍在海洋科學(xué)、海洋工程、水下安保和水下作戰(zhàn)等多個領(lǐng)域。

水下航行器主要通過蓄電池供給能量，蓄電池的續(xù)航時間有限，這嚴(yán)重制約了水下航行器的發(fā)展和應(yīng)用，水下航行器的航速和負(fù)載能力均受制于可用能源。為了延長水下航行器的續(xù)航時間，需對水下航行器進(jìn)行能源補給，目前已有多種方法對水下航行器進(jìn)行能源補給。如一種基于海浪-光能互補發(fā)電的水下航行器感應(yīng)充電系統(tǒng)，包括洋面漂浮模塊、海浪發(fā)電模塊、光能發(fā)電模塊、儲能模塊及水下非接觸充電模塊；海浪發(fā)電模塊通過永磁直線電機將波浪能轉(zhuǎn)化為電能輸出；光能發(fā)電模塊通過光電反應(yīng)將太陽能轉(zhuǎn)化為電能輸出；儲能模塊將海浪發(fā)電模塊及光能發(fā)電模塊輸出的交流電整流為直流電并將其存儲于蓄電池中；水下非接觸充電模塊將蓄電池中的直流電逆變成高頻交流電，通過電磁感應(yīng)對水下航行器上的鋰電池進(jìn)行感應(yīng)充電。該裝置雖然采用了電磁、光電雙重效應(yīng)進(jìn)行發(fā)電，但是整個發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、模塊繁多，制作成本較高；發(fā)電模塊浮在海面上，而儲能模塊與充電模塊位于水下，各模塊之間需要依靠較長的水中線纜來連接，整個裝置安裝十分不便，實用性較差；裝置長期浸沒在海水當(dāng)中，對結(jié)構(gòu)的防水性能和耐腐蝕性能都有極高的要求，因此結(jié)構(gòu)工作穩(wěn)定性較低；裝置經(jīng)過發(fā)電、儲能、交直流轉(zhuǎn)換、感應(yīng)充電等多個環(huán)節(jié)才能將電能傳輸?shù)剿潞叫衅髦?，能量傳輸損耗率較高；整套裝置只能安裝在某一固定位置，使得水下航行器無法實現(xiàn)航行途中任意位置的實時充電；裝置結(jié)構(gòu)受線纜長度的限制，只能設(shè)置安裝在淺海區(qū)域，無法為在深海中執(zhí)行任務(wù)的水下航行器補充能源。

水下航行器在水中的工作狀態(tài)主要有兩種：航行前進(jìn)和定點監(jiān)測。水下航行器航行前進(jìn)時，航行器和水流有較大的相對運動速度，航行器動力裝置的振動和外部水流的沖擊作用都會引發(fā)航行器的整體振動；水下航行器錨系于海底進(jìn)行定點監(jiān)測時也會受到海浪、潮汐等影響，時刻處于晃動狀態(tài)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對水下航行器在水中的兩種工作狀態(tài)，為了實現(xiàn)既可以收集航行器振動能量，又能收集水流動能，并轉(zhuǎn)換成電能，本發(fā)明提供一種用于水下航行器的流體動能收集裝置。

一種用于水下航行器的流體動能收集裝置包括管狀的本體，所述本體由兩個以上的管狀的振動艙1和一個以上的管狀的水輪艙3交替串聯(lián)組成；所述振動艙1的直徑大于水輪艙3的直徑；

每個振動艙1的內(nèi)設(shè)有波紋管2，所述波紋管2的管壁內(nèi)層設(shè)有柔性壓電材料，波紋管2和振動艙1的內(nèi)壁之間留有充足的空間，以保證波紋管2在振動艙1內(nèi)擁有足夠的振動空間；

每個水輪艙3內(nèi)部通過轉(zhuǎn)軸5設(shè)有水輪4，且轉(zhuǎn)軸5垂直于本體的軸線，轉(zhuǎn)軸5的兩端伸至水輪艙3的兩側(cè)外部；轉(zhuǎn)軸5的兩個外伸端分別連接著電磁發(fā)電機的輸入端；

工作時，水流由所述本體的一端流入，從另一端流出，誘導(dǎo)振動艙1內(nèi)的波紋管2振動，實現(xiàn)振動壓電能量轉(zhuǎn)換，并實現(xiàn)電能輸出；同時水流帶動水輪艙3內(nèi)的水輪4轉(zhuǎn)動，進(jìn)而帶動電磁發(fā)電機6進(jìn)行電磁發(fā)電。

進(jìn)一步限定的技術(shù)方案如下：

每個振動艙1的兩端口直徑小于中部艙體的直徑，振動艙1的兩端口分別連接著波紋管2的兩端口。

所述波紋管2為柔性管，管壁由三層材料組成，外面兩層的材料為硅膠或橡膠，內(nèi)層的材料為柔性壓電材料，在柔性壓電材料上設(shè)電極構(gòu)成壓電元件。

所述柔性壓電材料為聚偏氟乙烯。

所述振動艙1的直徑為120-1000㎜，波紋管2的直徑不超過所述振動艙1直徑的7/10。

所述電磁發(fā)電機6和波紋管2管壁內(nèi)層的柔性壓電材料的電極通過串聯(lián)或并聯(lián)的方式實現(xiàn)電能輸出。

所述振動艙1和水輪艙3的材料均為不銹鋼或耐腐蝕的合金材料。

所述水輪為切擊式水輪。

本發(fā)明的有益技術(shù)效果體現(xiàn)在以下方面：

1、本發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)簡單，制作成本較低，環(huán)境適應(yīng)性強。將該裝置內(nèi)置于水下航行器的艙體中，產(chǎn)生的電能可直接存儲到水下航行器的蓄電池中，能量存儲傳輸損耗率低且能夠為水下航行器進(jìn)行實時充電。

2、本發(fā)明實用性強，利用內(nèi)嵌壓電材料的柔性波紋管進(jìn)行振動壓電能量轉(zhuǎn)換，利用水流帶動水輪和發(fā)電機轉(zhuǎn)動進(jìn)行電磁能量轉(zhuǎn)換，既可以收集航行器振動能量，又能收集水流動能。將收集到的電能輸出和存儲，為水下航行器提供能量補充，可有效延長水下航行器在海底勘測任務(wù)中的續(xù)航時間。

3、本發(fā)明采用了柔性波紋管進(jìn)行振動能量收集，由于柔性波紋管的對稱結(jié)構(gòu)使其易于沿軸向和徑向各個方向振動，因而可以通過波紋管采集到多方向的振動能量，對于海洋環(huán)境中不同方向的隨機激勵，本發(fā)明裝置中的柔性波紋管具有很好的適應(yīng)性。本發(fā)明利用了水流在波紋管內(nèi)流動誘導(dǎo)波紋管產(chǎn)生渦激振動。當(dāng)水流流經(jīng)振動艙內(nèi)的波紋管時，會不斷地在波峰處產(chǎn)生漩渦并脫落進(jìn)入波谷，當(dāng)渦脫落的頻率與波紋管的某階軸向固有頻率相一致時，波紋管結(jié)構(gòu)與流體渦的產(chǎn)生和脫落過程實現(xiàn)動態(tài)耦合，最終引發(fā)波紋管的強烈振動，增大壓電元件的發(fā)電量。

附圖說明

圖1為本發(fā)明裝置的整體外觀結(jié)構(gòu)圖。

圖2為本發(fā)明裝置的縱剖視圖。

圖3為本發(fā)明裝置的橫剖視圖。

圖4為本發(fā)明裝置中的波紋管產(chǎn)生渦激振動的原理示意圖。

上圖中序號：振動艙1、波紋管2、水輪艙3、水輪4、轉(zhuǎn)軸5、電磁發(fā)電機6。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖，通過實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步地描述。

參見圖1，一種用于水下航行器的流體動能收集裝置包括管狀的本體，本體由三個管狀的振動艙1和兩個管狀的水輪艙3交替串聯(lián)組成；振動艙1和水輪艙3的材料均為不銹鋼。振動艙1的直徑大于水輪艙3的直徑，振動艙1的直徑為644㎜，水輪艙3的直徑為400㎜。

參見圖2、圖3，每個振動艙1的內(nèi)安裝有波紋管2；波紋管2為柔性管，管壁由三層材料組成，外面兩層的材料為硅膠，內(nèi)層的材料為柔性壓電材料，在柔性壓電材料上安裝電極構(gòu)成壓電元件，柔性壓電材料為聚偏氟乙烯。

波紋管2的波谷處直徑為400㎜，波紋管2的波峰處與振動艙1的內(nèi)壁之間的間距為194㎜，留有充足的空間，以保證波紋管2在振動艙1內(nèi)擁有足夠的振動空間。

每個振動艙1的兩端口直徑小于中部艙體的直徑，振動艙1的兩端口分別連接著波紋管2的兩端口，并連接著水輪艙3的兩端口。

每個水輪艙3內(nèi)部通過轉(zhuǎn)軸5安裝有水輪4，且轉(zhuǎn)軸5垂直于本體的軸線，轉(zhuǎn)軸5的兩端伸至水輪艙3的兩側(cè)外部；水輪4為切擊式水輪；轉(zhuǎn)軸5的兩個外伸端分別連接著電磁發(fā)電機6的輸入端。

參見圖4，當(dāng)水下航行器航行前進(jìn)時，航行器和水流有較大的相對運動速度v，水流由本體的一端流入，從另一端流出，誘導(dǎo)振動艙1內(nèi)的波紋管2振動，進(jìn)行振動壓電能量轉(zhuǎn)換，通過壓電元件實現(xiàn)電能輸出；當(dāng)水流流經(jīng)波紋管2時，會不斷地在波峰處產(chǎn)生漩渦并脫落進(jìn)入波谷，當(dāng)漩渦脫落的頻率與波紋管2的某階軸向固有頻率相一致時，波紋管2結(jié)構(gòu)與流體渦的產(chǎn)生和脫落過程實現(xiàn)動態(tài)耦合，最終引發(fā)波紋管2的強烈振動，增大壓電元件的發(fā)電量。同時水流帶動水輪艙3內(nèi)的水輪4轉(zhuǎn)動，進(jìn)而帶動電磁發(fā)電機6進(jìn)行電磁發(fā)電。電磁發(fā)電機6和波紋管2的柔性壓電材料的輸出電極通過串聯(lián)或并聯(lián)的方式實現(xiàn)電能輸出。

當(dāng)水下航行器錨系于海底進(jìn)行定點監(jiān)測時，由于受到海浪、潮汐等的影響，時刻處于晃動狀態(tài)。在航行器的機身振動以及波紋管內(nèi)海水流動的共同激勵下，壓電波紋管2也會產(chǎn)生低頻的振動，致使其內(nèi)層的壓電元件產(chǎn)生電荷并輸出。