[发明专利]一种自适应攻角摆翼推进器及设计方法

权利要求书

1.一种自适应攻角摆翼推进器的设计方法，自适应攻角摆翼推进器设有航行器筒体，其特征在于，所述的航行器筒体尾部设有摆翼推进组件，所述的摆翼推进组件由驱动电机、减速机、驱动齿轮组、驱动横轴、摆翼支架、摆翼组成，所述的驱动电机设在航行器筒体内部并固定在航行器筒体上，所述的驱动电机的输出轴经减速机与驱动齿轮组相连接，所述的驱动齿轮组与驱动横轴相连接，通过驱动齿轮组将驱动电机的轴向转动换成驱动横轴的横向转动，所述的驱动横轴的两端分别设有摆翼支架，摆翼支架的一端与驱动横轴固定连接，摆翼支架的另一端伸出航行器筒体与摆翼转动连接，所述的摆翼设为板形，板形的摆翼的两侧分别经密封轴承与摆翼支架相连接，所述的摆翼支架与摆翼之间设有自适应弹簧组件，通过摆翼与摆翼支架之间的自适应弹簧组件使摆翼绕摆翼支架摆动，使摆翼能够抵抗水动力力矩，从而在启动状态下获得较大推力，所述的设计方法的步骤如下：

（1）、确定设计目的：设计一个最大截面尺寸为D的航行器筒体，设计航速为V，在该航速下，推力需求为T，D的单位为m，V的单位为m/s，T的单位N；

（2）、确定进速系数J分别与效率η、推力系数KT、摆翼相对摆翼支架摆角β、弹簧弹性系数比k’的数值关系公式和表达式，其数值关系公式分别为：

η(J)=0.753+4.07×10^-3J-7.96×10^-4J ²

β(J)=52.48-7.11 J+0.2685 J ²

KT (J)=-1.807+0.5776 J-0.01808 J ²

k’(J)=58.1-18.57 J+1.61 J ² ，c₀/c=0

k’(J)=54.16-15.39 J+1.177 J ² ，c₀/c=0.1

上述数值关系公式中c₀为摆翼旋转轴位置距离摆翼前端的长度，c为摆翼的长度

上述的数值关系公式中进速系数J的表达式为：J=V/(f S/2)，式中，f为摆动频率，S为摆动弧长，J取值范围为6～12，

上述的数值关系公式中效率η的表达式为：η=T_aveV/P_ave，式中，T_ave为平均推力，P_ave为平均功率，

上述的数值关系公式中β为最大摆角，单位为角度，

上述的数值关系公式中推力系数KT的表达式为：KT=T_ave/(ρ f ²S ³b)，式中，ρ为水的密度，b为摆翼宽度，

上述的数值关系公式中弹簧弹性系数比k’ 的表达式为：k’=k_o/(ρ f ²S ³bc)，上述关系式以扭转弹簧的扭转弹性系数k_o为例，若采用拉力弹簧方案，则需要用等效扭转弹性系数k_e代替k_o即可，式中，c为摆翼的长度，c₀为摆翼旋转轴位置距离摆翼前端的长度；

（3）、确定摆翼及摆翼支架参数：

定义摆翼的长度为c，摆翼的厚度为t，对于两端导圆的平板翼型，c/t的设计值控制在6～20之间，摆翼旋转轴位置距离摆翼前端的长度为c₀，c₀/c的取值范围在0～0.1之间；摆动弧长S为航行器筒体最大截面尺寸D的0.5～2倍，摆翼支架摆臂L为摆动弧长S的1～2倍，摆翼长度c为摆动弧长S的0.2～0.5倍；摆动角幅度θ₀=S/(2L)；

已知航行器筒体的最大截面尺寸D，可得摆动弧长S、摆翼的长度c、摆翼的厚度t、摆翼支架摆臂长L、摆翼旋转轴位置距离摆翼前端的长度c₀、摆动角幅度θ₀；

（4）、确定弹簧的技术参数：

定义摆翼旋转轴到横梁的距离为Ls，Ls为摆翼支架摆臂长L的0.2～0.5倍，摆翼旋转轴到摆翼前臂安装孔的距离设为r，r为摆翼旋转轴到横梁的距离Ls的0.3～0.6倍，弹簧在平衡位置时，Ls为摆翼旋转轴到摆翼前臂安装孔的距离r和弹簧在平衡位置的长度s之和，即Ls=r+s

定义拉力弹簧的等效扭转弹性系数k_e，拉力弹簧在平衡位置的预紧力F，拉力弹簧的弹性系数k，拉力弹簧在摆翼偏转时发生的伸长量Δx，s为弹簧在平衡位置的长度，弹簧相对摆翼之间的偏角ɑ，存在关系式

k_eβ=(F+kΔx)rsinɑ

若采用扭转弹簧方案，则需要用扭转弹簧的弹性系数k_o代替k_e即可，上式中，F与kΔx之比取值范围为0～15，弹簧组件存在如下两个几何关系

(Δx+s)sinɑ=(r+s)sinβ

(s+r-rcosβ)tan(ɑ-β)=rsinβ

根据步骤（3）确定的摆翼支架摆臂长L，可得摆翼旋转轴到横梁的距离Ls、摆翼旋转轴到摆翼前臂安装孔的距离r和弹簧在平衡位置的长度s，

根据步骤（2）中的公式，对J选取同一数值，然后根据公式得出对应的效率η、摆角β、推力系数KT、弹簧弹性系数比k’；当c₀/c取值为0～0.1之间的某个数值时，应分别计算c₀/c=0和c₀/c=0.1时的k’值，然后通过线性插值得到c₀/c取值下的k’值；

已知摆动弧长为S、进速系数J，根据表达式J=V/(f S/2)，可得摆动频率f；

已知摆角β、弹簧在平衡位置的长度s、摆翼旋转轴到摆翼前臂安装孔的距离r，根据公式(s+r-rcosβ)tan(ɑ-β)=rsinβ，可得弹簧相对摆翼之间的偏角ɑ，再根据公式(Δx+s)sinɑ=(r+s)sinβ，可得弹簧在偏转时发生的伸长量Δx，

已知推力系数KT、弹簧弹性系数比k’，取平均推力T_ave为推力需求T，根据表达式KT=T_ave/(ρ f ²S ³b)，可得出摆翼的宽度b，应保证b/c的值大于4，如果计算结果不满足，应对摆动弧长S和摆翼的长度c进行调整，直到满足要求；再根据表达式k’=k_o/(ρ f ²S ³bc)，求出扭转弹簧的扭转弹性系数k_o或拉力弹簧的等效扭转弹性系数k_e，再根据公式k_eβ=(F+kΔx)rsinɑ，求出F+kΔx；再根据F与kΔx之比取值范围为0～15的定义求得拉力弹簧在平衡位置的预紧力F与拉力弹簧的弹性系数k；

（5）、确定驱动电机参数和减速比：

首先，保证电机往复旋转能够实现步骤（4）中求得的摆动频率f，

其次，保证电机功率P＞2P_ave，取平均推力T_ave为推力需求T，根据步骤（2）中的效率η的表达式为η=T_aveV/P_ave，可求出电机平均功率P_ave，P_ave=T_aveV/η=TV/η，

最后，定义Q₀为驱动摆翼支架所需最大瞬时转矩，Q_m为电机转矩，减速比为i，应保证iQ_mQ₀，Q₀=TV/(ηπfθ₀)。