形狀記憶合金驅動的水下矢量推力噴嘴的製作方法

2023-12-09 14:54:41 2

專利名稱：形狀記憶合金驅動的水下矢量推力噴嘴的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種射流噴嘴。
背景技術：
現有的船舶大多數採用單一推力方向的推進裝置螺旋槳和控制方向用的舵來實現推進和方向控制，動力提供裝置和方向控制裝置是相分離的，這導致這些船舶的舵效較低，轉彎半徑較大。例如潛艇方向控制一般採用舵和尾翼，驅動其運動的液壓裝置要穿透耐壓殼，從而降低了耐壓殼的強度，增加了系統的複雜程度。而且這種設備在潛艇需要低速航行時的效率也低。
有一些船舶採用噴水推進方式，這種推進方式利用推進泵噴出的水流的反作用力來推動船舶前進，並通過始終處於噴口噴出的高速流中的舵來控制噴射流的方向，實現優異的轉彎性能。但是由於這種噴水推進方式仍然是依靠舵來實現轉彎，噴射流在被舵偏轉方向時拐彎不夠光順，能量損失較大。而且舵一般通過體積較大的電機或者液壓等驅動裝置加上變速裝置來實現動作，佔據了船舶的寶貴空間，也增加了船舶的重量。
一般用於實驗水下射流的流場(如烏賊推進用的噴射流)的小型噴射實驗裝置的噴嘴噴射方向不能可控制地改變，所以在實驗中不能實現噴射流方向動態變化時流場和推力的變化，限制了這一方面的研究。若要使用噴嘴方向可以改變的矢量推力噴嘴，由於傳統的驅動裝置如電機等體積較大且結構複雜，若噴射實驗裝置對體積要求較嚴格，並要實現驅動裝置的絕緣，則實際中較難實現。

發明內容
本發明的目的是提供一種形狀記憶合金驅動的水下矢量推力噴嘴，以克服現有的用舵來控制射流方向的噴嘴能量損失較大的缺陷。它包括至少三根形狀記憶合金驅動器2、固定段體3、轉動段體7、彈性段體5和至少三個連接線6，固定段體3、彈性段體5和轉動段體7依次對接而成管狀，每根形狀記憶合金驅動器2的一端固定在一個連接線6的一端上，連接線6的另一端固定在轉動段體7的外圓周表面上，每個連接線6平行於固定段體3的軸心線並沿圓周方向均勻排布在固定段體3、彈性段體5和轉動段體7的外圓表面上。
本發明工作時，固定段體3安裝在需要應用這種矢量推力噴嘴的基體1上，形狀記憶合金驅動器2的另一端固定在固定段體3或者基體1上，彈性段體5為整個矢量推力噴嘴的變形段，當某根或某幾根形狀記憶合金驅動器2按照一定的比例關係收縮，拉動轉動段體7轉動時，彈性段體5會產生彈性變形，使轉動段體7向所選擇的方向轉動。當轉動段體7需要復位時，使收縮的形狀記憶合金驅動器2恢復原長，彈性段體5釋放彈性能，使轉動段體7恢復初始的直的狀態。該噴嘴可以置於通常的水環境中並在其中動作，可在其中通過水流，並從尾部噴出。該噴嘴尾部可沿軸線向任意方向轉動一定角度，以提供矢量推力。轉動段體7轉動時整個噴嘴內部均勻光滑過渡，水流流暢，克服了現有的用舵來控制射流方向的噴嘴射流能量損失較大的缺陷。這種水下矢量推力噴嘴能應用到噴射試驗裝置、水下推進器中，同樣也能應用到氣體環境中。
本發明的矢量推力噴嘴的優點如下(1)結構簡單、輕巧，可靠性高，沒有電動機、齒輪、連杆等體積、質量較大的裝置，在有一定導電能力的液體中，簡化了驅動裝置的絕緣；(2)採用形狀記憶合金驅動，依靠形狀記憶合金自身的特性即可實現反饋，不需要額外的檢測裝置；(3)採用能量密度極高的形狀記憶合金作為驅動器，可以實現小型化，從而該矢量推力噴嘴可應用在對體積、重量要求嚴格的場合，如小型噴水推進的水下機器人上；(4)動作時沒有噪聲，適用於對噪聲要求嚴格的場合，如水下觀測機器人、軍事領域等；(5)由於彈性段體是均勻變形，流體在噴嘴中通過時能量損失較小；(6)這種噴嘴為開放式結構，在水中，其固定段體、彈性段體、轉動段體和形狀記憶合金驅動器等都直接暴露在水中，形狀記憶合金驅動器能承受較高的壓強，這種矢量推力噴嘴能夠應用在較深的水下。


圖1是本發明實施方式一的結構示意圖，圖2是圖1的A向視圖，圖3是本發明彈性段體5變形彎曲的示意圖，圖4和圖5是實施方式二的結構示意圖，圖6是實施方式三的結構示意圖，圖7是實施方式四的結構示意圖，圖8是實施方式五的結構示意圖，圖9是實施方式七的結構示意圖，圖10是實施方式八的結構示意圖，圖11是實施方式九的結構示意圖，圖12和圖13是實施方式十的結構示意圖。
具體實施例方式具體實施方式
一下面結合圖1、圖2和圖3具體說明本實施方式。本實施方式由三根形狀記憶合金驅動器2、固定段體3、轉動段體7、彈性段體5和三個連接線6組成，固定段體3、彈性段體5和轉動段體7依次對接而成管狀，每根記憶合金驅動器2的一端固定在一個連接線6的一端上，連接線6的另一端固定在轉動段體7的外圓周表面上，每個連接線6平行於固定段體3的軸心線並沿圓周方向均勻排布在固定段體3、彈性段體5和轉動段體7的外圓表面上。固定段體3為管狀結構，橫斷面可以是圓形、橢圓形或者其它形狀。固定段體3具有光順的內表面。固定段體3的外表面上設置有用於穿過形狀記憶合金驅動器2或者連接線6的過孔或者支架3-1。轉動段體7是橫斷面為圓形、錐形或者其它形狀的管狀結構，轉動段體7具有光順的內表面。轉動段體7上有用於固定連接線6的連接端子7-1。固定段體3和和轉動段體7的材料可為橡膠、塑料、金屬或者以上三種材料的複合體(如由內層為塑料，外層為橡膠的套管)。有幾個形狀記憶合金驅動器2，相應固定段體3和轉動段體7上就有幾個連接端子7-1和過孔3-1。形狀記憶合金驅動器2與連接線6之間通過連接頭4固定在一起。環境溫度和噴嘴中通過的水流的溫度對形狀記憶合金驅動器2的動作會有影響，所以必須保證形狀記憶合金驅動器2所處的環境溫度低於其馬氏體相變的溫度。彈性段體5為中空的薄壁件或者組合件，用於連接固定段體3和轉動段體7，並在形狀記憶合金驅動器2收縮時產生柔性的彎曲從而使轉動段體7轉動，其截面可以是圓形、橢圓形或者其它形狀。流體在通過柔性彎曲的轉動段時，能量損失較少。彈性段體5在彎曲時有一定的彈性力，在形狀記憶合金驅動器2冷卻恢復原長時，彈性段體5在彈性力的作用下恢復成初始的直的形狀，使轉動段體7與固定段體3恢復平行。彈性段體5內外徑與固定段體3、轉動段體7的連接處相同，使流體在其中流過時能量損失較小，而且外形與固定段體3、轉動段體7良好過渡，從而減小噴嘴在流體中運動的阻力。
具體實施方式
二下面結合圖5和圖4具體說明本實施方式。本實施方式與實施方式一的不同點是彈性段體5是波紋管或直管，彈性段體5的材料是橡膠、塑料、金屬或者以上三種材料的複合體(如由內層為塑料，外層為橡膠的套管)等。其它的組成和連接方式與實施方式一相同。
具體實施方式
三下面結合圖6具體說明本實施方式。本實施方式與實施方式一的不同點是彈性段體5由螺旋彈簧5-1和柔性蒙皮5-2組成，螺旋彈簧5-1的兩端分別固定在固定段體3和轉動段體7上，螺旋彈簧5-1的彈簧絲截面可為圓形、長方形、菱形等多種形狀，柔性蒙皮5-2包裹在螺旋彈簧5-1的外圓表面上，柔性蒙皮5-2的兩端分別與固定段體3和轉動段體7相連接並在連接處密封。柔性蒙皮5-2的材料是塑料或橡膠。在需要彈性段體5彎曲時，螺旋彈簧5-1彎曲，提供一定的彈性力。其優點是柔性蒙皮5-2裹在螺旋彈簧5-1外側，不論彈性段體5是否彎曲，柔性蒙皮5-2均能保證良好地裹緊在螺旋彈簧5-1外側。其它的組成和連接方式與實施方式一相同。
具體實施方式
四下面結合圖7具體說明本實施方式。本實施方式與實施方式三的不同點是彈性段體5由螺旋彈簧5-1和柔性蒙皮5-2組成，螺旋彈簧5-1嵌在柔性蒙皮5-2的內部，柔性蒙皮5-2的兩端分別與固定段體3和轉動段體7相連接並在連接處密封。由於螺旋彈簧嵌入在柔性蒙皮中，不論彈性段體是否彎曲，柔性蒙皮均能均勻地發生彎曲而沒有褶皺等的產生，彈性段體內、外壁均比較光滑，使流體流經彈性段體時能量損失較小。其它的組成和連接方式與實施方式三相同。
具體實施方式
五下面結合圖8具體說明本實施方式。本實施方式與實施方式三的不同點是彈性段體5由螺旋彈簧5-1和柔性蒙皮5-2組成，螺旋彈簧5-1繞在柔性蒙皮5-2外，螺旋彈簧5-1的兩端分別固定在固定段體3和轉動段體7上，柔性蒙皮5-2的兩端分別與固定段體3和轉動段體7相連接並在連接處密封。螺旋彈簧繞在柔性蒙皮外側，不論彈性段體是否彎曲，柔性蒙皮均能保證良好地裹緊在螺旋彈簧內側。其它的組成和連接方式與實施方式三相同。
具體實施方式
六下面結合圖1具體說明本實施方式。本實施方式與實施方式一的不同點是每根形狀記憶合金驅動器2由一根形狀記憶合金絲組成，形狀記憶合金絲是單程或者雙程形狀記憶合金。其它的組成和連接方式與實施方式一相同。
具體實施方式
七下面結合圖9具體說明本實施方式。本實施方式與實施方式六的不同點是每根形狀記憶合金驅動器2由一根形狀記憶合金絲盤曲而成的螺旋拉彈簧2-2組成。形狀記憶合金製成的螺旋拉彈簧可實現較大的軸向變形，但輸出力較相同絲徑的形狀記憶合金絲小。形狀記憶合金絲最大能輸出8％的位移，但輸出力較相同絲徑的形狀記憶合金螺旋拉彈簧大，形狀記憶處理也較為簡單，而且由於絲所佔空間較小，可以布置在安裝該種噴嘴的基體上。
形狀記憶合金的驅動方法是比較成熟的。形狀記憶合金是一種智能材料，其電阻率、溫度、組織形態(馬氏體和奧氏體的含量)之間存在著相對應的關係。在控制形狀記憶合金的變形長度時，可以通過其自身的特性值如電阻、溫度等的變化實現反饋，而不需要其它的檢測裝置。對一個特定的形狀記憶合金驅動器，在一定的載荷狀態下，電阻值、溫度、組織形態和變形量關係可以通過實驗事先標定。在控制形狀記憶合金變形量時，利用測量溫度或者電阻的方法得出該形狀記憶合金的溫度或電阻值，然後根據事先的標定得知形狀記憶合金的變形量，從而精確地控制狀記憶合金的動作。當需要形狀記憶合金保持某個狀態的收縮時，通過控制使形狀記憶合金保持相應的溫度即可。
形狀記憶合金通過加熱的方式動作，動作步驟如下(1)動作產生當加熱使形狀記憶合金髮生馬氏體逆相變時，形狀記憶合金驅動器2收縮，拉動轉動段體7向相應方向轉動，彈性段體5產生彎曲變形並存儲能量；(2)動作保持通過控制系統使形狀記憶合金溫度保持恆定，從而使形狀記憶合金驅動器2輸出力與彈性段體5的彈力保持平衡，轉動段體7保持動作狀態，使噴嘴輸出某個方向的矢量推力；(3)動作恢復當停止加熱時，形狀記憶合金散熱降溫，發生馬氏體相變，形狀記憶合金在彈性段體5的回覆力作用下被拉伸，噴嘴轉動段回復到初始狀態。
當浸沒在水中，熱源(直接通電加熱時的形狀記憶合金，用電阻絲方式加熱時的電阻絲)必須絕緣。絕緣的方式可以是在導電的元件上塗覆或者包裹橡膠、塑料(如聚四氟乙烯)等絕緣層。
具體實施方式
八下面結合圖10具體說明本實施方式。該矢量推力噴嘴應用在水下機器人的噴水推進器13上，噴嘴可向各個方向轉動45°。一般水下機器人為了實現前後左右的運動，在多個方向安裝有推進器。如果水下機器人採用噴水推進，若在噴嘴尾部應用這種噴嘴，則可使推進器提供一定轉動角度的推力，這樣本來需要兩個推進器或多個推進器來完成的動作，可以只由一個推進器來實現。這種方法可減少水下機器人的推進器數量，並且使水下機器人運動更為靈活。
該矢量推力噴嘴由四個形狀記憶合金驅動器2驅動、固定段3和轉動段7均為圓管。四個形狀記憶合金驅動器2均勻分布在固定段體3和轉動段體7的上、左、下、右四個部位，形狀記憶合金的一端連接在安裝噴嘴的噴水推進器基體13上，另一端通過連接線6連接到轉動段體7上。流體從固定段體3進入，經過彈性段體5，從轉動段體7噴出。當彈性段體5未發生彎曲時，轉動段體7軸線與固定段體3軸線重合，推力方向同固定段體3軸線方向。彈性段體5為橡膠材質的軟管。
當需要向正上方某個角度的矢量推力時，噴嘴轉動段體需要向上方轉動，控制系統加熱上方的形狀記憶合金絲，使形狀記憶合金絲溫度上升，發生馬氏體逆向變，並使形狀記憶合金的電阻或者溫度達到所需角度時形狀記憶合金的電阻或溫度，轉動段體7轉動到預定角度後，形狀記憶合金絲保持恆溫，從而保持恆定的收縮力，轉動段體7保持恆定的彎曲狀態，從而輸出相應角度的推力。
當需要向左上方某個角度的矢量推力時，噴嘴轉動段需要轉向左上方的某個角度，則控制系統根據所需要的角度分別計算出上方的形狀記憶合金絲和左方的形狀記憶合金絲的收縮量以及對應該收縮量的溫度或者電阻值，然後分別加熱這兩條形狀記憶合金，使形狀記憶合金的溫度或者電阻值達到預定值。轉動段轉動到預定角度後，這兩條形狀記憶合金保持恆溫，從而保持恆定的收縮力，轉動段體7保持恆定的彎曲狀態，從而輸出所需的推力。
當噴嘴轉動段需要恢復初始的、與固定段體3同軸線的狀態時，停止加熱形狀記憶合金，形狀記憶合金冷卻，彈性段體5由於彈性力的作用而恢復到初始的直的狀態，使轉動段體7恢復到初始的狀態。
具體實施方式
九下面結合圖11和圖9具體說明本實施方式。該矢量推力噴嘴應用在水流噴射試驗管上。通過這種試驗管，可以觀測水下水流噴射後的水流形狀，在噴射口加裝這種矢量推力噴嘴後，就能觀測繞著軸線方向水流噴射方向連續變化的流場，使噴射試驗管的功能更為完善。利用形狀記憶合金螺旋拉彈簧2-2驅動，可使結構較為緊湊。
該矢量推力噴嘴由形狀記憶合金螺旋拉彈簧2-2驅動，固定段體3為圓管，轉動段體7可為圓管、錐形管等，圖9為轉動段體7為圓管的噴嘴的示意圖。三個形狀記憶合金彈簧均勻分布在固定段體3和轉動段體7上，相鄰兩個形狀記憶合金彈簧間隔的角度是120°，其中一個形狀記憶合金彈簧位於噴嘴的上方。由於形狀記憶合金彈簧能夠在較小的長度上輸出較大的位移，所以形狀記憶合金彈簧的初始狀態可以較短，其一端安裝噴嘴固定段體3上，另一端通過連接線連接到轉動段體7上。流體從固定段體3進入，經過彈性段體5，從轉動段體7噴出。當彈性段體5未發生彎曲時，轉動段體7軸線與固定段體3軸線重合，推力方向同固定段體3軸線方向。彈性段體5為嵌入彈簧的蒙皮圓管。
當需要向正下方某個角度的矢量推力時，噴嘴轉動段體7需要向正下方轉動，控制系統首先計算出需要動作的形狀記憶合金彈簧以及收縮的量，然後通過同時加熱下方的兩根形狀記憶合金螺旋拉彈簧2-2(由控制系統計算出)，使形狀記憶合金螺旋拉彈簧2-2溫度上升，發生馬氏體逆向變，形狀記憶合金螺旋拉彈簧2-2收縮，並使形狀記憶合金彈簧的電阻或者溫度達到所需角度時形狀記憶合金螺旋拉彈簧2-2的電阻或溫度，收縮所需的收縮量，轉動段體7轉動到預定角度後，形狀記憶合金螺旋拉彈簧2-2保持恆溫，從而保持恆定的收縮力，轉動段體7保持恆定的彎曲狀態，從而輸出相應角度的推力。圖11為轉動段體7向正下方某個角度轉動的示意圖。
當需要向左上方某個角度(與水平方向夾角大於60°)的矢量推力時，噴嘴轉動段體7需要轉向左上方的某個角度，則控制系統根據所需要的角度分別計算出上方的兩根形狀記憶合金螺旋拉彈簧2-2的不同收縮量以及對應該收縮量的溫度或者電阻值，然後分別加熱這兩條形狀記憶合金螺旋拉彈簧2-2，使形狀記憶合金螺旋拉彈簧2-2的溫度或者電阻值達到預定值。轉動段體7轉動到預定角度後，這兩條形狀記憶合金螺旋拉彈簧2-2保持恆溫，從而保持恆定的收縮力，轉動段體7保持恆定的彎曲狀態，從而輸出所需的推力。
當噴嘴轉動段體7需要恢復初始的、與固定段體3同軸線的狀態時，停止加熱形狀記憶合金螺旋拉彈簧2-2，形狀記憶合金螺旋拉彈簧2-2冷卻，彈性段體5由於彈性力的作用而恢復到初始的直的狀態，使轉動段恢復到初始的狀態。
具體實施方式
十下面結合圖12和圖13具體說明本實施方式。本實施方式與實施方式六的不同點是每根形狀記憶合金驅動器2由多根形狀記憶合金線2-1組成，多根形狀記憶合金線2-1平行排列成一捆或者絞成一捆。多根細的形狀記憶合金線組成一根形狀記憶合金驅動器，可以提高輸出力。其它的組成和連接方式與實施方式六相同。
權利要求
1.形狀記憶合金驅動的水下矢量推力噴嘴，其特徵在於它包括至少三根形狀記憶合金驅動器(2)、固定段體(3)、轉動段體(7)、彈性段體(5)和至少三個連接線(6)，固定段體(3)、彈性段體(5)和轉動段體(7)依次對接而成管狀，每根形狀記憶合金驅動器(2)的一端固定在一個連接線(6)的一端上，連接線(6)的另一端固定在轉動段體(7)的外圓周表面上，每個連接線(6)平行於固定段體(3)的軸心線並沿圓周方向均勻排布在固定段體(3)、彈性段體(5)和轉動段體(7)的外圓表面上。
2.根據權利要求1所述的形狀記憶合金驅動的水下矢量推力噴嘴，其特徵在於彈性段體(5)是波紋管或直管，彈性段體(5)的材料是橡膠、塑料、金屬或者以上三種材料的複合體。
3.根據權利要求1所述的形狀記憶合金驅動的水下矢量推力噴嘴，其特徵在於彈性段體(5)由螺旋彈簧(5-1)和柔性蒙皮(5-2)組成，螺旋彈簧(5-1)的兩端分別固定在固定段體(3)和轉動段體(7)上，柔性蒙皮(5-2)包裹在螺旋彈簧(5-1)的外圓表面上，柔性蒙皮(5-2)的兩端分別與固定段體(3)和轉動段體(7)相連接並在連接處密封；柔性蒙皮(5-2)的材料是塑料或橡膠。
4.根據權利要求1所述的形狀記憶合金驅動的水下矢量推力噴嘴，其特徵在於彈性段體(5)由螺旋彈簧(5-1)和柔性蒙皮(5-2)組成，螺旋彈簧(5-1)嵌在柔性蒙皮(5-2)的內部，柔性蒙皮(5-2)的兩端分別與固定段體(3)和轉動段體(7)相連接並在連接處密封。
5.根據權利要求1所述的形狀記憶合金驅動的水下矢量推力噴嘴，其特徵在於彈性段體(5)由螺旋彈簧(5-1)和柔性蒙皮(5-2)組成，螺旋彈簧(5-1)繞在柔性蒙皮(5-2)外，螺旋彈簧(5-1)的兩端分別固定在固定段體(3)和轉動段體(7)上，柔性蒙皮(5-2)的兩端分別與固定段體(3)和轉動段體(7)相連接並在連接處密封。
6.根據權利要求1所述的形狀記憶合金驅動的水下矢量推力噴嘴，其特徵在於每根形狀記憶合金驅動器(2)由一根形狀記憶合金絲組成，形狀記憶合金絲是單程或者雙程形狀記憶合金。
7.根據權利要求1所述的形狀記憶合金驅動的水下矢量推力噴嘴，其特徵在於每根形狀記憶合金驅動器(2)由一根形狀記憶合金絲盤曲而成的螺旋拉彈簧(2-2)組成。
8.根據權利要求1所述的形狀記憶合金驅動的水下矢量推力噴嘴，其特徵在於每根形狀記憶合金驅動器(2)由多根形狀記憶合金線(2-1)組成，多根形狀記憶合金線(2-1)平行排列成一捆或者絞成一捆。
全文摘要
形狀記憶合金驅動的水下矢量推力噴嘴，本發明涉及一種射流噴嘴。它克服了現有的用舵來控制射流方向的噴嘴能量損失較大的缺陷。它包括至少三根形狀記憶合金驅動器、固定段體、轉動段體、彈性段體和至少三個連接線，固定段體、彈性段體和轉動段體依次對接而成管狀，每根形狀記憶合金驅動器的一端固定在一個連接線的一端上，連接線的另一端固定在轉動段體的外圓周表面上，每個連接線平行於固定段體的軸心線並沿圓周方向均勻排布在固定段體、彈性段體和轉動段體的外圓表面上。當形狀記憶合金驅動器收縮拉動轉動段體轉動時，彈性段體會產生彈性變形，使轉動段體向所選擇的方向轉動。轉動段體轉動時整個噴嘴內部均勻光滑過渡，水流流暢，射流能量損失小。
文檔編號B63H25/46GK1903658SQ200610010360
公開日2007年1月31日 申請日期2006年8月2日 優先權日2006年8月2日
發明者王振龍, 杭觀榮, 曹國輝, 李健 申請人:哈爾濱工業大學