集成電機泵噴推進器應用于水下機器人探討

程鵬 賀波

摘 要：集成電機泵噴推進器是一種新型的推進方式。本文介紹了集成電機泵噴推進器概況以及水下機器人的推進方式。分析了集成電機泵噴推進器應用于水下機器人的特點,探討了推進器與水下機器人的功率匹配方法。

關鍵詞：集成電機泵噴推進器；水下機器人；推進方式；功率匹配

中圖分類號:U664.3文獻標識碼：A

Investigate the Application of Integrated Motor Water-Jet

Propulsor on ROV

CHENG Peng1，HE Bo2

（1.Guangdong Ocean University，Zhanjiang524025；2.Zhanjiang Maritime Bureau ，Zhanjiang 524001）

Abstract：Integrated Motor water-jet Propulsion is a new kind underwater vehicle propulsion way. This paper investigated the application of Integrated Motor Water-Jet Propulsor on ROV. Analyzed the characteristics of IMJP used in ROV, Discussed the power matching method between Propulsor and ROV.

Key words: IMJP; ROV; Propulsion way; Power Matching

1 集成電機泵噴推進器簡介

集成電機泵噴推進器的結構簡圖，如圖1所示。主要由主軸、導流罩、電機定子、粘有永磁體的轉子葉輪以及導葉等部分組成[1]。其最外部為導流罩，類似噴水推進器的導管，并且起到支撐定子的作用。電機定子固定在外部導流罩中，轉子葉輪外圈貼有永磁體片并且安裝在主軸上并可以繞軸轉動。導葉可以與軸做成一體，為靜葉柵，它的作用是為了消除從葉輪后噴出的水的旋轉運動，有效的回收噴出水的能量并平衡扭矩。工作時，電機定子線圈通電，產生磁場，貼有永磁體的葉輪作為電機的轉子旋轉，并且按照軸流泵設計理論設計的葉片抽水并向后排出，通過靜葉柵導葉回收旋轉能量后經由噴管噴出，為裝置提供向前的動力。

2 水下機器人的推進方式

2.1 水下機器人

圖1 集成電機泵噴推進器簡圖

水下機器人大致可以分為AUV和ROV兩種：AUV是自主水下航行器，一般情況下不帶纜，主要用途是深海作業；ROV一般為小型水下機器人，主要在淺水區域工作，一般情況下帶電纜。

2.2 水下機器人的推進方式

水下機器人是一種主要在水下航行的潛水器，其推力是由潛水器的推進動力裝置即推進器提供的。水下機器人常用的推進方式有：電機推進器、液壓推進器、噴水推進器、磁流體推進器、仿生推進器等[2]。

中小型水下機器人多用電動機直接連接螺旋槳，稱為電機推進器；大中型水下機器人普遍采用液壓馬達為推進動力，采用液壓馬達的液壓推進系統受液壓液體流量控制，有較大的調速范圍。這兩種推進方式都采用常規的螺旋槳推進。采用螺旋槳推進器時，為了使水下機器人在水下能夠換向、旋轉等，需增加推進器個數。

噴水推進也稱泵噴推進，是一種利用噴射管噴出的高速水流的反作用提供推力的一種推進裝置。水通過水下機器人上所裝設的大流量高壓水泵獲得高速后，由噴射管噴出產生推力[3]。

此外，磁流體推進方面研究仍然不成熟，隨著仿生學的發展，仿生推進器被人們提出，仿生推進器具有能源利用率高、流體性能更加完善、降低噪音、可采用多種驅動方式等特點，但限于設計和制造水平的原因，仿生推進技術還不成熟[4]。

3 推進器應用于水下機器人的特點

集成電機泵噴推進器是一種全新的推進方式，它集合了電力推進以及泵噴推進兩者的優點。同時，這種新型的推進方式也有其缺點和局限性。具體的有以下幾個方面：

（1）與熱動力推進系統相比，電動力推進系統有噪聲小、隱蔽性好、不受深度影響的特點；

（2）電動力系統調速方便，可以實現無級變速，可以滿足控制系統的工作要求；

（3）推進效率高。推進器的靜葉柵可以回收液流旋轉能量，增加有效推進能量；推進器的導管可減少推進葉輪葉柵的滑流損失，增加有效推力，提高效率；

（4）噪聲污染小。導管可以起到一定屏蔽噪聲的作用，同樣推進功率的推進器，推進器葉輪體積較小，降低機械旋轉的噪聲；

（5）同樣航速下，抗空泡能力強。導管使來流均勻，同時，根據軸流泵設計理論設計的推進器的泵軸因泵的軸向長度的增加會比同等條件下設計螺旋槳推進器的槳轂的直徑大，抗空泡能力強；

（6）幾乎取消了水下機器人上的全部附體，而且消除了軸系和傳動裝置的損失以及螺旋槳的空泡損失，同時可以容易地操縱水下機器人；

（7）集成電機泵噴推進器應用于水下機器人的主要缺點，是要求零部件加工精度高，對材料的表面處理有很高的要求，成本高，而且現階段仍處在實驗階段，對于遠距離航行以及機動操作航行下的效率仍有待進一步研究。

4 推進器與水下機器人功率匹配

集成電機推進器與水下機器人的功率匹配，即推進器推力與航行體阻力、推進器功率與航行體吸收功率的平衡問題。本文擬以某ROV為例，計算機器人的航行阻力曲線，并利用噴水推進的基本原理加以修正，繪制推力曲線，兩曲線相交點即為匹配點。

4.1 阻力計算

機器人的設計航速為10 kn，機器人長度L=0.7 m。水的運動粘性系數=，機器人濕表面積Ω≈

2.4 m2，速度與相應的雷諾數計算值如表1所列。阻力系數隨雷諾數的變化，如圖1所示。將圖1中阻力系數曲線離散，計算得出水下機器人航行阻力曲線如圖2所示。

表1 計算速度與雷諾數

圖1阻力系數隨雷諾數對數的變化

4.2 功率匹配方法及實例

具體步驟如下：

（1）給出已知條件：

機器人航行阻力曲線；推進器葉輪預期轉速 ；預計電機提供的有效功率 ；預計汽蝕比轉速 ；預計邊界層影響系數 ；管道損失系

數 ；噴口截面損失系數 。

（2）求最佳效率的速比：

（1）

或 （2）

（3）根據水泵效率公式：

（3）

流量公式：

（4）

推進器葉輪前后的能量變化公式：

（5）

（6）

式中： 為水的密度；Q為推進泵流量；H為推進泵揚程；分別為推進器進出口的水流速度；

為邊界層影響系數； 分別為管道進出口損失系數和用來流速度等效表示的管道損失系數。

對于已經確定的最佳速比，給定進水口速度，根據速比k確定噴口截面積、噴口速度，同時也確定了推進器泵的流量和揚程以及能夠提供的推力。把進口速度從0開始變化到10 kn下在最佳速比的情況下能夠產生的推力繪成一條曲線與機器人航行阻力曲線相交即得出在設計航速下的工作點。如果工作交點達不到設計航速的要求，則要增加原動機的功率，即預計電機提供的有效功率增大，重新計算繪圖。

（4）在上面繪制推力與阻力曲線的交點處，讀出該處的流量Q和揚程H的值，計算比轉速以及汽蝕比轉速 ，并判斷是否滿足汽蝕條件。

（5）一般來說，按上述步驟得出推進泵的參數、噴管直徑，設計推進泵實體后，應該考慮重新布置管道進出水口，再次計算管道損失系數 以及邊界層影響系數 。若得出結果與預估計算值出入較大，或者因為水泵重量引起阻力性能變化時，則應把計算有關數值重新一并考慮，重復上述計算過程，最后得到較為精確的結果。

以某水下機器人為例，進行功率匹配。該機器人設計航速v0=10 kn(約5.14 m/s)；推進泵葉輪轉速n=1500 r/min ；預計邊界層影響系數α=0.95、β=α2；

預計推進泵效率 η=0.93；預計收到電機功率Ne=1 200 W；管道損失系數ζ=0.35；進水管道損失系數ζ=0.3; 噴口損失系數ζ=0.02 。計算結果如圖2所示。

圖2 推進器與水下機器人的功率匹配

由匹配點得出推進器的主要參數：

有效功率Ne =1 200 W；噴口直徑dj=80 mm；推進泵的流量Q=0.04 m3/s ；比轉速ns =540；轉速n=1 500 r/min；推進泵揚程H=2.68 m；泵負荷汽蝕余量要求初步校核：Hsv=8.4 m；=2.59 m。，初步設計符合汽蝕余量要求。

5結束語

本文首先介紹了集成電機泵噴推進器的結構與原理，以及水下機器人的推進方式。并詳細闡述了集成電機泵噴推進器應用于水下機器人的特點。集成電機泵噴推進器集合了電力推進和泵噴推進的優點，可以作為水下機器人的一種最新推進方式，然而也存在加工精度高、制造成本高等劣勢。最后，文章分析了集成電機泵噴推進器與水下機器人的功率匹配方法，并以某機器人為實例，給出了匹配曲線及參數，對未來集成電機泵噴推進器在水下機器人上的應用有一定指導意義。

參考文獻

[1]何東林．集成電機泵噴推進器研究[D]．西安：西北工業大學工學碩士論文，2005.

[2]李一平.水下機器人推進過去現在和未來[J].自動化博覽，2002，(3)：56-58.

[3] 吳民權，任潮海等.噴水推進器低損失進口管道研究[J].中國造船，1988，(3)：45-55.

[4]徐海軍，謝海斌等.微小型水下機器人推進方式比較研究[J].兵工自動化，2009，28(4)：85-87.

作者簡介：程鵬（1987-），男，教師。主要從事船舶輪機推進裝置方面的研究。

賀波（1987-），男，教師。主要從事智能運輸系統方面的研究。

收稿日期：2014-03-31