浮島模型水下推進器設計淺析

云鵬

摘? ?要：我國是海洋大國，海洋資源豐富。建造海上浮島的戰略意義開始被重視，其造價廉價、維護成本較低，利用范圍廣泛，未來能夠更好地為軍民所利用。作為浮島動力裝置的設計是浮島在海上運動所必不可少的基本保證。因此通過研究浮島模型的推進器設計，能夠更好地為浮島平臺的設計提供技術支持。本文中通過對浮島模型水下推進器的螺旋槳的設計、電機選型、推力的試驗進行了簡要的闡述。

關鍵詞：海上浮島? 浮島模型? 水下推進器設計? 推力試驗

中圖分類號：X524? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）04（c）-0125-02

海上浮島平臺完全可以作為大型海上機場，為各種類型的飛機提供快速起降的保障能力，也能為各種類型的船舶作為暫時?？康母蹫场Ｒ虼耍Ｉ细u平臺對中國海軍、民用上具有著重要的戰略意義。海上浮島就是防御力量，保護好自己的海域權益，這種裝備造價便宜，可以用在多個方面，屬于軍民兩用裝備，同時也是一種不錯的戰略武器?！昂Ｉ细u平臺”不具備航母強大的軍事打擊能力，但卻兼具機場、后勤基地、浮式碼頭等多種功能。還能發展為生活休閑基地和旅游度假基地。

1? 設計需求

根據浮島模型運動需求，需要4臺水下推進器給模型提供動力。每個推進器包括螺旋槳、導流罩、推進電機、回轉電機、防水外殼及其控制單元等。因此為滿足浮島模型上各動力、控制、測試系統，則提出以下技術要求：

（1）推進電機4套。轉速1500～3000轉/分的調速直流伺服電機，電機扭矩不小于0.2N/m，功率為10～15W，能夠提供20N的推力;

（2）回轉電機4套。回轉電機保證推進電機在水下進行360°旋轉并且可以調節任意角度;

（3）控制系統及其供電系統一套?？刂葡到y實現遠程無線控制，控制水下推進器的轉速及其回轉角度。供電系統則保障控制系統及其電機系統。

2? 實施方案

2.1 推進系統

根據技術要求，每臺推進電機需要提供20N的推力。電機的推力則取決于螺旋槳在什么樣的轉速，多大的直徑，多少的螺距比下產生的推力最大，與電機配合的最好。

2.1.1 螺旋槳設計

螺旋槳葉數越少，效率越高，但振動越大，反之，效率越低，振動越小。三葉螺旋槳推進速度要達到七葉螺旋槳推進速度，轉速要高出10倍左右。螺旋槳直徑越大，轉速越低，效率越高，但是直徑過大會使得槳盤面處于平均伴流減小，總推進效率會有所下降。在螺旋槳周圍，會加上一個環形套筒，稱為導管螺旋槳或涵道螺旋槳，導管剖面一般為機翼型或者折角型，導管主要有三個作用，一是給螺旋槳增加了一個保護罩，二是導管能加速水流并產生預旋，提高推進效率，三能夠使得盤面處伴流更加均勻，從而提高效率，并且改善振動的影響。

在本文中，螺旋槳采用三葉槳，槳盤面直徑不大于115mm，質量在100g左右?？紤]浮島模型在12kn的阻力情況，每臺推進器的推力不小于2kg。推進器有效推進功率P=7×0.5144×20=72W，假設效率為0.5，則螺旋槳收到的功率P（收）=144W，去軸系傳動效率為0.98，留10%功率損耗，則電機功率應該為P（電機）=144/0.98/0.9=163W。單個螺旋槳在浮島模型速度在3.6m/s時能克服船體阻力大約為2kg，考慮推力減額和伴流分數，選取伴流分數為0.2，推力減額為0.3，即單個螺旋槳要滿足在實際流速為3.6*0.8=2.88m/s時，發出的推力至少為T=20/0.7=28.6N。

2.1.2 推進電機選型

推進器電機選用直流伺服電機，主要考慮伺服電機的精確調速優勢，電機的主要技術指標為：額定轉速3000RPM，最大扭矩0.32Nm，額定功率100W，直流24V供電，直徑小于60mm，帶編碼器，推進器控制上采用PWM脈沖占空比控制調速，占空比轉速范圍10%～90%對應0～Max_Speed（0～3000），轉速精度可控制在1轉以內。

2.2 回轉系統設計

回轉系統采用閉環步進電機，閉環控制可以更好地對位置進行精準的控制，能夠保證電機精確定位，絕不丟步。步進電機的轉矩隨著轉速的增加而降低，即具備低轉速高扭力的特點，回轉電機只保證角度，不要求速度，轉速保證在500RPM左右就足以滿足回轉的要求。

2.3 控制系統設計

2.3.1 動力控制系統

動力系統要求四臺推進電機可以獨立控制，可以實現差動控制。四臺回轉電機也要求獨立控制，可以實現轉角差動控制。

浮島模型推進器方向旋轉控制，要求推進器能實現360°范圍的旋轉，同事要求保證轉速、角度的精確控制，控制方式選用正交指令脈沖位置控制方式，通過控制發射脈沖個數實現角度位置的精確控制。

2.3.2 遠程無線控制系統

地面站系統由控制電腦、運動控制卡、多通道信號發射機組成，模型接收控制系統則由多通道信號接收機、伺服電機驅動器組成，動力系統主要由轉角伺服電機、推進伺服電機、螺旋槳和蓄電池組成。系統工作方式：首先由控制電腦通過運動控制卡發出8路脈沖信號，其中4路PWM脈沖用于控制4臺推進電機轉速，4路脈沖用于控制回轉電機的運動，8路信號互不干擾通過多通道信號發射機發送至浮島模型上的多通道信號接收機，將信號傳輸至伺服電機驅動器，驅動器控制伺服電機完成運動。

3? 試驗

浮島模型水下推進器研制開發完成以后，需要對其進行相關試驗，以驗證其性能與可靠性。

3.1 密封試驗

將水下推進器安裝完畢，沉放入水中2～3h，根據現場可以看到進水留下的痕跡，不僅顯示了進水位置還可以估計進水劇烈程度。是推進器高速轉動持續15～30min，觀察轉動過程有無進水的情況。本研發過程中多次試驗，殼體內部并沒有浸水，從而肯定了水下推進器的結構是可靠的。

3.2 拉力試驗

分別對每一臺推進器進行拉力試驗。調整每個螺旋槳的轉速，記錄各不同轉速下推進器的拉力測量值。在試驗過程中，測試的4臺推進器的拉力在螺旋槳轉速為2500RPM時，拉力值都在2.4kg左右，從而滿足了浮島模型所需要的推力。

3.3 操控性試驗

操控性試驗選擇在長度為60m，寬度為60m的開闊水池試驗室中進行。確保浮島模型在運動過程中的有效的運動距離和回轉半徑。

3.3.1 推進試驗

分別調整螺旋槳的轉速，使浮島模型從靜浮狀態加速至不同的航速，通過GPS記錄在不同轉速下，浮島模型的不同的速度。

3.3.2 回轉試驗

調整每臺回轉電機的角度，在不同的角度下，測得浮島模型在不同航速下的回轉半徑和回轉周期。

4? 結語

就目前國內調查來看，在民用、軍用等各個方面，海面浮島平臺的設計工作已經展開，通過研究浮島模型的動力系統為今后模擬浮島平臺動力系統的設計提供了技術基礎。本文中主要針對于浮島模型的動力裝置水下推進器設計的研究，相關技術限于篇幅不能詳盡介紹。作為新型推進系統之一，經試驗表明，該結構設計合理，方案可行，研制出的裝置性能穩定可靠，使其在試驗領域中的研究獲得更廣泛的應用。

參考文獻

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