混合驅(qū)動(dòng)水下滑翔機(jī)用可折疊螺旋槳的設(shè)計(jì)

□ 畢 杰 □ 付 平 □ 張明賽 □ 殷 碩 □ 欒光旭 □ 王晨旭

青島科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院 山東青島 266061

1 設(shè)計(jì)背景

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái),世界各國(guó)普遍認(rèn)識(shí)到海洋探測(cè)與開(kāi)發(fā)對(duì)增強(qiáng)國(guó)家綜合實(shí)力和促進(jìn)科技創(chuàng)新的重要意義[1-2]。混合驅(qū)動(dòng)水下滑翔機(jī)作為一種新興的海洋探測(cè)平臺(tái),在海洋探測(cè)中發(fā)揮了不可替代的作用[3]。在傳統(tǒng)混合驅(qū)動(dòng)水下滑翔機(jī)實(shí)際應(yīng)用中,存在一些問(wèn)題,如僅依靠浮力驅(qū)動(dòng)時(shí),螺旋槳槳葉會(huì)產(chǎn)生一定的阻力。對(duì)此,筆者設(shè)計(jì)了新型可折疊螺旋槳用于混合驅(qū)動(dòng)水下滑翔機(jī),可以減小傳統(tǒng)水下滑翔機(jī)的阻力,提高航行時(shí)的穩(wěn)定性。

2 可折疊螺旋槳結(jié)構(gòu)

混合驅(qū)動(dòng)水下滑翔機(jī)用可折疊螺旋槳安裝在機(jī)體尾部,螺旋槳工作時(shí)可以為水下滑翔機(jī)提供推力,螺旋槳不工作時(shí)可以減小水下滑翔機(jī)滑翔的阻力。目前,水面帆船與航空領(lǐng)域?qū)烧郫B螺旋槳有少量應(yīng)用,但結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)都相對(duì)復(fù)雜,不適合應(yīng)用于水下滑翔機(jī)[4-5]。在水下滑翔機(jī)僅靠浮力驅(qū)動(dòng)的滑翔過(guò)程中,航行速度較低,在螺旋槳兩側(cè)產(chǎn)生的壓力不足以使螺旋槳自動(dòng)折疊,因此需要設(shè)置一個(gè)使螺旋槳折疊的復(fù)位機(jī)構(gòu)?？紤]到水下滑翔機(jī)的成本與續(xù)航能力,所設(shè)置的復(fù)位機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量簡(jiǎn)單,且不消耗水下滑翔機(jī)所攜帶的能量。筆者設(shè)計(jì)的混合驅(qū)動(dòng)水下滑翔機(jī)用可折疊螺旋槳可借助啟動(dòng)時(shí)旋轉(zhuǎn)的離心力張開(kāi),通過(guò)內(nèi)部設(shè)置的復(fù)位機(jī)構(gòu),同時(shí)借助航行產(chǎn)生的壓力實(shí)現(xiàn)折疊。

通過(guò)查閱其它領(lǐng)域可折疊螺旋槳的相關(guān)資料可知,在可折疊螺旋槳的直徑與展開(kāi)面積大小相等時(shí),螺旋槳的效率與槳葉數(shù)成反比關(guān)系[6-7]。另一方面,較少的槳葉數(shù)量可以避免水下滑翔機(jī)在航行過(guò)程中產(chǎn)生空泡[8-9]。筆者以圖譜設(shè)計(jì)法為基礎(chǔ),結(jié)合水下滑翔機(jī)的水動(dòng)力參數(shù),設(shè)計(jì)了新型可折疊螺旋槳,用于混合驅(qū)動(dòng)水下滑翔機(jī)[10-11]?？烧郫B螺旋槳如圖1所示,槳葉數(shù)為2,設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單,安裝便利。設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于復(fù)位機(jī)構(gòu)的彈簧選型,彈簧彈性系數(shù)過(guò)大,槳葉不易展開(kāi),太小則折疊困難。

▲圖1 可折疊螺旋槳

3 力學(xué)分析

新型可折疊螺旋槳展開(kāi)時(shí),依靠螺旋槳旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的離心力,不消耗其它能量,并在彈簧彈力、自身重力等力的共同作用下達(dá)到動(dòng)平衡狀態(tài),穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)。分析力平衡過(guò)程,需要建立慣性坐標(biāo)系,如圖2所示。慣性坐標(biāo)系以螺旋槳軸的圓心為原點(diǎn),以螺旋槳軸線(xiàn)指向槳葉方向?yàn)閄軸正方向,以平行于螺旋槳軸徑向截面指向槳轂右側(cè)為Y軸正方向,以平行于螺旋槳軸徑向截面指向槳葉外側(cè)為Z軸正方向。圖2中,C(xC,yC,zC)為槳葉質(zhì)心坐標(biāo),位置矢量記為RC,m為槳葉的質(zhì)量,r0為槳葉軸線(xiàn)與X軸的垂直距離,θ為槳葉的展開(kāi)角度,ε為Z軸與豎直方向的夾角,g為重力加速度,MC為作用在槳葉旋轉(zhuǎn)軸上的離心力矩,是槳葉展開(kāi)的動(dòng)力矩,MH為水動(dòng)力推力矩,也是槳葉展開(kāi)的動(dòng)力矩,MS為彈簧扭矩,是槳葉展開(kāi)的阻力矩,MG為重力力矩。

▲圖2 慣性坐標(biāo)系

在慣性坐標(biāo)系中,槳葉在離心力與水動(dòng)力推力下展開(kāi),需要滿(mǎn)足如下方程式:

-MC-MH+MS+MG<0

(1)

動(dòng)阻性與槳葉展開(kāi)角度有關(guān)。

MC=∮mω2xi(zi+r0)dm

(2)

式中:ω為螺旋槳旋轉(zhuǎn)角速度;dm為槳葉上的微元質(zhì)量,坐標(biāo)為(xi,yi,zi)。

將螺旋槳的轉(zhuǎn)動(dòng)視為剛體運(yùn)動(dòng),通過(guò)三角函數(shù)變換,可將式(2)進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為:

MC=mω2‖RC‖[‖RC‖sin(2θ)/2+r0cosθ]

(3)

(4)

式中:ρ為海水密度;n為螺旋槳轉(zhuǎn)速;J為相關(guān)因數(shù);KMH為水動(dòng)力因數(shù);Dp為螺旋槳直徑。

MG=mgxCcosε

(5)

分析式(5)可知,夾角ε的大小決定MG的正負(fù)。當(dāng)夾角ε的絕對(duì)值小于90°時(shí),MG大于0,相當(dāng)于阻力。當(dāng)夾角ε的絕對(duì)值大于90°但小于180°時(shí),MG小于0,相當(dāng)于動(dòng)力。

(6)

式中:ES為彈性模量;dS1為彈簧線(xiàn)徑;dS2為彈簧中徑;NS為彈簧圈數(shù);θo為復(fù)位彈簧預(yù)裝角。

在上述坐標(biāo)系中,槳葉在彈簧彈力與水流壓力作用下折疊,需要滿(mǎn)足如下方程式:

MD+MS1+MG>0

(7)

MD為水下滑翔機(jī)航行時(shí)水流對(duì)槳葉背側(cè)產(chǎn)生的水動(dòng)力矩,是槳葉折疊的動(dòng)力矩。MS1為彈簧扭矩,大小與槳葉展開(kāi)過(guò)程相同,為槳葉展開(kāi)提供動(dòng)力矩。動(dòng)阻性與槳葉展開(kāi)過(guò)程相反。

MD=f(n,Dp,V,θ)

(8)

式中:V為螺旋槳進(jìn)速。

與槳葉展開(kāi)過(guò)程相似,MG的正負(fù)由夾角ε的大小決定。當(dāng)夾角ε的絕對(duì)值小于90°時(shí),MG大于0,相當(dāng)于槳葉折疊過(guò)程中的動(dòng)力。當(dāng)夾角ε的絕對(duì)值大于90°但小于180°時(shí),MG小于0,相當(dāng)于槳葉折疊過(guò)程中的阻力。

總結(jié)可折疊螺旋槳的展開(kāi)與折疊過(guò)程,同時(shí)滿(mǎn)足的條件為:

(9)

整理式(9),得:

-MG-MD

(10)

最終可得復(fù)位機(jī)構(gòu)彈簧剛度因數(shù)KS需滿(mǎn)足:

(11)

式中:KMH為推力矩因數(shù)。

4 水動(dòng)力性能分析

應(yīng)用Fluent流體動(dòng)力學(xué)軟件,對(duì)所設(shè)計(jì)的混合驅(qū)動(dòng)水下滑翔機(jī)用可折疊螺旋槳設(shè)置合理的仿真域,如圖3所示。

▲圖3 可折疊螺旋槳仿真域

選擇k-ε湍流模型,計(jì)算殘差設(shè)置為10-5。仿真域分為動(dòng)流域與靜流域。靜流域?yàn)殚L(zhǎng)方體,長(zhǎng)為25倍螺旋槳直徑,寬和高為10倍螺旋槳直徑。動(dòng)流域?yàn)閳A柱體,底面直徑與高為1.1倍螺旋槳直徑。流域左端面設(shè)置為流入邊界,流入速度為0.5～1.5 m/s,對(duì)應(yīng)的進(jìn)速因數(shù)為0.1～0.6。流域右端面設(shè)置為流出邊界,四周設(shè)置為對(duì)稱(chēng)邊界。螺旋槳實(shí)體壁面設(shè)置為非滑移壁面,轉(zhuǎn)速設(shè)置為600 r/min。槳葉展開(kāi)角為0°～90°,對(duì)槳葉每展開(kāi)15°分析一次。槳葉展開(kāi)45°與槳葉展開(kāi)90°時(shí),仿真分析云圖分別如圖4、圖5所示。

由圖4、圖5可知,槳葉展開(kāi)45°時(shí),螺旋槳水動(dòng)力性能要優(yōu)于槳葉展開(kāi)90°時(shí)。就螺旋槳結(jié)構(gòu)而言,兩者均未發(fā)生邊界分離,也未產(chǎn)生旋渦中心,水動(dòng)力性能較為理想。從速度云圖看,槳葉展開(kāi)45°與槳葉展開(kāi)90°時(shí)的平均速度分別為4.53 m/s、2.69 m/s,說(shuō)明槳葉折疊后減阻效果較好。從動(dòng)壓力云圖看,槳葉展開(kāi)45°相比槳葉展開(kāi)90°,螺旋槳整體動(dòng)壓變化更為平穩(wěn),壓力損失更小。

在螺旋槳的性能研究與設(shè)計(jì)中,需要對(duì)螺旋槳模型進(jìn)行水動(dòng)力性能測(cè)試,即敞水性能試驗(yàn)。敞水性能試驗(yàn)可以分析幾何要素對(duì)螺旋槳性能的影響,從而預(yù)估螺旋槳的水動(dòng)力性能。

對(duì)槳葉每展開(kāi)15°分析一次,得到各展開(kāi)角度下螺旋槳不同進(jìn)速因數(shù)的推力矩。結(jié)合式(11),推力矩因數(shù)KMH為:

(12)

▲圖4 槳葉展開(kāi)45°仿真分析云圖

▲圖5 槳葉展開(kāi)90°仿真分析云圖

基于式(12)計(jì)算得到的數(shù)據(jù),繪制不同槳葉展開(kāi)角度時(shí)螺旋槳推力矩因數(shù)隨進(jìn)速因數(shù)變化曲線(xiàn),如圖6所示。

分析圖6可知,在固定槳葉展開(kāi)角下,螺旋槳的推力矩因數(shù)整體隨進(jìn)速因數(shù)的增大而減小。槳葉展開(kāi)角小于30°時(shí),推力矩因數(shù)的變化不明顯,即槳葉展開(kāi)角較小時(shí),螺旋槳的推力矩因數(shù)基本不受進(jìn)速因數(shù)影響。進(jìn)速因數(shù)為0.1時(shí),推力矩因數(shù)最大,此時(shí)螺旋槳只旋轉(zhuǎn)不前進(jìn),推力矩達(dá)到最大,最有利于槳葉展開(kāi)。槳葉展開(kāi)角小于45°時(shí),隨著槳葉展開(kāi)角的增大,螺旋槳推力矩因數(shù)減小,槳葉展開(kāi)變得困難。槳葉展開(kāi)角大于45°時(shí),隨著槳葉展開(kāi)角的增大,螺旋槳推力矩因數(shù)增大,槳葉展開(kāi)變得容易。這是因?yàn)闃~展開(kāi)角度越大,槳葉周?chē)鲌?chǎng)的影響越小。筆者在設(shè)計(jì)可折疊螺旋槳時(shí),注意了槳葉最小推力矩下的最小折疊角,從而避免正常展開(kāi)受到影響。

▲圖6 螺旋槳推力矩因數(shù)隨進(jìn)速因數(shù)變化曲線(xiàn)

除分析螺旋槳的水動(dòng)力性能外,還需要分析折疊過(guò)程中阻力矩變化情況,從而分析螺旋槳在折疊過(guò)程中的平衡狀態(tài)。與螺旋槳展開(kāi)過(guò)程分析相似,對(duì)槳葉每折疊15°分析一次,得到不同進(jìn)速時(shí)的阻力矩,繪制螺旋槳阻力矩隨進(jìn)速變化曲線(xiàn),如圖7所示。

▲圖7 螺旋槳阻力矩隨進(jìn)速變化曲線(xiàn)

分析圖7可得,螺旋槳折疊過(guò)程中,螺旋槳阻力矩隨槳葉展開(kāi)角的減小而減小,這也說(shuō)明在航行過(guò)程中,相較于傳統(tǒng)螺旋槳,可折疊螺旋槳不工作時(shí),可以大大減小所受阻力,并且進(jìn)速越大,效果越明顯。折疊到某一槳葉展開(kāi)角前,螺旋槳阻力矩與進(jìn)速成正相關(guān)。在螺旋槳完全折疊時(shí),螺旋槳阻力矩隨進(jìn)速的增大而減小,說(shuō)明在僅靠浮力驅(qū)動(dòng)滑翔時(shí),相比于傳統(tǒng)螺旋槳,可折疊螺旋槳的低阻性更具有優(yōu)勢(shì)。

5 結(jié)束語(yǔ)

筆者針對(duì)混合驅(qū)動(dòng)水下滑翔機(jī)僅在浮力驅(qū)動(dòng)時(shí)螺旋槳會(huì)產(chǎn)生一定阻力的問(wèn)題,設(shè)計(jì)了一種新型可折疊螺旋槳。對(duì)新型可折疊螺旋槳槳葉展開(kāi)與折疊過(guò)程進(jìn)行了力學(xué)分析,并確定了復(fù)位機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型。同時(shí)在不同槳葉展開(kāi)角時(shí),對(duì)新型可折疊螺旋槳進(jìn)行了水動(dòng)力性能分析。結(jié)果表明,相比傳統(tǒng)螺旋槳,在螺旋槳不工作時(shí),可折疊螺旋槳可以大大減小混合驅(qū)動(dòng)水下滑翔機(jī)所受的阻力,并且進(jìn)速越大,效果越明顯。