便攜式潛水助推器推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法

白 杰,趙燕來(lái),李翰林,喬冠彰

(長(zhǎng)安大學(xué)道路施工技術(shù)與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710064)

1 引言

潛水助推器(Diver Propulsion Vehicle,DPV)是人員在潛行過(guò)程中采用的動(dòng)力裝備,因其可以提供一定推力,節(jié)省潛水者體力消耗,增加航程,所以備受研究人員關(guān)注。

Farallon 公司為美軍提供了多種型號(hào)的助推器,如MK-8,最大航速2.8kn,航程5km,下潛深度達(dá)40m。而STIDD公司生產(chǎn)的大型蛙人輸運(yùn)裝置(Diver Propulsion Device,DPD),因其推力更大,航程更遠(yuǎn),可攜帶兩個(gè)以上蛙人,成為目前應(yīng)用最廣泛的水下移動(dòng)平臺(tái)。

針對(duì)蛙人推進(jìn)裝置的研制,學(xué)者們開(kāi)展了大量的研究工作。曾釹釙[1]分析了水下推進(jìn)器的主要關(guān)鍵技術(shù),開(kāi)發(fā)出一種蛙人用水下推進(jìn)器。王帥[2]對(duì)蛙人運(yùn)載裝備進(jìn)行了分析,介紹了水下助推器的技術(shù)發(fā)展。鐘宏偉[3]分析了水面水下兩棲蛙人輸送艇的發(fā)展現(xiàn)狀。M. R. Sadeghizadeh[4]采用數(shù)值仿真方法對(duì)蛙人運(yùn)載器外形進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),提高了航速。劉寧[5]對(duì)蛙人裝備研究現(xiàn)狀及發(fā)展進(jìn)行了闡述,給出了國(guó)外典型運(yùn)載器的技術(shù)指標(biāo)。張建軍[6]對(duì)蛙人推進(jìn)裝置進(jìn)行了建模,并通過(guò)仿真分析對(duì)推進(jìn)器位置進(jìn)行了優(yōu)化。李晗生[7]對(duì)潛水員駕駛DPV的水下航行過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬,并開(kāi)展了水池直航試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。

近年來(lái),隨著潛水作業(yè)、水下娛樂(lè)等活動(dòng)的增多,便攜式潛水助推器需求增加,民用領(lǐng)域水下助推器飛速發(fā)展,但各類產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法、設(shè)計(jì)參數(shù)和體驗(yàn)度差異較大。若采用軍轉(zhuǎn)民的技術(shù)路線,則存在性能過(guò)剩、能耗過(guò)大的問(wèn)題。由于其外形輕巧、攜帶能源受限,需要設(shè)計(jì)小型、大推力、高效率的推進(jìn)器,具有一定的設(shè)計(jì)難度,目前尚無(wú)統(tǒng)一方法。

目前,潛水助推器均采用電機(jī)帶動(dòng)螺旋槳推進(jìn)的方案,因而設(shè)計(jì)與助推器匹配且高效率的螺旋槳推進(jìn)系統(tǒng)成為了設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

目前研究人員多采用小型無(wú)人潛航器(Autonomous Underwater Vehicle,AUV)和小型水下機(jī)器人螺旋槳的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行選型設(shè)計(jì)。對(duì)于螺旋槳的設(shè)計(jì)與分析,國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)圖譜法、實(shí)驗(yàn)法、仿真法做了大量的研究工作。Benedetto Allotta[8]等人采用圖譜法設(shè)計(jì)了AUV螺旋槳推進(jìn)系統(tǒng)。陳原[9]等對(duì)水下機(jī)器人導(dǎo)管螺旋槳敞水性能進(jìn)行了研究。胡健[10]等對(duì)加速導(dǎo)管和減速導(dǎo)管的性能進(jìn)行了比較。張若初[11]等對(duì)AUV用螺旋槳進(jìn)行了數(shù)值設(shè)計(jì)并開(kāi)展湖試驗(yàn)證。李龍[12]等采用升力線理論進(jìn)行了AUV二葉螺旋槳設(shè)計(jì),Jin Gu Kang[13]等研究了螺旋槳葉稍斜度對(duì)推進(jìn)性能的影響。

雖然有關(guān)螺旋槳設(shè)計(jì)的成果較為豐富,但是針對(duì)潛水助推器動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)的研究尚無(wú)報(bào)道。盡管采用計(jì)算流體力學(xué)方法對(duì)螺旋槳進(jìn)行設(shè)計(jì)具有時(shí)效性、經(jīng)濟(jì)性等優(yōu)勢(shì),但流體仿真計(jì)算適合對(duì)確定尺寸的螺旋槳進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),不適合推進(jìn)器大范圍選型設(shè)計(jì)。

本文從推進(jìn)系統(tǒng)機(jī)槳匹配規(guī)律出發(fā),提出一種適合便攜式潛水助推器推進(jìn)器選型設(shè)計(jì)的方法,對(duì)潛水裝備發(fā)展有著重要意義。

2 推進(jìn)系統(tǒng)建模

2.1 阻力計(jì)算模型

對(duì)于設(shè)計(jì)工況,潛水者勻速運(yùn)動(dòng),螺旋槳推力與潛水者及助推器的總阻力相等,而總阻力及螺旋槳推力均與航速密切相關(guān)。因此,需首先獲得總阻力與航速的關(guān)系。

目前,為獲得潛水員的阻力,劉寧等[14]通過(guò)計(jì)算人體沾濕面積后采用公式法預(yù)測(cè),李晗生等[15]采用數(shù)值仿真的方法進(jìn)行預(yù)報(bào)。由于采用公式法存在誤差,采用數(shù)值仿真法對(duì)建模、計(jì)算要求較高,不適合大范圍選型設(shè)計(jì),因此采用中山大學(xué)水池試驗(yàn)的結(jié)果,獲得單人在水中阻力與航速的關(guān)系[16],如表1。

表1 中山大學(xué)水池實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)

通過(guò)數(shù)據(jù)分析,在一定范圍內(nèi),單人在水中阻力Fpep與航速v的關(guān)系可以表示為

Fpep=57.15v2-77.07v+50.13

(1)

人員攜帶潛水助推器后總阻力Ftotal為

Ftotal=(1+k)Fpep

(2)

式中:k為推進(jìn)器阻力因數(shù)。

2.2 螺旋槳模型

對(duì)于采用螺旋槳推進(jìn)的系統(tǒng),螺旋槳的進(jìn)速系數(shù)J為

(3)

式中:vp為螺旋槳在敞水中軸線速度,n為螺旋槳轉(zhuǎn)速,D為螺旋槳直徑。

vp=v(1-w)

(4)

v為航速,w為伴流因數(shù),反應(yīng)了航行速度與螺旋槳在敞水中的速度差。

螺旋槳推力F

F=KFρn2D4

(5)

式中:KF為推力系數(shù);

螺旋槳轉(zhuǎn)矩M

M=KMρn2D5

(6)

式中:KM為轉(zhuǎn)矩系數(shù);

計(jì)算推力系數(shù)和力矩系數(shù)回歸多項(xiàng)式為

KF=∑∑AijaiJj

(7)

KM=∑∑BijaiJj

(8)

式中:Aij、Bij可以根據(jù)不同的螺旋槳槳型,通過(guò)查螺旋槳系列試驗(yàn)圖譜獲得。螺距比a為

a=L/D

(9)

式中:L為螺旋槳螺距。

螺旋槳的推進(jìn)效率

(10)

3 推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)方法

由式(3)、(7)可知螺旋槳的推力F是a,v,n,D的函數(shù),滿足

F=f1(a,v,n,D)

(11)

同理,由式(3)、(8)可知螺旋槳的轉(zhuǎn)矩M是a,v,n,D的函數(shù),滿足

M=f2(a,v,n,D)

(12)

當(dāng)a、v一定時(shí),F、M為n,D的二元函數(shù)。

對(duì)于潛水助推器的推進(jìn)功率P為

P=Fv

(13)

航程s為

s=vt

(14)

式中:t為航時(shí)。

在潛水助推器設(shè)計(jì)時(shí),潛行航速對(duì)系統(tǒng)影響最大。根據(jù)式(1)、(13),航速越大,需要功率越大,增加航速,會(huì)造成總航程減小。

根據(jù)式(2)、(11),可以改變螺旋槳轉(zhuǎn)速、直徑、航行器航速,計(jì)算螺旋槳推力和航行器阻力,比較推進(jìn)效率,確定設(shè)計(jì)工況和結(jié)構(gòu)參數(shù)。

綜上所述,可通過(guò)仿真技術(shù)進(jìn)行推力和阻力匹配計(jì)算,以確定設(shè)計(jì)參數(shù),提高設(shè)計(jì)效率。

3.2 設(shè)計(jì)條件

以民用領(lǐng)域便攜式潛水助推器為設(shè)計(jì)背景開(kāi)展研究,應(yīng)當(dāng)以結(jié)構(gòu)輕便,兼具良好的推進(jìn)性能為設(shè)計(jì)目標(biāo)。電池可采用比能量較高的鋰電池,但由于結(jié)構(gòu)尺寸限制,電池總?cè)萘渴芟?不宜追求過(guò)大推力以獲得更高的航速,否則將減少使用時(shí)間。目前,人體百米游泳最大速度約2m/s,為平衡航速與使用時(shí)間的關(guān)系,以v=1.5m/s作為設(shè)計(jì)工況較佳。

導(dǎo)管螺旋槳因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便,推進(jìn)效率高等特點(diǎn),在現(xiàn)代船舶和航海領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。本文采用JD7704導(dǎo)管與Ka4-55螺旋槳組合進(jìn)行設(shè)計(jì),利用圖譜法對(duì)導(dǎo)管槳水動(dòng)力性能進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)潛水深度較小時(shí),水壓較低,需控制螺旋槳轉(zhuǎn)速以避免產(chǎn)生空泡,造成螺旋槳推力性能減弱。因此取螺旋槳轉(zhuǎn)速30 r/s ≤≤65 r/s。

螺旋槳直徑制約整機(jī)設(shè)計(jì)尺寸,為方便攜帶與使用,選取0.06m ≤≤0.12m。

取螺距比a=1.4,由式(3)～(7)繪制導(dǎo)管螺旋槳正車敞水特性曲線,如圖1所示。由圖可知,隨著進(jìn)速系數(shù)的增加,螺旋槳推力系數(shù)和轉(zhuǎn)矩系數(shù)逐漸減小,推進(jìn)效率先增大后減小。

圖1 JD7704+Ka4-55導(dǎo)管螺旋槳正車敞水特性曲線

3.3 方法對(duì)比

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)方法及其優(yōu)勢(shì),對(duì)JD7704導(dǎo)管與Ka4-55螺旋槳進(jìn)行建模,利用CFD軟件開(kāi)展水動(dòng)力性能數(shù)值仿真。采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,外靜止域設(shè)置速度入口、壓力出口,邊界條件為固定壁面,無(wú)滑移,螺旋槳旋轉(zhuǎn)域采用MRF方法。取v=1.5m/s,D=0.08 m;改變轉(zhuǎn)速,計(jì)算均勻軸向來(lái)流時(shí)五種工況下的推力系數(shù)和轉(zhuǎn)矩系數(shù),與圖譜法進(jìn)行對(duì)比,如圖2 所示。

圖2 圖譜法與數(shù)值仿真法計(jì)算結(jié)果對(duì)比

從計(jì)算結(jié)果可見(jiàn),兩種方法計(jì)算的誤差在12%以內(nèi),均可作為螺旋槳設(shè)計(jì)的方法。但是采用數(shù)值計(jì)算方法建模和仿真時(shí)間長(zhǎng),改變結(jié)構(gòu)參數(shù)后,需要重新修改模型,不適合在大范圍選型設(shè)計(jì)階段使用。因此,采用本文設(shè)計(jì)方法,能夠快捷、準(zhǔn)確地給出適合的設(shè)計(jì)方案,顯示出該方法的優(yōu)勢(shì)。

3.4 性能計(jì)算與分析

基于圖譜設(shè)計(jì)理論,采用本文提出的方法進(jìn)行選型設(shè)計(jì)。改變導(dǎo)管螺旋槳的直徑和轉(zhuǎn)速,其推力和轉(zhuǎn)矩變化規(guī)律如圖3所示。當(dāng)轉(zhuǎn)速一定,推力和轉(zhuǎn)矩隨螺旋槳直徑的增大而增大。當(dāng)螺旋槳直徑不變,推力和轉(zhuǎn)矩亦隨轉(zhuǎn)速的增加而增大。且當(dāng)轉(zhuǎn)速大于50 r/s,直徑大于0.08m時(shí),推力和轉(zhuǎn)矩的梯度增大,變化劇烈。

圖3 螺旋槳推力和轉(zhuǎn)矩變化規(guī)律

改變導(dǎo)管螺旋槳的直徑和轉(zhuǎn)速,其軸功率和推進(jìn)效率變化規(guī)律如圖4所示。推進(jìn)器的軸功率隨螺旋槳直徑和轉(zhuǎn)速的增大而增大,且梯度逐漸增大,呈現(xiàn)出與推力和轉(zhuǎn)矩相似的變化規(guī)律。而螺旋槳的推進(jìn)效率則出現(xiàn)先增大后減小的規(guī)律,當(dāng)轉(zhuǎn)速大于50 r/s,直徑大于0.08m時(shí),推進(jìn)效率變化顯著。

圖4 螺旋槳軸功率和推進(jìn)效率變化規(guī)律

由設(shè)計(jì)航速v=1.5m/s,根據(jù)式(1)計(jì)算單人潛水需要推進(jìn)器提供的推力為76 N。

根據(jù)各性能參數(shù)隨螺旋槳直徑和轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律,為采用較高推進(jìn)效率的設(shè)計(jì)方案,由圖4 (b)可知,在所選參數(shù)變化區(qū)間內(nèi),應(yīng)避免采用轉(zhuǎn)速和直徑同時(shí)較大的設(shè)計(jì)方案,而在保證所需推力的前提下,盡量向效率較高點(diǎn)選取,同時(shí)應(yīng)當(dāng)校核螺旋槳是否出現(xiàn)空化。

基于上述設(shè)計(jì)思想,潛水助推器的設(shè)計(jì)方案如表2。為滿足設(shè)計(jì)航速下推力,可采用單螺旋槳或雙螺旋槳方案,但采用單螺旋槳推進(jìn)器,螺旋槳直徑較大,且推進(jìn)效率不高。對(duì)于民用場(chǎng)景,將影響整體產(chǎn)品的尺寸,不便于攜帶。而采用雙螺旋槳設(shè)計(jì),單個(gè)推進(jìn)器直徑的直徑可以減小,效率可以增大,電池總能一定情況下使用時(shí)間較長(zhǎng)。

表2 部分設(shè)計(jì)方案

通過(guò)改變螺旋槳個(gè)數(shù)、直徑和轉(zhuǎn)速,匹配所需推力,可以獲得多種設(shè)計(jì)方案,最終選定方案4較好。其采用雙螺旋槳設(shè)計(jì),兼顧了外形尺寸的限制,推進(jìn)效率高,經(jīng)校核后表明螺旋槳不會(huì)發(fā)生空化,能夠保證有效的推進(jìn)性能。

在選定螺旋槳的設(shè)計(jì)參數(shù)后,根據(jù)設(shè)計(jì)工況選配電機(jī)和電池,進(jìn)而完成助推器的電控和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),在此不再贅述。

4 結(jié)論及展望

潛水助推器由最初的軍事應(yīng)用擴(kuò)展到各種商業(yè)用途,近年來(lái)發(fā)展迅速,本文針對(duì)助推器推進(jìn)性能的關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行分析,為其選型設(shè)計(jì)提供參考。

1)提出了一種便攜式潛水助推器推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。該方法采用螺旋槳圖譜設(shè)計(jì)為基礎(chǔ),可獲得推力性能變化規(guī)律,用于不同工況下系統(tǒng)的選型設(shè)計(jì)。

2)給出了便攜式潛水助推器推進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。該方案采用雙螺旋槳設(shè)計(jì),總推力76 N,預(yù)估推進(jìn)效率60%,能夠兼顧高效、輕便的設(shè)計(jì)需求。

盡管圖譜法為助推器設(shè)計(jì)提供了一條簡(jiǎn)潔、快速的技術(shù)路線,但在初步選定幾種方案后,可采用仿真技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證,最后進(jìn)行螺旋槳性能試驗(yàn)。將圖譜法-仿真法-試驗(yàn)法進(jìn)行有機(jī)結(jié)合,將是未來(lái)潛水助推器動(dòng)力系統(tǒng)的有效設(shè)計(jì)手段。

此外,研究潛水時(shí)攜帶助推器的水動(dòng)力學(xué)特性,獲得不同工況、姿態(tài)下的阻力性能,對(duì)完善助推器的設(shè)計(jì)有重要價(jià)值。