無槳推進航行器的設(shè)計與實驗

崔超

（鄭州大學(xué)機械與動力工程學(xué)院，河南鄭州，450001）

0 引言

目前，水下推進器的主流是螺旋槳推進器，其存在易被水草等異物纏繞、故障率高、噪音大等缺點。水下推進器是水下航行器的推動裝置，直接影響著水下航行器運行的穩(wěn)定和安全。美國、英國、加拿大等國家為了解決以上問題，大力研發(fā)泵噴推進器，但難以小型化且造價昂貴。因此，筆者設(shè)計了一種無槳推進器，并應(yīng)用于水下航行器中，可以用作特定應(yīng)用場景下螺旋槳推進器的替代物。該無槳推進航行器由無槳推進器、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、觀測系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。本文重點介紹航行器設(shè)計與實驗中無槳推進的創(chuàng)新部分。

1 裝置方案介紹

該無槳推進航行器的設(shè)計目標是通過渦輪在航行器中部對水進行壓縮，然后從無槳推進器的環(huán)形出口表面噴出，在產(chǎn)生直接推力的同時伴隨有科恩達效應(yīng)，從而實現(xiàn)航行器的無槳推進的效果。

無槳推進航行器的兩側(cè)安裝有無槳推進器，單個無槳推進器能夠產(chǎn)生一個自由度的推力，由兩個無槳推進器則可完成差速轉(zhuǎn)彎和掉頭等動作.由航行器中部的重心調(diào)節(jié)模塊，則可完成調(diào)節(jié)俯仰姿態(tài)以實現(xiàn)浮潛動作。整個無槳推進航行器的前進、轉(zhuǎn)彎、上浮和下潛等基本動作均實現(xiàn)了無槳。

2 無槳推進器原理

無槳推進器是無槳推進航行器的核心部件，它是無槳推進航行器的直接動力來源[1]，也是無槳推進航行器的創(chuàng)新所在。無槳推進器在結(jié)構(gòu)上設(shè)計了環(huán)形出口曲面，噴出的水流在其表面會伴隨產(chǎn)生科恩達效應(yīng)，能夠減少空泡率以達到高效、靜音推進的目的。

科恩達效應(yīng)，即:當(dāng)流體與它流過的物體表面之間存在表面摩擦?xí)r(流體粘性)，只要曲率不大，流體會順著物體表面流動。

無槳推進器運行時，其結(jié)構(gòu)主要由進水口、增壓渦輪裝置、內(nèi)部管道、環(huán)形出水口四部分組成。在水下無槳推進器的底座上，設(shè)有入水口，該入水口可以在一定時間內(nèi)使較多的水流入推進器的內(nèi)部涵道中。在靠近入水口附近的涵道里，設(shè)置一個壓縮裝置，該壓縮裝置采用渦輪結(jié)構(gòu)，可使用無刷或者直流電機作為渦輪的動力來源，該壓縮裝置使得大量水吸入推進器的內(nèi)部涵道中，并將水加速。最后，被增壓和加速的水流通過無槳推進器環(huán)形出水口內(nèi)唇環(huán)繞射出，射出后的水流帶動環(huán)形出水口后方的水流隨之進入推進器環(huán)形中空的部分（在此過程中具有科恩達效應(yīng)），并以高速度向外射出。以此獲得反作用力，實現(xiàn)推力。

3 無槳推進器結(jié)構(gòu)設(shè)計及航行器動力布局

無槳推進器的詳細結(jié)構(gòu)，包括環(huán)形出水口曲面①，環(huán)形出水口內(nèi)腔②，增壓泵無刷電機③，基體外殼④，過濾管道（網(wǎng)）⑤，入水口管道⑥，入水口空腔⑦，增壓泵渦輪⑧，泵體固定軸⑨，過濾管道（網(wǎng)）固定軸⑩和涵道。

其工作時，首先在涵道①中的負壓力作用下，入水口空腔⑦中的水和右側(cè)的大量水向左進入涵道⑥，進入的水將通過過濾管道（網(wǎng)）⑤的過濾，再將水中雜質(zhì)的含量降低到安全范圍后，再向左進入增壓泵渦輪⑧所在的空腔，在增壓泵無刷電機③和增壓泵渦輪⑧的快速旋轉(zhuǎn)下，水壓迅速上升，進而快速擠入環(huán)形出水口內(nèi)腔②，并沿著環(huán)形出水口曲面①射出，產(chǎn)生推力，在這個過程中，伴隨有伯努利效應(yīng)和科恩達效應(yīng)。

其無槳推進器的直接推力大小是可控的，決定其推力大小的是其內(nèi)置的增壓泵無刷電機的轉(zhuǎn)速和功率。隨著外部控制電路輸入無刷電機的電壓升高，無刷電機的轉(zhuǎn)速和功率也隨之升高，無槳推進器的直接推力也將變大。

圖2 無槳推進航行器動力布局

本文所設(shè)計的無槳推進航行器上安裝有2臺無槳推進器，分別位于航行器中部的兩側(cè)；航行器中心位置安裝有密封艙，內(nèi)置控制電路、電池和重心調(diào)節(jié)裝置；在航行器的前端位置設(shè)計有觀察艙，內(nèi)置有攝像頭。

無槳推進航行器的設(shè)計制作與實驗，是驗證無槳推進器工作原理和工作效果的有效方式。

無槳推進航行器的前進時，兩側(cè)的2臺無槳推進器同時同功率同推力工作，則可以實現(xiàn)直線前進；航行器在左右轉(zhuǎn)向時，采用兩側(cè)的2臺推進器不同的功率和不同的推力，從而實現(xiàn)差速轉(zhuǎn)向和差速轉(zhuǎn)彎；航行器的上浮和下潛，通過密封艙內(nèi)的重心調(diào)節(jié)裝置，通過控制桶里滾珠絲杠的旋轉(zhuǎn)，帶動重物前后移動，改變航行器整體重心的位置，當(dāng)重心的位置位于航行器的艉部時，俯仰姿態(tài)為仰的狀態(tài)，此時前進能夠達到上浮的效果；同樣地，當(dāng)重心的位置位于航行器的艏部時，俯仰姿態(tài)為俯的狀態(tài)，此時前進能夠達到下潛的效果。

圖3 無槳推進器三維模型

通過航行器上2臺無槳推進器和重心調(diào)節(jié)裝置的有序工作，可以使無槳推進航行器在水下三維運動時實現(xiàn)無暴露螺旋槳，從而在一定程度上避免了因為水草、沙石對航行器造成的危險。

4 無槳推進器流體仿真和實驗

■4.1 無槳推進器三維模型的建立

通過SolidWorks軟件對無槳推進器進行三維建模，并保存為igs格式。將建模好的無槳推進器導(dǎo)入ANSYS workbench軟 件 中，使 用ANSYS fluent和SolidWorks simulation進行流體仿真。

■4.2 模型網(wǎng)格劃分和預(yù)處理

設(shè)置邊界條件為渦輪增壓進水速度為10m/s，流場介質(zhì)為20℃water，環(huán)形出口壓力為0MPa，使用k-e湍流模型。

圖4 網(wǎng)格劃分

■4.3 運算及其結(jié)果

設(shè)置運算精度為10e-3，最大迭代次數(shù)為100次[2]。無槳推進器涵道內(nèi)和環(huán)形出水口表面流速如圖5和圖6所示。其出水口最大流速可達15.512m/s，其位置處于涵道空腔的中心部位，環(huán)形出口后方流速穩(wěn)定在2.5m/s-5m/s的區(qū)間內(nèi)。仿真結(jié)果顯示，無槳推進器的性能較好，在原理上較為合理。

圖5 繞環(huán)出水口流場圖

圖6 縱剖面流場圖

■4.4 無槳推進器實際測試

為驗證無槳推進器的可行性和仿真的可信度，我們在室內(nèi)水池環(huán)境中對其進行了實際測試。將無槳推進器安裝于推桿底部，測力計安裝于推桿上部，使其力臂相同，則所測的推力大小即為無槳推進器推力大小。我們設(shè)置了同功率的螺旋槳推進器作為對照。實驗對照結(jié)果可得，在30W功率時，無槳推進器的推力為0.795kgf，而螺旋槳推進器的推力為1.205kgf，可得無槳推進器目前同功率下可達螺旋槳推進器推力的60%左右。

圖7 推力實際對照測試

同時，在實驗室的室內(nèi)水池環(huán)境中對無槳推進器的實際測試中（圖8），可清晰觀察到水流順著環(huán)形出水口表面流出，與仿真結(jié)果接近，實際存在科恩達效應(yīng)和伯努利效應(yīng)。我們在實驗室的室內(nèi)水池中加入泡沫等雜物模擬在戶外環(huán)境中的水草、沙石等破壞物，實驗可得無槳推進器在泡沫干擾的情況下一切正常。

圖8 無槳推進器室內(nèi)測試圖

5 航行器樣機制作仿真及實際測試

無槳推進航行器的樣機已通過計算機有限元仿真的方式，對其在水中工作的運動狀態(tài)進行了仿真和預(yù)計。其仿真結(jié)果如圖9所示。由仿真結(jié)果可得，航行器以0.5m/s的速度前進運動時，其最大的壓強出現(xiàn)在前部，其值達到了0.45MPa。

圖9 航行器前進運動仿真圖

完成的無槳推進航行器樣機如圖10所示，其主要參數(shù)如下：規(guī)格：850mm×360mm×220mm?？傎|(zhì)量為12.2kg，重心調(diào)整的距離長度為300mm。航行器上裝有航模接收機，可與地面的航模遙控器連接通信，從而完成地面的各個任務(wù)命令。

圖1 無槳推進器縱剖示意圖

圖10 樣機戶外湖泊測試圖

該樣機已經(jīng)在室內(nèi)水池環(huán)境和室外湖泊環(huán)境中進行測試，其穩(wěn)定前進的速度為0.5m/s，可通過增加整機功率來提升其速度。左右轉(zhuǎn)向以及上下浮潛的動作完成時間不超過3s。

6 結(jié)論

筆者設(shè)計了一種無槳推進器并將其應(yīng)用在水下航行器中進行了實驗研究，無槳推進器運行平穩(wěn)且不受惡劣水質(zhì)的影響。整套設(shè)備設(shè)計精良，可靠性好。該裝置能在很大的程度上成為螺旋槳推進器在惡劣水質(zhì)環(huán)境中的替代品，在船舶和海洋工程等行業(yè)中有很高的應(yīng)用價值。