孫端晨，盧 曦

(上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 200093)

基于圖譜設(shè)計方法的水下機(jī)器人螺旋槳設(shè)計方法

孫端晨，盧 曦

(上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 200093)

針對水下機(jī)器人螺旋槳圖譜設(shè)計方法中實(shí)驗(yàn)次數(shù)多、實(shí)驗(yàn)周期長、所得到的螺旋槳性能較差等缺陷，文中提出一種結(jié)合圖譜設(shè)計法與升力線理論設(shè)計水下機(jī)器螺旋槳的方法。利用以升力線理論為基礎(chǔ)的Matlab開源程序OpenProp，對水下機(jī)器人的螺旋槳進(jìn)行設(shè)計以及性能預(yù)測以減小實(shí)驗(yàn)測試樣品的數(shù)量，最終依靠圖譜設(shè)計方法從中選出最佳螺旋槳。文中所用的方法相比于傳統(tǒng)的圖譜設(shè)計方法可大幅減少實(shí)驗(yàn)次數(shù)，且根據(jù)大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示通過優(yōu)化后的圖譜設(shè)計方法設(shè)計的螺旋槳相比傳統(tǒng)圖譜方法可提高5%～10%的敝水效率。

圖譜設(shè)計方法；升力線理論；螺旋槳設(shè)計；水下機(jī)器人;OpenProp

螺旋槳性能對于水下機(jī)器人的動力性起著重要作用。水下機(jī)器人的螺旋槳有別于普通船舶的螺旋槳：(1)由于水下機(jī)器人普遍要求的負(fù)載不高，電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度低，因此可不用考慮空泡現(xiàn)象；(2)絕大部分水下機(jī)器人在設(shè)計的時候?yàn)榱藴p輕重量螺旋槳部分用ABS等較輕的材料。由于采用此類材料導(dǎo)致在轉(zhuǎn)速過高或者螺旋槳輪廓過細(xì)長時會導(dǎo)致葉片產(chǎn)生一定量的形變，敝水降低效率。

常規(guī)設(shè)計螺旋槳的方式分為兩種：環(huán)流理論設(shè)計(本文利用升力線理論 )、圖譜設(shè)計，但是環(huán)流理論設(shè)計不易為人掌握。應(yīng)用較為廣泛的OpenProp 是美國麻省理工學(xué)院近年來根據(jù)Kerwin 給出的螺旋槳渦格升力線(PVL)程序在Matlab平臺上改進(jìn)完成的。但該程序無法分析非設(shè)計工況下的性能，目前也無法考慮材料因素對螺旋槳的影響以及螺旋槳空化性能。如果需要考慮更多因素則需要采用Lerbs 或Epps 等更加復(fù)雜的方式。而當(dāng)今采用最多的圖譜設(shè)計方法即通過實(shí)驗(yàn)得到的推力系數(shù)、轉(zhuǎn)矩系數(shù)與進(jìn)速系數(shù)的關(guān)系用近似的線性函數(shù)或用最小二乘法擬合然后再通過擬合后的曲線選取所需要的螺旋槳參數(shù)[9-10]，雖方法易被掌握但實(shí)驗(yàn)次數(shù)多、周期長，所得到的性能較差。

1 水下機(jī)器人螺旋槳新設(shè)計方法介紹

為解決升力線理論設(shè)計螺旋槳的方式時不能考慮材料、空化等較為復(fù)雜以及圖譜法實(shí)驗(yàn)次數(shù)多周期長等缺陷，本文提出將兩種螺旋槳設(shè)計方法結(jié)合起來的方法設(shè)計螺旋槳，設(shè)計方法如圖1所示。首先通過環(huán)流法理論初步計算出螺旋槳的尺寸參數(shù)，由于在理論計算的時候未能考慮到復(fù)雜的條件，因此需要在初步設(shè)計的螺旋槳的基礎(chǔ)上改動螺旋槳的參數(shù)，并用圖譜法進(jìn)一步設(shè)計螺旋槳。

圖1 本文所提出方法的流程圖

(1)

(2)

(3)

式中，Z為槳葉數(shù)；R為螺旋槳半徑；rh為輪轂半徑；c為葉截面弦長；CDs為葉截面阻力系數(shù)；ρ為水的密度。

圖2 升力線上控制點(diǎn)處速度和力三角形

2 方法驗(yàn)證

本文給出了T168螺旋槳的OpenProp預(yù)報結(jié)果并與模型漿的敝水實(shí)驗(yàn)曲線作了比較。兩種螺旋槳的幾何要素列于表1。圖3和圖4中實(shí)線是依靠OpenProp預(yù)報結(jié)果，圓點(diǎn)是模型敝水試驗(yàn)結(jié)果。由圖可觀察到KT、KQ、敝水效率的誤差基本相同，與試驗(yàn)結(jié)果的平均誤差約為2%～10%，最大誤差約為10%，因此Openprop的計算可基本預(yù)報螺旋槳的輸出特性。KT、KQ、η0(敝水效率)計算公式為

(4)

(5)

(6)

(7)

其中，Pτ,PQ分別為螺旋槳的輸出功率和電機(jī)的輸出功率；T是螺旋槳提供的推力；vA是水流的速度；Q是電機(jī)提供的轉(zhuǎn)矩；n為螺旋槳的轉(zhuǎn)速；ρ為水的密度；D為螺旋槳旋轉(zhuǎn)直徑。

表1 T168螺旋槳的幾何要素

圖3 T168漿敝水特性比較

圖4 T168漿敝水效率比較

2.1 利用OpenProp對螺旋槳的初次設(shè)計

本文以某款水下機(jī)器人的螺旋槳為例。給定運(yùn)轉(zhuǎn)工況：設(shè)計推力為15.8 N,航速為1 m/s且進(jìn)流周向分量vTC=vt(r)/vs=0。通常螺旋槳的直徑至少為電機(jī)轉(zhuǎn)子的1倍，最大尺寸要小于水下機(jī)器人尺寸的85%。將以上參數(shù)輸入OpenProp參數(shù)化分析模塊中，得到滿足設(shè)計要求的螺旋槳設(shè)計參數(shù)組合如圖5所示。 OpenProp 參數(shù)化分析的結(jié)果輸出為一個橫坐標(biāo)為螺旋槳直徑，縱坐標(biāo)為螺旋槳效率的曲線圖，同時不同顏色的曲線表示不同轉(zhuǎn)速下螺旋槳直徑和敝水效率之間的關(guān)系。通過曲線圖可清晰的看出分別在不同轉(zhuǎn)速時，螺旋槳的效率隨著螺旋槳直徑先增加后減小且在本例中敝水效率最高可達(dá)0.5～0.6之間。為了得到最優(yōu)化的螺旋槳設(shè)計參數(shù)組合，取能夠達(dá)到敝水效率最高點(diǎn)的設(shè)計參數(shù)組合即轉(zhuǎn)速為1 000 RPM時，螺旋槳直徑為0.15 m，并將其輸入單個螺旋槳設(shè)計模塊。由單個螺旋槳設(shè)計模塊得槳葉無量綱環(huán)量、誘導(dǎo)速度、流動角和弦長分布。通過Design Performance 可看出螺旋槳的輸出特性如圖6所示。其中得到該尺寸螺旋槳的敝水效率約為0.602。

圖6 螺旋槳的輸出特性

2.2 利用圖譜法對螺旋槳的二次設(shè)計

由于螺旋槳的形狀對螺旋槳輸出特性影響較大，而OpenProp的默認(rèn)參數(shù)并不一定是最好的弦長分布參數(shù)。通常而言，細(xì)長、光滑的螺旋槳效率會更高，但OpenProp在編譯時未考慮材料的特性，由于細(xì)長的葉片在水中旋轉(zhuǎn)的時候會產(chǎn)生一定量的變形。因此OpenProp并不能準(zhǔn)確預(yù)測其敝水特性。為了進(jìn)一步提高螺旋槳的效率,本文利用圖譜法設(shè)計的方法選擇最優(yōu)化的螺旋槳弦長分布參數(shù)。本文列舉3組不同的螺旋槳弦長分布參數(shù)，如表2所示，圖7為進(jìn)速系數(shù)與該3組螺旋槳敝水效率的關(guān)系曲線。由圖7能得出b號螺旋槳能夠達(dá)到的最高效率最高為0.62，c號螺旋槳由于弦長分布參數(shù)過小而導(dǎo)致在旋轉(zhuǎn)的時候產(chǎn)生一定量的變形從而降低了敝水效率。

表2 3組不同弦長分布參數(shù)以及其能所得到最大真實(shí)效率

圖7 a、b、c號螺旋槳進(jìn)速系數(shù)與螺旋槳敝水效率的關(guān)系

圖8 優(yōu)化后螺旋槳、未優(yōu)化螺旋槳以及傳統(tǒng)方式設(shè)計螺旋槳的敝水效率與進(jìn)速系數(shù)的關(guān)系

3 結(jié)束語

在本文例中，優(yōu)化后的方法較傳統(tǒng)方法設(shè)計的螺旋槳敝水效率提高了約為5%，且大幅度減少了實(shí)驗(yàn)次數(shù)。通過大量的實(shí)驗(yàn)證明：

(1)優(yōu)化后的圖譜設(shè)計方法相比傳統(tǒng)的設(shè)計方式大幅度縮短設(shè)計時間并可提高螺旋槳5%～10%的效率；

(2)若不計材料變形所帶來的影響，基于升力線理論的OpenProp可完全升任低速潛水器的螺旋槳設(shè)計。除不包含材料屬性外之外，該程序也無法分析螺旋槳空化性能、導(dǎo)管螺旋槳中槳葉與螺旋槳導(dǎo)管之間的間隙及導(dǎo)管的幾何形狀對螺旋槳輸出效率的影響。雖本文所用的OpenProp對于某些復(fù)雜的情況不能較好預(yù)測，但隨著環(huán)流理論越來越成熟，更多不同的因素將會得到考慮，計算將會更加真實(shí)，得到的螺旋槳的性能將會更加優(yōu)秀。

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New Design Method of Autonomous Underwater Vehicle Propeller Based on Charts Design

SUN Duanchen，LU Xi

(School of Mechanic Engineering,University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)

To solve the defects of needing too many times of experiment、long experimental period and poor performance of the Autonomous Underwater Vehicle propeller design, this paper introduce a way of designing propeller which combines theory design and charts design. Using OpenProp based on lifting line theory for underwater robot propeller design to reduce the number of test samples.Then relying on charts design way to choose a suitable propeller.Comparing with the traditional experimental method, this method can greatly reduce the experiment time and improve the efficiency of propeller. According to a large number of tests show that the method can improve the efficiency of propeller by 5%～10% .

charts design; lifting line theory; design of propeller; autonomous underwater vehicle; OpenProp

2016- 03- 22

孫端晨(1991-)，男，碩士研究生。研究方向：水下機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)。盧曦(1973-)，男，博士，教授。研究方向：汽車零部件開發(fā)和設(shè)計。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.01.040

TP242

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1007-7820(2017)01-147-04