柯赟 胡以懷 袁春旺

摘 要：水面無人艇在現(xiàn)代生活中扮演著不可或缺的角色，但其續(xù)航能力欠佳影響其發(fā)展進程。本文基于風(fēng)力機轉(zhuǎn)化風(fēng)能為機械能的模型，將風(fēng)力機與盤式發(fā)電機相結(jié)合能夠高效利用風(fēng)能。根據(jù)風(fēng)速不同，無人艇可處于三種推進模式。通過風(fēng)機和發(fā)電機將風(fēng)能轉(zhuǎn)化成機械能和電能，并將風(fēng)機與螺旋槳機械連接形成推進-發(fā)電裝置。通過控制系統(tǒng)，無人艇能夠在各種風(fēng)速條件下運行，并且能夠保證無人艇有充足的續(xù)航能力，達到高效節(jié)能和環(huán)境友好的效果。

關(guān)鍵詞：無人艇；風(fēng)力機；推進-發(fā)電；續(xù)航

中圖分類號：U675.5 文獻標(biāo)識碼：A

Abstract： The water surface unmanned boat plays an indispensable role in modern life， but its endurance ability affects the task process. Based on the model of wind turbine converting wind energy into mechanical energy， the combination of wind turbine and disc generator can effectively utilize wind energy. According to the wind speed， the unmanned boat can be in three propulsion modes. Wind energy will be converted into mechanical energy and electricity by a fan and a generator， and the fan and propeller will be connected to form a propulsion-generating device. By a control system， the unmanned boat can run under various wind conditions， and uninterrupted task process can be ensured with plenty of battery life， and high efficiency， energy saving and environmental friendly results are achieved.

Key words： Unmanned boat； Wind turbine； Propulsion-power generation； Endurance

1 前言

水面無人艇（USV）發(fā)展至今雖然已有70多年的歷史，但相對于無人機、無人車系統(tǒng)，水面無人艇還是一個較為落后的無人系統(tǒng)平臺。水面無人艇是指可由水面艦船或者岸基布放回收，以半自主或全自主方式在水面航行的無人化、智能化作業(yè)平臺。與傳統(tǒng)水面艦船相比，水面無人艇具有如下的優(yōu)勢[1-4]。

（1）小型輕量、反應(yīng)快速。水面無人艇主要尺度和排水量均不大，總長在6～20 m的最為常見；

（2）機動靈活、適應(yīng)性強。水面無人艇具有較小的排水量、較淺的吃水，特別適合在淺水區(qū)域活動作業(yè)，且可以更好地適應(yīng)海況干擾所產(chǎn)生的影響；

（3）艦型豐富。由于無人艇不需要考慮船員的適居性設(shè)計問題，船型可以更加自由靈活；

（4）推進方式多樣。除了傳統(tǒng)的艦船推進方式，還可以采用全電力推進和利用太陽能、風(fēng)能和海洋能等環(huán)保能源的推進方式。

目前，美、英、法、以色列、日本等國都在研發(fā)先進的水面無人艇。從發(fā)展現(xiàn)狀來看，無人艇的用途多種多樣，不局限于軍事用途，在民用上也凸顯出很大的優(yōu)越性。

但是，現(xiàn)有的各種類型的無人艇都有一個共同的缺陷——續(xù)航能力欠佳。海上的風(fēng)能取之不盡、用之不竭，利用風(fēng)能可為無人艇提供持續(xù)不斷的能源，只要無人艇不出現(xiàn)故障就能夠一直執(zhí)行任務(wù)，不需要進行燃料補給。本文提出利用升、阻組合式垂直軸風(fēng)力機帶動發(fā)電機和螺旋槳，完全依靠風(fēng)能進行推進，并且能夠發(fā)電供其它裝置所需。

2 裝置設(shè)計

采用達里厄型垂直軸風(fēng)力機，可利用來自全方位的360°風(fēng)能，大大提高風(fēng)能利用率；并且利用永磁盤式發(fā)電機，使發(fā)電裝置體積降到最小，維修管理方便簡單；垂直軸風(fēng)機的主軸與螺旋槳軸連接，風(fēng)機直接帶動螺旋槳轉(zhuǎn)動。

因為要實現(xiàn)風(fēng)力機發(fā)電與驅(qū)動兩個功能，故整個裝置分兩部分進行設(shè)計：（1）風(fēng)力機發(fā)電部分，進行風(fēng)能→機械能→電能轉(zhuǎn)換；（2）螺旋槳與尾軸傳動部分，將風(fēng)力機主軸機械能或電動機提供的機械能→螺旋槳旋轉(zhuǎn)推力。

風(fēng)力機固定在船舶主甲板，在甲板下風(fēng)力機主軸上安裝盤式永磁發(fā)電機、制動裝置和連接斜齒；尾軸末端連接螺旋槳，中段由推力軸承支撐；前端安裝連接斜齒，與風(fēng)力機主軸的連接斜齒進行嚙合，以此完成兩部分的結(jié)合，如圖1所示。

對風(fēng)力發(fā)電機空載和負(fù)載兩種情況進行實驗，分如下三種運行模式：

（1） 推進——發(fā)電模式

當(dāng)風(fēng)力機轉(zhuǎn)速n>250 r/min時，此裝置切換至推進—發(fā)電模式。啟動制動裝置，使風(fēng)力機停止，推動裝置推動連接齒輪下移與螺旋槳裝置部分斜齒嚙合；松開制動裝置，風(fēng)力機恢復(fù)轉(zhuǎn)動，此時該裝置既能帶動盤式發(fā)電機進行發(fā)電向船舶供電，又能帶動螺旋槳旋轉(zhuǎn)使船舶產(chǎn)生推力航行。

（2） 發(fā)電模式

當(dāng)風(fēng)力機轉(zhuǎn)速：100 r/min

（3） 電力推進模式

當(dāng)風(fēng)力機轉(zhuǎn)速n<100 r/min時，此裝置切換至電力推進模式。啟動制動裝置，風(fēng)力機停止，控制器使蓄電池電能反向輸入到發(fā)電機中；松開制動裝置，風(fēng)力機恢復(fù)轉(zhuǎn)動，此時發(fā)電機變?yōu)殡妱訖C帶動螺旋槳推進，此時為低速模式。

自動控制系統(tǒng)組成，見圖2。

設(shè)計無人艇長L=6.00 m、艇寬B=2.08 m、型深D=1.60 m、設(shè)計吃水t=0.48 m，靜止在水中的滿載排水水量Δ=1.85 t。

3 試驗裝置

3.1 風(fēng)機

垂直軸風(fēng)力機和水平軸風(fēng)力機相比，結(jié)構(gòu)更加簡單、維護更加方便、風(fēng)機噪音更小，形式更加優(yōu)美，而風(fēng)能利用率與水平軸風(fēng)力機大致相同（約40%）。升力型垂直軸風(fēng)力機相對于阻力型風(fēng)力機轉(zhuǎn)速較高、旋轉(zhuǎn)慣性大、適用范圍廣、抗風(fēng)能力強。

選用Φ型風(fēng)機，由于其自啟動能力較差，需要再安裝一個阻力型風(fēng)力機降低啟動風(fēng)速。為了避免阻力型風(fēng)力機在較高風(fēng)速下對主體風(fēng)機的影響，阻力型風(fēng)力機需要通過超越離合器與主體風(fēng)力機相連。

3.2 非接觸型超越離合器【6】

非接觸型超越離合器，如圖3，包含一內(nèi)環(huán)及外環(huán)。螺旋形S型垂直軸風(fēng)力機包含一風(fēng)力機中心軸，并通過該中心軸與非接觸型超越離合器的內(nèi)環(huán)連接；Φ型垂直軸風(fēng)力機位于所述螺旋形S型垂直軸風(fēng)力機的下方，其一端連接非接觸型超越離合器的外環(huán)，另一端連接盤式發(fā)電機和連接斜齒與螺旋槳連接。

在風(fēng)力作用下，螺旋形S型垂直軸風(fēng)力機帶動非接觸型超越離合器轉(zhuǎn)動，非接觸型超越離合器帶動Φ型垂直軸風(fēng)力機啟動，Φ型垂直軸風(fēng)力機在風(fēng)速較大情況下會自動啟動，但其轉(zhuǎn)動不會影響到螺旋形S型垂直軸風(fēng)力機的阻礙影響。

3.3 盤式永磁發(fā)電機[7]

盤式電機定轉(zhuǎn)子是圓盤式結(jié)構(gòu)平行安裝，結(jié)構(gòu)緊湊具有較大的定轉(zhuǎn)子半徑，容易設(shè)計成多極電機，適合低速大轉(zhuǎn)矩場合，轉(zhuǎn)矩密度大、軸向長度短，可以采用直接驅(qū)動方式。特別是隨著高性能永磁材料的發(fā)展，采用永磁體勵磁，無需額外的勵磁電流，適合獨立運行。因此，盤式永磁同步電機特別適合作為幾百瓦到幾千瓦的小型直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機。

由于永磁盤式發(fā)電機結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、啟動轉(zhuǎn)矩低、額定轉(zhuǎn)速低、體積小、重量輕、比功率大、效率高、中、低速發(fā)電性能好、采用自啟動式穩(wěn)壓器無需外加勵磁電源，在功率等級相同的情況下，永磁式發(fā)電機比勵磁式發(fā)電機的輸出功率高一倍，因此永磁盤式發(fā)電機更適用于在垂直風(fēng)力機使用。

采用雙外轉(zhuǎn)子、內(nèi)定子的200 W的盤式發(fā)電機進行試驗，如圖4。

根據(jù)試驗結(jié)果分析得出：此裝置進行無人艇的推進—發(fā)電完全滿足要求。由圖5可以看出，單獨使用垂直軸風(fēng)力發(fā)電機轉(zhuǎn)速比垂直軸風(fēng)力機與盤式發(fā)電機聯(lián)合裝置高，因為盤式發(fā)電機發(fā)電時會給垂直風(fēng)力機反向的阻力，使轉(zhuǎn)速減小。

風(fēng)速與功率的關(guān)系式為

由圖6可以看出：單獨利用垂直軸風(fēng)力機發(fā)電功率不如垂直軸風(fēng)力機與盤式發(fā)電機聯(lián)合裝置發(fā)電總功率，因此聯(lián)合裝置能夠提供更充足的動力。

4 結(jié)論

通過對風(fēng)力機的葉片轉(zhuǎn)速試驗，將不帶發(fā)電機裝置與帶發(fā)電機裝置進行對比，得出單獨垂直軸發(fā)電機的功率比風(fēng)力機-盤式發(fā)電機聯(lián)合裝置的功率低。而且推進-發(fā)電裝置能夠根據(jù)風(fēng)速的變化，相應(yīng)的改變供能方式，確保在任意風(fēng)速情況下無人艇能夠順利執(zhí)行任務(wù)。改進之處是斜齒齒輪比需要進行重復(fù)試驗，確定最佳齒輪比，讓風(fēng)力機的轉(zhuǎn)速更高效地轉(zhuǎn)化為推進的機械能。

另外，還可以考慮將固定槳替換成可調(diào)槳連接，適合風(fēng)力大小多變的船舶航速控制，更有效地利用風(fēng)能。

目前，無人艇在多個領(lǐng)域都發(fā)展迅猛，無論在環(huán)保、搜救、水產(chǎn)、軍用方面，無人艇的應(yīng)用都取得了一定成功。未來，無人艇的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒃絹碓綇V泛，將扮演更加重要的角色。

但目前大多數(shù)無人艇的推進方式仍采用柴油機推進，需攜帶適量的燃料，續(xù)航能力難以保證。本裝置完全利用風(fēng)能，沒有任何污染氣體或廢物排出，并且能夠有效處理續(xù)航問題，適用于無人艇今后的發(fā)展趨勢。

參考文獻

[1]尚燕麗. 海軍發(fā)展無人作戰(zhàn)平臺的需求、現(xiàn)狀與展望 [J].國防技術(shù)基礎(chǔ)，2009.1.

[2]YAN R J ，PANG S ，SUN H B， ，development and missions of unmanned surface vehicle[J].Journal of Marine Science and Application.2010.9（4）.

[3]MANLEY J E .Unmanned surface vehicles 15 years of development [C]//Oceans Canada， 2008（1-4）.

[4]宋磊.國外無人艇未來發(fā)展及關(guān)鍵技術(shù)[J].軍事文摘，2015.13.

[5]蘇紹禹，蘇剛.風(fēng)力發(fā)電機組設(shè)計、制造及風(fēng)電場設(shè)計、施工[M].北京機械工業(yè)出版社， 2013.

[6]金浩，胡以懷，馮是全.一種電磁阻尼型風(fēng)力制熱裝置.中國發(fā)明專利，201510296430.7[P].

[7]唐任遠(yuǎn)等著.現(xiàn)代永磁電機 理論與設(shè)計[M]，1997.