崔超

（鄭州大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，河南鄭州，450001）

0 引言

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

1 裝置方案介紹

該無(wú)槳推進(jìn)航行器的設(shè)計(jì)目標(biāo)是通過(guò)渦輪在航行器中部對(duì)水進(jìn)行壓縮，然后從無(wú)槳推進(jìn)器的環(huán)形出口表面噴出，在產(chǎn)生直接推力的同時(shí)伴隨有科恩達(dá)效應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)航行器的無(wú)槳推進(jìn)的效果。

無(wú)槳推進(jìn)航行器的兩側(cè)安裝有無(wú)槳推進(jìn)器，單個(gè)無(wú)槳推進(jìn)器能夠產(chǎn)生一個(gè)自由度的推力，由兩個(gè)無(wú)槳推進(jìn)器則可完成差速轉(zhuǎn)彎和掉頭等動(dòng)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(shí)現(xiàn)浮潛動(dòng)作。整個(gè)無(wú)槳推進(jìn)航行器的前進(jìn)、轉(zhuǎn)彎、上浮和下潛等基本動(dòng)作均實(shí)現(xiàn)了無(wú)槳。

2 無(wú)槳推進(jìn)器原理

無(wú)槳推進(jìn)器是無(wú)槳推進(jìn)航行器的核心部件，它是無(wú)槳推進(jìn)航行器的直接動(dòng)力來(lái)源[1]，也是無(wú)槳推進(jìn)航行器的創(chuàng)新所在。無(wú)槳推進(jìn)器在結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)了環(huán)形出口曲面，噴出的水流在其表面會(huì)伴隨產(chǎn)生科恩達(dá)效應(yīng)，能夠減少空泡率以達(dá)到高效、靜音推進(jìn)的目的。

科恩達(dá)效應(yīng)，即:當(dāng)流體與它流過(guò)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(huì)順著物體表面流動(dòng)。

無(wú)槳推進(jìn)器運(yùn)行時(shí)，其結(jié)構(gòu)主要由進(jìn)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(wú)槳推進(jìn)器的底座上，設(shè)有入水口，該入水口可以在一定時(shí)間內(nèi)使較多的水流入推進(jìn)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(gè)壓縮裝置，該壓縮裝置采用渦輪結(jié)構(gòu)，可使用無(wú)刷或者直流電機(jī)作為渦輪的動(dòng)力來(lái)源，該壓縮裝置使得大量水吸入推進(jìn)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(guò)無(wú)槳推進(jìn)器環(huán)形出水口內(nèi)唇環(huán)繞射出，射出后的水流帶動(dòng)環(huán)形出水口后方的水流隨之進(jìn)入推進(jìn)器環(huán)形中空的部分（在此過(guò)程中具有科恩達(dá)效應(yīng)），并以高速度向外射出。以此獲得反作用力，實(shí)現(xiàn)推力。

3 無(wú)槳推進(jìn)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及航行器動(dòng)力布局

無(wú)槳推進(jìn)器的詳細(xì)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(wú)刷電機(jī)③，基體外殼④，過(guò)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(guò)濾管道（網(wǎng)）固定軸⑩和涵道。

其工作時(shí)，首先在涵道①中的負(fù)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(jìn)入涵道⑥，進(jìn)入的水將通過(guò)過(guò)濾管道（網(wǎng)）⑤的過(guò)濾，再將水中雜質(zhì)的含量降低到安全范圍后，再向左進(jìn)入增壓泵渦輪⑧所在的空腔，在增壓泵無(wú)刷電機(jī)③和增壓泵渦輪⑧的快速旋轉(zhuǎn)下，水壓迅速上升，進(jìn)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(gè)過(guò)程中，伴隨有伯努利效應(yīng)和科恩達(dá)效應(yīng)。

其無(wú)槳推進(jìn)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(wú)刷電機(jī)的轉(zhuǎn)速和功率。隨著外部控制電路輸入無(wú)刷電機(jī)的電壓升高，無(wú)刷電機(jī)的轉(zhuǎn)速和功率也隨之升高，無(wú)槳推進(jìn)器的直接推力也將變大。

圖2 無(wú)槳推進(jìn)航行器動(dòng)力布局

本文所設(shè)計(jì)的無(wú)槳推進(jìn)航行器上安裝有2臺(tái)無(wú)槳推進(jìn)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(jì)有觀察艙，內(nèi)置有攝像頭。

無(wú)槳推進(jìn)航行器的設(shè)計(jì)制作與實(shí)驗(yàn)，是驗(yàn)證無(wú)槳推進(jìn)器工作原理和工作效果的有效方式。

無(wú)槳推進(jìn)航行器的前進(jìn)時(shí)，兩側(cè)的2臺(tái)無(wú)槳推進(jìn)器同時(shí)同功率同推力工作，則可以實(shí)現(xiàn)直線前進(jìn)；航行器在左右轉(zhuǎn)向時(shí)，采用兩側(cè)的2臺(tái)推進(jìn)器不同的功率和不同的推力，從而實(shí)現(xiàn)差速轉(zhuǎn)向和差速轉(zhuǎn)彎；航行器的上浮和下潛，通過(guò)密封艙內(nèi)的重心調(diào)節(jié)裝置，通過(guò)控制桶里滾珠絲杠的旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)重物前后移動(dòng)，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(shí)，俯仰姿態(tài)為仰的狀態(tài)，此時(shí)前進(jìn)能夠達(dá)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(shí)，俯仰姿態(tài)為俯的狀態(tài)，此時(shí)前進(jìn)能夠達(dá)到下潛的效果。

圖3 無(wú)槳推進(jìn)器三維模型

通過(guò)航行器上2臺(tái)無(wú)槳推進(jìn)器和重心調(diào)節(jié)裝置的有序工作，可以使無(wú)槳推進(jìn)航行器在水下三維運(yùn)動(dòng)時(shí)實(shí)現(xiàn)無(wú)暴露螺旋槳，從而在一定程度上避免了因?yàn)樗?、沙石?duì)航行器造成的危險(xiǎn)。

4 無(wú)槳推進(jìn)器流體仿真和實(shí)驗(yàn)

■4.1 無(wú)槳推進(jìn)器三維模型的建立

通過(guò)SolidWorks軟件對(duì)無(wú)槳推進(jìn)器進(jìn)行三維建模，并保存為igs格式。將建模好的無(wú)槳推進(jìn)器導(dǎo)入ANSYS workbench軟 件 中，使 用ANSYS fluent和SolidWorks simulation進(jìn)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(jìn)水速度為10m/s，流場(chǎng)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(yùn)算及其結(jié)果

設(shè)置運(yùn)算精度為10e-3，最大迭代次數(shù)為100次[2]。無(wú)槳推進(jìn)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(dá)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(wú)槳推進(jìn)器的性能較好，在原理上較為合理。

圖5 繞環(huán)出水口流場(chǎng)圖

圖6 縱剖面流場(chǎng)圖

■4.4 無(wú)槳推進(jìn)器實(shí)際測(cè)試

為驗(yàn)證無(wú)槳推進(jìn)器的可行性和仿真的可信度，我們?cè)谑覂?nèi)水池環(huán)境中對(duì)其進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試。將無(wú)槳推進(jìn)器安裝于推桿底部，測(cè)力計(jì)安裝于推桿上部，使其力臂相同，則所測(cè)的推力大小即為無(wú)槳推進(jìn)器推力大小。我們?cè)O(shè)置了同功率的螺旋槳推進(jìn)器作為對(duì)照。實(shí)驗(yàn)對(duì)照結(jié)果可得，在30W功率時(shí)，無(wú)槳推進(jìn)器的推力為0.795kgf，而螺旋槳推進(jìn)器的推力為1.205kgf，可得無(wú)槳推進(jìn)器目前同功率下可達(dá)螺旋槳推進(jìn)器推力的60%左右。

圖7 推力實(shí)際對(duì)照測(cè)試

同時(shí)，在實(shí)驗(yàn)室的室內(nèi)水池環(huán)境中對(duì)無(wú)槳推進(jìn)器的實(shí)際測(cè)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(shí)際存在科恩達(dá)效應(yīng)和伯努利效應(yīng)。我們?cè)趯?shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)可得無(wú)槳推進(jìn)器在泡沫干擾的情況下一切正常。

圖8 無(wú)槳推進(jìn)器室內(nèi)測(cè)試圖

5 航行器樣機(jī)制作仿真及實(shí)際測(cè)試

無(wú)槳推進(jìn)航行器的樣機(jī)已通過(guò)計(jì)算機(jī)有限元仿真的方式，對(duì)其在水中工作的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行了仿真和預(yù)計(jì)。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(jìn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，其最大的壓強(qiáng)出現(xiàn)在前部，其值達(dá)到了0.45MPa。

圖9 航行器前進(jìn)運(yùn)動(dòng)仿真圖

完成的無(wú)槳推進(jìn)航行器樣機(jī)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(zhǎng)度為300mm。航行器上裝有航模接收機(jī)，可與地面的航模遙控器連接通信，從而完成地面的各個(gè)任務(wù)命令。

圖1 無(wú)槳推進(jìn)器縱剖示意圖

圖10 樣機(jī)戶外湖泊測(cè)試圖

該樣機(jī)已經(jīng)在室內(nèi)水池環(huán)境和室外湖泊環(huán)境中進(jìn)行測(cè)試，其穩(wěn)定前進(jìn)的速度為0.5m/s，可通過(guò)增加整機(jī)功率來(lái)提升其速度。左右轉(zhuǎn)向以及上下浮潛的動(dòng)作完成時(shí)間不超過(guò)3s。

6 結(jié)論

筆者設(shè)計(jì)了一種無(wú)槳推進(jìn)器并將其應(yīng)用在水下航行器中進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，無(wú)槳推進(jìn)器運(yùn)行平穩(wěn)且不受惡劣水質(zhì)的影響。整套設(shè)備設(shè)計(jì)精良，可靠性好。該裝置能在很大的程度上成為螺旋槳推進(jìn)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(jià)值。