白 杰,趙燕來,李翰林,喬冠彰

(長安大學道路施工技術與裝備教育部重點實驗室,陜西 西安 710064)

1 引言

潛水助推器(Diver Propulsion Vehicle,DPV)是人員在潛行過程中采用的動力裝備,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注。

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

針對蛙人推進裝置的研制,學者們開展了大量的研究工作。曾釹釙[1]分析了水下推進器的主要關鍵技術,開發(fā)出一種蛙人用水下推進器。王帥[2]對蛙人運載裝備進行了分析,介紹了水下助推器的技術發(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)值仿真方法對蛙人運載器外形進行了優(yōu)化設計,提高了航速。劉寧[5]對蛙人裝備研究現(xiàn)狀及發(fā)展進行了闡述,給出了國外典型運載器的技術指標。張建軍[6]對蛙人推進裝置進行了建模,并通過仿真分析對推進器位置進行了優(yōu)化。李晗生[7]對潛水員駕駛DPV的水下航行過程進行了數(shù)值模擬,并開展了水池直航試驗進行了驗證。

近年來,隨著潛水作業(yè)、水下娛樂等活動的增多,便攜式潛水助推器需求增加,民用領域水下助推器飛速發(fā)展,但各類產品設計方法、設計參數(shù)和體驗度差異較大。若采用軍轉民的技術路線,則存在性能過剩、能耗過大的問題。由于其外形輕巧、攜帶能源受限,需要設計小型、大推力、高效率的推進器,具有一定的設計難度,目前尚無統(tǒng)一方法。

目前,潛水助推器均采用電機帶動螺旋槳推進的方案,因而設計與助推器匹配且高效率的螺旋槳推進系統(tǒng)成為了設計的關鍵。

目前研究人員多采用小型無人潛航器(Autonomous Underwater Vehicle,AUV)和小型水下機器人螺旋槳的設計方法進行選型設計。對于螺旋槳的設計與分析,國內外學者通過圖譜法、實驗法、仿真法做了大量的研究工作。Benedetto Allotta[8]等人采用圖譜法設計了AUV螺旋槳推進系統(tǒng)。陳原[9]等對水下機器人導管螺旋槳敞水性能進行了研究。胡健[10]等對加速導管和減速導管的性能進行了比較。張若初[11]等對AUV用螺旋槳進行了數(shù)值設計并開展湖試驗證。李龍[12]等采用升力線理論進行了AUV二葉螺旋槳設計,Jin Gu Kang[13]等研究了螺旋槳葉稍斜度對推進性能的影響。

雖然有關螺旋槳設計的成果較為豐富,但是針對潛水助推器動力系統(tǒng)設計的研究尚無報道。盡管采用計算流體力學方法對螺旋槳進行設計具有時效性、經濟性等優(yōu)勢,但流體仿真計算適合對確定尺寸的螺旋槳進行優(yōu)化設計,不適合推進器大范圍選型設計。

本文從推進系統(tǒng)機槳匹配規(guī)律出發(fā),提出一種適合便攜式潛水助推器推進器選型設計的方法,對潛水裝備發(fā)展有著重要意義。

2 推進系統(tǒng)建模

2.1 阻力計算模型

對于設計工況,潛水者勻速運動,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。因此,需首先獲得總阻力與航速的關系。

目前,為獲得潛水員的阻力,劉寧等[14]通過計算人體沾濕面積后采用公式法預測,李晗生等[15]采用數(shù)值仿真的方法進行預報。由于采用公式法存在誤差,采用數(shù)值仿真法對建模、計算要求較高,不適合大范圍選型設計,因此采用中山大學水池試驗的結果,獲得單人在水中阻力與航速的關系[16],如表1。

表1 中山大學水池實驗所得數(shù)據(jù)

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

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為推進器阻力因數(shù)。

2.2 螺旋槳模型

對于采用螺旋槳推進的系統(tǒng),螺旋槳的進速系數(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);

螺旋槳轉矩M

M=KMρn2D5

(6)

式中:KM為轉矩系數(shù);

計算推力系數(shù)和力矩系數(shù)回歸多項式為

KF=∑∑AijaiJj

(7)

KM=∑∑BijaiJj

(8)

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

a=L/D

(9)

式中:L為螺旋槳螺距。

螺旋槳的推進效率

(10)

3 推進系統(tǒng)設計

3.1 設計方法

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)可知螺旋槳的轉矩M是a,v,n,D的函數(shù),滿足

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

(12)

當a、v一定時,F、M為n,D的二元函數(shù)。

對于潛水助推器的推進功率P為

P=Fv

(13)

航程s為

s=vt

(14)

式中:t為航時。

在潛水助推器設計時,潛行航速對系統(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,會造成總航程減小。

根據(jù)式(2)、(11),可以改變螺旋槳轉速、直徑、航行器航速,計算螺旋槳推力和航行器阻力,比較推進效率,確定設計工況和結構參數(shù)。

綜上所述,可通過仿真技術進行推力和阻力匹配計算,以確定設計參數(shù),提高設計效率。

3.2 設計條件

以民用領域便攜式潛水助推器為設計背景開展研究,應當以結構輕便,兼具良好的推進性能為設計目標。電池可采用比能量較高的鋰電池,但由于結構尺寸限制,電池總容量受限,不宜追求過大推力以獲得更高的航速,否則將減少使用時間。目前,人體百米游泳最大速度約2m/s,為平衡航速與使用時間的關系,以v=1.5m/s作為設計工況較佳。

導管螺旋槳因結構簡單、安裝方便,推進效率高等特點,在現(xiàn)代船舶和航海領域有廣泛的應用。本文采用JD7704導管與Ka4-55螺旋槳組合進行設計,利用圖譜法對導管槳水動力性能進行計算。當潛水深度較小時,水壓較低,需控制螺旋槳轉速以避免產生空泡,造成螺旋槳推力性能減弱。因此取螺旋槳轉速30 r/s ≤≤65 r/s。

螺旋槳直徑制約整機設計尺寸,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)繪制導管螺旋槳正車敞水特性曲線,如圖1所示。由圖可知,隨著進速系數(shù)的增加,螺旋槳推力系數(shù)和轉矩系數(shù)逐漸減小,推進效率先增大后減小。

圖1 JD7704+Ka4-55導管螺旋槳正車敞水特性曲線

3.3 方法對比

為驗證設計方法及其優(yōu)勢,對JD7704導管與Ka4-55螺旋槳進行建模,利用CFD軟件開展水動力性能數(shù)值仿真。采用結構化網格,外靜止域設置速度入口、壓力出口,邊界條件為固定壁面,無滑移,螺旋槳旋轉域采用MRF方法。取v=1.5m/s,D=0.08 m;改變轉速,計算均勻軸向來流時五種工況下的推力系數(shù)和轉矩系數(shù),與圖譜法進行對比,如圖2 所示。

圖2 圖譜法與數(shù)值仿真法計算結果對比

從計算結果可見,兩種方法計算的誤差在12%以內,均可作為螺旋槳設計的方法。但是采用數(shù)值計算方法建模和仿真時間長,改變結構參數(shù)后,需要重新修改模型,不適合在大范圍選型設計階段使用。因此,采用本文設計方法,能夠快捷、準確地給出適合的設計方案,顯示出該方法的優(yōu)勢。

3.4 性能計算與分析

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

圖3 螺旋槳推力和轉矩變化規(guī)律

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

圖4 螺旋槳軸功率和推進效率變化規(guī)律

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

根據(jù)各性能參數(shù)隨螺旋槳直徑和轉速的變化規(guī)律,為采用較高推進效率的設計方案,由圖4 (b)可知,在所選參數(shù)變化區(qū)間內,應避免采用轉速和直徑同時較大的設計方案,而在保證所需推力的前提下,盡量向效率較高點選取,同時應當校核螺旋槳是否出現(xiàn)空化。

基于上述設計思想,潛水助推器的設計方案如表2。為滿足設計航速下推力,可采用單螺旋槳或雙螺旋槳方案,但采用單螺旋槳推進器,螺旋槳直徑較大,且推進效率不高。對于民用場景,將影響整體產品的尺寸,不便于攜帶。而采用雙螺旋槳設計,單個推進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間較長。

表2 部分設計方案

通過改變螺旋槳個數(shù)、直徑和轉速,匹配所需推力,可以獲得多種設計方案,最終選定方案4較好。其采用雙螺旋槳設計,兼顧了外形尺寸的限制,推進效率高,經校核后表明螺旋槳不會發(fā)生空化,能夠保證有效的推進性能。

在選定螺旋槳的設計參數(shù)后,根據(jù)設計工況選配電機和電池,進而完成助推器的電控和結構設計,在此不再贅述。

4 結論及展望

潛水助推器由最初的軍事應用擴展到各種商業(yè)用途,近年來發(fā)展迅速,本文針對助推器推進性能的關鍵問題進行分析,為其選型設計提供參考。

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

2)給出了便攜式潛水助推器推進系統(tǒng)的設計方案。該方案采用雙螺旋槳設計,總推力76 N,預估推進效率60%,能夠兼顧高效、輕便的設計需求。

盡管圖譜法為助推器設計提供了一條簡潔、快速的技術路線,但在初步選定幾種方案后,可采用仿真技術進行驗證,最后進行螺旋槳性能試驗。將圖譜法-仿真法-試驗法進行有機結合,將是未來潛水助推器動力系統(tǒng)的有效設計手段。

此外,研究潛水時攜帶助推器的水動力學特性,獲得不同工況、姿態(tài)下的阻力性能,對完善助推器的設計有重要價值。