便携式潜水助推器推进系统设计方法.pdf

291第40 卷第6 期2023年6 月机真计仿算文章编号：10 0 6-9348(2 0 2 3)0 6-0 2 91-0 4便携式潜水助推器推进系统设计方法白杰,赵燕来，李翰林,乔冠彰（长安大学道路施工技术与装备教育部重点实验室，陕西西安7 10 0 6 4)摘要：为适应水下潜水作业等对辅助动力推进装备的需求，提出一种便携式潜水助推器推进系统设计方法。方法以螺旋浆图谱设计理论为基础，建立了推力和阻力的数学模型，通过其性能匹配计算确定设计参数。结果表明：针对设计工况和选定型面的螺旋桨，在一定范围内，螺旋桨推力、转矩、功率随转速和直径的增大而增大，推进效率则先增大后减小。对于便携式潜水助推器，双螺旋奖设计较单螺旋奖效率高、结构尺寸小。上述方法可促进水下潜水装备发展，为现有助推器优化设计提供参考。关键词：潜水助推器；螺旋奖；推进系统中图分类号：TK2文献标识码：BDesign Method of Portable Diver Propulsion Vehicle Power SystemBAI Jie,ZHAO Yan-lai,LI Han-lin,QIAO Guan-zhang(Key Laboratory of Road Construction Technology and Equipment of MOE,Xian Shaanxi 710064,China)ABSTRACT:In order to meet the needs of auxiliary propulsion for the diving operation,a design method of the diverpropulsion vehicle is proposed.The method is based on the propeller diagram design theory,and the mathematicalmodel of the thrust and drag is established.The design parameters are determined by performance matching calcula-tion.The results show that for the design condition and the selected propeller profile,within a certain range,thethrust,torque and power of the propeller increase with the increase of rotating speed and diameter.However,the pro-pulsive efficiency increases first and then decreases.For portable cases,the design of a double propeller is more effi-cient and smaller than that of a single propeller.This method can promote the development of underwater diving e-quipment and provide a reference for the design of diver propulsion vehicles.KEYWORDS:Diver propulsion vehicle;Propeller;Propulsion system1引言潜水助推器（DiverPropulsionVehicle,DPV）是人员在潜行过程中采用的动力装备，因其可以提供一定推力，节省潜水者体力消耗，增加航程，所以备受研究人员关注。Farallon公司为美军提供了多种型号的助推器，如MK-8，最大航速2.8 kn，航程5km，下潜深度达40 m。而STIDD公司生产的大型蛙人输运装置（DiverPropulsionDevice,DPD），因其推力更大，航程更远，可携带两个以上蛙人，成为目前应用最广泛的水下移动平台。针对蛙人推进装置的研制，学者们开展了大量的研究工基金项目：中央高校基本科研业务费专项资金资助（30 0 10 2 2 58 10 3）；大学生创新创业训练计划项目（S202110710029,S202110710180）收稿日期：2 0 2 1-0 9-2 4修回日期：2 0 2 1-11-30作。曾钕针 分析了水下推进器的主要关键技术，开发出一种蛙人用水下推进器。王帅2 对蛙人运载装备进行了分析，介绍了水下助推器的技术发展。钟宏伟3 分析了水面水下两栖蛙人输送艇的发展现状。M.R.Sadeghizadeh4采用数值仿真方法对蛙人运载器外形进行了优化设计，提高了航速。刘宁5 对蛙人装备研究现状及发展进行了阐述,给出了国外典型运载器的技术指标。张建军6 对蛙人推进装置进行了建模，并通过仿真分析对推进器位置进行了优化。李晗生7 对潜水员驾驶DPV的水下航行过程进行了数值模拟，并开展了水池直航试验进行了验证。近年来，随着潜水作业、水下娱乐等活动的增多，便携式潜水助推器需求增加，民用领域水下助推器飞速发展，但各类产品设计方法、设计参数和体验度差异较大。若采用军转民的技术路线，则存在性能过剩、能耗过大的问题。由于其外形轻巧、携带能源受限，需要设计小型、大推力、高效率的推进器,具有一定的设计难度，目前尚无统一方法。292为目前，潜水助推器均采用电机带动螺旋桨推进的方案，因而设计与助推器匹配且高效率的螺旋桨推进系统成为了设计的关键。目前研究人员多采用小型无人潜航器（AutonomousUn-derwaterVehicle，A U V）和小型水下机器人螺旋桨的设计方法进行选型设计。对于螺旋桨的设计与分析，国内外学者通过图谱法、实验法、仿真法做了大量的研究工作。BenedettoAll-otta8等人采用图谱法设计了AUV螺旋桨推进系统。陈原9 等对水下机器人导管螺旋桨水性能进行了研究。胡健10 等对加速导管和减速导管的性能进行了比较。张若初1 等对AUV用螺旋桨进行了数值设计并开展湖试验证。李龙【12 等采用升力线理论进行了AUV二叶螺旋桨设计，JinGuKangl13等研究了螺旋桨叶稍斜度对推进性能的影响。虽然有关螺旋桨设计的成果较为丰富，但是针对潜水助推器动力系统设计的研究尚无报道。尽管采用计算流体力学方法对螺旋奖进行设计具有时效性、经济性等优势，但流体仿真计算适合对确定尺寸的螺旋桨进行优化设计，不适合推进器大范围选型设计。本文从推进系统机桨匹配规律出发，提出一种适合便携式潜水助推器推进器选型设计的方法，对潜水装备发展有着重要意义。2推进系统建模2.1阻力计算模型对于设计工况，潜水者匀速运动，螺旋桨推力与潜水者及助推器的总阻力相等，而总阻力及螺旋桨推力均与航速密切相关。因此，需首先获得总阻力与航速的关系。目前,为获得潜水员的阻力，刘宁等14 通过计算人体沾湿面积后采用公式法预测，李晗生等15 采用数值仿真的方法进行预报。由于采用公式法存在误差，采用数值仿真法对建模、计算要求较高，不适合大范围选型设计，因此采用中山大学水池试验的结果，获得单人在水中阻力与航速的关系16 ,如表 1。表1中山大学水池实验所得数据流速/ms-1摩擦阻力/N总阻/N摩擦/总阻/%1.0664.2529.4314.41.2035.8643.1613.61.4257.9561.8012.91.6039.8272.5913.51.70110.9378.4813.91.81212.2598.1012.51.90513.41109.8712.22.02715.01131.4511.4通过数据分析,在一定范围内,单人在水中阻力Fpep与航速的关系可以表示为航程：为Fg,=57.15v-77.07v+50.13(1)人员携带潜水助推器后总阻力FFrotal=(1+k)Fpe(2)pep式中：k为推进器阻力因数2.2螺旋浆模型对于采用螺旋桨推进的系统，螺旋桨的进速系数J为J=(3)nD式中：，为螺旋桨在水中轴线速度，n为螺旋奖转速,D为螺旋浆直径。U,=(1-w)(4)u为航速，w为伴流因数,反应了航行速度与螺旋桨在水中的速度差。螺旋浆推力FF=K,pnD4(5)式中：K，为推力系数：螺旋浆转矩MM=KMpnDs(6)式中：KM为转矩系数；计算推力系数和力矩系数回归多项式为K,=ZZA,aiJi(7)KM=ZEB,aJi(8)式中：A，、B,可以根据不同的螺旋桨桨型,通过查螺旋桨系列试验图谱获得。螺距比为=L/D(9)式中：L为螺旋桨螺距。螺旋奖的推进效率KFJm=下(10)KM 2m(1-w)3推进系统设计3.1设计方法由式(3）、（7)可知螺旋桨的推力F是a,u,n,D的函数，满足F=fi(a,u,n,D)(11)同理,由式（3）、（8)可知螺旋桨的转矩M是a,n,D的函数，满足M=fa(a,u,n,D)(12)当a、U 一定时,F、M 为n,D的二元函数。对于潜水助推器的推进功率P为P=Fu(13)s=t(14)式中：t为航时。在潜水助推器设计时，潜行航速对系统影响最大。根据式（1）、（13）,航速越大，需要功率越大，增加航速，会造成总293航程减小。根据式（2）、（11），可以改变螺旋桨转速、直径、航行器航速，计算螺旋桨推力和航行器阻力，比较推进效率，确定设计工况和结构参数。综上所述，可通过仿真技术进行推力和阻力匹配计算，以确定设计参数，提高设计效率。3.2设计条件以民用领域便携式潜水助推器为设计背景开展研究，应当以结构轻便，兼具良好的推进性能为设计目标。电池可采用比能量较高的锂电池，但由于结构尺寸限制，电池总容量受限，不宜追求过大推力以获得更高的航速，否则将减少使用时间。目前，人体百米游泳最大速度约2 m/s，为平衡航速与使用时间的关系，以v=1.5m/s作为设计工况较佳。导管螺旋桨因结构简单、安装方便，推进效率高等特点，在现代船舶和航海领域有广泛的应用。本文采用JD7704导管与Ka4-55螺旋奖组合进行设计，利用图谱法对导管桨水动力性能进行计算。当潜水深度较小时，水压较低，需控制螺旋桨转速以避免产生空泡，造成螺旋桨推力性能减弱。因此取螺旋桨转速30 r/s65r/s。螺旋桨直径制约整机设计尺寸，为方便携带与使用，选取0.0 6 m0.12m。取螺距比a=1.4,由式(3)（7)绘制导管螺旋桨正车水特性曲线,如图1所示。由图可知，随着进速系数的增加，螺旋桨推力系数和转矩系数逐渐减小，推进效率先增大后减小。1K0.810KM0.60.40.211-0.200.20.40.60.811.2J图1JD7704+Ka4-55导管螺旋浆正车散水特性曲线3.3方法对比为验证设计方法及其优势，对JD7704导管与Ka4-55螺旋奖进行建模，利用CFD软件开展水动力性能数值仿真。采用结构化网格，外静止域设置速度入口、压力出口，边界条件为固定壁面，无滑移，螺旋桨旋转域采用MRF方法。取v=1.5m/s,D=0.08m；改变转速，计算均匀轴向来流时五种工况下的推力系数和转矩系数，与图谱法进行对比，如图2所示。从计算结果可见，两种方法计算的误差在12%以内，均10.80.60.4图谱法KF0.2.一一图谱法10 KM一米一数值仿真法KF0一*一数值仿真法10 KM-0.200.20.40.60.811.2图2图谱法与数值仿真法计算结果对比可作为螺旋奖设计的方法。但是采用数值计算方法建模和仿真时间长，改变结构参数后，需要重新修改模型，不适合在大范围选型设计阶段使用。因此，采用本文设计方法，能够快捷、准确地给出适合的设计方案，显示出该方法的优势。3.4性能计算与分析基于图谱设计理论，采用本文提出的方法进行选型设计。改变导管螺旋奖的直径和转速，其推力和转矩变化规律如图3所示。当转速一定，推力和转矩随螺旋桨直径的增大而增大。当螺旋桨直径不变，推力和转矩亦随转速的增加而增大。且当转速大于50 r/s，直径大于0.0 8 m时，推力和转矩的梯度增大，变化剧烈200N/410000.1600.085040螺旋桨直径/m0.0630转速/(r/s)(a)螺旋桨推力(uN)/联转2100.1600.085040螺旋浆直径/m0.0630转速/(r/s)(b)螺旋浆转矩图3螺旋浆推力和转矩变化规律294改变导管螺旋桨的直径和转速，其轴功率和推进效率变化规律如图4 所示。推进器的轴功率随螺旋桨直径和转速的增大而增大，且梯度逐渐增大，呈现出与推力和转矩相似的变化规律。而螺旋桨的推进效率则出现先增大后减小的规律，当转速大于50 r/s，直径大于0.0 8 m时，推进效率变化显著。由设计航速v=1.5m/s，根据式（1)计算单人潜水需要推进器提供的推力为7 6 N。根据各性能参数随螺旋桨直径和转速的变化规律，为采用较高推进效率的设计方案，由图4（b)可知，在所选参数变化区间内，应避免采用转速和直径同时较大的设计方案，而在保证所需推力的前提下，尽量向效率较高点选取，同时应当校核螺旋桨是否出现空化。1000M/率50000.16050螺旋浆直径/m400.0530转速/(r/s)(a)螺旋浆轴功率0.70.60.50.40.1600.085040螺旋浆直径/m0.0630转速/(r/s)(b)螺旋奖推进效率图4螺旋桨轴功率和推进效率变化规律基于上述设计思想，潜水助推器的设计方案如表2。为满足设计航速下推力，可采用单螺旋桨或双螺旋桨方案，但采用单螺旋桨推进器，螺旋奖直径较大，且推进效率不高。对于民用场景，将影响整体产品的尺寸，不便于携带。而采用双螺旋桨设计，单个推进器直径的直径可以减小，效率可以增大，电池总能一定情况下使用时间较长。表2部分设计方案方案转速/s直径m推力N效率功率W螺旋桨个数1410.0967853.1%27712540.0737.854.7%1302方案转速/s直径m推力N效率功率W螺旋浆个数3430.0838.858.6%12424390.08437.760%1172通过改变螺旋桨个数、直径和转速，匹配所需推力，可以获得多种设计方案，最终选定方案4 较好。其采用双螺旋桨设计，兼顾了外形尺寸的限制，推进效率高，经校核后表明螺旋桨不会发生空化，能够保证有效的推进性能。在选定螺旋桨的设计参数后，根据设计工况选配电机和电池，进而完成助推器的电控和结构设计，在此不再赘述。4丝结论及展望潜水助推器由最初的军事应用扩展到各种商业用途，近年来发展迅速，本文针对助推器推进性能的关键问题进行分析，为其选型设计提供参考。1)提出了一种便携式潜水助推器推进系统设计方法。该方法采用螺旋桨图谱设计为基础，可获得推力性能变化规律，用于不同工况下系统的选型设计。2)给出了便携式潜水助推器推进系统的设计方案。该方案采用双螺旋桨设计，总推力7 6 N，预估推进效率6 0%，能够兼顾高效、轻便的设计需求。尽管图谱法为助推器设计提供了一条简洁、快速的技术路线，但在初步选定几种方案后，可采用仿真技术进行验证，最后进行螺旋奖性能试验。将图谱法-仿真法-试验法进行有机结合，将是未来潜水助推器动力系统的有效设计手段。此外，研究潜水时携带助推器的水动力学特性，获得不同工况、姿态下的阻力性能，对完善助推器的设计有重要价值。参考文献：【1曾钕针,刘丰，吴永成。一种超小型水下推进器的研究与开发J.机电一体化,2 0 10,（11)：4 9-53,8 0.2王帅，刘涛.蛙人运载装备体系发展现状及关键技术J.中国造船,2 0 12,（2）：198-2 10.3钟宏伟，李德林.水面水下蛙人输送艇作战运用及相关技术发展J.舰船科学技术，2 0 16，（S1）：1-5+31.4Sadeghizadeh M R,Saranjam B,Kamali R.Optimization of a diverpropulsion vehicle hydrodynamics parameter and its shape improve-ment by CFD method for improving underwater speed record J.Journal of Applied Fluid Mechanics,2017,10(5):1319-1328.5 刘宁，李珊，茶文丽.蛙人装备研究现状及发展展望J.中国造船,2 0 18,59(4):2 12-2 2 2.6张建军，杨兵，吴锦辉，等.蛙人推进装置建模及其推进器位置优化J.系统仿真学报，2 0 2 0,32（4）：56 2-57 0.7李晗生。蛙人推进器的水下航行数值模拟及实验研究D.哈尔滨工程大学，2 0 2 0.（下转第32 0 页）320上接第2 94 页）电网技术，2 0 2 0,4 4（10）：38 7 5-38 8 5.4陈阳，李欣.基于分离设计与优化的多电机自抗扰协同控制J.微特电机,2 0 2 0,4 8（3：38-4 2+4 7.5蒋玮，薛帅，严学庆，等。考虑多工作模式的链式混合储能系统广义等效模型及荷电状态估计技术研究J.中国电机工程学报,2 0 19,39(1):18 2-191,332.6陈宁，齐磊，崔翔，等。适用于柔性直流电网操作过电压分析的混合式高压直流断路器端口等效模型J.高电压技术，2 0 2 0，46(6):2175-2184.7李建明，蒋孟龙，安林雪，等.机电作动器动力学建模与电流跳变现象分析J.电机与控制学报，2 0 2 0,2 4(1)：10 4-110.8纪后继，刘耀宗，谢新立.电机中置式中速磁悬浮列车单悬浮架动力学建模及特性研究J.铁道学报，2 0 2 0,4 2（9）：33-38.9闫军，李炳震，周志霞.旋转电机驱动的辊弯成形系统的机电动力学模型的优化J.高技术通讯，2 0 19，2 9（12）：12 6 9-1273.10李亚楠，王倩，宋文峰，等.混合储能系统平滑风电出力的变分模态分解-模糊控制策略J.电力系统保护与控制，2 0 19，47(7):58-65.11杨鸿镔，刘海峰，王浒，等.基于外特性前馈和模糊控制反馈的发动机冷却系统控制策略研究J.内燃机工程,2 0 2 0,4 1(3):63-71,80.8Allotta B,Pugi L,Bartolini F,et al.Preliminary design and fastprototyping of an Autonomous Underwater Vehicle propulsionsystem J.Proceedings of the Institution of MechanicalEngineers,Part M:Journal of Engineering for the Maritime Envi-ronment,2015,229(3).9陈原，于飞，李静。多种运动模式下水下机器人导管螺旋桨的散水性能研究J.船舶力学，2 0 18,2 2（0 8）：935-94 3.10胡健，王楠,胡洋.加速导管和减速导管的性能比较J.北京航空航天大学学报，2 0 17,4 3(2）：2 4 0-2 52.11张若初，董小倩，王振宇，等.长航程AUV螺旋桨的数值设计及试航验证J.中国造船，2 0 19,6 0（1)：14 1-153.12李龙，张宏伟，王延辉.无人自治水下航行器外形及推进系统优化设计J.机械设计，2 0 17,34（5）：2 3-2 9.13Kang J G,Kim M C,Kim H U,et al.Study on Propulsion Per-formance by Varying Rake Distribution at the Propeller Tip J.Journal of Marine Science and Engineering,2019,7(11).14刘宁。泵喷推进式潜水员运载器的设计研究D.昆明理工大学,2 0 18.12李中奇，许健.基于改进模糊PID-Smith控制器的高速动车组停车方法J.交通运输工程学报，2 0 2 0,2 0（4）：14 5-154.13 袁小平，金鹏，周国鹏.基于改进QPSO算法的电动汽车模糊控制器参数优化J.计算机应用研究，2 0 19,36（12）：36 90-3696.14 付雪松，王建林，胡志雄，等。基于动态权重PSO算法的眼科OCT设备横向分辨率检测J.仪器仪表学报，2 0 19,4 0（9）：142-150.15黄文俊，白瑞林，朱渊渤。基于改进CPSO算法的自抗扰位置伺服系统优化设计J.火力与指挥控制，2 0 19,4 4（4）：53-59,64.16 李昊，罗云，李瑞东，等.基于粒子群优化算法优化BP神经网络模型的间接空冷散热器性能监测【J.动力工程学报，2019,39(12):973-980.作者简介杭阿芳（198 0-），女（汉族），江苏南京人，硕士，讲师，研究方向：控制工程与电力电子研究。王秀梅（197 9-），女（汉族），江苏省丰县人，硕士，讲师，研究方向：智能处理与机器学习。15Li H,Han F,Zhu H,et al.Hydrodynamic Model of Diver-DPVCoupled Multi-Body and Its Underwater Cruising Numerical Sim-ulation J.Journal of Marine Science and Engineering,2021,9(2):140.16 詹杰民，李天增，陈学彬.游泳静态阻力的三维数值模拟研究【C.中国海洋工程学会.第十六届中国海洋（岸）工程学术讨论会议论文集大连：中国海洋工程学会，2 0 13.作者简介白杰（198 5-），男（汉族），山西省阳泉市人，讲师，博士，主要研究领域为水下航行器动力推进技术。赵燕来（2 0 0 2-），男（汉族），安徽省合肥市人，本科生，主要研究领域为水下螺旋奖设计。李翰林（2 0 0 1-），男（土家族），湖北省恩施州利川市人，本科生，主要研究领域为水下动力推进技术。乔冠彰（2 0 0 1-），男（汉族），内蒙古自治区巴彦淖尔市人，本科生，主要研究领域为水下螺旋桨设计。