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几种水下推进器介绍及超小型水下推进器开发设计

几种水下推进器装置

水下机器人又称为水下无人潜器,分为遥控、半自治及自治型。水下机器人是典型的军民两用技术,不仅可用于海上资源的勘探和开发,而且在海战中也有不可替代的作用。为了争夺制海权,各国都在开发各种用途的水下机器人。以下介绍几种最新的水下推进器:

1 泵喷推进器

上世纪80年代,英国在“特拉法尔加”(Trafalgar)级攻击型核潜艇上率先装备了一种新型的泵喷推进器(PumpJetThruster)。这种推进方式可以有效降低潜艇的辐射噪声,因而倍受世界各海军强国的关注。随后,英国在“前卫”(Vanguard)级以及“机敏”(Astute)级核潜艇上,法国在“凯旋”(LeTriomphant)级核潜艇上,美国在“海狼”(Seawolf)级、“弗吉尼亚”(Virginia)级核潜艇上,纷纷采用泵喷推进器取代已被广泛应用的七叶大侧斜螺旋桨。据不完全统计,至今世界上以泵喷推进器作为推进方式的核动力潜艇已达几十艘之多。

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图1 “北风之神”级核潜艇尾部泵喷射推进器特写

采用泵喷推进的潜艇与采用大侧斜螺旋桨推进的潜艇相比,最大的优点是可以大幅度降低潜艇推进器的辐射噪声、提高潜艇的低噪声航速。以美国“海狼”级攻击型核潜艇为例,该艇水下最高航速30节以上(有报道可达35节),水下30米时的低噪声航速大于20节,辐射噪声接近于海洋环境噪声,被美国官方称为当今世界上最安静、最快的潜艇。

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图2 泵喷推进器设计三维图

随着声探测技术的飞速进步,在未来海战中,核潜艇的声隐身性能将是决定战斗胜负的关键,努力降低核潜艇的噪声必将成为潜艇研究的主要课题,而推进器是核潜艇的一个主要噪声源,低噪声推进器的研究和应用势在必行。因此,具有低噪声优势的泵喷推进器,将成为未来几十年核潜艇推进器的一个重要发展方向。

2 WT系列蛙人助推器

武汉维纳凯朴工程技术有限公司生产的商用水下推进器(DPV),也叫蛙人助推器,是潜水爱好者或者特种部队进行潜水航行的重要援助手段之一,广受国内外使用者的青睐。水下推进器系列采用先进可靠的驱动方式,力图给使用者提供最强劲持久的推进力。该产品广泛应用于水下蛙人推进、水底拍摄、潜水娱乐及辅助水下救生等。

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图3 WT1-50系列水下推进器

WT1-50系列水下推进器体积小、重量轻,采用蓄电池作动力,设有电池容量显示,充电方便。在水中呈零浮力状态。采用特殊的密封结构。使用维护简单、安全、可靠。最大潜水深度为50米,可以给您的水中航行带来前所未有的体验。其主要技术参数见表1。

适用场合:单人水下蛙人推进、水底拍摄、潜水娱乐

表1 WT1-50系列主要技术参数表

型号尺寸(mm) 重量蓄电池电动机

速度

最长运

行时间

潜水深度备注长宽有电池电压转速(空载)

WT1-50A系

700 430 24.5kg 24V 750r/m

1.3

节~2.3节

90min 最深50m 无

3 水下空心无榖桨推进器

刘文智、李海波等人发明了一种水下空心无榖桨推进器。其组成包括电机外壳、定子线圈、定子硅钢片、转子永磁体、

转子、螺旋桨和陶瓷轴承,定子线圈缠绕在定子硅钢片上,缠绕在定子硅钢片上的定子线圈装在电机外壳的中心处,转子为空心环状结构,转子永磁体分极固定在转子上、形成空心结构的转子,螺旋桨固定在空心转子内部,螺旋桨、转子和转子永磁体组成为一个整体,转子通过陶瓷轴承固定在电机外壳内。本发明的浆叶旋转时不会产生诱导阻力和空泡现象大大提高了螺旋桨的效率。另外由于加大了电机的直径增加电机的极数提高了电机的扭矩,尤其适合在大水深大密度下的环境中工作,由于该水下推进器的电机和螺旋桨为整体空心结构,易于安装在船体上。

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图4 水下空心无榖桨推进器基本结构图

4 水下球形电机推进器

张强、王红等人发明的是一种水下球形电机推进器。定子铁心为球形,球形定子铁心表面沿大圆开有三个相互垂直的槽,槽内分别放置三相集中绕组,绕组两两垂直,三相绕组的线圈通过电缆线接到水下密封插头上,定子铁心外面包有与其固定在一起的球形密封壳,球壳形的外转子通过橡胶轴承套在密封壳上,橡胶轴承表面开有水槽,在两个橡胶轴承之间为转子铁心,在转子铁心和密封壳之间留有微小的缝隙,转子铁心、橡胶轴承与转子外壳结合在一起,螺旋桨桨叶直接固定在转子外壳上。本发明实现了水下电机推进器的矢量推进,在提高了推进器性能的同时,可使水下工作装置简化机械结构,减轻质量、缩小体积,具有更好的应用性和更高的可靠性。

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图5 水下球形电机推进器基本结构图

一种超小型水下推进器的研究与开发

摘要:介绍了国内外水下推进器的基本组成与工作原理,分析了水下推进器的主要关键技术,并针对这些关键技术进行优化设计,开发出一种新型水下推进器。通过样机的试制及试验,该型水下推进器性能优越,为进一步开展超小型水下推进器的研究提供了依据。

引言

水下推进器(dive propulsion vehicle,DPV),也叫水下推进器,蛙人助推器,是海军蛙人或者潜水爱好者进行浅海潜水的重要援助手段之一,在国外越来越受到使用者的青睐。水下推进器提供给人们一种全新的娱乐方式,它提高了人们在水中的活动范围和速度,它不但能让人们在水面自由的航行,而且能将游泳者带入水下世界,进行观光、探险等活动,其趣味性和对人们的吸引力远大于传统的娱乐活动。

目前在国外,水下推进器十分流行,正成为一种普通的家用娱乐工具。水下推进器项目除了能够满足人们娱乐生活的需要,而且在娱乐用水下推进器基础上进行改进后,可以顺利的研制出性能更好,用于水下搜救、水下勘测等工业领域和蛙人运输、特种作战等军事领域的水下推进装置。

国外生产水下推进器的厂家数量较多,产品种类也很丰富,比较有名的如Aeris DPV、Torpedo DPV、SeaDoo及Oceanic Mako等。而国内水下推进器的生产研制刚起步,生产厂家很少。据了解,昆明750所研仿过一型俄罗斯军用水下推进器,其性能指标尚不了解。国内有关船厂也曾组织过类似的研究,因推进和密封等关键技术未过关而失败。由此可见,如果开发水下推进器,一旦成功并成熟则拥有着非常广泛的市场前景。

1 组成与原理

目前,国内外水下推进器在加工制造及外形上也许有很大的差异,但其组成与原理大体上是相同的。分析了大量国内外现有产品,并结合先进的优化设计建模方

法与工具,武汉第二船舶设计研究所研究开发了WT1-40B,WT1-50两种型号水下推进器,其主要组成及工作原理如下:

1.1 主要组成

1.2 与国内外其他型号一样,WT1-40B,WT1-50水下推进器主要包括浮力调整装置、壳体、蓄电池、控制装置、驱动电机、传动装置、螺旋桨、及7部分组成。如图1所示。

1.3 浮力调整装置:推进器需要漂浮水面或悬浮水下,其状态切换就需要使用浮力调整装置,浮力装置相当于配重使其达到零浮力状态,从而可以在水中任意位置悬浮工作。

1.4 壳体:主要是水下推进器外形及内部骨架,是整个水下推进器的基础。壳体外形涉及线性设计、分段位置以及密封方式,内部骨架涉及耐压加强及各部件安装形式。

1.5 蓄电池:主要是水下推进器的动力来源,蓄电池的性能直接决定了水下推进器的性能与使用寿命。

1.6 控制装置:主要是水下推进器的起停控制与速度调节。起停方式有接触式的按钮开关与非接触式的磁力控制等。速度调节有桨角机械转换与电机电气转速控制等。

1.7 驱动电机:水下推进器主要采用的电机有标准电机、水下电机、定制电机等多种。

1.8 传动装置:传动可以采用机械传动与磁力耦合传动两种方式,根据电机转速的不同通常需要配备减速器。

1.9 螺旋桨:目前使用的主要有普通螺旋桨、导管螺旋桨、可调螺距螺旋桨等。螺旋桨的适当与否直接决定了产品最重要的性能指标,如速度与推力。

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1.11 图1 水下推进器示意图

1.12 1浮力调整装置 2壳体 3蓄电池 4控制装置 5驱动电机 6传动装置 7螺旋桨

1.13 1.2 工作原理

根据图1的示意,水下推进器的浮力调整装置、蓄电池、控制装置、驱动电机及传动装置均安装与壳体内部,在壳体的密封下完全与外界隔绝。通常浮力调整装置在该产品出厂时已经调整完毕,水面与水下使用的不同在用是否使用这一装置,使用者很少自己对浮力调整装置重新进行配重。浮力调整装置通常用固定于壳体内部的密封容器装无水乙醇或细沙状颗粒,便于增减配重。使用前根据水上与水下的不同预先装配好浮力调整装置,检查壳体的安装情况无误后才能下水使用。通过控制装置安装在手柄处的开关接通电源,此时蓄电池给驱动电机供电,驱动电机通过传动装置,包括减速器、连轴器、桨轴等带动螺旋桨,螺旋桨旋转从而

推动水下推进器前进。在螺旋桨旋转过程中,可以通过控制装置安装在另一侧手柄处的开关控制速度,达到调节速度的目的。如果采用的是机械式速度控制,则需要停止推进器,从螺旋桨处旋转改变桨叶角度后再次启动电机,从而达到改变速度的目的。

根据以上工作原理设计出的水下推进器工作深度一般不超过50米,75kg的人适用时航速约2~3节,系柱推力约100N,推进时间为30~120分钟,可以反复充电使用。另外可以调节浮力,从而满足水面推进与水下推进两种不同场合。

2 主要关键技术

目前国外开发的水下推进器对国内基本上都进行技术隔离,国内也有少数几个厂家研发生产水下推进器,但其性能与国外产品比较起来还存在很大差距,国外厂家也曾经大量召回其生产的水下推进器产品。分析原因,除了国内与国外工业制造水平的差距因素外,其涉及的关键技术国内生产厂家没有完全解决,总结起来主要有以下几个方面:

2.1 结构设计

水下推进器的结构非常重要,结构设计的好坏直接影响到整个使用过程:如推进器壳体的线形设计影响水下推进器的水阻,从而影响水下推进器的航速等;推进器壳体可以采用整段结构,也可以使用分段舱位结构,从而影响水下推进器的密封性能及维修性能等;推进器设计中手柄或扶手的设计也非常重要,它直接决定用什么方式控制推进器的起停与调速,以及控制方式中涉及结构的密封。另外电池的固定,驱动电机的固定等都需要仔细设计。

2.2 螺旋桨设计

目前水下推进器的螺旋桨种类繁多,有普通螺旋桨,导管螺旋桨,可调螺距螺旋桨,即使同类型的螺旋桨的设计也没有统一标准,许多产品中的螺旋桨不是完全符合流体力学的标准螺旋桨,很多都是近似设计,国内有些厂家生产的水下推进器螺旋桨桨面几乎为平面桨叶。这些设计严重影响了水下推进器的效率,不能最大程度的发挥水下推进器的性能,有的产品甚至因为螺旋桨的失败设计,推进能力非常有限从而不被市场认可。

2.3 密封设计

密封设计是水下推进器设计中最为重要的关键技术之一,密封不好将直接导致水下推进器进水,从而造成不可想象的危害,甚至是有伤及人身安全的危险。目前国内外生产的某些水下推进器都不同程度的存在进水现象,有的是使用操作不当所致,但更多是密封设计不周全所致。目前水下推进器的密封主要有密封件密封和密封材料填充密封两种方式,密封件密封使得产品标准化程度高,维修更换方便,密封材料填充密封使得产品密封可靠,但一旦产品发生问题,对其维修更换将非常困难,密封设计有的产品综合采用这两种密封方式。

2.4安全性设计

在国内外水下推进器使用经历中,多次发生了事故,如水下推进器进水、推进器无法停止、推进器螺旋桨打伤潜水者身体等。另外推进器在水中的使用时间最好可以掌握,从而保证潜水者知道航行距离与返行时间,从而避免水下推进器在水中因为突然没有电力停止工作,从潜水助手演变成潜水累赘。因此水下推进器的使用环境决定了其设计过程中必须把其安全性放在第一位。

3 开发与实现

在研究开发WT1-40B,WT1-50两型水下推进器的过程中,关键技术如结构设计主要着重壳体线型及分段位置的确定,螺旋桨设计主要着重标准导管螺旋桨与导流

管的设计,密封设计则采用密封件密封与填充材料密封相结合的方式,而安全性设计主要是以人机工程学为基础,从安全角度出发考虑各种细节。其主要开发与实现如下:

3.1 壳体设计

根据分析现有水下推进器,我们开发的水下推进器主要采用水滴型线型壳体,其线型情况见图2。该壳体截面均为椭圆型,线型从0#~6#为圆弧段,7#~9#为直线段,10#~18#也为圆弧段,具体数值见表1。该线型使得该水下推进器水

阻小,生产制造方便,承受压力能力强。

几种水下推进器介绍及超小型水下推进器开发设计

图2 水下推进器壳体线形图

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表1 水下推进器线形数值表

根据上面线型,水下推进器被分成三段,其中0#~6#为壳体前段,7#~14#为壳体中段,15#~18#为壳体尾段。在壳体前段0#之前加装扶手,从而方便搬运与减少水阻。壳体前段与壳体中段通过密封槽、O型圈与搭扣进行密封,这一密封面是进入水下推进器内部,进行维修、电池安放的唯一途径。壳体尾段安装导流管,与壳体中段通过螺栓联结,控制手柄通过非接触形式,安装在壳体中段靠后的位置。

3.2 螺旋桨设计

WT1-40B,WT1-50设计特别选取了荷兰水池的一种适用于重载的标准加速导流管螺旋桨。即19A型导流管以及与之配套的Ka型螺旋桨Ka3-65。选用该型导流

管螺旋桨的目的如下:此导流管螺旋桨适合于重载荷的工况,在此工况下,其推力相对较大。导流管螺旋桨较为安全,非常适合此载人水下推进器的工作状态。对同一型螺旋桨,不同的螺距比P/D,就有不同的倘水系数,因此采取多条件计算、并比较所得结果的方法来进行最佳方案的选择。在此前提下选取了D=200mm,D=250mm,D=300mm三个直径,在假定航速为2.5kn时,分别在转速为900,750,600,450r/min条件下计算了各个直径下螺距比P/D=1.4,1.2,1.0,0.8,0.6情况下的共60组数据。

设计追求的目标是导流管螺旋桨在什么样的转速,多大的直径,多少的螺距比下产生的推力最大,与电机配合的最好。

经过对计算结果的比较分析,以及与电机的配合考虑,认为比较好的方案是P/D =0.8,N=600r/min,D=250mm,此时在设计航速2.5kn的条件下的推力大概为6.278kgf,螺旋桨的系柱推力大致为12.425kgf。在1.5kn的第二档航速下,螺旋桨的推力4.538 kgf对应的系柱推力为8.170kgf。在450r/min时要想提高推力则需要加大螺距比P/D值,而做变螺距的螺旋桨工艺要高,而且费用也较高,因此最后决定采用不变螺距而采用电机调速的方法改变转速来达到改变航速的目的,即600r/min对应为航速为2.5kn时的转速,450r/min(或者转速更高一些)对应为1.5kn时的转速。电机额定功率时正好达到600r/min的转速,而450r/min的转速通过电机调速来达到。

在通过一系列的计算后,得出了所需19A导管+Ka3-65螺旋桨的基本参数:直径D=250mm,螺距比P/D=0.8,工作转速N=600r/min,额定功率P=140W,导流罩长径比L/D=0.5,间隙c=1.5mm;并绘制出了导管及螺旋桨的总图,见图3。

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图3 导管及螺旋桨总图

3.2 密封设计

在密封设计中,WT1-40B,WT1-50采用机械密封以及密封材料填充密封。根据壳体分段情况,在壳体前段与中段结合处使用特制O型圈,规格为Φ250×5压紧密封,该分段主要是电池、控制装置的安装处。壳体中段与后段采用的也是O

型圈,在同一截面不同位置分别安装标准O型圈。在螺旋桨轴处采用双唇形密封圈,依靠水压进行桨轴密封。

壳体前段与壳体中段用电池安装板隔开,在电机安装并调试完毕后通过环氧树脂填料密封,使得电池安装板完全隔开电池与电机,分别形成密闭腔。手柄、电池指示灯与中段连接处也使用环氧树脂密封。因此壳体中段在推进器出厂后相关填料密封处为不可逆状态,但其一般密封牢靠,相较密封件密封来说很少发生渗漏,万一发生泄漏则只能返厂维修。

3.4安全及其他设计

在安全方面除了上面的密封设计外,安全设计中还应包括电路设计,手柄设计,传动设计等。电路设计主要是根据推进器的使用情况,电路能显示剩余电量,根据电量提醒使用者适时返航。手柄设计主要是防止渗水,在WT1-40B,WT1-50

设计中采用干簧管式磁力感应开关,开关通过非磁性材料密封后直接浸入水中,

非接触式磁力方式启挺控制潜水器。传动设计中磁力耦合方式是最安全的,但其传动效率不高,在本开发中主要是采取带减速箱驱动电机,然后把这个传动部件设计为一体,完全用金属壳体密封起来,很好的保证了其安全性。其他方面还需要设计校核总体的重量重心以及排开水的浮力浮心,以及浮力调整装置的形式,最后使得此水下推进器在水中的浮力基本为零,从而减轻潜水员的负担,保护其生命安全。

根据以上设计结果,水下推进器的总体结构设计如下图4。

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1上盖扶手2壳体前段3电池支撑框4电池5电池固定架6电池安装板7电机8上盖密封框9壳体中段10开关手柄11法兰12密封圈13传动部件14壳体尾段15导流罩16销轴17螺旋桨18紧固螺母19尾盖

图4 水下推进器总体

4 试验

水下推进器研制开发以后,必需对其进行相关试验,以检测其性能与安全可靠性。主要有密封试验,耐压试验,性能试验等。

水下推进器密封试验前,卸掉驱动电机与电池,并在壳体内部有可能进水之处涂抹感水物质,然后安装完毕水下推进器,沉放入水中2~3个小时,根据现场可以看到进水留下的痕迹,不仅显示了进水位置还可以估计进水剧烈程度。本研发过程中多次试验,壳体内部并没有浸水,从而肯定了水下推进器的结构是可靠的。耐压试验主要是测试水下推进器壳体的强度,从而保证水下推进器的潜水深度。在密封试验完成后,确保水下推进器不进水的情况下,把水下推进器安装完整,同密封试验安装一样,不包括电机与电池,放入加压试验装置中,设定水压力为5M Pa, 2~3个小时后拿出水下推进器,检查其外壳表面,看是否有明显变形。试验中水下推进器表面保持完好,并无变形痕迹。

性能试验包括推力试验、航速试验、运行时间等试验。推力试验在标准长度50m 水池中进行,用测力弹簧测出水下推进器在水中稳定推力约为100N;航速试验以50m长度载人航行时间为观测对象,平均其观测结果换算得到水下推进器的航速为2节。实际运行时间则以一次充电完全后载人航行时间为准,在水下推进器试验中,测试得到数值为100分钟。

结合以上设计与试验,WT1-40B,WT1-50的最终产品总图及样机实物如下:

图5产品总图及样机

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5结论

就目前国内调查来看,在民用、军用等各个方面,水下推进器的需求已经突现出来。此开发研究主要完成了水下推进器样机的试制工作,相关技术限于篇幅不能详尽介绍。此水下推进器针对现有同类产品存在的问题进行了一系列的改进,经试验表明,该设计合理,方案可行,研制出的装置性能稳定可靠,为后续成批生产提供了较好的基础,并对今后类似装置的研制开发具有重要的参考价值。