混合驱动水下滑翔机高效推进螺旋桨设计.pdf

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1、第35卷第3期2016年6月海洋技术学报JOURNALOFOCEANTECHNOLOGYV01．35，No．3Jun，2016doi：10．3969／j．issn．1003-2029．2016．03．008混合驱动水下滑翔机高效推进螺旋桨设计秦玉峰-，张选明1，孙秀军P，杨燕2(1．国家海洋技术中心，天津300112；2．天津城建大学，天津300384)摘要：水下滑翔机尾部增加推进器实现其快速前进，螺旋桨是推进器的核心部件，要求其具有较高的推进效率、振动小、噪声低。首先通过分析螺旋桨的推进效率随直径、转速的变化关系，引入低速高效螺旋

2、桨的设计理念．提出基于数学计算软件lLz-维建模软件的螺旋桨三维建模方法；然后．运用数学计算软件及螺旋桨曲线算法快速绘制螺旋桨的三维曲线，并对螺旋桨的直径、叶数、叶片厚度及倾角进行优化，大幅提高螺旋桨的推进效率；最后，在数学计算软件中计算出螺旋桨的特征点在空间笛卡尔的坐标，将桨叶的特征点导入三维建模软件，生成三维实体。文中所述方法提高了设计螺旋桨的推进效率及模型构造的准确性。关键词：螺旋桨；高效；数学计算软件；三维建模软件；曲线算法中图分类号：P715．5文献标志码：A文章编号：1003—2029(2016)03—0040—06水下

3、滑翔机是一种利用浮力驱动系统改变自身净浮力从而实现水下锯齿型剖面运动的海洋环境观测平台。浮力驱动模式下，水下滑翔机运动速度较慢，难以实现水平前进运动和强流区的迎流运动，为此，美国TeledyneWebbResearch公司在Slocum滑翔机尾部增加螺旋桨推进装置，将其抗流能力增加到1．5～2kn，而且实现了直线推进功能。该混合驱动水下滑翔机(HybridSlocum)在海洋环境观测领域得到了广泛的应用，加拿大纽芬兰纪念大学(MemorialUniversity)、弗吉尼亚海洋科学研究所(VirginiaInstituteofMar

4、ineScience)等单位均购置了带有螺旋桨推进器的HybridSlocum滑翔机(图1o图1混合驱动Slocum水下滑翔机及其螺旋桨美国TeledyneWebbResearch公司研制的混合驱动水下滑翔机(HybridSlocum)尾部的高效率螺旋桨推进模块，其在水平推进模式下的工作效率与滑翔运动模式下的工作效率相当，可以实现长时间、大航程的运动[1_3】。当前我国水下滑翔机技术在国家高技术研究发展计划(863计划)的资助下，取得了惊人的进步，其中，天津大学研制“PetrelII”水下滑翔机配置了螺旋桨推进模块，可以实现水平快速

5、推进。增加了螺旋桨推进装置的混合驱动水下滑翔机具有如下突出优势：(1)螺旋桨推进装置单独开启时完成水平推进运动，可以实现近海岸浅水区的布放回收和水平运动目标的追踪等；(2)浮力驱动系统和螺旋桨推进装置同时开启时完成强流区的剖面滑翔运动。水下滑翔机的尾部推进装置一般由直流电机、螺旋桨、密封结构组成，螺旋桨是其推进装置动力发生部件，其设计性能及制造精度很大程度上影响水下滑翔器的机动性、抗流能力以及噪声与振动频聋婴。本文针对一台长度2m、直径220mm、重量65妇、收稿日期：2015—08—18基金项目：天津市科技支撑计划咨询项目资助(1

6、4ZCZDSF00010)；国家高技术研究发展‘汁戈tJ(863计划)资助项目(2014AA09A507)作者简介：秦玉峰(1990一)，男，硕士研究生，主要研究方向为海洋环境监测移动平台结构设计。E-mail：qyfaream@163．corn通讯作者：孙秀军(1981一)，男，博士，副研究员，主要研究方向为海洋环境机动观测技术。E-mail：sunxiujun@yahoo．tom第3期秦玉峰，等：混合驱动水下滑翔机高效推进螺旋桨设计41推进速度1．5kn的混合驱动水下滑翔机设计一款低转速、高效率推进的螺旋桨。1螺旋桨的结构及建模

7、方法1．1螺旋桨结构螺旋桨分为普通螺旋桨和导管螺旋桨(图2)。普通螺旋桨由桨毂和均布在桨毂上的桨叶组成，桨叶一般3～7片；导管螺旋桨由桨叶和固定在叶尖外面的同轴导管组成，导管为翼型剖面环状管【5

8、。螺旋桨是一种反作用式推进器，由于其存在滑脱，能够加速水流获得前向及后向推力。叶片剖面及叶片厚度一般是机翼型，可以看做是扭曲的螺旋运动的三维机翼，叶片形状、旋转方向、转速及倾角决定了其产生推力的大小及方向[61。图二螺旋桨结构1．2螺旋桨的建模方法螺旋桨建模是个极其复杂的过程。由于桨叶是自由曲面，很难用函数的方法直接得到螺旋桨在空间笛卡尔坐

9、标系下的位置，无法准确绘制桨叶曲线。目前螺旋桨的建模是通过桨叶切面型值、曲线拟合及投影换算的方法获得桨叶面的拟合曲面。此种方法设计出的螺旋桨模型较为粗糙需要多次修正，同时对于给定推力、转速、及螺旋桨直径等设计参数很难得到准确的螺旋桨三