幾種水下推進器介紹及超小型水下推進器開發(fā)設(shè)計

1、幾種水下推進器介紹及超小型水下推進器開發(fā)設(shè)計幾種水下推進器裝置水下機器人又稱為水下無人潛器，分為遙控、半自治及自治型。水下機器人是典型的軍民兩用技術(shù)，不僅可用于海上資源的勘探和開發(fā)，而且在海戰(zhàn)中也有不可替代的作用。為了爭奪制海權(quán)，各國都在開發(fā)各種用途的水下機器人。以下介紹幾種最新的水下推進器：1泵噴推進器上世紀80年代，英國在“特拉法爾加”(Trafalgar)級攻擊型核潛艇上率先裝備了一種新型的泵噴推進器(PumpJetThruster)。這種推進方式可以有效降低潛艇的輻射噪聲，因而倍受世界各海軍強國的關(guān)注。隨后，英國在1前衛(wèi)"(Vanguard)級以及“機敏"(Astu

2、te)級核潛艇上，法國在“凱旋"(LeTriomphant)級核潛艇上，美國在“海狼"(Seawolf)級、“弗吉尼亞"(Virginia)級核潛艇上，紛紛采用泵噴推進器取代已被廣泛應(yīng)用的七葉大側(cè)斜螺旋槳。據(jù)不完全統(tǒng)計，至今世界上以泵噴推進器作為推進方式的核動力潛艇已達幾十艘之多。圖1“北風(fēng)之神”級核潛艇尾部泵噴射推進器特寫采用泵噴推進的潛艇與采用大側(cè)斜螺旋槳推進的潛艇相比，最大的優(yōu)點是可以大幅度降低潛艇推進器的輻射噪聲、提高潛艇的低噪聲航速。以美國“海狼”級攻擊型核潛艇為例，該艇水下最高航速30節(jié)以上(有報道可達35節(jié))，水下30米時的低噪聲航速大于20節(jié)，輻射

3、噪聲接近于海洋環(huán)境噪聲，被美國官方稱為當今世界上最安靜、最快的潛艇。圖2泵噴推進器設(shè)計三維圖隨著聲探測技術(shù)的飛速進步，在未來海戰(zhàn)中，核潛艇的聲隱身性能將是決定戰(zhàn)斗勝負的關(guān)鍵，努力降低核潛艇的噪聲必將成為潛艇研究的主要課題，而推進器是核潛艇的一個主要噪聲源，低噪聲推進器的研究和應(yīng)用勢在必行。因此，具有低噪聲優(yōu)勢的泵噴推進器，將成為未來幾十年核潛艇推進器的一個重要發(fā)展方向。2WT系列蛙人助推器武漢維納凱樸工程技術(shù)有限公司生產(chǎn)的商用水下推進器（DPV）,也叫蛙人助推器，是潛水愛好者或者特種部隊進行潛水航行的重要援助手段之一，廣受國內(nèi)外使用者的青睞。水下推進器系列采用先進可靠的驅(qū)動方式，力圖給使用者提

4、供最強勁持久的推進力。該產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于水下蛙人推進、水底拍攝、潛水娛樂及輔助水下救生等。圖3WT1-50系列水下推進器WT1-50系列水下推進器體積小、重量輕，采用蓄電池作動力，設(shè)有電池容量顯示，充電方便。在水中呈零浮力狀態(tài)。采用特殊的密封結(jié)構(gòu)。使用維護簡單、安全、可靠。最大潛水深度為50米，可以給您的水中航行帶來前所未有的體驗。其主要技術(shù)參數(shù)見表1。表1WT1-50系列主要技術(shù)參數(shù)表型號尺寸(mm)重量蓄電池電動機速度最長運行時間潛水深度備注長寬有電池電壓轉(zhuǎn)速(空載)WT1-50A系列70043024.5kg24V750r/m1.3節(jié)2.3節(jié)90min最深50m無3水下空心無穀槳推進器劉文智

5、、李海波等人發(fā)明了一種水下空心無穀槳推進器。其組成包括電機外殼、定子線圈、定子硅鋼片轉(zhuǎn)子永磁體、轉(zhuǎn)子、螺旋槳和陶瓷軸承，定子線圈纏繞在定子硅鋼片上，纏繞在定子硅鋼片上的定子線圈裝在電機外殼的中心處，轉(zhuǎn)子為空心環(huán)狀結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子永磁體分極固定在轉(zhuǎn)子上、形成空心結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子，螺旋槳固定在空心轉(zhuǎn)子內(nèi)部，螺旋槳、轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)子永磁體組成為一個整體，轉(zhuǎn)子通過陶瓷軸承固定在電機外殼內(nèi)。本發(fā)明的漿葉旋轉(zhuǎn)時不會產(chǎn)生誘導(dǎo)阻力和空泡現(xiàn)象大大提高了螺旋槳的效率。另外由于加大了電機的直徑增加電機的極數(shù)提高了電機的扭矩，尤其適合在大水深大密度下的環(huán)境中工作，由于該水下推進器的電機和螺旋槳為整體空心結(jié)構(gòu)，易于安裝在船體上。圖4水下

6、空心無穀槳推進器基本結(jié)構(gòu)圖4水下球形電機推進器張強、王紅等人發(fā)明的是一種水下球形電機推進器。定子鐵心為球形，球形定子鐵心表面沿大圓開有三個相互垂直的槽，槽內(nèi)分別放置三相集中繞組，繞組兩兩垂直，三相繞組的線圈通過電纜線接到水下密封插頭上，定子鐵心外面包有與其固定在一起的球形密封殼，球殼形的外轉(zhuǎn)子通過橡膠軸承套在密封殼上，橡膠軸承表面開有水槽，在兩個橡膠軸承之間為轉(zhuǎn)子鐵心，在轉(zhuǎn)子鐵心和密封殼之間留有微小的縫隙，轉(zhuǎn)子鐵心、橡膠軸承與轉(zhuǎn)子外殼結(jié)合在一起，螺旋槳槳葉直接固定在轉(zhuǎn)子外殼上。本發(fā)明實現(xiàn)了水下電機推進器的矢量推進，在提高了推進器性能的同時，可使水下工作裝置簡化機械結(jié)構(gòu)，減輕質(zhì)量、縮小體積，具有

7、更好的應(yīng)用性和更高的可靠性。圖5水下球形電機推進器基本結(jié)構(gòu)圖一種超小型水下推進器的研究與開發(fā)摘要：介紹了國內(nèi)外水下推進器的基本組成與工作原理，分析了水下推進器的主要關(guān)鍵技術(shù)，并針對這些關(guān)鍵技術(shù)進行優(yōu)化設(shè)計，開發(fā)出一種新型水下推進器。通過樣機的試制及試驗，該型水下推進器性能優(yōu)越，為進一步開展超小型水下推進器的研究提供了依據(jù)。引言水下推進器(divepropulsionvehicle,DPV)，也叫水下推進器，蛙人助推器,是海軍蛙人或者潛水愛好者進行淺海潛水的重要援助手段之一，在國外越來越受到使用者的青睞。水下推進器提供給人們一種全新的娛樂方式，它提高了人們在水中的活動范圍和速度，它不但能讓人們在

8、水面自由的航行，而且能將游泳者帶入水下世界，進行觀光、探險等活動，其趣味性和對人們的吸引力遠大于傳統(tǒng)的娛樂活動。目前在國外，水下推進器十分流行，正成為一種普通的家用娛樂工具。水下推進器項目除了能夠滿足人們娛樂生活的需要，而且在娛樂用水下推進器基礎(chǔ)上進行改進后，可以順利的研制出性能更好，用于水下搜救、水下勘測等工業(yè)領(lǐng)域和蛙人運輸、特種作戰(zhàn)等軍事領(lǐng)域的水下推進裝置。國外生產(chǎn)水下推進器的廠家數(shù)量較多，產(chǎn)品種類也很豐富，比較有名的如AerisDPV、TorpedoDPV、SeaDoo及OceanicMako等。而國內(nèi)水下推進器的生產(chǎn)研制剛起步，生產(chǎn)廠家很少。據(jù)了解，昆明750所研仿過一型俄羅斯軍用水下

9、推進器，其性能指標尚不了解。國內(nèi)有關(guān)船廠也曾組織過類似的研究，因推進和密封等關(guān)鍵技術(shù)未過關(guān)而失敗。由此可見，如果開發(fā)水下推進器，一旦成功并成熟則擁有著非常廣泛的市場前景。1組成與原理目前，國內(nèi)外水下推進器在加工制造及外形上也許有很大的差異，但其組成與原理大體上是相同的。分析了大量國內(nèi)外現(xiàn)有產(chǎn)品，并結(jié)合先進的優(yōu)化設(shè)計建模方法與工具，武漢第二船舶設(shè)計研究所研究開發(fā)了WT1-40B,WT1-50兩種型號水下推進器，其主要組成及工作原理如下：1.1主要組成1.2與國內(nèi)外其他型號一樣，WT1-40B，WT1-50水下推進器主要包括浮力調(diào)整裝置、殼體、蓄電池、控制裝置、驅(qū)動電機、傳動裝置、螺旋槳、及7部分

10、組成。如圖1所示。1.3浮力調(diào)整裝置：推進器需要漂浮水面或懸浮水下，其狀態(tài)切換就需要使用浮力調(diào)整裝置，浮力裝置相當于配重使其達到零浮力狀態(tài)，從而可以在水中任意位置懸浮工作。1.4殼體：主要是水下推進器外形及內(nèi)部骨架，是整個水下推進器的基礎(chǔ)。殼體外形涉及線性設(shè)計、分段位置以及密封方式，內(nèi)部骨架涉及耐壓加強及各部件安裝形式。1.5蓄電池：主要是水下推進器的動力來源，蓄電池的性能直接決定了水下推進器的性能與使用壽命。1.6控制裝置：主要是水下推進器的起?？刂婆c速度調(diào)節(jié)。起停方式有接觸式的按鈕開關(guān)與非接觸式的磁力控制等。速度調(diào)節(jié)有槳角機械轉(zhuǎn)換與電機電氣轉(zhuǎn)速控制等。1.7驅(qū)動電機：水下推進器主要采用的電

11、機有標準電機、水下電機、定制電機等多種。1.8傳動裝置：傳動可以采用機械傳動與磁力耦合傳動兩種方式，根據(jù)電機轉(zhuǎn)速的不同通常需要配備減速器。1.9螺旋槳：目前使用的主要有普通螺旋槳、導(dǎo)管螺旋槳、可調(diào)螺距螺旋槳等。螺旋槳的適當與否直接決定了產(chǎn)品最重要的性能指標，如速度與推力。1.11圖1水下推進器示意圖1.12 1浮力調(diào)整裝置2殼體3蓄電池4控制裝置5驅(qū)動電機6傳動裝置7螺旋槳1.13 1.2工作原理根據(jù)圖1的示意，水下推進器的浮力調(diào)整裝置、蓄電池、控制裝置、驅(qū)動電機及傳動裝置均安裝與殼體內(nèi)部，在殼體的密封下完全與外界隔絕。通常浮力調(diào)整裝置在該產(chǎn)品出廠時已經(jīng)調(diào)整完畢，水面與水下使用的不同在用是否使

12、用這一裝置，使用者很少自己對浮力調(diào)整裝置重新進行配重。浮力調(diào)整裝置通常用固定于殼體內(nèi)部的密封容器裝無水乙醇或細沙狀顆粒，便于增減配重。使用前根據(jù)水上與水下的不同預(yù)先裝配好浮力調(diào)整裝置，檢查殼體的安裝情況無誤后才能下水使用。通過控制裝置安裝在手柄處的開關(guān)接通電源，此時蓄電池給驅(qū)動電機供電，驅(qū)動電機通過傳動裝置，包括減速器、連軸器、槳軸等帶動螺旋槳，螺旋槳旋轉(zhuǎn)從而推動水下推進器前進。在螺旋槳旋轉(zhuǎn)過程中，可以通過控制裝置安裝在另一側(cè)手柄處的開關(guān)控制速度，達到調(diào)節(jié)速度的目的。如果采用的是機械式速度控制，則需要停止推進器，從螺旋槳處旋轉(zhuǎn)改變槳葉角度后再次啟動電機，從而達到改變速度的目的。根據(jù)以上工作原理

13、設(shè)計出的水下推進器工作深度一般不超過50米，75kg的人適用時航速約23節(jié)，系柱推力約100N,推進時間為30120分鐘，可以反復(fù)充電使用。另外可以調(diào)節(jié)浮力，從而滿足水面推進與水下推進兩種不同場合。2主要關(guān)鍵技術(shù)目前國外開發(fā)的水下推進器對國內(nèi)基本上都進行技術(shù)隔離，國內(nèi)也有少數(shù)幾個廠家研發(fā)生產(chǎn)水下推進器，但其性能與國外產(chǎn)品比較起來還存在很大差距，國外廠家也曾經(jīng)大量召回其生產(chǎn)的水下推進器產(chǎn)品。分析原因，除了國內(nèi)與國外工業(yè)制造水平的差距因素外，其涉及的關(guān)鍵技術(shù)國內(nèi)生產(chǎn)廠家沒有完全解決，總結(jié)起來主要有以下幾個方面：2.1結(jié)構(gòu)設(shè)計水下推進器的結(jié)構(gòu)非常重要，結(jié)構(gòu)設(shè)計的好壞直接影響到整個使用過程：如推進器殼

14、體的線形設(shè)計影響水下推進器的水阻，從而影響水下推進器的航速等；推進器殼體可以采用整段結(jié)構(gòu)，也可以使用分段艙位結(jié)構(gòu)，從而影響水下推進器的密封性能及維修性能等；推進器設(shè)計中手柄或扶手的設(shè)計也非常重要，它直接決定用什么方式控制推進器的起停與調(diào)速，以及控制方式中涉及結(jié)構(gòu)的密封。另外電池的固定，驅(qū)動電機的固定等都需要仔細設(shè)計。2.2螺旋槳設(shè)計目前水下推進器的螺旋槳種類繁多，有普通螺旋槳，導(dǎo)管螺旋槳，可調(diào)螺距螺旋槳，即使同類型的螺旋槳的設(shè)計也沒有統(tǒng)一標準，許多產(chǎn)品中的螺旋槳不是完全符合流體力學(xué)的標準螺旋槳，很多都是近似設(shè)計，國內(nèi)有些廠家生產(chǎn)的水下推進器螺旋槳槳面幾乎為平面槳葉。這些設(shè)計嚴重影響了水下推進器

15、的效率，不能最大程度的發(fā)揮水下推進器的性能，有的產(chǎn)品甚至因為螺旋槳的失敗設(shè)計，推進能力非常有限從而不被市場認可。2.3密封設(shè)計密封設(shè)計是水下推進器設(shè)計中最為重要的關(guān)鍵技術(shù)之一，密封不好將直接導(dǎo)致水下推進器進水，從而造成不可想象的危害，甚至是有傷及人身安全的危險。目前國內(nèi)外生產(chǎn)的某些水下推進器都不同程度的存在進水現(xiàn)象，有的是使用操作不當所致，但更多是密封設(shè)計不周全所致。目前水下推進器的密封主要有密封件密封和密封材料填充密封兩種方式，密封件密封使得產(chǎn)品標準化程度高，維修更換方便，密封材料填充密封使得產(chǎn)品密封可靠，但一旦產(chǎn)品發(fā)生問題，對其維修更換將非常困難，密封設(shè)計有的產(chǎn)品綜合采用這兩種密封方式。2

16、.4安全性設(shè)計在國內(nèi)外水下推進器使用經(jīng)歷中，多次發(fā)生了事故，如水下推進器進水、推進器無法停止、推進器螺旋槳打傷潛水者身體等。另外推進器在水中的使用時間最好可以掌握，從而保證潛水者知道航行距離與返行時間，從而避免水下推進器在水中因為突然沒有電力停止工作，從潛水助手演變成潛水累贅。因此水下推進器的使用環(huán)境決定了其設(shè)計過程中必須把其安全性放在第一位。3開發(fā)與實現(xiàn)在研究開發(fā)WT1-40B，WT1-50兩型水下推進器的過程中，關(guān)鍵技術(shù)如結(jié)構(gòu)設(shè)計主要著重殼體線型及分段位置的確定，螺旋槳設(shè)計主要著重標準導(dǎo)管螺旋槳與導(dǎo)流管的設(shè)計，密封設(shè)計則采用密封件密封與填充材料密封相結(jié)合的方式，而安全性設(shè)計主要是以人機工程

17、學(xué)為基礎(chǔ)，從安全角度出發(fā)考慮各種細節(jié)。其主要開發(fā)與實現(xiàn)如下：3.1殼體設(shè)計根據(jù)分析現(xiàn)有水下推進器，我們開發(fā)的水下推進器主要釆用水滴型線型殼體，其線型情況見圖2。該殼體截面均為橢圓型，線型從0#6#為圓弧段，7#9#為直線段，10#18#也為圓弧段，具體數(shù)值見表1。該線型使得該水下推進圖2水下推進器殼體線形圖41345tp'igrii1!u15ISI7R1557E5硏叫5-5QnM55QJ?«?5強忙iM肝MO日畀価",孔為.即rB0r叫rBDiiBO酗A爲訓(xùn).七L3?jR3KimL：?!30Q.QOm.00130GOO19?391DaZ53.3Z審1bKM表1水下推

18、進器線形數(shù)值表根據(jù)上面線型，水下推進器被分成三段，其中0#6#為殼體前段，7#14#為殼體中段，15#18#為殼體尾段。在殼體前段0#之前加裝扶手，從而方便搬運與減少水阻。殼體前段與殼體中段通過密封槽、O型圈與搭扣進行密封，這一密封面是進入水下推進器內(nèi)部，進行維修、電池安放的唯一途徑。殼體尾段安裝導(dǎo)流管，與殼體中段通過螺栓聯(lián)結(jié)，控制手柄通過非接觸形式，安裝在殼體中段靠后的位置。3.2螺旋槳設(shè)計WT1-40B，WT1-50設(shè)計特別選取了荷蘭水池的一種適用于重載的標準加速導(dǎo)流管螺旋槳。即19A型導(dǎo)流管以及與之配套的Ka型螺旋槳Ka365。選用該型導(dǎo)流管螺旋槳的目的如下：此導(dǎo)流管螺旋槳適合于重載荷的

19、工況，在此工況下，其推力相對較大。導(dǎo)流管螺旋槳較為安全，非常適合此載人水下推進器的工作狀態(tài)。對同一型螺旋槳，不同的螺距比P/D，就有不同的倘水系數(shù)，因此采取多條件計算、并比較所得結(jié)果的方法來進行最佳方案的選擇。在此前提下選取了D=200mm，D=250mm，D=300mm三個直徑，在假定航速為25kn時，分別在轉(zhuǎn)速為900,750,600,450r/min條件下計算了各個直徑下螺距比P/D=1.4,1.2,1.0,0.8,0.6情況下的共60組數(shù)據(jù)。設(shè)計追求的目標是導(dǎo)流管螺旋槳在什么樣的轉(zhuǎn)速，多大的直徑，多少的螺距比下產(chǎn)生的推力最大，與電機配合的最好。經(jīng)過對計算結(jié)果的比較分析，以及與電機的配合

20、考慮，認為比較好的方案是P/D=08,N=600r/min,D=250mm，此時在設(shè)計航速25kn的條件下的推力大概為6278kgf，螺旋槳的系柱推力大致為12.425kgf。在15kn的第二檔航速下,螺旋槳的推力4.538kgf對應(yīng)的系柱推力為8170kgf。在450r/min時要想提高推力則需要加大螺距比P/D值，而做變螺距的螺旋槳工藝要高，而且費用也較高，因此最后決定釆用不變螺距而釆用電機調(diào)速的方法改變轉(zhuǎn)速來達到改變航速的目的，即600r/min對應(yīng)為航速為25kn時的轉(zhuǎn)速，450r/min（或者轉(zhuǎn)速更高一些）對應(yīng)為15kn時的轉(zhuǎn)速。電機額定功率時正好達到600r/min的轉(zhuǎn)速，而450

21、r/min的轉(zhuǎn)速通過電機調(diào)速來達到。在通過一系列的計算后，得出了所需19A導(dǎo)管+Ka365螺旋槳的基本參數(shù)：直徑D=250mm，螺距比P/D=0.8,工作轉(zhuǎn)速N=600r/min，額定功率P=140W，導(dǎo)流罩長徑比L/D=05,間隙c=15mm；并繪制出了導(dǎo)管及螺旋槳的總圖，見圖3。圖3導(dǎo)管及螺旋槳總圖3.2密封設(shè)計在密封設(shè)計中，WT1-40B，WT1-50采用機械密封以及密封材料填充密封。根據(jù)殼體分段情況，在殼體前段與中段結(jié)合處使用特制O型圈，規(guī)格為0250X5壓緊密封，該分段主要是電池、控制裝置的安裝處。殼體中段與后段采用的也是0型圈，在同一截面不同位置分別安裝標準O型圈。在螺旋槳軸處釆用

22、雙唇形密封圈，依靠水壓進行槳軸密封。殼體前段與殼體中段用電池安裝板隔開，在電機安裝并調(diào)試完畢后通過環(huán)氧樹脂填料密封，使得電池安裝板完全隔開電池與電機，分別形成密閉腔。手柄、電池指示燈與中段連接處也使用環(huán)氧樹脂密封。因此殼體中段在推進器出廠后相關(guān)填料密封處為不可逆狀態(tài)，但其一般密封牢靠，相較密封件密封來說很少發(fā)生滲漏，萬一發(fā)生泄漏則只能返廠維修。3.4安全及其他設(shè)計在安全方面除了上面的密封設(shè)計外，安全設(shè)計中還應(yīng)包括電路設(shè)計，手柄設(shè)計，傳動設(shè)計等。電路設(shè)計主要是根據(jù)推進器的使用情況，電路能顯示剩余電量，根據(jù)電量提醒使用者適時返航。手柄設(shè)計主要是防止?jié)B水，在WT1-40B，WT1-50設(shè)計中采用干簧

23、管式磁力感應(yīng)開關(guān)，開關(guān)通過非磁性材料密封后直接浸入水中,非接觸式磁力方式啟挺控制潛水器。傳動設(shè)計中磁力耦合方式是最安全的，但其傳動效率不高，在本開發(fā)中主要是釆取帶減速箱驅(qū)動電機，然后把這個傳動部件設(shè)計為一體，完全用金屬殼體密封起來，很好的保證了其安全性。其他方面還需要設(shè)計校核總體的重量重心以及排開水的浮力浮心，以及浮力調(diào)整裝置的形式，最后使得此水下推進器在水中的浮力基本為零，從而減輕潛水員的負擔(dān)，保護其生命安全。根據(jù)以上設(shè)計結(jié)果，水下推進器的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計如下圖4。1上蓋扶手2殼體前段3電池支撐框4電池5電池固定架6電池安裝板7電機8上蓋密封框9殼體中段10開關(guān)手柄11法蘭12密封圈13傳動部件14殼體尾段15導(dǎo)流罩16銷軸1