混合驅動水下滑翔機高效推進螺旋槳設計

秦玉峰，張選明，孫秀軍*，楊 燕

（1.國家海洋技術中心，天津　300112；2.天津城建大學，天津　300384）

混合驅動水下滑翔機高效推進螺旋槳設計

秦玉峰1，張選明1，孫秀軍1*，楊 燕2

（1.國家海洋技術中心，天津300112；2.天津城建大學，天津300384）

水下滑翔機尾部增加推進器實現其快速前進，螺旋槳是推進器的核心部件，要求其具有較高的推進效率、振動小、噪聲低。首先通過分析螺旋槳的推進效率隨直徑、轉速的變化關系，引入低速高效螺旋槳的設計理念，提出基于數學計算軟件及三維建模軟件的螺旋槳三維建模方法；然后，運用數學計算軟件及螺旋槳曲線算法快速繪制螺旋槳的三維曲線，并對螺旋槳的直徑、葉數、葉片厚度及傾角進行優化，大幅提高螺旋槳的推進效率；最后，在數學計算軟件中計算出螺旋槳的特征點在空間笛卡爾的坐標，將槳葉的特征點導入三維建模軟件，生成三維實體。文中所述方法提高了設計螺旋槳的推進效率及模型構造的準確性。

螺旋槳；高效；數學計算軟件；三維建模軟件；曲線算法

水下滑翔機是一種利用浮力驅動系統改變自身凈浮力從而實現水下鋸齒型剖面運動的海洋環境觀測平臺。浮力驅動模式下，水下滑翔機運動速度較慢，難以實現水平前進運動和強流區的迎流運動，為此，美國Teledyne Webb Research公司在Slocum滑翔機尾部增加螺旋槳推進裝置，將其抗流能力增加到1.5～2 kn，而且實現了直線推進功能。該混合驅動水下滑翔機（Hybrid Slocum）在海洋環境觀測領域得到了廣泛的應用，加拿大紐芬蘭紀念大學（Memorial University）、弗吉尼亞海洋科學研究所（Virginia Institute of Marine Science）等單位均購置了帶有螺旋槳推進器的Hybrid Slocum滑翔機（圖1）。

圖1　混合驅動Slocum水下滑翔機及其螺旋槳

美國Teledyne Webb Research公司研制的混合驅動水下滑翔機（Hybrid Slocum）尾部的高效率螺旋槳推進模塊，其在水平推進模式下的工作效率與滑翔運動模式下的工作效率相當，可以實現長時間、大航程的運動［1-3］。當前我國水下滑翔機技術在國家高技術研究發展計劃（863計劃）的資助下，取得了驚人的進步，其中，天津大學研制“Petrel II”水下滑翔機配置了螺旋槳推進模塊，可以實現水平快速推進。

增加了螺旋槳推進裝置的混合驅動水下滑翔機具有如下突出優勢：（1）螺旋槳推進裝置單獨開啟時完成水平推進運動，可以實現近海岸淺水區的布放回收和水平運動目標的追蹤等；（2）浮力驅動系統和螺旋槳推進裝置同時開啟時完成強流區的剖面滑翔運動。

水下滑翔機的尾部推進裝置一般由直流電機、螺旋槳、密封結構組成，螺旋槳是其推進裝置動力發生部件，其設計性能及制造精度很大程度上影響水下滑翔器的機動性、抗流能力以及噪聲與振動頻率［4］。本文針對一臺長度2m、直徑220mm、重量65kg、推進速度1.5 kn的混合驅動水下滑翔機設計一款低轉速、高效率推進的螺旋槳。

1　螺旋槳的結構及建模方法

1.1螺旋槳結構

螺旋槳分為普通螺旋槳和導管螺旋槳（圖2）。普通螺旋槳由槳轂和均布在槳轂上的槳葉組成，槳葉一般3～7片；導管螺旋槳由槳葉和固定在葉尖外面的同軸導管組成，導管為翼型剖面環狀管［5］。螺旋槳是一種反作用式推進器，由于其存在滑脫，能夠加速水流獲得前向及后向推力。葉片剖面及葉片厚度一般是機翼型，可以看做是扭曲的螺旋運動的三維機翼，葉片形狀、旋轉方向、轉速及傾角決定了其產生推力的大小及方向［6］。

圖2　螺旋槳結構

1.2螺旋槳的建模方法

螺旋槳建模是個極其復雜的過程。由于槳葉是自由曲面，很難用函數的方法直接得到螺旋槳在空間笛卡爾坐標系下的位置，無法準確繪制槳葉曲線。目前螺旋槳的建模是通過槳葉切面型值、曲線擬合及投影換算的方法獲得槳葉面的擬合曲面。此種方法設計出的螺旋槳模型較為粗糙需要多次修正，同時對于給定推力、轉速、及螺旋槳直徑等設計參數很難得到準確的螺旋槳三維模型［7-8］。近年來隨著技術的發展，有了很多可以用于螺旋槳開發的軟件，如：HydroComp、PropCAD、ShipPower及三維建模軟件Pro-E及SolidWorks等。本文運用MATLAB、OpenProp及SolidWorks實現快速的螺旋槳三維建模及參數優化，并設計一種用于混合驅動水下滑翔機的低轉速、高效率的螺旋槳。

2　螺旋槳參數設定

2.1螺旋槳主要設計參數

螺旋槳設計主要受制于幾個關鍵參數：直徑D、葉片寬度、葉片厚度t、螺旋角、螺距H、葉數n、從傾角r以及最佳轉速n。由式（1）～式（2）可知，一般情況下，對于特定的螺旋槳，轉速越高推力越大，所需電機轉矩也隨之增大，然而過高轉速會伴隨有強烈的振動、噪聲及嚴重的空泡現象［9-10］，振動和噪聲會暴露水下滑翔機位置、降低推進效率，空泡現象會損失螺旋槳的前向推力，同時這些不利因素會使得裝有此種螺旋槳的水下儀器易于被追蹤和發現，為解決這些不利影響需降低螺旋槳的轉速、增大螺旋槳的直徑。

式中：KT，KQ分別為推力系數、轉矩系數；ρ為流體密度；n為螺旋槳轉速；D為螺旋槳直徑。

葉數：螺旋槳的葉數取決于所需的推力，葉數與推進效率、振動和空泡相關，對于直徑和展開面積相同的螺旋槳，葉片越多運轉越平穩振動越小，效率也越低；葉片數目越少效率越高，產生空泡的幾率越低［10］。本文所設計的螺旋槳能在不產生強烈震動的較低轉速下提供較高的推進效率，同時低于1 000 rpm的轉速和較少的葉片能夠有效地控制空泡，選定雙葉槳。

直徑：水下滑翔機的尾部推進器放置于機體的尾部，推進性能受到長圓柱形殼體的影響，最大直徑一般不超過水下滑翔機殼體直徑的85%，直徑過大會影響流體的通過性，降低前向推進力。最小直徑取決于槳轂直徑，為保證螺旋槳結構強度槳轂直徑一般不低于螺旋槳直徑的15%［11］。

推力：借助計算流體軟件可計算出水下滑翔機在螺旋槳單獨開啟模式下，航速為1.5 kn時殼體所受的水阻力為5.53 N，并得到該航速下的壓力云圖（圖3）及速度矢量場（圖4）。設定螺旋槳設計推力6 N。

圖3　壓力云圖

圖4　速度矢量場

2.2推進效率校驗

數學計算軟件中進行計算機仿真，利用升力線理論求解螺旋槳的水動力性能，分析不同直徑、不同轉速下螺旋槳的推進效率，基本思想是將槳葉各半徑r處的葉元體作為二維機翼進行求解，由式（3）～（4）可求得實際流體中螺旋槳推力T、轉矩Q，進而可求得螺旋槳的推進效率。

設定螺旋槳參數，航速1.5 kn，推力6 N，流體密度1 025 kg/m3，雙葉槳，轉速由200～2 000 rpm，螺旋槳直徑由60 mm增至180 mm，葉片形狀及葉厚默認（以待進一步優化），進行推進效率校驗（圖5）。

圖5　螺旋槳推進效率隨轉速和直徑變化曲線

分析圖5，對于給定推力的情況下低轉速大直徑的螺旋槳的推進效率一般要高于高轉速小直徑的螺旋槳。轉速低于1 000 rpm時，隨著螺旋槳半徑的增大推進效率呈增大趨勢，最大效率約為0.75；轉速大于1 000 rpm時，推進效率在直徑為120 mm時達到最大，約為0.65。

3　螺旋槳三維建模

數學計算軟件中，運用螺旋槳曲線繪制函數，輸入初設螺旋槳設計參數：槳葉數為2，直徑180 mm，前向推力6 N，平臺航速1.5 kn，槳轂直徑30 mm，流體密度1 025 kg/m3，槳葉設定NACA翼型，弧線最大位置為 0.8，厚度類型選擇NACA65010，其他參數默認，得到默認系數下的螺旋槳曲線（圖6）。

圖6　螺旋槳三維曲線

仿真結果：螺旋槳推進功率12 W，推進效率僅為49.6%，意味著在產生6 N推力的情況下螺旋槳將消耗大量能量，不利于水下滑翔機大航程的巡航。

然而，即使如此低的推進效率仍是理想效率，因為此時推進效率為螺旋槳的敞水效率，而實際使用時，螺旋槳裝置在水下滑翔機機體尾部，推進效率受水下滑翔機長圓柱形殼體的影響，流體流動受阻。螺旋槳曲線的算法中繪制槳葉的葉片較寬、槳葉較厚、無后傾角，此種螺旋槳不適合做高效率的推進，需進一步優化槳葉各參數。

4　參數優化

4.1低速設計

螺旋槳轉速是螺旋槳設計的一個重要因素，對螺旋槳推進效率影響較大，設定單因素測試，分析螺旋槳在不同轉速下產生相同推力時的推進效率（圖7）。

圖7　低速設計

螺旋槳的推進效率隨著轉速的升高逐漸降低，從最大輸出效率的角度來看螺旋槳的理想轉速應低于1 000 rpm。然而從實際出發，轉速低于1 000 rpm勢必要在電機端多增加減速裝置，減速裝置亦會降低推進器的輸出效率，綜合考慮選定螺旋槳設計轉速1 000 rpm。

4.2改善橫縱比

槳葉可以看做扭曲的三維翼型，槳葉參數基于低速翼型進行優化。改善槳葉主要優化橫縱比，即弦長與直徑之比c/D，改變c/D的值可以改變槳葉的形狀，影響螺旋槳的實度，最終影響螺旋槳的推進效率，降低橫縱比可大幅提高螺旋槳的推進效率。算法中默認較高的c/D的值，為提高螺旋槳的推進效率，可降低螺旋槳的橫縱比c/D。優化分三次進行，優化參數（如表1）、優化結果（圖8～圖9）以及螺旋槳的推進性能（如表2）。

表1　參數優化表

圖8　螺旋槳三維曲線對比

圖9　升力曲線對比

表2　螺旋槳推進性能

對比三次優化過程，降低橫縱比可大幅提高螺旋槳的輸出效率，由0.496 05提高至0.746 19，產生相同推力的情況下降低對電機端的負載，以較小的電機轉矩及較小的輸出功率帶動螺旋槳實現高效率輸出。優化縱橫比的過程會對葉片螺旋角及厚度產生一定影響，形成鋒利的螺旋槳前緣和后緣，降低螺旋槳的耐用度及強度；厚度分布不合理不易于加工，同時螺旋槳運轉時受到較大載荷，容易彎曲、折斷。因此需要對螺旋槳的厚度進行進一步優化。

4.3厚度優化

槳葉厚度是螺旋槳設計、制造過程中一個非常重要的參數，其大小直接影響螺旋槳的推進效率、可加工性及耐用性。厚度過大會降低螺旋槳的效率輸出，厚度過小不易被制造，且強度及耐用性很差。基于薄翼理論可知，若僅追求螺旋槳的推進效率，則可令槳葉厚度為零，槳葉阻力將無限小。然這種螺旋槳是不能夠被加工的，本文選定槳葉厚度基于NACA 65010型進行進一步系數修正。

槳葉厚度修正過程分三步優化（如表3），每進行一次系數的修改都會產生一個新的槳葉模型，對每次生成的模型進行應力分析以求得最佳厚度。由于螺旋槳裝置位于水下滑翔機的尾部，大直徑的螺旋槳在旋轉過程中流體的運動受殼體影響，推進效率會有所損失，此時可以引入一個平滑的傾角（rake）改善流體的通過性。

表3　厚度優化

5　設計結果及性能分析

5.1設計結果

基于以上設計及優化過程，確定適用于混合驅動水下滑翔機推進的螺旋槳葉片最終設計參數，運用螺旋槳設計算法在數學計算編程語言中進行三維曲線繪制，生成槳葉特征點在空間笛卡爾坐標系下的三維坐標，將生成的坐標值導入三維建模軟件進行三維建模。

表4　葉片最終設計參數

圖10　螺旋槳三維建模

5.2性能分析

對生成的螺旋槳模型進行性能分析，計算不同轉速下螺旋槳產生的推力及反向轉矩（如圖11），以及在不同轉速下驅動水下滑翔機前向運動的能力及推進效率（如圖12）。螺旋槳的推進效率在不同轉速下會有小幅振動，平均效率為73.18%，幾乎不受轉速影響；同時因螺旋槳推進過程受水下滑翔機殼體的影響，使得螺旋槳的推進效率略低于設計效率74.62%。

圖11　推力及反向扭矩變化曲線

圖12　水下滑翔機航速及推進效率變化曲線

6　結語

螺旋槳是混合驅動水下滑翔機推進系統中的重要部件，其性能直接影響水下滑翔機的作業能力、續航及隱蔽性。低速高效螺旋槳能在較低轉速下實現較高效率的推進，降低由高速帶來的振動及空泡。運用數學計算語言編程功能及螺旋槳設計的算法可以快速建立螺旋槳三維曲線，進一步優化槳葉參數，使之效率更高、結構更好、更易于加工。參數優化過程較為復雜，因槳葉的特殊形式，需基于翼型參數進行優化，選擇合適的翼型作為槳葉及厚度的原型，而后對設計參數進行試湊，直到達到滿意的效果，并在三維建模軟件中建立螺旋槳三維模型。此種方法可以快速、高效、具有針對性地設計螺旋槳。

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Design of a High-Efficiency Propeller for Hybrid Drive Underwater Gliders

QIN Yu-feng1，ZHANG Xuan-ming1，SUN Xiu-jun1，YANG Yan2
1.National Ocean Technology Center，Tianjin 300112，China；
2.Tianjin Chengjian University，Tianjin 300384，China

Underwater gliders may achieve high-speed forward movement by adding a thruster module to its tail.For the hybrid Slocum glider，the propeller，as a core component of the thruster module，should be designed to achieve high efficiency with little vibration and low noise.Firstly，by analyzing the change of efficiency with changing diameter and rotational speed of the propeller，a design concept of low-speed and high-efficiency propeller is introduced and a method for propeller three-dimensional prototype modelling is proposed using mathematical computing software and 3D modeling sofeware.Secondly，the three-dimensional curve of the propeller is drawn quickly with mathematical computing software and curve algorithm，with propeller diameter，leaf number，leaf thickness and rake angle optimized to significantly raise the propelling efficiency.Finally，the propeller feature points in the Cartesian coordinates space are calculated by using mathematical computing software and a three-dimensional object is created by importing blades feature points into 3D modeling software.The method presented in this paper can improve the propelling efficiency of designed propellers and the accuracy of modelling.

propeller；high efficiency；mathematical computing software；3D modeling software；curve algorithm

P715.5

A

1003-2029（2016）03-0040-06

10.3969/j.issn.1003-2029.2016.03.008

2015-08-18

天津市科技支撐計劃咨詢項目資助（14ZCZDSF00010）；國家高技術研究發展計劃（863計劃）資助項目（2014AA09A507）

秦玉峰（1990-），男，碩士研究生，主要研究方向為海洋環境監測移動平臺結構設計。E-mail：qyfdream@163.com

孫秀軍（1981-），男，博士，副研究員，主要研究方向為海洋環境機動觀測技術。E-mail：sunxiujun@yahoo.com