混合驅動水下滑翔機用可折疊螺旋槳的設計

□ 畢 杰 □ 付 平 □ 張明賽 □ 殷 碩 □ 欒光旭 □ 王晨旭

青島科技大學 機電工程學院 山東青島 266061

1 設計背景

進入21世紀以來,世界各國普遍認識到海洋探測與開發對增強國家綜合實力和促進科技創新的重要意義[1-2]。混合驅動水下滑翔機作為一種新興的海洋探測平臺,在海洋探測中發揮了不可替代的作用[3]。在傳統混合驅動水下滑翔機實際應用中,存在一些問題,如僅依靠浮力驅動時,螺旋槳槳葉會產生一定的阻力。對此,筆者設計了新型可折疊螺旋槳用于混合驅動水下滑翔機,可以減小傳統水下滑翔機的阻力,提高航行時的穩定性。

2 可折疊螺旋槳結構

混合驅動水下滑翔機用可折疊螺旋槳安裝在機體尾部,螺旋槳工作時可以為水下滑翔機提供推力,螺旋槳不工作時可以減小水下滑翔機滑翔的阻力。目前,水面帆船與航空領域對可折疊螺旋槳有少量應用,但結構設計都相對復雜,不適合應用于水下滑翔機[4-5]。在水下滑翔機僅靠浮力驅動的滑翔過程中,航行速度較低,在螺旋槳兩側產生的壓力不足以使螺旋槳自動折疊,因此需要設置一個使螺旋槳折疊的復位機構。考慮到水下滑翔機的成本與續航能力,所設置的復位機構結構應盡量簡單,且不消耗水下滑翔機所攜帶的能量。筆者設計的混合驅動水下滑翔機用可折疊螺旋槳可借助啟動時旋轉的離心力張開,通過內部設置的復位機構,同時借助航行產生的壓力實現折疊。

通過查閱其它領域可折疊螺旋槳的相關資料可知,在可折疊螺旋槳的直徑與展開面積大小相等時,螺旋槳的效率與槳葉數成反比關系[6-7]。另一方面,較少的槳葉數量可以避免水下滑翔機在航行過程中產生空泡[8-9]。筆者以圖譜設計法為基礎,結合水下滑翔機的水動力參數,設計了新型可折疊螺旋槳,用于混合驅動水下滑翔機[10-11]。可折疊螺旋槳如圖1所示,槳葉數為2,設計簡單,安裝便利。設計的難點在于復位機構的彈簧選型,彈簧彈性系數過大,槳葉不易展開,太小則折疊困難。

▲圖1 可折疊螺旋槳

3 力學分析

新型可折疊螺旋槳展開時,依靠螺旋槳旋轉時產生的離心力,不消耗其它能量,并在彈簧彈力、自身重力等力的共同作用下達到動平衡狀態,穩定旋轉。分析力平衡過程,需要建立慣性坐標系,如圖2所示。慣性坐標系以螺旋槳軸的圓心為原點,以螺旋槳軸線指向槳葉方向為X軸正方向,以平行于螺旋槳軸徑向截面指向槳轂右側為Y軸正方向,以平行于螺旋槳軸徑向截面指向槳葉外側為Z軸正方向。圖2中,C(xC,yC,zC)為槳葉質心坐標,位置矢量記為RC,m為槳葉的質量,r0為槳葉軸線與X軸的垂直距離,θ為槳葉的展開角度,ε為Z軸與豎直方向的夾角,g為重力加速度,MC為作用在槳葉旋轉軸上的離心力矩,是槳葉展開的動力矩,MH為水動力推力矩,也是槳葉展開的動力矩,MS為彈簧扭矩,是槳葉展開的阻力矩,MG為重力力矩。

▲圖2 慣性坐標系

在慣性坐標系中,槳葉在離心力與水動力推力下展開,需要滿足如下方程式:

-MC-MH+MS+MG<0

(1)

動阻性與槳葉展開角度有關。

MC=∮mω2xi(zi+r0)dm

(2)

式中:ω為螺旋槳旋轉角速度;dm為槳葉上的微元質量,坐標為(xi,yi,zi)。

將螺旋槳的轉動視為剛體運動,通過三角函數變換,可將式(2)進一步轉化為:

MC=mω2‖RC‖[‖RC‖sin(2θ)/2+r0cosθ]

(3)

(4)

式中:ρ為海水密度;n為螺旋槳轉速;J為相關因數;KMH為水動力因數;Dp為螺旋槳直徑。

MG=mgxCcosε

(5)

分析式(5)可知,夾角ε的大小決定MG的正負。當夾角ε的絕對值小于90°時,MG大于0,相當于阻力。當夾角ε的絕對值大于90°但小于180°時,MG小于0,相當于動力。

(6)

式中:ES為彈性模量;dS1為彈簧線徑;dS2為彈簧中徑;NS為彈簧圈數;θo為復位彈簧預裝角。

在上述坐標系中,槳葉在彈簧彈力與水流壓力作用下折疊,需要滿足如下方程式:

MD+MS1+MG>0

(7)

MD為水下滑翔機航行時水流對槳葉背側產生的水動力矩,是槳葉折疊的動力矩。MS1為彈簧扭矩,大小與槳葉展開過程相同,為槳葉展開提供動力矩。動阻性與槳葉展開過程相反。

MD=f(n,Dp,V,θ)

(8)

式中:V為螺旋槳進速。

與槳葉展開過程相似,MG的正負由夾角ε的大小決定。當夾角ε的絕對值小于90°時,MG大于0,相當于槳葉折疊過程中的動力。當夾角ε的絕對值大于90°但小于180°時,MG小于0,相當于槳葉折疊過程中的阻力。

總結可折疊螺旋槳的展開與折疊過程,同時滿足的條件為:

(9)

整理式(9),得:

-MG-MD

(10)

最終可得復位機構彈簧剛度因數KS需滿足:

(11)

式中:KMH為推力矩因數。

4 水動力性能分析

應用Fluent流體動力學軟件,對所設計的混合驅動水下滑翔機用可折疊螺旋槳設置合理的仿真域,如圖3所示。

▲圖3 可折疊螺旋槳仿真域

選擇k-ε湍流模型,計算殘差設置為10-5。仿真域分為動流域與靜流域。靜流域為長方體,長為25倍螺旋槳直徑,寬和高為10倍螺旋槳直徑。動流域為圓柱體,底面直徑與高為1.1倍螺旋槳直徑。流域左端面設置為流入邊界,流入速度為0.5～1.5 m/s,對應的進速因數為0.1～0.6。流域右端面設置為流出邊界,四周設置為對稱邊界。螺旋槳實體壁面設置為非滑移壁面,轉速設置為600 r/min。槳葉展開角為0°～90°,對槳葉每展開15°分析一次。槳葉展開45°與槳葉展開90°時,仿真分析云圖分別如圖4、圖5所示。

由圖4、圖5可知,槳葉展開45°時,螺旋槳水動力性能要優于槳葉展開90°時。就螺旋槳結構而言,兩者均未發生邊界分離,也未產生旋渦中心,水動力性能較為理想。從速度云圖看,槳葉展開45°與槳葉展開90°時的平均速度分別為4.53 m/s、2.69 m/s,說明槳葉折疊后減阻效果較好。從動壓力云圖看,槳葉展開45°相比槳葉展開90°,螺旋槳整體動壓變化更為平穩,壓力損失更小。

在螺旋槳的性能研究與設計中,需要對螺旋槳模型進行水動力性能測試,即敞水性能試驗。敞水性能試驗可以分析幾何要素對螺旋槳性能的影響,從而預估螺旋槳的水動力性能。

對槳葉每展開15°分析一次,得到各展開角度下螺旋槳不同進速因數的推力矩。結合式(11),推力矩因數KMH為:

(12)

▲圖4 槳葉展開45°仿真分析云圖

▲圖5 槳葉展開90°仿真分析云圖

基于式(12)計算得到的數據,繪制不同槳葉展開角度時螺旋槳推力矩因數隨進速因數變化曲線,如圖6所示。

分析圖6可知,在固定槳葉展開角下,螺旋槳的推力矩因數整體隨進速因數的增大而減小。槳葉展開角小于30°時,推力矩因數的變化不明顯,即槳葉展開角較小時,螺旋槳的推力矩因數基本不受進速因數影響。進速因數為0.1時,推力矩因數最大,此時螺旋槳只旋轉不前進,推力矩達到最大,最有利于槳葉展開。槳葉展開角小于45°時,隨著槳葉展開角的增大,螺旋槳推力矩因數減小,槳葉展開變得困難。槳葉展開角大于45°時,隨著槳葉展開角的增大,螺旋槳推力矩因數增大,槳葉展開變得容易。這是因為槳葉展開角度越大,槳葉周圍流場的影響越小。筆者在設計可折疊螺旋槳時,注意了槳葉最小推力矩下的最小折疊角,從而避免正常展開受到影響。

▲圖6 螺旋槳推力矩因數隨進速因數變化曲線

除分析螺旋槳的水動力性能外,還需要分析折疊過程中阻力矩變化情況,從而分析螺旋槳在折疊過程中的平衡狀態。與螺旋槳展開過程分析相似,對槳葉每折疊15°分析一次,得到不同進速時的阻力矩,繪制螺旋槳阻力矩隨進速變化曲線,如圖7所示。

▲圖7 螺旋槳阻力矩隨進速變化曲線

分析圖7可得,螺旋槳折疊過程中,螺旋槳阻力矩隨槳葉展開角的減小而減小,這也說明在航行過程中,相較于傳統螺旋槳,可折疊螺旋槳不工作時,可以大大減小所受阻力,并且進速越大,效果越明顯。折疊到某一槳葉展開角前,螺旋槳阻力矩與進速成正相關。在螺旋槳完全折疊時,螺旋槳阻力矩隨進速的增大而減小,說明在僅靠浮力驅動滑翔時,相比于傳統螺旋槳,可折疊螺旋槳的低阻性更具有優勢。

5 結束語

筆者針對混合驅動水下滑翔機僅在浮力驅動時螺旋槳會產生一定阻力的問題,設計了一種新型可折疊螺旋槳。對新型可折疊螺旋槳槳葉展開與折疊過程進行了力學分析,并確定了復位機構的數學模型。同時在不同槳葉展開角時,對新型可折疊螺旋槳進行了水動力性能分析。結果表明,相比傳統螺旋槳,在螺旋槳不工作時,可折疊螺旋槳可以大大減小混合驅動水下滑翔機所受的阻力,并且進速越大,效果越明顯。