無槳推進航行器的設計與實驗

崔超

（鄭州大學機械與動力工程學院，河南鄭州，450001）

0 引言

目前，水下推進器的主流是螺旋槳推進器，其存在易被水草等異物纏繞、故障率高、噪音大等缺點。水下推進器是水下航行器的推動裝置，直接影響著水下航行器運行的穩定和安全。美國、英國、加拿大等國家為了解決以上問題，大力研發泵噴推進器，但難以小型化且造價昂貴。因此，筆者設計了一種無槳推進器，并應用于水下航行器中，可以用作特定應用場景下螺旋槳推進器的替代物。該無槳推進航行器由無槳推進器、轉向系統、觀測系統和控制系統組成。本文重點介紹航行器設計與實驗中無槳推進的創新部分。

1 裝置方案介紹

該無槳推進航行器的設計目標是通過渦輪在航行器中部對水進行壓縮，然后從無槳推進器的環形出口表面噴出，在產生直接推力的同時伴隨有科恩達效應，從而實現航行器的無槳推進的效果。

無槳推進航行器的兩側安裝有無槳推進器，單個無槳推進器能夠產生一個自由度的推力，由兩個無槳推進器則可完成差速轉彎和掉頭等動作.由航行器中部的重心調節模塊，則可完成調節俯仰姿態以實現浮潛動作。整個無槳推進航行器的前進、轉彎、上浮和下潛等基本動作均實現了無槳。

2 無槳推進器原理

無槳推進器是無槳推進航行器的核心部件，它是無槳推進航行器的直接動力來源[1]，也是無槳推進航行器的創新所在。無槳推進器在結構上設計了環形出口曲面，噴出的水流在其表面會伴隨產生科恩達效應，能夠減少空泡率以達到高效、靜音推進的目的。

科恩達效應，即:當流體與它流過的物體表面之間存在表面摩擦時(流體粘性)，只要曲率不大，流體會順著物體表面流動。

無槳推進器運行時，其結構主要由進水口、增壓渦輪裝置、內部管道、環形出水口四部分組成。在水下無槳推進器的底座上，設有入水口，該入水口可以在一定時間內使較多的水流入推進器的內部涵道中。在靠近入水口附近的涵道里，設置一個壓縮裝置，該壓縮裝置采用渦輪結構，可使用無刷或者直流電機作為渦輪的動力來源，該壓縮裝置使得大量水吸入推進器的內部涵道中，并將水加速。最后，被增壓和加速的水流通過無槳推進器環形出水口內唇環繞射出，射出后的水流帶動環形出水口后方的水流隨之進入推進器環形中空的部分（在此過程中具有科恩達效應），并以高速度向外射出。以此獲得反作用力，實現推力。

3 無槳推進器結構設計及航行器動力布局

無槳推進器的詳細結構，包括環形出水口曲面①，環形出水口內腔②，增壓泵無刷電機③，基體外殼④，過濾管道（網）⑤，入水口管道⑥，入水口空腔⑦，增壓泵渦輪⑧，泵體固定軸⑨，過濾管道（網）固定軸⑩和涵道。

其工作時，首先在涵道①中的負壓力作用下，入水口空腔⑦中的水和右側的大量水向左進入涵道⑥，進入的水將通過過濾管道（網）⑤的過濾，再將水中雜質的含量降低到安全范圍后，再向左進入增壓泵渦輪⑧所在的空腔，在增壓泵無刷電機③和增壓泵渦輪⑧的快速旋轉下，水壓迅速上升，進而快速擠入環形出水口內腔②，并沿著環形出水口曲面①射出，產生推力，在這個過程中，伴隨有伯努利效應和科恩達效應。

其無槳推進器的直接推力大小是可控的，決定其推力大小的是其內置的增壓泵無刷電機的轉速和功率。隨著外部控制電路輸入無刷電機的電壓升高，無刷電機的轉速和功率也隨之升高，無槳推進器的直接推力也將變大。

圖2 無槳推進航行器動力布局

本文所設計的無槳推進航行器上安裝有2臺無槳推進器，分別位于航行器中部的兩側；航行器中心位置安裝有密封艙，內置控制電路、電池和重心調節裝置；在航行器的前端位置設計有觀察艙，內置有攝像頭。

無槳推進航行器的設計制作與實驗，是驗證無槳推進器工作原理和工作效果的有效方式。

無槳推進航行器的前進時，兩側的2臺無槳推進器同時同功率同推力工作，則可以實現直線前進；航行器在左右轉向時，采用兩側的2臺推進器不同的功率和不同的推力，從而實現差速轉向和差速轉彎；航行器的上浮和下潛，通過密封艙內的重心調節裝置，通過控制桶里滾珠絲杠的旋轉，帶動重物前后移動，改變航行器整體重心的位置，當重心的位置位于航行器的艉部時，俯仰姿態為仰的狀態，此時前進能夠達到上浮的效果；同樣地，當重心的位置位于航行器的艏部時，俯仰姿態為俯的狀態，此時前進能夠達到下潛的效果。

圖3 無槳推進器三維模型

通過航行器上2臺無槳推進器和重心調節裝置的有序工作，可以使無槳推進航行器在水下三維運動時實現無暴露螺旋槳，從而在一定程度上避免了因為水草、沙石對航行器造成的危險。

4 無槳推進器流體仿真和實驗

■4.1 無槳推進器三維模型的建立

通過SolidWorks軟件對無槳推進器進行三維建模，并保存為igs格式。將建模好的無槳推進器導入ANSYS workbench軟 件 中，使 用ANSYS fluent和SolidWorks simulation進行流體仿真。

■4.2 模型網格劃分和預處理

設置邊界條件為渦輪增壓進水速度為10m/s，流場介質為20℃water，環形出口壓力為0MPa，使用k-e湍流模型。

圖4 網格劃分

■4.3 運算及其結果

設置運算精度為10e-3，最大迭代次數為100次[2]。無槳推進器涵道內和環形出水口表面流速如圖5和圖6所示。其出水口最大流速可達15.512m/s，其位置處于涵道空腔的中心部位，環形出口后方流速穩定在2.5m/s-5m/s的區間內。仿真結果顯示，無槳推進器的性能較好，在原理上較為合理。

圖5 繞環出水口流場圖

圖6 縱剖面流場圖

■4.4 無槳推進器實際測試

為驗證無槳推進器的可行性和仿真的可信度，我們在室內水池環境中對其進行了實際測試。將無槳推進器安裝于推桿底部，測力計安裝于推桿上部，使其力臂相同，則所測的推力大小即為無槳推進器推力大小。我們設置了同功率的螺旋槳推進器作為對照。實驗對照結果可得，在30W功率時，無槳推進器的推力為0.795kgf，而螺旋槳推進器的推力為1.205kgf，可得無槳推進器目前同功率下可達螺旋槳推進器推力的60%左右。

圖7 推力實際對照測試

同時，在實驗室的室內水池環境中對無槳推進器的實際測試中（圖8），可清晰觀察到水流順著環形出水口表面流出，與仿真結果接近，實際存在科恩達效應和伯努利效應。我們在實驗室的室內水池中加入泡沫等雜物模擬在戶外環境中的水草、沙石等破壞物，實驗可得無槳推進器在泡沫干擾的情況下一切正常。

圖8 無槳推進器室內測試圖

5 航行器樣機制作仿真及實際測試

無槳推進航行器的樣機已通過計算機有限元仿真的方式，對其在水中工作的運動狀態進行了仿真和預計。其仿真結果如圖9所示。由仿真結果可得，航行器以0.5m/s的速度前進運動時，其最大的壓強出現在前部，其值達到了0.45MPa。

圖9 航行器前進運動仿真圖

完成的無槳推進航行器樣機如圖10所示，其主要參數如下：規格：850mm×360mm×220mm。總質量為12.2kg，重心調整的距離長度為300mm。航行器上裝有航模接收機，可與地面的航模遙控器連接通信，從而完成地面的各個任務命令。

圖1 無槳推進器縱剖示意圖

圖10 樣機戶外湖泊測試圖

該樣機已經在室內水池環境和室外湖泊環境中進行測試，其穩定前進的速度為0.5m/s，可通過增加整機功率來提升其速度。左右轉向以及上下浮潛的動作完成時間不超過3s。

6 結論

筆者設計了一種無槳推進器并將其應用在水下航行器中進行了實驗研究，無槳推進器運行平穩且不受惡劣水質的影響。整套設備設計精良，可靠性好。該裝置能在很大的程度上成為螺旋槳推進器在惡劣水質環境中的替代品，在船舶和海洋工程等行業中有很高的應用價值。