当代UUV推进器设计

图片：唐纳德麦克弗森/ Hydrocomp

图片：唐纳德麦克弗森/ Hydrocomp

Previous Next

从车辆推进物理学的角度来看，无人驾驶水下航行器（UUV）与您的个人滑雪船或油轮略有不同。它共享Vessel-Propulsor-Drive系统模型，该模型允许推进器将驱动能量转换为推力以移动船舶。推力平衡和运动的基本原理对于所有三个都是共同的，正如系统的中心元件 - 推进器将旋转能量转换成轴向推力一样。

不同车型不共享的是每辆车的使命所特有的约束和设计目标。例如，滑雪船在牵引速度下可能需要高推力并且愿意放弃潜在的最高速度以实现该任务要求。其传动比和螺旋桨特性是为此目的而设计的。油轮可能需要以“业务速度”获得最大效率，以获得最大的财务回报。或者它可能另外限制排放或燃料减少，需要在螺旋桨的设计中妥协。

水下交通工具有各自与其各种任务相关的推进器设计要求，例如电池寿命（或电池预算的最大行驶距离），最大车身直径，最小运行速度，考虑护罩或喷嘴的流体动力效率或安全性螺旋桨接触或减少噪音，以确保数据采集的安静运行。这是我们在HydroComp的UUV推进器设计工作的背景，它首先是客户访谈，以收集成功设计项目的重要信息。 Vessel-Propulsor-Drive模型是此类讨论的良好框架。

容器
典型的UUV是一种旋转体船体形式（也称为轴对称形式），具有鼻子，身体和尾巴。为了使设备的内部容积最大，一些车辆的鼻子和尾巴非常短。正如您可能预期的那样，对于钝头和推进器的推进罚款存在一定的阻力惩罚，该推进器不是轴向的，而是沿着陡坡。我们的部分工作是平衡阻力的不同部分 - 波浪形成或压力阻力与摩擦力或粘性阻力 - 以获得最小的阻力 - 体积结果。实际上，这并非完全正确。我们确实需要最小的功率 - 体积结果，并且尾部几何形状将极大地影响推进器从旋转能量产生有用轴向推力的能力。

因此，许多推进器设计项目首先使用NavCad®软件预测车辆的阻力和船体推进系数（尾流分数和推力减少），以进行水动力和推进系统仿真。特定的潜水车辆模块为类似鱼雷的UUV船体形式提供强大的预测能力。

图像：Hydrocomp Drive
在推进器的另一侧是驱动器，通常是电动机。电动机的电气特性各不相同，但推进器设计的关键数据是其轴上的机械输出功率 - RPM曲线。当然，“上游”电输入功率是重要的，并且提供操作约束。我们使用电机效率曲线来表征输入电功率，这有助于回答以下问题：如果最长的电池寿命是最高优先级，那么我们的最佳目标RPM范围是多少？另一方面，轴的功率 - 转速曲线告诉我们最大可能轴功率的RPM，以及最大潜在推进器推力和车速的RPM。

从轴功率和电气效率与RPM的代表性电机曲线可以看出，最高电位输出效率很少（如果有的话）发生。因此，我们经常必须将RPM设计点定义为折衷方案，既不提供更高的功率输出也不提供最佳的电效率。

与任何关于电动UUV的讨论相关的是轴转速几乎总是太高而不能用于最佳的推进器操作。通过某种形式的传动来获得最佳的推进器性能 - 或接受推进器可能以平庸的效率运行这种情况并不罕见。

推进
您将注意使用术语“推进器”而不是“螺旋桨”。这是为了强化喷嘴和螺旋桨（在大多数UUV上发现并且通常称为车辆的“推进器”）是一个交互式单元，即推进器的概念。推进器设计是找到最佳螺旋桨和喷嘴（也称为管道或护罩）的组合，同时跟踪它们的相互作用。换句话说，您必须使用包含此交互的设计工具，例如用于系统建模的NavCad或用于螺旋桨喷嘴组件设计的PropElements®。

在所有UUV推进器设计项目中，一个通用目标是开发一种几何形状，产生最高的推力功率比（其效率），我们使用完善的实践来实现。通常外部设计驱动因素的影响可以使UUV推进器的成功设计变得如此具有挑战性。例如，RPM可能太高（如上所述）。几何约束可以限制最大直径（以确保它保持在体径内），或者它们可以影响设计以考虑车辆尾部的斜率。

重要的是花点时间并提及UUV推进器制造的含义。新闻界对螺旋桨的增材制造（AM）进行了大量讨论。虽然从财务和可交付性的角度来看这可能很有吸引力，但我们必须注意性能不会因不适当的表面纹理（对大多数UUV上发现的小尺寸推进器产生巨大影响），疲劳强度失效或通过叶片中的水弹性弯曲。 HydroComp通过各种内部研究项目为小型推进器开发了AM的成功实践。

除了这些实际设计考虑因素之外，还有一个最有趣的当代设计驱动因素是辐射噪声。作为更广泛的可持续发展计划的一部分，HydroComp已经开发出预测和减轻推进器水声学（捕获噪声和振动的术语）的专业知识。随着为我们的工具开发新的水声特性，这些知识也可供其他海军建筑师和工程师使用。项目对噪声的敏感性现在始终是我们UUV推进器设计工程客户讨论的一部分。

所有水声激发都来自质量波动（流体质量的周期性运动）。推进器驱动的水声学通常由螺旋桨的低压区域的变化引起，因为它在“阴影”区域内旋转，例如在支柱或控制翅片后面。部分波动仅仅是由于流入量变化引起的叶片周围流动方向的变化，但更明显的是叶片上空化的快速膨胀和坍塌。这些中的每一个都作为我们的推进器设计的一部分进行评估，根据需要通过改变叶片的轮廓和其外倾角分布来进行缓解。

过度的水声激发 - 和传输 - 也可以通过创新的喷嘴设计来辅助。利用我们在喷嘴性能建模方面的背景，我们可以考虑特定的噪声静音喷嘴几何形状是否能够提供必要的抑制，以及任何推进器效率的损失。

因此，虽然UUV推进器设计有其独特的挑战，但它仍然只是一个更大的系统问题中的组件任务。它可以提供令人满意的工程挑战，可以通过一点小心，适当的工具和实践经验成功完成。

关于作者

作者唐纳德麦克弗森。

Donald MacPherson是推进系统仿真领域的领先专家，他是HydroComp的技术总监，负责监督所有软件开发和工程服务。他毕业于韦伯研究所，是SNAME的研究员，也是推进流体动力学小组的成员。