潜水开发商的推进器设计

图片：Hydrocomp

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许多从事潜水车辆开发的公司也希望为车辆配备定制的推进器。这些公司通常在车辆和驱动器设计方面具有专业知识，但在推进器设计方面没有经验。也不会期望他们拥有熟练的推进器设计，分析和优化所必需的专用工具。本文将向潜水车开发人员介绍HydroComp和其他专家用于提供推进器设计的设计实践，这些推进器设计是服务中推力/功率比最高的推进器之一。

推进器设计目标

用于车辆开发的推进器设计的最终目标通常是螺旋桨和喷嘴的3D CAD模型，它将支持并增强车辆的技术和商业使命。三个主要任务组构成了一个完整的推进器设计项目-车辆-推进器-驱动系统匹配，推进器组件优化和几何建模。

车辆-推进器-驱动系统匹配

该初始工作包将确定正确“与系统匹配”的主要螺旋桨和喷嘴特性。推进器设计过程能否成功的关键是首先确定推进器和驱动系统的适当主要规格，然后才能详细设计推进器和喷嘴组件。在系统设计过程中确定的推进器规格通常为：配置（开放式还是管道式），喷嘴样式（根据需要），叶片数，直径，螺距和叶片面积比。关键的驱动参数（同时确定）是机械轴功率（不是电功率），RPM以及设计点在驱动器轴功率曲线上的位置（例如使用电动机性能曲线来平衡性能与电池寿命）例）。

推进器组件优化

该任务组提供针对特定车辆的流体力学特性及其与推进器的相互作用而“针对性能而设计”的流体力学优化的螺旋桨几何形状（在选定的喷嘴类型内）。在先前阶段定义了螺旋桨和驱动器的主要系统特性之后，即可设计螺旋桨组件的详细信息。此过程称为“尾流适应螺旋桨设计”，可提供反映形状（弦，厚度，箔片），升力（俯仰，外倾角）和位置（前倾，偏斜）的径向形状参数。这些参数是针对指定的车速，所需的推力载荷和轴RPM（即“设计点”）设计的，并带有关于气穴和叶片强度的辅助评估。

多任务应用程序（例如兼具运输AUV和主力ROV的自适应UUV）可能需要平衡的视角来进行“折衷”设计。随着性能目标的变化，螺旋桨及其喷嘴的最佳特性也会随之变化。多模式优化并不困难；只需在总任务需求的背景下仔细检查设计即可。在许多情况下，通过对总负荷曲线功率需求进行加权计算，可以阐明在预期“能源预算”内满足必要性能要求的任何问题。

图片：Hydrocomp 几何建模

然后，将开发完整的“专为制造而设计”的3D CAD模型，并交付用于原型测试和部署。给定在适应尾流的优化设计阶段确定的几何参数，将生成完整的叶片形状。然后，刀片必须与轮毂（可以具有许多不同类型的轴附件）结合在一起，并在3D CAD过程中添加圆角和其他细节。对于可能会影响形状的特定制造工艺，例如浇铸或铣削，也可能需要考虑其他因素。喷嘴几何形状的发展实际上只不过是适当箔片轮廓的环形（旋转）挤压而已。

推进器设计所需的工具

典型的推进器设计者的工作台将包括以下软件工具。列出了三个主要设计任务中每一个必需的工具功能和特性。

用于车辆-推进器-驱动器系统匹配的工具将建立在优化求解器的基础上，该求解器可以确定螺旋桨特性以实现最大效率，同时考虑配置，最大螺旋桨直径和气蚀极限的任何限制。这必须同时包含基于推力和基于功率的加载选项，以处理运输和牵引任务角色。对于所考虑的螺旋桨和喷嘴样式，必须包括合适的推进器预测模型。最后，必须根据车辆和驾驶情况来评估优化推进器的性能，包括对运行RPM和所需功率的预测。

用于推进器组件优化的工具通常是螺旋桨的叶片元素计算，并支持各种样式的喷嘴和护罩。可以使用CFD和其他此类代码，尽管螺旋桨专用的尾流适应设计工具可以提供各种技术，财务和工作流程方面的好处。其中包括用于管理设计参数的结构化“挤压箔”框架，针对设计目标的最佳螺距和外倾角的自动解决方案，以及根据补充设计问题（例如考虑水声，根源）所需的改变径向载荷的能力空化或强度，例如）。螺旋桨专用的设计工具还可以评估关键的气蚀指标（提供设计反馈），并评估各种材料特性的叶片强度和安全系数。

进行几何建模的必要工具将包括具有特定功能的螺旋桨叶片设计工具，并增加通用CAD / CAM软件以应对几何挑战性较小的角色（包括喷嘴形状开发）。对于通用CAD工具而言，叶片形状的创建非常具有挑战性，因此，用于几何叶片设计的螺旋桨专用工具可以为叶片形状的创建提供数学功能，包括现代和传统螺旋桨截面形状的库。当然，要完成3D CAD模型（带有生成的刀片和轮毂），必须导出到通用CAD / CAM。

内部通道设计所需的专业知识

胜任的推进器设计确实需要了解推进系统相互作用，推进器性能和螺旋桨-喷嘴几何形状的原理。话虽如此，并不一定需要一定程度的海军建筑或流体力学学位。例如，拥有流体工程大学课程的机械工程师可以轻松地开发成功的推进器设计所需的其他技能。 HydroComp的工具套件（NavCad，PropExpert，PropElements和PropCad）在世界范围内有近200个推进器设计者和制造商使用，它提供了一个舒适的框架，适合“引导工作流程”，使内部设计既实用又实用划算的。

与专家合作
当然，并不是每个人都希望或需要内部具有推进器设计功能。在这种情况下，与具有适当知识，经验和成功项目简历的专家接触确实很有意义。如果听起来像您，我们很乐意讨论您的项目和推进器设计要求。