浮岛模型水下推进器设计浅析

云鹏

摘   要：我国是海洋大国，海洋资源丰富。建造海上浮岛的战略意义开始被重视，其造价廉价、维护成本较低，利用范圍广泛，未来能够更好地为军民所利用。作为浮岛动力装置的设计是浮岛在海上运动所必不可少的基本保证。因此通过研究浮岛模型的推进器设计，能够更好地为浮岛平台的设计提供技术支持。本文中通过对浮岛模型水下推进器的螺旋桨的设计、电机选型、推力的试验进行了简要的阐述。

关键词：海上浮岛  浮岛模型  水下推进器设计  推力试验

中图分类号：X524                                  文献标识码：A                        文章编号：1674-098X（2019）04（c）-0125-02

海上浮岛平台完全可以作为大型海上机场，为各种类型的飞机提供快速起降的保障能力，也能为各种类型的船舶作为暂时停靠的港湾。因此，海上浮岛平台对中国海军、民用上具有着重要的战略意义。海上浮岛就是防御力量，保护好自己的海域权益，这种装备造价便宜，可以用在多个方面，属于军民两用装备，同时也是一种不错的战略武器。“海上浮岛平台”不具备航母强大的军事打击能力，但却兼具机场、后勤基地、浮式码头等多种功能。还能发展为生活休闲基地和旅游度假基地。

1  设计需求

根据浮岛模型运动需求，需要4台水下推进器给模型提供动力。每个推进器包括螺旋桨、导流罩、推进电机、回转电机、防水外壳及其控制单元等。因此为满足浮岛模型上各动力、控制、测试系统，则提出以下技术要求：

（1）推进电机4套。转速1500～3000转/分的调速直流伺服电机，电机扭矩不小于0.2N/m，功率为10～15W，能够提供20N的推力;

（2）回转电机4套。回转电机保证推进电机在水下进行360°旋转并且可以调节任意角度;

（3）控制系统及其供电系统一套。控制系统实现远程无线控制，控制水下推进器的转速及其回转角度。供电系统则保障控制系统及其电机系统。

2  实施方案

2.1 推进系统

根据技术要求，每台推进电机需要提供20N的推力。电机的推力则取决于螺旋桨在什么样的转速，多大的直径，多少的螺距比下产生的推力最大，与电机配合的最好。

2.1.1 螺旋桨设计

螺旋桨叶数越少，效率越高，但振动越大，反之，效率越低，振动越小。三叶螺旋桨推进速度要达到七叶螺旋桨推进速度，转速要高出10倍左右。螺旋桨直径越大，转速越低，效率越高，但是直径过大会使得桨盘面处于平均伴流减小，总推进效率会有所下降。在螺旋桨周围，会加上一个环形套筒，称为导管螺旋桨或涵道螺旋桨，导管剖面一般为机翼型或者折角型，导管主要有三个作用，一是给螺旋桨增加了一个保护罩，二是导管能加速水流并产生预旋，提高推进效率，三能够使得盘面处伴流更加均匀，从而提高效率，并且改善振动的影响。

在本文中，螺旋桨采用三叶桨，桨盘面直径不大于115mm，质量在100g左右。考虑浮岛模型在12kn的阻力情况，每台推进器的推力不小于2kg。推进器有效推进功率P=7×0.5144×20=72W，假设效率为0.5，则螺旋桨收到的功率P（收）=144W，去轴系传动效率为0.98，留10%功率损耗，则电机功率应该为P（电机）=144/0.98/0.9=163W。单个螺旋桨在浮岛模型速度在3.6m/s时能克服船体阻力大约为2kg，考虑推力减额和伴流分数，选取伴流分数为0.2，推力减额为0.3，即单个螺旋桨要满足在实际流速为3.6*0.8=2.88m/s时，发出的推力至少为T=20/0.7=28.6N。

2.1.2 推进电机选型

推进器电机选用直流伺服电机，主要考虑伺服电机的精确调速优势，电机的主要技术指标为：额定转速3000RPM，最大扭矩0.32Nm，额定功率100W，直流24V供电，直径小于60mm，带编码器，推进器控制上采用PWM脉冲占空比控制调速，占空比转速范围10%～90%对应0～Max_Speed（0～3000），转速精度可控制在1转以内。

2.2 回转系统设计

回转系统采用闭环步进电机，闭环控制可以更好地对位置进行精准的控制，能够保证电机精确定位，绝不丢步。步进电机的转矩随着转速的增加而降低，即具备低转速高扭力的特点，回转电机只保证角度，不要求速度，转速保证在500RPM左右就足以满足回转的要求。

2.3 控制系统设计

2.3.1 动力控制系统

动力系统要求四台推进电机可以独立控制，可以实现差动控制。四台回转电机也要求独立控制，可以实现转角差动控制。

浮岛模型推进器方向旋转控制，要求推进器能实现360°范围的旋转，同事要求保证转速、角度的精确控制，控制方式选用正交指令脉冲位置控制方式，通过控制发射脉冲个数实现角度位置的精确控制。

2.3.2 远程无线控制系统

地面站系统由控制电脑、运动控制卡、多通道信号发射机组成，模型接收控制系统则由多通道信号接收机、伺服电机驱动器组成，动力系统主要由转角伺服电机、推进伺服电机、螺旋桨和蓄电池组成。系统工作方式：首先由控制电脑通过运动控制卡发出8路脉冲信号，其中4路PWM脉冲用于控制4台推进电机转速，4路脉冲用于控制回转电机的运动，8路信号互不干扰通过多通道信号发射机发送至浮岛模型上的多通道信号接收机，将信号传输至伺服电机驱动器，驱动器控制伺服电机完成运动。

3  试验

浮岛模型水下推进器研制开发完成以后，需要对其进行相关试验，以验证其性能与可靠性。

3.1 密封试验

将水下推进器安装完毕，沉放入水中2～3h，根据现场可以看到进水留下的痕迹，不仅显示了进水位置还可以估计进水剧烈程度。是推进器高速转动持续15～30min，观察转动过程有无进水的情况。本研发过程中多次试验，壳体内部并没有浸水，从而肯定了水下推进器的结构是可靠的。

3.2 拉力试验

分别对每一台推进器进行拉力试验。调整每个螺旋桨的转速，记录各不同转速下推进器的拉力测量值。在试验过程中，测试的4台推进器的拉力在螺旋桨转速为2500RPM时，拉力值都在2.4kg左右，从而满足了浮岛模型所需要的推力。

3.3 操控性试验

操控性试验选择在长度为60m，宽度为60m的开阔水池试验室中进行。确保浮岛模型在运动过程中的有效的运动距离和回转半径。

3.3.1 推进试验

分别调整螺旋桨的转速，使浮岛模型从静浮状态加速至不同的航速，通过GPS记录在不同转速下，浮岛模型的不同的速度。

3.3.2 回转试验

调整每台回转电机的角度，在不同的角度下，测得浮岛模型在不同航速下的回转半径和回转周期。

4  结语

就目前国内调查来看，在民用、军用等各个方面，海面浮岛平台的设计工作已经展开，通过研究浮岛模型的动力系统为今后模拟浮岛平台动力系统的设计提供了技术基础。本文中主要针对于浮岛模型的动力装置水下推进器设计的研究，相关技术限于篇幅不能详尽介绍。作为新型推进系统之一，经试验表明，该结构设计合理，方案可行，研制出的装置性能稳定可靠，使其在试验领域中的研究获得更广泛的应用。

参考文献

[1] 张代兵.波动鳍仿生水下推进器及其控制方法研究[D].国防科学技术大学，2007.

[2] 张红伟.DE氧化沟流场的数值模拟与优化研究[D].武汉理工大学，2015.

[3] 杨寅.氧化沟优化运行的CFD模拟及实验研究[D].华中科技大学，2011.