集成電機(jī)泵噴推進(jìn)器應(yīng)用于水下機(jī)器人探討

程鵬 賀波

摘 要：集成電機(jī)泵噴推進(jìn)器是一種新型的推進(jìn)方式。本文介紹了集成電機(jī)泵噴推進(jìn)器概況以及水下機(jī)器人的推進(jìn)方式。分析了集成電機(jī)泵噴推進(jìn)器應(yīng)用于水下機(jī)器人的特點(diǎn),探討了推進(jìn)器與水下機(jī)器人的功率匹配方法。

關(guān)鍵詞：集成電機(jī)泵噴推進(jìn)器；水下機(jī)器人；推進(jìn)方式；功率匹配

中圖分類號(hào):U664.3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Investigate the Application of Integrated Motor Water-Jet

Propulsor on ROV

CHENG Peng1，HE Bo2

（1.Guangdong Ocean University，Zhanjiang524025；2.Zhanjiang Maritime Bureau ，Zhanjiang 524001）

Abstract：Integrated Motor water-jet Propulsion is a new kind underwater vehicle propulsion way. This paper investigated the application of Integrated Motor Water-Jet Propulsor on ROV. Analyzed the characteristics of IMJP used in ROV, Discussed the power matching method between Propulsor and ROV.

Key words: IMJP; ROV; Propulsion way; Power Matching

1 集成電機(jī)泵噴推進(jìn)器簡(jiǎn)介

集成電機(jī)泵噴推進(jìn)器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，如圖1所示。主要由主軸、導(dǎo)流罩、電機(jī)定子、粘有永磁體的轉(zhuǎn)子葉輪以及導(dǎo)葉等部分組成[1]。其最外部為導(dǎo)流罩，類似噴水推進(jìn)器的導(dǎo)管，并且起到支撐定子的作用。電機(jī)定子固定在外部導(dǎo)流罩中，轉(zhuǎn)子葉輪外圈貼有永磁體片并且安裝在主軸上并可以繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)。導(dǎo)葉可以與軸做成一體，為靜葉柵，它的作用是為了消除從葉輪后噴出的水的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，有效的回收噴出水的能量并平衡扭矩。工作時(shí)，電機(jī)定子線圈通電，產(chǎn)生磁場(chǎng)，貼有永磁體的葉輪作為電機(jī)的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，并且按照軸流泵設(shè)計(jì)理論設(shè)計(jì)的葉片抽水并向后排出，通過靜葉柵導(dǎo)葉回收旋轉(zhuǎn)能量后經(jīng)由噴管噴出，為裝置提供向前的動(dòng)力。

2 水下機(jī)器人的推進(jìn)方式

2.1 水下機(jī)器人

圖1 集成電機(jī)泵噴推進(jìn)器簡(jiǎn)圖

水下機(jī)器人大致可以分為AUV和ROV兩種：AUV是自主水下航行器，一般情況下不帶纜，主要用途是深海作業(yè)；ROV一般為小型水下機(jī)器人，主要在淺水區(qū)域工作，一般情況下帶電纜。

2.2 水下機(jī)器人的推進(jìn)方式

水下機(jī)器人是一種主要在水下航行的潛水器，其推力是由潛水器的推進(jìn)動(dòng)力裝置即推進(jìn)器提供的。水下機(jī)器人常用的推進(jìn)方式有：電機(jī)推進(jìn)器、液壓推進(jìn)器、噴水推進(jìn)器、磁流體推進(jìn)器、仿生推進(jìn)器等[2]。

中小型水下機(jī)器人多用電動(dòng)機(jī)直接連接螺旋槳，稱為電機(jī)推進(jìn)器；大中型水下機(jī)器人普遍采用液壓馬達(dá)為推進(jìn)動(dòng)力，采用液壓馬達(dá)的液壓推進(jìn)系統(tǒng)受液壓液體流量控制，有較大的調(diào)速范圍。這兩種推進(jìn)方式都采用常規(guī)的螺旋槳推進(jìn)。采用螺旋槳推進(jìn)器時(shí)，為了使水下機(jī)器人在水下能夠換向、旋轉(zhuǎn)等，需增加推進(jìn)器個(gè)數(shù)。

噴水推進(jìn)也稱泵噴推進(jìn)，是一種利用噴射管噴出的高速水流的反作用提供推力的一種推進(jìn)裝置。水通過水下機(jī)器人上所裝設(shè)的大流量高壓水泵獲得高速后，由噴射管噴出產(chǎn)生推力[3]。

此外，磁流體推進(jìn)方面研究仍然不成熟，隨著仿生學(xué)的發(fā)展，仿生推進(jìn)器被人們提出，仿生推進(jìn)器具有能源利用率高、流體性能更加完善、降低噪音、可采用多種驅(qū)動(dòng)方式等特點(diǎn)，但限于設(shè)計(jì)和制造水平的原因，仿生推進(jìn)技術(shù)還不成熟[4]。

3 推進(jìn)器應(yīng)用于水下機(jī)器人的特點(diǎn)

集成電機(jī)泵噴推進(jìn)器是一種全新的推進(jìn)方式，它集合了電力推進(jìn)以及泵噴推進(jìn)兩者的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，這種新型的推進(jìn)方式也有其缺點(diǎn)和局限性。具體的有以下幾個(gè)方面：

（1）與熱動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)相比，電動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)有噪聲小、隱蔽性好、不受深度影響的特點(diǎn)；

（2）電動(dòng)力系統(tǒng)調(diào)速方便，可以實(shí)現(xiàn)無級(jí)變速，可以滿足控制系統(tǒng)的工作要求；

（3）推進(jìn)效率高。推進(jìn)器的靜葉柵可以回收液流旋轉(zhuǎn)能量，增加有效推進(jìn)能量；推進(jìn)器的導(dǎo)管可減少推進(jìn)葉輪葉柵的滑流損失，增加有效推力，提高效率；

（4）噪聲污染小。導(dǎo)管可以起到一定屏蔽噪聲的作用，同樣推進(jìn)功率的推進(jìn)器，推進(jìn)器葉輪體積較小，降低機(jī)械旋轉(zhuǎn)的噪聲；

（5）同樣航速下，抗空泡能力強(qiáng)。導(dǎo)管使來流均勻，同時(shí)，根據(jù)軸流泵設(shè)計(jì)理論設(shè)計(jì)的推進(jìn)器的泵軸因泵的軸向長(zhǎng)度的增加會(huì)比同等條件下設(shè)計(jì)螺旋槳推進(jìn)器的槳轂的直徑大，抗空泡能力強(qiáng)；

（6）幾乎取消了水下機(jī)器人上的全部附體，而且消除了軸系和傳動(dòng)裝置的損失以及螺旋槳的空泡損失，同時(shí)可以容易地操縱水下機(jī)器人；

（7）集成電機(jī)泵噴推進(jìn)器應(yīng)用于水下機(jī)器人的主要缺點(diǎn)，是要求零部件加工精度高，對(duì)材料的表面處理有很高的要求，成本高，而且現(xiàn)階段仍處在實(shí)驗(yàn)階段，對(duì)于遠(yuǎn)距離航行以及機(jī)動(dòng)操作航行下的效率仍有待進(jìn)一步研究。

4 推進(jìn)器與水下機(jī)器人功率匹配

集成電機(jī)推進(jìn)器與水下機(jī)器人的功率匹配，即推進(jìn)器推力與航行體阻力、推進(jìn)器功率與航行體吸收功率的平衡問題。本文擬以某ROV為例，計(jì)算機(jī)器人的航行阻力曲線，并利用噴水推進(jìn)的基本原理加以修正，繪制推力曲線，兩曲線相交點(diǎn)即為匹配點(diǎn)。

4.1 阻力計(jì)算

機(jī)器人的設(shè)計(jì)航速為10 kn，機(jī)器人長(zhǎng)度L=0.7 m。水的運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)=，機(jī)器人濕表面積Ω≈

2.4 m2，速度與相應(yīng)的雷諾數(shù)計(jì)算值如表1所列。阻力系數(shù)隨雷諾數(shù)的變化，如圖1所示。將圖1中阻力系數(shù)曲線離散，計(jì)算得出水下機(jī)器人航行阻力曲線如圖2所示。

表1 計(jì)算速度與雷諾數(shù)

圖1阻力系數(shù)隨雷諾數(shù)對(duì)數(shù)的變化

4.2 功率匹配方法及實(shí)例

具體步驟如下：

（1）給出已知條件：

機(jī)器人航行阻力曲線；推進(jìn)器葉輪預(yù)期轉(zhuǎn)速 ；預(yù)計(jì)電機(jī)提供的有效功率 ；預(yù)計(jì)汽蝕比轉(zhuǎn)速 ；預(yù)計(jì)邊界層影響系數(shù) ；管道損失系

數(shù) ；噴口截面損失系數(shù) 。

（2）求最佳效率的速比：

（1）

或 （2）

（3）根據(jù)水泵效率公式：

（3）

流量公式：

（4）

推進(jìn)器葉輪前后的能量變化公式：

（5）

（6）

式中： 為水的密度；Q為推進(jìn)泵流量；H為推進(jìn)泵揚(yáng)程；分別為推進(jìn)器進(jìn)出口的水流速度；

為邊界層影響系數(shù)； 分別為管道進(jìn)出口損失系數(shù)和用來流速度等效表示的管道損失系數(shù)。

對(duì)于已經(jīng)確定的最佳速比，給定進(jìn)水口速度，根據(jù)速比k確定噴口截面積、噴口速度，同時(shí)也確定了推進(jìn)器泵的流量和揚(yáng)程以及能夠提供的推力。把進(jìn)口速度從0開始變化到10 kn下在最佳速比的情況下能夠產(chǎn)生的推力繪成一條曲線與機(jī)器人航行阻力曲線相交即得出在設(shè)計(jì)航速下的工作點(diǎn)。如果工作交點(diǎn)達(dá)不到設(shè)計(jì)航速的要求，則要增加原動(dòng)機(jī)的功率，即預(yù)計(jì)電機(jī)提供的有效功率增大，重新計(jì)算繪圖。

（4）在上面繪制推力與阻力曲線的交點(diǎn)處，讀出該處的流量Q和揚(yáng)程H的值，計(jì)算比轉(zhuǎn)速以及汽蝕比轉(zhuǎn)速 ，并判斷是否滿足汽蝕條件。

（5）一般來說，按上述步驟得出推進(jìn)泵的參數(shù)、噴管直徑，設(shè)計(jì)推進(jìn)泵實(shí)體后，應(yīng)該考慮重新布置管道進(jìn)出水口，再次計(jì)算管道損失系數(shù) 以及邊界層影響系數(shù) 。若得出結(jié)果與預(yù)估計(jì)算值出入較大，或者因?yàn)樗弥亓恳鹱枇π阅茏兓瘯r(shí)，則應(yīng)把計(jì)算有關(guān)數(shù)值重新一并考慮，重復(fù)上述計(jì)算過程，最后得到較為精確的結(jié)果。

以某水下機(jī)器人為例，進(jìn)行功率匹配。該機(jī)器人設(shè)計(jì)航速v0=10 kn(約5.14 m/s)；推進(jìn)泵葉輪轉(zhuǎn)速n=1500 r/min ；預(yù)計(jì)邊界層影響系數(shù)α=0.95、β=α2；

預(yù)計(jì)推進(jìn)泵效率 η=0.93；預(yù)計(jì)收到電機(jī)功率Ne=1 200 W；管道損失系數(shù)ζ=0.35；進(jìn)水管道損失系數(shù)ζ=0.3; 噴口損失系數(shù)ζ=0.02 。計(jì)算結(jié)果如圖2所示。

圖2 推進(jìn)器與水下機(jī)器人的功率匹配

由匹配點(diǎn)得出推進(jìn)器的主要參數(shù)：

有效功率Ne =1 200 W；噴口直徑dj=80 mm；推進(jìn)泵的流量Q=0.04 m3/s ；比轉(zhuǎn)速ns =540；轉(zhuǎn)速n=1 500 r/min；推進(jìn)泵揚(yáng)程H=2.68 m；泵負(fù)荷汽蝕余量要求初步校核：Hsv=8.4 m；=2.59 m。，初步設(shè)計(jì)符合汽蝕余量要求。

5結(jié)束語

本文首先介紹了集成電機(jī)泵噴推進(jìn)器的結(jié)構(gòu)與原理，以及水下機(jī)器人的推進(jìn)方式。并詳細(xì)闡述了集成電機(jī)泵噴推進(jìn)器應(yīng)用于水下機(jī)器人的特點(diǎn)。集成電機(jī)泵噴推進(jìn)器集合了電力推進(jìn)和泵噴推進(jìn)的優(yōu)點(diǎn)，可以作為水下機(jī)器人的一種最新推進(jìn)方式，然而也存在加工精度高、制造成本高等劣勢(shì)。最后，文章分析了集成電機(jī)泵噴推進(jìn)器與水下機(jī)器人的功率匹配方法，并以某機(jī)器人為實(shí)例，給出了匹配曲線及參數(shù)，對(duì)未來集成電機(jī)泵噴推進(jìn)器在水下機(jī)器人上的應(yīng)用有一定指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)

[1]何東林．集成電機(jī)泵噴推進(jìn)器研究[D]．西安：西北工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士論文，2005.

[2]李一平.水下機(jī)器人推進(jìn)過去現(xiàn)在和未來[J].自動(dòng)化博覽，2002，(3)：56-58.

[3] 吳民權(quán)，任潮海等.噴水推進(jìn)器低損失進(jìn)口管道研究[J].中國造船，1988，(3)：45-55.

[4]徐海軍，謝海斌等.微小型水下機(jī)器人推進(jìn)方式比較研究[J].兵工自動(dòng)化，2009，28(4)：85-87.

作者簡(jiǎn)介：程鵬（1987-），男，教師。主要從事船舶輪機(jī)推進(jìn)裝置方面的研究。

賀波（1987-），男，教師。主要從事智能運(yùn)輸系統(tǒng)方面的研究。

收稿日期：2014-03-31