無人艇風(fēng)力推進(jìn)/發(fā)電裝置的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究

柯赟 胡以懷 袁春旺

摘 要：水面無人艇在現(xiàn)代生活中扮演著不可或缺的角色，但其續(xù)航能力欠佳影響其發(fā)展進(jìn)程。本文基于風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)化風(fēng)能為機(jī)械能的模型，將風(fēng)力機(jī)與盤式發(fā)電機(jī)相結(jié)合能夠高效利用風(fēng)能。根據(jù)風(fēng)速不同，無人艇可處于三種推進(jìn)模式。通過風(fēng)機(jī)和發(fā)電機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能和電能，并將風(fēng)機(jī)與螺旋槳機(jī)械連接形成推進(jìn)-發(fā)電裝置。通過控制系統(tǒng)，無人艇能夠在各種風(fēng)速條件下運(yùn)行，并且能夠保證無人艇有充足的續(xù)航能力，達(dá)到高效節(jié)能和環(huán)境友好的效果。

關(guān)鍵詞：無人艇；風(fēng)力機(jī)；推進(jìn)-發(fā)電；續(xù)航

中圖分類號(hào)：U675.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract： The water surface unmanned boat plays an indispensable role in modern life， but its endurance ability affects the task process. Based on the model of wind turbine converting wind energy into mechanical energy， the combination of wind turbine and disc generator can effectively utilize wind energy. According to the wind speed， the unmanned boat can be in three propulsion modes. Wind energy will be converted into mechanical energy and electricity by a fan and a generator， and the fan and propeller will be connected to form a propulsion-generating device. By a control system， the unmanned boat can run under various wind conditions， and uninterrupted task process can be ensured with plenty of battery life， and high efficiency， energy saving and environmental friendly results are achieved.

Key words： Unmanned boat； Wind turbine； Propulsion-power generation； Endurance

1 前言

水面無人艇（USV）發(fā)展至今雖然已有70多年的歷史，但相對(duì)于無人機(jī)、無人車系統(tǒng)，水面無人艇還是一個(gè)較為落后的無人系統(tǒng)平臺(tái)。水面無人艇是指可由水面艦船或者岸基布放回收，以半自主或全自主方式在水面航行的無人化、智能化作業(yè)平臺(tái)。與傳統(tǒng)水面艦船相比，水面無人艇具有如下的優(yōu)勢[1-4]。

（1）小型輕量、反應(yīng)快速。水面無人艇主要尺度和排水量均不大，總長在6～20 m的最為常見；

（2）機(jī)動(dòng)靈活、適應(yīng)性強(qiáng)。水面無人艇具有較小的排水量、較淺的吃水，特別適合在淺水區(qū)域活動(dòng)作業(yè)，且可以更好地適應(yīng)海況干擾所產(chǎn)生的影響；

（3）艦型豐富。由于無人艇不需要考慮船員的適居性設(shè)計(jì)問題，船型可以更加自由靈活；

（4）推進(jìn)方式多樣。除了傳統(tǒng)的艦船推進(jìn)方式，還可以采用全電力推進(jìn)和利用太陽能、風(fēng)能和海洋能等環(huán)保能源的推進(jìn)方式。

目前，美、英、法、以色列、日本等國都在研發(fā)先進(jìn)的水面無人艇。從發(fā)展現(xiàn)狀來看，無人艇的用途多種多樣，不局限于軍事用途，在民用上也凸顯出很大的優(yōu)越性。

但是，現(xiàn)有的各種類型的無人艇都有一個(gè)共同的缺陷——續(xù)航能力欠佳。海上的風(fēng)能取之不盡、用之不竭，利用風(fēng)能可為無人艇提供持續(xù)不斷的能源，只要無人艇不出現(xiàn)故障就能夠一直執(zhí)行任務(wù)，不需要進(jìn)行燃料補(bǔ)給。本文提出利用升、阻組合式垂直軸風(fēng)力機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)和螺旋槳，完全依靠風(fēng)能進(jìn)行推進(jìn)，并且能夠發(fā)電供其它裝置所需。

2 裝置設(shè)計(jì)

采用達(dá)里厄型垂直軸風(fēng)力機(jī)，可利用來自全方位的360°風(fēng)能，大大提高風(fēng)能利用率；并且利用永磁盤式發(fā)電機(jī)，使發(fā)電裝置體積降到最小，維修管理方便簡單；垂直軸風(fēng)機(jī)的主軸與螺旋槳軸連接，風(fēng)機(jī)直接帶動(dòng)螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)。

因?yàn)橐獙?shí)現(xiàn)風(fēng)力機(jī)發(fā)電與驅(qū)動(dòng)兩個(gè)功能，故整個(gè)裝置分兩部分進(jìn)行設(shè)計(jì)：（1）風(fēng)力機(jī)發(fā)電部分，進(jìn)行風(fēng)能→機(jī)械能→電能轉(zhuǎn)換；（2）螺旋槳與尾軸傳動(dòng)部分，將風(fēng)力機(jī)主軸機(jī)械能或電動(dòng)機(jī)提供的機(jī)械能→螺旋槳旋轉(zhuǎn)推力。

風(fēng)力機(jī)固定在船舶主甲板，在甲板下風(fēng)力機(jī)主軸上安裝盤式永磁發(fā)電機(jī)、制動(dòng)裝置和連接斜齒；尾軸末端連接螺旋槳，中段由推力軸承支撐；前端安裝連接斜齒，與風(fēng)力機(jī)主軸的連接斜齒進(jìn)行嚙合，以此完成兩部分的結(jié)合，如圖1所示。

對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)空載和負(fù)載兩種情況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，分如下三種運(yùn)行模式：

（1） 推進(jìn)——發(fā)電模式

當(dāng)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速n>250 r/min時(shí)，此裝置切換至推進(jìn)—發(fā)電模式。啟動(dòng)制動(dòng)裝置，使風(fēng)力機(jī)停止，推動(dòng)裝置推動(dòng)連接齒輪下移與螺旋槳裝置部分斜齒嚙合；松開制動(dòng)裝置，風(fēng)力機(jī)恢復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)該裝置既能帶動(dòng)盤式發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電向船舶供電，又能帶動(dòng)螺旋槳旋轉(zhuǎn)使船舶產(chǎn)生推力航行。

（2） 發(fā)電模式

當(dāng)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速：100 r/min

（3） 電力推進(jìn)模式

當(dāng)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速n<100 r/min時(shí)，此裝置切換至電力推進(jìn)模式。啟動(dòng)制動(dòng)裝置，風(fēng)力機(jī)停止，控制器使蓄電池電能反向輸入到發(fā)電機(jī)中；松開制動(dòng)裝置，風(fēng)力機(jī)恢復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)發(fā)電機(jī)變?yōu)殡妱?dòng)機(jī)帶動(dòng)螺旋槳推進(jìn)，此時(shí)為低速模式。

自動(dòng)控制系統(tǒng)組成，見圖2。

設(shè)計(jì)無人艇長L=6.00 m、艇寬B=2.08 m、型深D=1.60 m、設(shè)計(jì)吃水t=0.48 m，靜止在水中的滿載排水水量Δ=1.85 t。

3 試驗(yàn)裝置

3.1 風(fēng)機(jī)

垂直軸風(fēng)力機(jī)和水平軸風(fēng)力機(jī)相比，結(jié)構(gòu)更加簡單、維護(hù)更加方便、風(fēng)機(jī)噪音更小，形式更加優(yōu)美，而風(fēng)能利用率與水平軸風(fēng)力機(jī)大致相同（約40%）。升力型垂直軸風(fēng)力機(jī)相對(duì)于阻力型風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速較高、旋轉(zhuǎn)慣性大、適用范圍廣、抗風(fēng)能力強(qiáng)。

選用Φ型風(fēng)機(jī)，由于其自啟動(dòng)能力較差，需要再安裝一個(gè)阻力型風(fēng)力機(jī)降低啟動(dòng)風(fēng)速。為了避免阻力型風(fēng)力機(jī)在較高風(fēng)速下對(duì)主體風(fēng)機(jī)的影響，阻力型風(fēng)力機(jī)需要通過超越離合器與主體風(fēng)力機(jī)相連。

3.2 非接觸型超越離合器【6】

非接觸型超越離合器，如圖3，包含一內(nèi)環(huán)及外環(huán)。螺旋形S型垂直軸風(fēng)力機(jī)包含一風(fēng)力機(jī)中心軸，并通過該中心軸與非接觸型超越離合器的內(nèi)環(huán)連接；Φ型垂直軸風(fēng)力機(jī)位于所述螺旋形S型垂直軸風(fēng)力機(jī)的下方，其一端連接非接觸型超越離合器的外環(huán)，另一端連接盤式發(fā)電機(jī)和連接斜齒與螺旋槳連接。

在風(fēng)力作用下，螺旋形S型垂直軸風(fēng)力機(jī)帶動(dòng)非接觸型超越離合器轉(zhuǎn)動(dòng)，非接觸型超越離合器帶動(dòng)Φ型垂直軸風(fēng)力機(jī)啟動(dòng)，Φ型垂直軸風(fēng)力機(jī)在風(fēng)速較大情況下會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)，但其轉(zhuǎn)動(dòng)不會(huì)影響到螺旋形S型垂直軸風(fēng)力機(jī)的阻礙影響。

3.3 盤式永磁發(fā)電機(jī)[7]

盤式電機(jī)定轉(zhuǎn)子是圓盤式結(jié)構(gòu)平行安裝，結(jié)構(gòu)緊湊具有較大的定轉(zhuǎn)子半徑，容易設(shè)計(jì)成多極電機(jī)，適合低速大轉(zhuǎn)矩場合，轉(zhuǎn)矩密度大、軸向長度短，可以采用直接驅(qū)動(dòng)方式。特別是隨著高性能永磁材料的發(fā)展，采用永磁體勵(lì)磁，無需額外的勵(lì)磁電流，適合獨(dú)立運(yùn)行。因此，盤式永磁同步電機(jī)特別適合作為幾百瓦到幾千瓦的小型直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)。

由于永磁盤式發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩低、額定轉(zhuǎn)速低、體積小、重量輕、比功率大、效率高、中、低速發(fā)電性能好、采用自啟動(dòng)式穩(wěn)壓器無需外加勵(lì)磁電源，在功率等級(jí)相同的情況下，永磁式發(fā)電機(jī)比勵(lì)磁式發(fā)電機(jī)的輸出功率高一倍，因此永磁盤式發(fā)電機(jī)更適用于在垂直風(fēng)力機(jī)使用。

采用雙外轉(zhuǎn)子、內(nèi)定子的200 W的盤式發(fā)電機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，如圖4。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析得出：此裝置進(jìn)行無人艇的推進(jìn)—發(fā)電完全滿足要求。由圖5可以看出，單獨(dú)使用垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速比垂直軸風(fēng)力機(jī)與盤式發(fā)電機(jī)聯(lián)合裝置高，因?yàn)楸P式發(fā)電機(jī)發(fā)電時(shí)會(huì)給垂直風(fēng)力機(jī)反向的阻力，使轉(zhuǎn)速減小。

風(fēng)速與功率的關(guān)系式為

由圖6可以看出：單獨(dú)利用垂直軸風(fēng)力機(jī)發(fā)電功率不如垂直軸風(fēng)力機(jī)與盤式發(fā)電機(jī)聯(lián)合裝置發(fā)電總功率，因此聯(lián)合裝置能夠提供更充足的動(dòng)力。

4 結(jié)論

通過對(duì)風(fēng)力機(jī)的葉片轉(zhuǎn)速試驗(yàn)，將不帶發(fā)電機(jī)裝置與帶發(fā)電機(jī)裝置進(jìn)行對(duì)比，得出單獨(dú)垂直軸發(fā)電機(jī)的功率比風(fēng)力機(jī)-盤式發(fā)電機(jī)聯(lián)合裝置的功率低。而且推進(jìn)-發(fā)電裝置能夠根據(jù)風(fēng)速的變化，相應(yīng)的改變供能方式，確保在任意風(fēng)速情況下無人艇能夠順利執(zhí)行任務(wù)。改進(jìn)之處是斜齒齒輪比需要進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)，確定最佳齒輪比，讓風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速更高效地轉(zhuǎn)化為推進(jìn)的機(jī)械能。

另外，還可以考慮將固定槳替換成可調(diào)槳連接，適合風(fēng)力大小多變的船舶航速控制，更有效地利用風(fēng)能。

目前，無人艇在多個(gè)領(lǐng)域都發(fā)展迅猛，無論在環(huán)保、搜救、水產(chǎn)、軍用方面，無人艇的應(yīng)用都取得了一定成功。未來，無人艇的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒃絹碓綇V泛，將扮演更加重要的角色。

但目前大多數(shù)無人艇的推進(jìn)方式仍采用柴油機(jī)推進(jìn)，需攜帶適量的燃料，續(xù)航能力難以保證。本裝置完全利用風(fēng)能，沒有任何污染氣體或廢物排出，并且能夠有效處理續(xù)航問題，適用于無人艇今后的發(fā)展趨勢。

參考文獻(xiàn)

[1]尚燕麗. 海軍發(fā)展無人作戰(zhàn)平臺(tái)的需求、現(xiàn)狀與展望 [J].國防技術(shù)基礎(chǔ)，2009.1.

[2]YAN R J ，PANG S ，SUN H B， ，development and missions of unmanned surface vehicle[J].Journal of Marine Science and Application.2010.9（4）.

[3]MANLEY J E .Unmanned surface vehicles 15 years of development [C]//Oceans Canada， 2008（1-4）.

[4]宋磊.國外無人艇未來發(fā)展及關(guān)鍵技術(shù)[J].軍事文摘，2015.13.

[5]蘇紹禹，蘇剛.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)、制造及風(fēng)電場設(shè)計(jì)、施工[M].北京機(jī)械工業(yè)出版社， 2013.

[6]金浩，胡以懷，馮是全.一種電磁阻尼型風(fēng)力制熱裝置.中國發(fā)明專利，201510296430.7[P].

[7]唐任遠(yuǎn)等著.現(xiàn)代永磁電機(jī) 理論與設(shè)計(jì)[M]，1997.