導(dǎo)管螺旋槳結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)永磁電機(jī)推進(jìn)器效率的影響*

汪宗彪, 田海濤, 姜淑忠, 羅 響

(1. 上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院 電氣工程系, 上海 200240；2. 中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心， 湖北 武漢 430064)

0 引 言

自主/遙控水下機(jī)器人(ARV)是深海探測(cè)和開發(fā)中的重要設(shè)備。電機(jī)推進(jìn)器作為ARV的動(dòng)力核心部件，其設(shè)計(jì)直接關(guān)系到ARV的動(dòng)力性能、續(xù)航能力等技術(shù)指標(biāo)。直驅(qū)式電機(jī)推進(jìn)器主要由推進(jìn)電機(jī)、導(dǎo)管和螺旋槳構(gòu)成。推進(jìn)電機(jī)大多采用永磁電機(jī)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)速范圍寬、功率密度高、效率高[1]。與普通無(wú)導(dǎo)管螺旋槳相比，導(dǎo)管螺旋槳使水流定向通過螺旋槳，在載荷較重時(shí)推進(jìn)效率高、推力大[2]。

由于ARV所攜帶的電池電能有限，在推進(jìn)器設(shè)計(jì)時(shí)希望盡可能提高推進(jìn)器的整體效率，在保證ARV動(dòng)力性能的同時(shí)，降低能耗，提高續(xù)航能力。永磁推進(jìn)電機(jī)負(fù)載運(yùn)行時(shí)的效率可以達(dá)到90%以上，并且在較寬的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)均能保持較高的效率，通過優(yōu)化電機(jī)設(shè)計(jì)來(lái)提高推進(jìn)器整體效率的空間不大。因而可以通過優(yōu)化導(dǎo)管螺旋槳的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，為已有的推進(jìn)電機(jī)匹配最佳的導(dǎo)管螺旋槳，提高推進(jìn)器的整體效率。

導(dǎo)管螺旋槳結(jié)構(gòu)優(yōu)化涉及水動(dòng)力性能計(jì)算，主要有2類方法：螺旋槳環(huán)流理論方法和計(jì)算流體力學(xué)(CFD)方法。螺旋漿環(huán)流理論方法是將流體力學(xué)中的機(jī)翼理論應(yīng)用于螺旋漿作用力的研究，包括升力線理論、升力面理論和面元法[3]。文獻(xiàn)[4]采用槳升力面法與導(dǎo)管面元法耦合的方法來(lái)預(yù)估導(dǎo)管可調(diào)螺距螺旋槳水動(dòng)力性能，通過迭代計(jì)算考慮槳和導(dǎo)管的相互影響。實(shí)踐中該方法要求經(jīng)驗(yàn)性強(qiáng)，并且不能給出復(fù)雜流場(chǎng)的細(xì)節(jié)信息。與螺旋槳環(huán)流理論方法相比，CFD方法的流動(dòng)控制方程考慮了流體黏性作用，能真實(shí)地反映流體流動(dòng)狀態(tài)，較準(zhǔn)確地計(jì)算水動(dòng)力性能，因此廣泛應(yīng)用于螺旋槳水動(dòng)力分析中[5-7]。

目前關(guān)于導(dǎo)管螺旋槳結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化的研究較多[8-11]，但在優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)只考慮了導(dǎo)管螺旋槳自身的推進(jìn)效率，優(yōu)化得到的導(dǎo)管螺旋槳結(jié)構(gòu)參數(shù)無(wú)法保證推進(jìn)器整體效率最大化。本文將導(dǎo)管螺旋槳與推進(jìn)電機(jī)結(jié)合，搭建導(dǎo)管螺旋槳CFD仿真模型及推進(jìn)電機(jī)本體與控制系統(tǒng)的聯(lián)合仿真模型，分析在導(dǎo)管螺旋槳產(chǎn)生的總推力一定時(shí)，其結(jié)構(gòu)參數(shù)與推進(jìn)器整體效率之間的關(guān)系，為導(dǎo)管螺旋槳的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)，以提高推進(jìn)器整體效率。

1 導(dǎo)管螺旋槳三維建模

1.1 導(dǎo)管螺旋槳結(jié)構(gòu)參數(shù)

螺旋槳的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)包括槳葉切面類型、葉數(shù)、直徑、盤面比、螺距、轂徑比和縱傾角等。螺旋槳正車旋轉(zhuǎn)時(shí)迎水的一邊稱為導(dǎo)邊，另一邊稱為隨邊。導(dǎo)管的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)包括剖面類型、長(zhǎng)徑比和攻角等[12]。

1.2 螺旋槳三維坐標(biāo)計(jì)算

螺旋槳三維建模即將不同半徑處葉切面投影的二維型值點(diǎn)還原到對(duì)應(yīng)的三維空間坐標(biāo)系中。螺旋槳葉切面投影原理如圖1所示，其中OH為基線，θ為縱傾角，φ為螺距角。坐標(biāo)系Oxyz為全局坐標(biāo)系，xOy平面與螺旋槳輪轂端面平行。坐標(biāo)系O1x1y1z1與Oxyz平行。O2點(diǎn)為葉切面與螺旋線的切點(diǎn)，O2z2軸經(jīng)過葉切面的最厚處。M為葉切面輪廓上任意一點(diǎn)，A點(diǎn)為O1在圓柱底面的投影點(diǎn)，B點(diǎn)為M在圓柱底面的投影點(diǎn)。圖1右側(cè)為圓柱面展開而成的平面，其中M1、A1、B1分別與左側(cè)圖中的M、A、B點(diǎn)相對(duì)應(yīng)[13]。

圖1 螺旋槳投影原理

根據(jù)螺旋槳投影原理推導(dǎo)出坐標(biāo)轉(zhuǎn)換式[14]：

(1)

式中：Ri為各葉切面對(duì)應(yīng)的半徑值；W為切面最厚處至導(dǎo)邊的長(zhǎng)度；(X,Y)為Ri處葉切面投影的型值點(diǎn)二維坐標(biāo)；(x,y,z)為還原到三維空間的型值點(diǎn)坐標(biāo)。

1.3 螺旋槳模型

以上海交通大學(xué)水下工程研究所萬(wàn)米ARV的主推進(jìn)器為研究對(duì)象，其參數(shù)如表1所示。針對(duì)主推進(jìn)器所使用的螺旋槳，基于式(1)使用MATLAB軟件編程，計(jì)算各葉切面型值點(diǎn)的三維笛卡爾坐標(biāo)，將計(jì)算得到的各型值點(diǎn)坐標(biāo)導(dǎo)入SolidWorks軟件，經(jīng)過曲線擬合、曲面填充、放樣、圓周陣列等操作完成不同結(jié)構(gòu)參數(shù)螺旋槳的實(shí)體建模，如圖2所示。

表1 萬(wàn)米ARV主推進(jìn)器參數(shù)

圖2 不同盤面比和縱傾角的螺旋槳模型

2 導(dǎo)管螺旋槳水動(dòng)力性能計(jì)算

2.1 螺旋槳水動(dòng)力性能

螺旋槳水動(dòng)力性能是指螺旋槳在水中運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的推力、消耗的轉(zhuǎn)矩和效率與其運(yùn)動(dòng)(進(jìn)速VA和轉(zhuǎn)速n)之間的關(guān)系，可用下列無(wú)量綱系數(shù)表示[12]：

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

式中：J為進(jìn)速系數(shù)；KTP、KTN和KT分別為螺旋槳推力系數(shù)、導(dǎo)管推力系數(shù)和總推力系數(shù)；Tprop、Tduct和T分別為螺旋槳推力、導(dǎo)管推力和總推力；KQ為扭矩系數(shù)；ρ為水的密度；η為導(dǎo)管螺旋槳效率。

2.2 CFD仿真模型

使用Fluent有限元仿真軟件計(jì)算導(dǎo)管螺旋槳的水動(dòng)力性能，采用多重參考系(MRF)方法模擬螺旋槳的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

計(jì)算域設(shè)置如圖3(a)所示，整個(gè)流場(chǎng)區(qū)域分為2部分：包含螺旋槳的內(nèi)部動(dòng)域和包含導(dǎo)管的外部靜止域。外部靜止域直徑為6D(D為螺旋槳直徑)，速度入口距螺旋槳中心4D，壓力出口距螺旋槳中心5D。采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格剖分，邊界層設(shè)置為5層，網(wǎng)格數(shù)約1.5×106，導(dǎo)管螺旋槳表面網(wǎng)格如圖3(b)所示。采用standardk-ε湍流模型和coupled壓力速度耦合求解方法進(jìn)行求解。

圖3 計(jì)算域及導(dǎo)管螺旋槳網(wǎng)格

2.3 計(jì)算結(jié)果

在敞水情況下，對(duì)No.19A+Ka4-70導(dǎo)管螺旋槳在進(jìn)速系數(shù)0.1～0.7范圍內(nèi)進(jìn)行水動(dòng)力性能計(jì)算，并與上海交通大學(xué)船舶流體力學(xué)研究所公開的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比[12]，如圖4所示。可以看出，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合度較好。在各進(jìn)速條件下，推力系數(shù)、扭矩系數(shù)及效率的最大誤差不超過7%，驗(yàn)證了CFD仿真模型的可靠性。

圖4 No.19A+Ka4-70導(dǎo)管螺旋槳水動(dòng)力性能曲線

在靜水情況下，對(duì)本文研究的SUB380導(dǎo)管螺旋槳在轉(zhuǎn)速200～980 r/min范圍內(nèi)進(jìn)行水動(dòng)力性能計(jì)算。在水池中對(duì)主推進(jìn)器進(jìn)行推力試驗(yàn)，將其安裝在推力測(cè)量裝置上，放入水池中，如圖5、圖6(a)所示。拉壓力傳感器測(cè)得的推力值經(jīng)過換算得到主推進(jìn)器實(shí)際產(chǎn)生的推力，根據(jù)圖6(b)可計(jì)算出力臂換算系數(shù)為1.083。搭建的試驗(yàn)平臺(tái)如圖7所示，推進(jìn)電機(jī)基于id=0的磁場(chǎng)定向控制(FOC)算法，采用PI調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制。將仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，如圖8所示，可以看出，兩者吻合度較好，最大誤差不超過8%，驗(yàn)證了CFD仿真的準(zhǔn)確性。

圖5 主推進(jìn)器

圖6 推力測(cè)量裝置及推力計(jì)算示意圖

圖7 推力試驗(yàn)平臺(tái)

圖8 SUB380導(dǎo)管螺旋槳總推力仿真值與試驗(yàn)值對(duì)比

3 推進(jìn)電機(jī)聯(lián)合仿真

3.1 電磁仿真模型

推進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。在Maxwell軟件中搭建推進(jìn)電機(jī)二維電磁仿真模型，如圖9所示。計(jì)算負(fù)載時(shí)的銅耗和鐵耗，從而計(jì)算電機(jī)效率。

表2 推進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖9 推進(jìn)電機(jī)二維電磁仿真模型

3.2 聯(lián)合仿真模型

Maxwell只能提供正弦形式的電源激勵(lì)，而實(shí)際電機(jī)控制系統(tǒng)中采用變頻器供電，電流中存在大量諧波，使得繞組和鐵心中產(chǎn)生的損耗增加[15]。為了充分考慮諧波電流的影響，使仿真結(jié)果更貼合實(shí)際，搭建了基于Maxwell、Simplorer和MATLAB的聯(lián)合仿真平臺(tái)。其中，在MATLAB中搭建矢量控制系統(tǒng)，在Simplorer中搭建功率電路和信號(hào)采集模塊，作為橋梁實(shí)現(xiàn)電機(jī)本體與控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳遞和交換，如圖10、圖11所示。

圖10 MATLAB中搭建的矢量控制系統(tǒng)

圖11 Simplorer中搭建的功率電路和信號(hào)采集模塊

4 導(dǎo)管螺旋槳結(jié)構(gòu)參數(shù)變化

在SUB380導(dǎo)管螺旋槳直徑D為300 mm、進(jìn)速VA為2.45 m/s、產(chǎn)生的總推力T為300 N的條件下，研究盤面比、縱傾角和導(dǎo)管攻角變化時(shí)所需的電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩，計(jì)算導(dǎo)管螺旋槳效率、電機(jī)效率和推進(jìn)器整體效率，分析導(dǎo)管螺旋槳結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對(duì)推進(jìn)器整體效率的影響。

4.1 盤面比變化

保持螺旋槳縱傾角為0°、導(dǎo)管攻角為0°，盤面比在0.45～0.70范圍內(nèi)變化。仿真得到電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩與盤面比之間的關(guān)系如圖12所示，導(dǎo)管螺旋槳效率、推進(jìn)器整體效率與盤面比之間的關(guān)系如圖13所示。

圖12 盤面比變化時(shí)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩

圖13 盤面比變化時(shí)的推進(jìn)效率

由圖12、圖13可以看出，螺旋槳盤面比變化引起的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和推進(jìn)效率變化較小。隨著盤面比增大，推進(jìn)器整體效率呈略微降低的趨勢(shì)，因此在螺旋槳設(shè)計(jì)時(shí)可選取較小的盤面比，以減少材料使用，一方面可節(jié)約成本，另一方面也能減輕螺旋槳重量。但盤面比過小會(huì)帶來(lái)螺旋槳強(qiáng)度問題，需要進(jìn)行強(qiáng)度校核。

4.2 縱傾角變化

縱傾螺旋槳一般均是向后傾斜，以增大槳葉與船體間的間隙，減小螺旋槳誘導(dǎo)的船體振動(dòng)，但考慮到槳葉強(qiáng)度問題，縱傾角不宜過大，一般小于15°。

保持螺旋槳盤面比為0.5、導(dǎo)管攻角為0°，縱傾角在0°～15°范圍內(nèi)變化。仿真得到電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩與盤面比之間的關(guān)系如圖14所示，導(dǎo)管螺旋槳效率、推進(jìn)器整體效率與盤面比之間的關(guān)系如圖15所示。

圖14 縱傾角變化時(shí)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩

圖15 縱傾角變化時(shí)的推進(jìn)效率

由圖14和圖15可以看出，隨著縱傾角增大，推進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩增大，輸出功率增加，而推進(jìn)器整體效率降低，即推進(jìn)器消耗的功率增加。因此在設(shè)計(jì)螺旋槳時(shí)應(yīng)盡量選取小的縱傾角。

4.3 導(dǎo)管攻角變化

保持螺旋槳盤面比為0.5、縱傾角為0°，導(dǎo)管攻角在-8°～8°范圍內(nèi)變化。攻角為-8°、0°和8°的導(dǎo)管剖面如圖16所示。仿真得到電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩與導(dǎo)管攻角之間的關(guān)系如圖17所示，導(dǎo)管螺旋槳效率、推進(jìn)器整體效率與導(dǎo)管攻角之間的關(guān)系如圖18所示。

圖16 不同攻角的導(dǎo)管截面

圖17 導(dǎo)管攻角變化時(shí)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩

圖18 導(dǎo)管攻角變化時(shí)的推進(jìn)效率

由圖17和圖18可以看出，導(dǎo)管攻角變化引起的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和推進(jìn)效率變化較大。隨著導(dǎo)管攻角從負(fù)到正變化，推進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩增大，輸出功率增加，而推進(jìn)器整體效率降低，即推進(jìn)器消耗的功率增加。因此，在設(shè)計(jì)導(dǎo)管時(shí)可選取負(fù)攻角，但負(fù)攻角會(huì)使導(dǎo)管入口增大而出口減小，阻礙流體流出，需對(duì)流場(chǎng)情況作進(jìn)一步分析。

5 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)傳統(tǒng)螺旋槳優(yōu)化設(shè)計(jì)未考慮推進(jìn)器整體效率的問題，本文以萬(wàn)米ARV主推進(jìn)器為研究對(duì)象，將導(dǎo)管螺旋槳與推進(jìn)電機(jī)結(jié)合，搭建導(dǎo)管螺旋槳CFD仿真模型及永磁推進(jìn)電機(jī)本體與控制系統(tǒng)聯(lián)合仿真模型，分析了在導(dǎo)管螺旋槳產(chǎn)生的總推力一定的條件下，其結(jié)構(gòu)參數(shù)與推進(jìn)器整體效率之間的關(guān)系，為導(dǎo)管螺旋槳的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了參考。結(jié)論如下：

(1) 盤面比變化對(duì)推進(jìn)器整體效率的影響較小，在設(shè)計(jì)時(shí)可適當(dāng)選取小的盤面比，以節(jié)省材料，但應(yīng)考慮強(qiáng)度問題。

(2) 縱傾角越大，推進(jìn)器整體效率越低，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)選取小的縱傾角。

(3) 導(dǎo)管攻角變化對(duì)推進(jìn)器整體效率的影響較大，攻角由負(fù)到正變化時(shí)效率降低，在設(shè)計(jì)時(shí)可選取負(fù)導(dǎo)管攻角，但需對(duì)流場(chǎng)情況作進(jìn)一步分析。