混合驅(qū)動水下滑翔機用可折疊螺旋槳的設(shè)計

□ 畢 杰 □ 付 平 □ 張明賽 □ 殷 碩 □ 欒光旭 □ 王晨旭

青島科技大學(xué) 機電工程學(xué)院 山東青島 266061

1 設(shè)計背景

進入21世紀以來,世界各國普遍認識到海洋探測與開發(fā)對增強國家綜合實力和促進科技創(chuàng)新的重要意義[1-2]?；旌向?qū)動水下滑翔機作為一種新興的海洋探測平臺,在海洋探測中發(fā)揮了不可替代的作用[3]。在傳統(tǒng)混合驅(qū)動水下滑翔機實際應(yīng)用中,存在一些問題,如僅依靠浮力驅(qū)動時,螺旋槳槳葉會產(chǎn)生一定的阻力。對此,筆者設(shè)計了新型可折疊螺旋槳用于混合驅(qū)動水下滑翔機,可以減小傳統(tǒng)水下滑翔機的阻力,提高航行時的穩(wěn)定性。

2 可折疊螺旋槳結(jié)構(gòu)

混合驅(qū)動水下滑翔機用可折疊螺旋槳安裝在機體尾部,螺旋槳工作時可以為水下滑翔機提供推力,螺旋槳不工作時可以減小水下滑翔機滑翔的阻力。目前,水面帆船與航空領(lǐng)域?qū)烧郫B螺旋槳有少量應(yīng)用,但結(jié)構(gòu)設(shè)計都相對復(fù)雜,不適合應(yīng)用于水下滑翔機[4-5]。在水下滑翔機僅靠浮力驅(qū)動的滑翔過程中,航行速度較低,在螺旋槳兩側(cè)產(chǎn)生的壓力不足以使螺旋槳自動折疊,因此需要設(shè)置一個使螺旋槳折疊的復(fù)位機構(gòu)。考慮到水下滑翔機的成本與續(xù)航能力,所設(shè)置的復(fù)位機構(gòu)結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量簡單,且不消耗水下滑翔機所攜帶的能量。筆者設(shè)計的混合驅(qū)動水下滑翔機用可折疊螺旋槳可借助啟動時旋轉(zhuǎn)的離心力張開,通過內(nèi)部設(shè)置的復(fù)位機構(gòu),同時借助航行產(chǎn)生的壓力實現(xiàn)折疊。

通過查閱其它領(lǐng)域可折疊螺旋槳的相關(guān)資料可知,在可折疊螺旋槳的直徑與展開面積大小相等時,螺旋槳的效率與槳葉數(shù)成反比關(guān)系[6-7]。另一方面,較少的槳葉數(shù)量可以避免水下滑翔機在航行過程中產(chǎn)生空泡[8-9]。筆者以圖譜設(shè)計法為基礎(chǔ),結(jié)合水下滑翔機的水動力參數(shù),設(shè)計了新型可折疊螺旋槳,用于混合驅(qū)動水下滑翔機[10-11]。可折疊螺旋槳如圖1所示,槳葉數(shù)為2,設(shè)計簡單,安裝便利。設(shè)計的難點在于復(fù)位機構(gòu)的彈簧選型,彈簧彈性系數(shù)過大,槳葉不易展開,太小則折疊困難。

▲圖1 可折疊螺旋槳

3 力學(xué)分析

新型可折疊螺旋槳展開時,依靠螺旋槳旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的離心力,不消耗其它能量,并在彈簧彈力、自身重力等力的共同作用下達到動平衡狀態(tài),穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)。分析力平衡過程,需要建立慣性坐標系,如圖2所示。慣性坐標系以螺旋槳軸的圓心為原點,以螺旋槳軸線指向槳葉方向為X軸正方向,以平行于螺旋槳軸徑向截面指向槳轂右側(cè)為Y軸正方向,以平行于螺旋槳軸徑向截面指向槳葉外側(cè)為Z軸正方向。圖2中,C(xC,yC,zC)為槳葉質(zhì)心坐標,位置矢量記為RC,m為槳葉的質(zhì)量,r0為槳葉軸線與X軸的垂直距離,θ為槳葉的展開角度,ε為Z軸與豎直方向的夾角,g為重力加速度,MC為作用在槳葉旋轉(zhuǎn)軸上的離心力矩,是槳葉展開的動力矩,MH為水動力推力矩,也是槳葉展開的動力矩,MS為彈簧扭矩,是槳葉展開的阻力矩,MG為重力力矩。

▲圖2 慣性坐標系

在慣性坐標系中,槳葉在離心力與水動力推力下展開,需要滿足如下方程式:

-MC-MH+MS+MG<0

(1)

動阻性與槳葉展開角度有關(guān)。

MC=∮mω2xi(zi+r0)dm

(2)

式中:ω為螺旋槳旋轉(zhuǎn)角速度;dm為槳葉上的微元質(zhì)量,坐標為(xi,yi,zi)。

將螺旋槳的轉(zhuǎn)動視為剛體運動,通過三角函數(shù)變換,可將式(2)進一步轉(zhuǎn)化為:

MC=mω2‖RC‖[‖RC‖sin(2θ)/2+r0cosθ]

(3)

(4)

式中:ρ為海水密度;n為螺旋槳轉(zhuǎn)速;J為相關(guān)因數(shù);KMH為水動力因數(shù);Dp為螺旋槳直徑。

MG=mgxCcosε

(5)

分析式(5)可知,夾角ε的大小決定MG的正負。當(dāng)夾角ε的絕對值小于90°時,MG大于0,相當(dāng)于阻力。當(dāng)夾角ε的絕對值大于90°但小于180°時,MG小于0,相當(dāng)于動力。

(6)

式中:ES為彈性模量;dS1為彈簧線徑;dS2為彈簧中徑;NS為彈簧圈數(shù);θo為復(fù)位彈簧預(yù)裝角。

在上述坐標系中,槳葉在彈簧彈力與水流壓力作用下折疊,需要滿足如下方程式:

MD+MS1+MG>0

(7)

MD為水下滑翔機航行時水流對槳葉背側(cè)產(chǎn)生的水動力矩,是槳葉折疊的動力矩。MS1為彈簧扭矩,大小與槳葉展開過程相同,為槳葉展開提供動力矩。動阻性與槳葉展開過程相反。

MD=f(n,Dp,V,θ)

(8)

式中:V為螺旋槳進速。

與槳葉展開過程相似,MG的正負由夾角ε的大小決定。當(dāng)夾角ε的絕對值小于90°時,MG大于0,相當(dāng)于槳葉折疊過程中的動力。當(dāng)夾角ε的絕對值大于90°但小于180°時,MG小于0,相當(dāng)于槳葉折疊過程中的阻力。

總結(jié)可折疊螺旋槳的展開與折疊過程,同時滿足的條件為:

(9)

整理式(9),得:

-MG-MD

(10)

最終可得復(fù)位機構(gòu)彈簧剛度因數(shù)KS需滿足:

(11)

式中:KMH為推力矩因數(shù)。

4 水動力性能分析

應(yīng)用Fluent流體動力學(xué)軟件,對所設(shè)計的混合驅(qū)動水下滑翔機用可折疊螺旋槳設(shè)置合理的仿真域,如圖3所示。

▲圖3 可折疊螺旋槳仿真域

選擇k-ε湍流模型,計算殘差設(shè)置為10-5。仿真域分為動流域與靜流域。靜流域為長方體,長為25倍螺旋槳直徑,寬和高為10倍螺旋槳直徑。動流域為圓柱體,底面直徑與高為1.1倍螺旋槳直徑。流域左端面設(shè)置為流入邊界,流入速度為0.5～1.5 m/s,對應(yīng)的進速因數(shù)為0.1～0.6。流域右端面設(shè)置為流出邊界,四周設(shè)置為對稱邊界。螺旋槳實體壁面設(shè)置為非滑移壁面,轉(zhuǎn)速設(shè)置為600 r/min。槳葉展開角為0°～90°,對槳葉每展開15°分析一次。槳葉展開45°與槳葉展開90°時,仿真分析云圖分別如圖4、圖5所示。

由圖4、圖5可知,槳葉展開45°時,螺旋槳水動力性能要優(yōu)于槳葉展開90°時。就螺旋槳結(jié)構(gòu)而言,兩者均未發(fā)生邊界分離,也未產(chǎn)生旋渦中心,水動力性能較為理想。從速度云圖看,槳葉展開45°與槳葉展開90°時的平均速度分別為4.53 m/s、2.69 m/s,說明槳葉折疊后減阻效果較好。從動壓力云圖看,槳葉展開45°相比槳葉展開90°,螺旋槳整體動壓變化更為平穩(wěn),壓力損失更小。

在螺旋槳的性能研究與設(shè)計中,需要對螺旋槳模型進行水動力性能測試,即敞水性能試驗。敞水性能試驗可以分析幾何要素對螺旋槳性能的影響,從而預(yù)估螺旋槳的水動力性能。

對槳葉每展開15°分析一次,得到各展開角度下螺旋槳不同進速因數(shù)的推力矩。結(jié)合式(11),推力矩因數(shù)KMH為:

(12)

▲圖4 槳葉展開45°仿真分析云圖

▲圖5 槳葉展開90°仿真分析云圖

基于式(12)計算得到的數(shù)據(jù),繪制不同槳葉展開角度時螺旋槳推力矩因數(shù)隨進速因數(shù)變化曲線,如圖6所示。

分析圖6可知,在固定槳葉展開角下,螺旋槳的推力矩因數(shù)整體隨進速因數(shù)的增大而減小。槳葉展開角小于30°時,推力矩因數(shù)的變化不明顯,即槳葉展開角較小時,螺旋槳的推力矩因數(shù)基本不受進速因數(shù)影響。進速因數(shù)為0.1時,推力矩因數(shù)最大,此時螺旋槳只旋轉(zhuǎn)不前進,推力矩達到最大,最有利于槳葉展開。槳葉展開角小于45°時,隨著槳葉展開角的增大,螺旋槳推力矩因數(shù)減小,槳葉展開變得困難。槳葉展開角大于45°時,隨著槳葉展開角的增大,螺旋槳推力矩因數(shù)增大,槳葉展開變得容易。這是因為槳葉展開角度越大,槳葉周圍流場的影響越小。筆者在設(shè)計可折疊螺旋槳時,注意了槳葉最小推力矩下的最小折疊角,從而避免正常展開受到影響。

▲圖6 螺旋槳推力矩因數(shù)隨進速因數(shù)變化曲線

除分析螺旋槳的水動力性能外,還需要分析折疊過程中阻力矩變化情況,從而分析螺旋槳在折疊過程中的平衡狀態(tài)。與螺旋槳展開過程分析相似,對槳葉每折疊15°分析一次,得到不同進速時的阻力矩,繪制螺旋槳阻力矩隨進速變化曲線,如圖7所示。

▲圖7 螺旋槳阻力矩隨進速變化曲線

分析圖7可得,螺旋槳折疊過程中,螺旋槳阻力矩隨槳葉展開角的減小而減小,這也說明在航行過程中,相較于傳統(tǒng)螺旋槳,可折疊螺旋槳不工作時,可以大大減小所受阻力,并且進速越大,效果越明顯。折疊到某一槳葉展開角前,螺旋槳阻力矩與進速成正相關(guān)。在螺旋槳完全折疊時,螺旋槳阻力矩隨進速的增大而減小,說明在僅靠浮力驅(qū)動滑翔時,相比于傳統(tǒng)螺旋槳,可折疊螺旋槳的低阻性更具有優(yōu)勢。

5 結(jié)束語

筆者針對混合驅(qū)動水下滑翔機僅在浮力驅(qū)動時螺旋槳會產(chǎn)生一定阻力的問題,設(shè)計了一種新型可折疊螺旋槳。對新型可折疊螺旋槳槳葉展開與折疊過程進行了力學(xué)分析,并確定了復(fù)位機構(gòu)的數(shù)學(xué)模型。同時在不同槳葉展開角時,對新型可折疊螺旋槳進行了水動力性能分析。結(jié)果表明,相比傳統(tǒng)螺旋槳,在螺旋槳不工作時,可折疊螺旋槳可以大大減小混合驅(qū)動水下滑翔機所受的阻力,并且進速越大,效果越明顯。