變螺距推進器設計與研究

張宏偉，陳東源，張玉鵬，劉?珺

變螺距推進器設計與研究

張宏偉，陳東源，張玉鵬，劉?珺

(天津大學機械工程學院，天津 300350)

本文提出了一種采用螺距變化方式實現側向力輸出的水下航行器推進器方案．該推進器內部有主推電機、螺距控制電機及齒輪組，螺距控制軸與推進主軸同軸安裝，通過對電機轉速進行控制可以周期性地改變槳葉的螺距角，從而實現側向力輸出．采用計算流體動力學(CFD)方法對該推進器的水動力特性進行了研究，結果表明：采用正弦曲線的規(guī)律控制螺距角變化可以產生穩(wěn)定的側向力，側向力曲線在槳盤極坐標下為圓形；平均側向力方向與螺距控制初始相位方向一致；在螺距角變化幅值為9°的情況下，產生的平均側向力大小約為40N．此外還仿真研究了側向力、推力與螺距角變化幅值、轉速的關系，結果表明：當螺距角變化采用正弦曲線時，推進器產生的平均側向力與螺距角變化幅值及轉速的平方成正比；而平均推力受螺距角變化幅值影響不大，與轉速的平方成正比．將仿真結果應用于自主水下航行器(AUV)的動力學模型，驗證裝有此推進器的AUV的操縱情況．計算結果表明，當水下升潛和水平回轉運動時，采用基于螺距控制的推進器可以實現良好的操縱效果．相較于傳統(tǒng)的螺旋槳＋舵的操縱方式，該方案結構簡單、減少了電機數量、提升了AUV艉部空間利用率．與已有矢量推進方案相比，變螺距推進器具有結構簡單、可靠性高、側向力可控性好的優(yōu)點．臺架測試結果表明該變螺距原理能夠實現槳葉螺距的周期調整，可用于實現AUV平臺的矢量推進．

推進器；螺距變化；計算流體動力學仿真；運動學與動力學

隨著國家對海洋資源開發(fā)和海洋權益重要性的認識不斷提升，水下航行器技術得到了快速發(fā)展，應用也越來越廣泛．水下航行器通常采用的推進與操縱方式有多推進器、推進器＋舵、仿生推進、矢量推進等[1]．

多推進器方式一般利用多個推進器結合控制系統(tǒng)實現對水下航行器多自由度的操縱[2]，其優(yōu)點是控制靈活、設計和制造方便，但推進效率不高，且影響水動力外形．仿生推進作為一個發(fā)展中的新方向，越來越受到重視，主要技術路線是將機械、電子、材料等學科與生物的游動原理相結合，改進AUV的操縱性[3]．應用仿生推進技術的水下航行器噪音小、節(jié)能、操控靈活[4]，但無法攜帶大載荷工作，目前還不能夠成為主流推進方式．推進器＋舵是目前AUV采用較多的一種操控方式，能夠適用大多數的工況，但這種操縱方式在低速的情況下操縱效果不太理想．矢量推進方式通常有兩種方式，一種通過機械結構改變推進器空間姿態(tài)從而實現推力的矢量化[5]，有較好的低速操縱性，如Bluefin公司生產的矢量推進器．另一種通常采用偏心盤或自動傾斜器等機械結構來控制螺距在轉動的過程中周期性變化，從而實現推力的矢量化[6]，如文獻[7-8]研究的采用多個伺服電機控制傾斜盤或偏心盤的偏轉，通過多個連桿機構實現槳葉螺距的周期性變化，產生側向操縱力，實現了水下航行器的無舵操縱．

通過控制推進器位姿或調速螺旋槳螺距可以實現矢量推力的輸出，但通過機械結構實現偏轉螺旋槳、通過偏心盤或自動傾斜器等實現水下航行器的無舵操縱設計成本相對較高，機械結構比較復雜，可靠性較差，同時艉部尺寸需求較大，也會增加阻力．為了簡化機械結構，減小艉部尺寸，可以研究采用伺服電機實現槳葉螺距實時控制的方案．2018年，Paulos等[9]提出一種采用電機力矩控制實現無人機運動控制的方法，使螺旋槳通過一個專門設計的傾斜螺距鉸鏈產生超前或滯后效果，從而周期性改變螺距，無需傾斜盤和空間鉸鏈等復雜的機械結構，有效降低了設計成本及復雜性．Littlefiel等[10]提出采用單葉螺旋槳實現側向力操縱的方案，利用伺服電機實現槳葉轉速的周期變化，從而產生操縱力．

本文提出了一種采用螺距變化方式產生側向操縱力的推進器方案，該方案將螺距控制軸與推進器主軸同軸安裝，利用光電傳感器實時跟蹤推進主軸相位，控制槳葉在槳盤圓周上實現螺距角的實時與周期控制，產生側向力，無須舵機和復雜的矢量機構，通過控制螺距角變化規(guī)律即可實現對側向力的調整，操縱靈活、結構簡單．建立了螺距角變化的控制規(guī)律，并從仿真方面分析了此推進器螺距角在正弦變化規(guī)律下水動力的特性．根據AUV運動學及動力學模型仿真預測了搭載此推進器的AUV豎直面升潛運動與水平回轉運動情況．介紹了推進器實物及臺架測試實驗．

1?推進器總體設計

基于螺距控制的推進器結構簡圖如圖1所示，該推進器采用兩臺伺服電機分別驅動螺旋槳轉動(主推電機)和控制槳葉螺距(螺距控制電機)．主推電機通過減速器連接推進主軸，可以帶動螺旋槳轉動．推進主軸為中空軸，螺距控制軸從主推電機的空心減速器及推進主軸中間穿過，由螺距控制電機驅動，經過1∶1的錐齒輪組后驅動槳葉軸．該結構方案采用空心減速機使得螺距控制電機可以與主推電機并行在艙內平行布局，有效減少了軸向長度，同時采用錐齒輪傳動以適應尾部空間布局，保持了推進器的流線外形．推進器外觀如圖2所示．

圖1?推進器結構簡圖

圖2?推進器外觀

當螺旋槳轉速和槳葉調距軸的轉速相同時，槳葉螺距為固定值不變，產生恒定軸向推力[11]．當螺旋槳轉速與調距軸速度不同，即調距軸轉動相位超前或滯后于主推軸相位時，槳葉軸會繞自身軸轉動，槳葉螺距將發(fā)生變化，一個槳葉的螺距角會增大，另一個槳葉螺距角減小．根據控制系統(tǒng)所要求輸出的側向力的大小和方向需求，在槳葉盤面圓周上，周期性地調整螺距角，可以產生穩(wěn)定的側向力輸出．

推進器內部詳細設計如圖3所示．

圖3?推進器結構

采用麻省理工大學編寫的螺旋槳設計程序Openprop對螺旋槳參數進行設計[12]，槳葉模型如圖4所示．

圖4?槳葉模型

2?螺距控制分析

變螺距推進器通過螺距角的周期變化來產生側向力，螺距角的變化規(guī)律有正弦變化規(guī)律、梯形變化規(guī)律、矩形變化規(guī)律等．

梯形變化規(guī)律相對于正弦變化規(guī)律來說，其螺距角變化過程不夠平滑，對螺距角變化規(guī)律求導得到的螺距控制電機角速度變化規(guī)律不連續(xù)，容易造成調速過程中的沖擊和振動．而矩形變化規(guī)律相對于梯形變化規(guī)律來說，變化過程更為劇烈，因此選用正弦曲線的螺距角變化規(guī)律．

3?螺距控制計算流體動力學仿真

3.1?計算域設置及網格劃分

在ICEM中建立圓柱形計算域，直徑為4，長度取為10，計算域整體網格如圖6所示．為了獲得更為可靠的結果，對螺旋槳附近區(qū)域進行網格加密，螺旋槳區(qū)域網格如圖7所示，對于整體流域采用大網格[13]，網格整體數量為100×104，采用Tetra/Mixed非結構化網格類型．

圖6?動網格ICEM的網格

圖7?槳葉附近網格

3.2?Fluent仿真分析

為了進行推進器變螺距過程的仿真，采用UDF函數定義螺旋槳的轉動及變螺距過程，利用動網格進行瞬態(tài)仿真．由于此運動槳葉運動較復雜，網格邊界運動范圍較大，節(jié)點更新方法選擇網格光順法與網格重劃分技術結合使用．運動過程中時間間隔過大會造成負體積，時間間隔過小會造成計算量過大，最終設置時間間隔為0.001s．

在槳葉設定的進速系數下，設置入口速度1.5m/s，螺旋槳轉速250r/min，固定螺距時，推力仿真結果如圖8所示，推力約為120N．

3.2.1?仿真方法驗證算例

采用Fluent滑移網格的方法對此螺旋槳模型進行了不變螺距情況下的推力仿真，與動網格仿真方法的推力數值進行對比．滑移網格計算域設置時，入口速度設置為1.5m/s，在整體靜止的靜域內建立動域作為Mesh motion運動區(qū)域，轉速設置為250r/min. 動域外表面設置為Interface交界面，槳葉在動域內．整體網格如圖9所示，仿真結果如圖10所示，不變螺距的情況下推力大小為123N，與動網格仿真的結果120N接近．

圖8?不變螺距推力仿真

圖9?滑移網格ICEM的網格

圖10?滑移網格推力仿真

對實驗室一款三葉螺旋槳采用動網格方法對推力進行仿真驗證，該螺旋槳模型如圖11所示，在航速為1.5m/s、轉速為250r/min時推力為104N．仿真結果如圖12所示，動網格仿真推力大小為100.4N，誤差為3.4%．

圖11?螺旋槳模型

通過滑移網格推力仿真驗證與三葉螺旋槳推力驗證，表明該動網格仿真方法過程可靠，結果具有可信度．

圖12?推力仿真

3.2.2?螺距角正弦控制規(guī)律仿真

利用動網格方法對該推進器螺距控制的過程進行仿真，設置螺旋槳軸線水平放置，入口速度為1.5m/s，UDF設置螺旋槳轉速為250r/min，因為Openprop設計螺旋槳在不變螺距的情況下，效率較高，因此螺距角變化不宜過大．同時在仿真的過程中，當螺距角變化幅值為9°時就可以產生比較理想的側向力．因此這里設置螺距角變化幅值為9°．隨著槳葉的旋轉和螺距的變化，推進器同時產生推力與側向力．推進器產生的推力如圖13所示，平均推力約為120N．將一個周期內側向力在槳盤極坐標平面上表示如圖14所示，側向力的平均值約為40N．

圖13?變螺距推力仿真

圖14?變螺距側向力仿真

仿真結果表明，采用此螺距控制的方式可以產生穩(wěn)定的側向力，平均側向力方向與螺距控制初始相位方向一致．此外，推進器的推力會隨著螺距角的變化產生小幅度的周期性變化，但總體上對推力影響并不顯著．

3.2.3?推力、側向力與螺距角控制幅值關系仿真

對于此推進器，在正弦控制規(guī)律下，螺距角變化幅值作為側向力主要控制量，對于整個螺旋槳的水動力性能有非常大的影響，有必要在不同的螺距角變化幅值下分析此推進器的水動力表現．本文分別在螺距角變化幅值為3°、4°、5°、6°、7°、8°、9°的情況下進行仿真分析．

圖15?平均推力隨螺距角控制幅值的變化

圖16?平均側向力隨螺距角控制幅值變化

3.2.4?推力、側向力與轉速關系仿真

除了螺旋槳的螺距外，轉速也是影響螺旋槳水動力的關鍵因素．設置推進器螺距角變化的正弦控制規(guī)律幅值為9°，對不同轉速的推進器螺距控制過程進行水動力仿真分析，分析平均推力及平均側向力隨轉速的變化．

由圖17、圖18可以看出，對相同的螺距變化規(guī)律來說，推進器平均推力與平均側向力與轉速的平方呈線性關系．

圖17?平均推力隨轉速的變化

圖18?平均側向力隨轉速的變化

3.2.5?側向力擬合

綜合以上數據及分析，用Matlab擬合工具箱對平均側向力進行擬合，在螺距角變化按照正弦規(guī)律下，此推進器平均側向力擬合公式為

4?水下航行器運動仿真預測

4.1?運動學及動力學建模

此種推進器采用螺距控制產生側向力和側向力矩，通過改變螺距控制的初始相位即可產生不同方向的側向力，達到水下航行器偏航、俯仰等操縱效果，進而可以實現對自治水下航行器(AUV)的運動控制．本節(jié)通過AUV運動學及動力學仿真驗證此推進器的操縱效果．AUV主要參數如表1所示．

表1?AUV參數

Tab.1?Parameters of AUV

圖19?坐標系建立

AUV的平動運動方程可以表示為

AUV的轉動運動學方程為

基于裝有此推進器AUV的動力學模型，可以運用四階五級龍格-庫塔數值計算方法在Matlab中預測其在典型運動方式下的操縱情況．

4.2?動力學模型驗證

為了確保該模型預測的可靠性，利用實驗室研制的矢量推進式AUV在天津于橋水庫進行的水域實驗數據進行了驗證[15]．將矢量推進器的推力沿軸向與橫向分解，可得本文動力學模型所述的推力與側向力．圖20為AUV矢量推進器水平擺角為15°、航行速度為1.5m/s時所做的回轉運動水域實驗．動力學模型預測回轉直徑為30m，水域實驗測得的AUV的轉彎直徑為29m，預測值與實驗值吻合較好，表明該動力學模型可靠．

圖20?水平回轉實驗

4.3?豎直面升潛運動仿真預測

圖21?豎直面運動軌跡

4.4?水平回轉運動仿真預測

PIAUV的水平運動主要包括直航和回轉2個基本運動．當進行直航時，推進器不進行螺距控制，轉速250r/min，產生的軸向推力為120N．當進行水平回轉運動時，設置推進器螺距角變化幅值為9°，根據回轉方向從初始螺距控制相位180°開始進行螺距控制，產生的側向力大小為40N，方向偏向航向左側．

圖22?水平回轉運動軌跡

5?推進器實物及臺架測試

推進器工程樣機如圖23所示，對推進器的變螺距過程進行臺架測試，利用電子凸輪技術實現螺距控制電機的速度正弦控制．

電子凸輪是模擬機械凸輪的一種智能控制軟件系統(tǒng)，利用構造的凸輪曲線，使主軸與從軸實現設定的相對運動．推進器實驗系統(tǒng)簡圖如圖24所示，電子凸輪主軸為推進主軸，位置由主推電機的編碼器反饋，從軸為螺距控制軸．實驗時首先根據從軸相對主軸的變速需求建立凸輪曲線并離散化為二維凸輪表，通過上位機CME軟件導入螺距控制電機驅動器中．在推進器變螺距運動實驗過程中，主推電機驅動器通過讀取編碼器信號傳遞給螺距控制電機驅動器．電子凸輪根據凸輪表主從軸位置關系確定從軸即螺距控制軸目標控制位置，采用輸出脈沖方式控制螺距軸實際位置，從而驅動螺距控制電機的轉速周期性變化．

圖23?推進器工程樣機

圖24?臺架測試

當推進器基礎轉速設置為120r/min進行正弦規(guī)律的變螺距控制時，螺距控制電機(減速比1∶23)實驗結果如圖25所示．可以看出在推進器的變螺距實驗過程中，螺距控制電機轉速能夠按正弦規(guī)律周期性變化，整體誤差在可接受的范圍內，該推進器設計方案可以通過控制螺距控制電機的轉速從而初步實現螺距的周期性變化．

圖25?臺架測試實驗結果

6?結?語

本文詳述了一種基于變螺距原理的矢量推進器，該推進器將推進主軸與螺距控制軸同軸安裝，通過伺服電機實時控制槳葉螺距，可調整螺距角變化規(guī)律實現側向力的可控輸出，具有操控性好、結構簡單、可靠性高的特點．本文所設計的推進器結構針對雙槳葉構型，對于其他數量槳葉的推進器，只要設計相應的結構實現對每一片槳葉進行相同的周期性螺距控制，同樣可以實現側向力的產生．臺架測試結果表明該變螺距原理能夠實現槳葉螺距的周期調整，可用于實現AUV平臺的矢量推進．

通過計算流體動力學仿真對此推進器所產生操縱力的特性進行了研究，得出以下結論：采用正弦規(guī)律控制螺距角時，變螺距推進器可產生穩(wěn)定的側向力，側向力曲線在槳盤極坐標下為圓形；平均側向力方向與變螺距初始相位方向一致；在變螺距的過程中，推進器的推力基本保持穩(wěn)定．

分析了變螺距推進器平均側向力數值與螺距角變化幅值、轉速之間的關系，分別在不同的螺距角變化幅值和不同的轉速下對推進器的水動力性能進行了仿真，結果表明在仿真范圍內，平均側向力的大小與螺距角變化幅值呈正比，與轉速的平方呈正比，通過調整變螺距推進器的螺距角變化幅值與轉速即可調整側向力．研究結果還表明采用改變螺距角變化幅值方式調整側向力時，變螺距推進器的平均推力變化不大．與已有矢量推進方案相比，變螺距推進器設計方案具有結構簡單、可靠性高、能線性調整側向力而不損失推力的優(yōu)點．

建立了裝有此推進器的水下航行器的動力學模型，利用實驗室海試數據驗證了模型的可靠性，預測了水下航行器在兩種典型工況下的運動，結果表明采用此推進器的AUV無需舵即可實現對AUV的運動控制．

［1］ 張?帥，肖晶晶. 水下矢量推進器研究綜述[J]. 艦船科學技術，2019，41(7)：5-9.

Zhang Shuai，Xiao Jingjing. Research review of underwater vector thrusters[J]. Ship Science and Technology，2019，41(7)：5-9(in Chinese).

［2］ 黃?宇. 基于矢量推進AUV的航行體運動控制研究[D]. 北京：中國艦船研究院，2015.

Huang Yu. Research on Vehicle Motion Control Based on Vector Propulsion AUV[D]. Beijing：China Ship Research Institute，2015(in Chinese).

［3］ 王田苗，楊興幫，梁建宏. 中央鰭/對鰭推進模式的仿生自主水下機器人發(fā)展現狀綜述[J]. 機器人，2013，35(3)：352-384.

Wang Tianmiao，Yang Xingbang，Liang Jianhong. Overview of the development status of bionic autonomous underwater vehicle with central fin/fin propulsion model[J]. Robot，2013，35(3)：352-384(in Chinese).

［4］ Sahoo A，Dwivedy S K，Robi P S. Advancements in the field of autonomous underwater vehicle[J]. Ocean Engineering，2019，181：145-160.

［5］ Zhang Y，Yang K. Modeling and simulation of SAUV vectored thruster on dynamics[C]//2011 International Conference on Electrical and Control Engineering. Bandung，Indonesia，2011：1112-1116.

［6］ 張傳平. 水下機器人可調螺距螺旋槳的并聯變距機構設計與運動性能研究[D]. 濟南：山東大學，2018.

Zhang Chuanping. Design and Research on Motion Performance of Parallel Variable Pitch Mechanism of Controllable Pitch Propeller of Underwater Robot[D]. Jinan：Shandong University，2018(in Chinese).

［7］ 常?欣，鄒經湘，郭春雨，等. 全方向推進器葉片調距機構設計[J]. 船海工程，2007，36(3)：20-23.

Chang Xin，Zou Jingxiang，Guo Chunyu，et al. Design of the pitch adjusting mechanism of all-directional propeller blade[J]. Ship and Sea Engineering，2007，36(3)：20-23(in Chinese).

［8］ 張宏偉，王福強. Delta型全方位推進器調距機構設計與分析[J]. 機械設計，2017，34(1)：20-26.

Zhang Hongwei，Wang Fuqiang. Design and analysis of Delta-type omnidirectional propeller pitch adjustment mechanism[J]. Machine Design，2017，34(1)：20-26(in Chinese).

［9］ Paulos J，Yim M. Cyclic blade pitch control without a swashplate for small helicopters[J]. Journal of Guidance Control & Dynamics，2018，41(3)：1-12.

［10］ Littlefiel R H，Jaffre F，Kaeli J W. AUV propulsion and maneuvering by means of asymmetric thrust[C]//2018 IEEE/OES Autonomous Underwater Vehicle Workshop. Porto，Portugal，2018：1-6.

［11］ 章銳彪，孫國杰. 基于CFD方法的調距槳水動力轉葉力矩研究[J]. 船舶物資與市場，2019(1)：30-31.

Zhang Ruibiao，Sun Guojie. Research on hydrodynamic torque of pitch control propeller based on CFD method [J]. Ship Materials & Market，2019(1)：30-31(in Chinese).

［12］ 李?龍. 考慮伴流場的無人自治水下航行器推進系統(tǒng)設計[D]. 天津：天津大學，2016.

Li Long. Design of Unmanned Autonomous Underwater Vehicle Propulsion System Considering Wake Field[D]. Tianjin：Tianjin University，2016(in Chinese).

［13］ 王?亮. 船舶螺旋槳變參數水動力性能研究[D]. 大連：大連理工大學，2012.

Wang Liang. Research on Hydrodynamic Performance of Ship Propeller with Variable Parameters[D]. Dalian：Dalian University of Technology，2012(in Chinese).

［14］ 張德雨. 負浮力水下旋翼機可行性研究與動力學特性分析[D]. 天津：天津大學，2018.

Zhang Deyu. Feasibility Study and Dynamic Characteristics Analysis of Negative Buoyancy Underwater Rotorcraft[D]. Tianjin：Tianjin University，2018(in Chinese).

［15］ 王?玉，林秀桃，宋詩軍，等. 矢量推進自主水下航行器動力學建模及仿真[J]. 天津大學學報(自然科學與工程技術版)，2014，47(2)：143-148.

Wang Yu，Lin Xiutao，Song Shijun，et al. Dynamic modeling and simulation of vector propulsion autonomous underwater vehicle[J]. Journal of Tianjin University(Science and Technology)，2014，47(2)：143-148(in Chinese).

Design and Research of Propeller Based on Variable Pitch

Zhang Hongwei，Chen Dongyuan，Zhang Yupeng，Liu Jun

(School of Mechanical Engineering，Tianjin University，Tianjin 300350，China)

A scheme of underwater robot propeller which used variable pitch to realize lateral force output is proposed. The propeller has a main thrust motor，a pitch control motor and a gearset inside，and the pitch control shaft is mounted coaxial with the propulsion spindle. By controlling the motor，the pitch angle of the blade can be controlled periodically to realize the lateral force output. The hydrodynamic characteristics of the propeller are studied by computational fluid dynamics(CFD)method，and the results show that the lateral force can be generated by using the rule of sine curve to control the change of pitch angle；the lateral force curve is circular under the polar coordinate of the propeller disk；the direction of average lateral force is consistent with the initial phase direction of variable pitch；and when the pitch angle change amplitude is 9°，the average lateral force generated is about 40N. In addition，the relationship between the lateral force，thrust，and the amplitude of pitch angle change，the rotation speed is also simulated. The results show that when the pitch angle change adopts a sine curve，the average lateral force generated by the propeller is proportional to the pitch angle change amplitude and the square of the rotational speed；and the generated average thrust is not greatly affected by the amplitude of the pitch angle change，which is proportional to the square of the speed. The simulation results are applied to the autonomous underwater vehicle(AUV)dynamics model to verify the control of the AUV equipped with this propeller. The calculation results show that the AUV using this propeller can achieve good maneuvering effects when diving，floating underwater and turning horizontally. Compared with the traditional propeller＋rudder control mode，the structure is simple，the number of motors is reduced，and the utilization rate of AUV stern space is improved. Compared with the existing vector propulsion scheme，variable pitch propeller has the advantages of simple structure，high reliability and good lateral force controllability. Bench test shows that this variable pitch principle can realize the periodic adjustment of blade pitch and can be used to realize the vector propulsion of AUV platform.

propeller；variable pitch；computational fluid dynamics simulation；kinematics and dynamics

10.11784/tdxbz202205006

TK448.21

A

0493-2137(2023)08-0775-10

2022-05-06；

2022-06-06.

張宏偉（1976—??），男，博士，教授.Email：m_bigm@tju.edu.cn

張宏偉，zhanghongwei@tju.edu.cn.

國家重點研發(fā)計劃資助項目(2019YFC0311701)；中國工程院院地合作重大咨詢項目(2021DFZD2).

the National Key Research and Development Program of China(No. 2019YFC0311701)，the Major Consulting Project of Academy-Local Cooperation of Chinese Academy of Engineering(No. 2021DFZD2).

(責任編輯：王曉燕)