CN106081029B - 正反向等推力导管推进器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种正反向等推力导管推进器，目的是在转速相等的条件下，螺旋桨正反转时能够产生大小相等且方向相反的推力，且有较高的推进效率。为了使推进器正反向有相同的进流条件，设计了外平内凸且轴向截面前后对称翼型的导流罩。为了保证螺旋桨正转反转时的推力能相等，应对螺旋桨桨叶进行特殊设计，各半径剖面选用梭形切面，外形为无侧斜、无纵倾的宽叶稍的扇形桨叶，整个螺旋桨布置于导流罩中部。桨毂、毂帽和机舱外形的直径相等，外形均为流线型，毂帽和机舱的端部有相同的外形。本发明结构简单，易于实现，对提高水下机器人的机动性能有很大的帮助。

Description

正反向等推力导管推进器
技术领域
本发明涉及一种导管推进器，尤其涉及一种正反向等推力导管推进器。
背景技术
水下机器人无论是在军用还是民用均具有广泛的应用前景，可完成海洋勘探与开发、水下危险作业、应急救生与打捞、情报/监视/侦察以及反潜等多种任务，并可以反复使用，具有很大的实用性和灵活性。
目前，水下机器人应用最广泛的推进方式是螺旋桨推进，包括普通螺旋桨、导管螺旋桨以及涵道螺旋桨等。推进器作为水下机器人的核心部件，对其各方面性能有很大的影响。随着近年来对水下机器人操作性和机动性的提高，对螺旋桨推进方式要求越来越高，特别是近年来对推力矢量技术的关注。而所谓的推力矢量技术是指空间运动物体的推进系统除了提前进推力外，还能同时或单独在运动物体的俯仰、偏航、横滚和反推力等方向上提供推进力和力矩，用以部分或全部取代舵面产生的动力来进行控制，即推进器推力矢量化。目前，大部分螺旋桨推进器都是正向有较高的推力和效率，而反向的推力和效率则大打折，只适合于单向推进。为了提高水下机器人的操作性和机动性，也有学者提出了结合推力矢量技术的喷水式推进系统，主要是通过改变喷水推进器的高速射流来改变推力的方向。但是对它的研究很不充分，理论研究不成熟，关键技术不过关，推广应用受到较大限制。
发明内容
本发明的目的是为了水下机器人的机动性能而提供一种正反向等推力导管推进器。
本发明的目的是这样实现的：包括机舱、设置在机舱内的电机、与电机输出端连接的桨毂、设置在桨毂端部的毂帽、安装在桨毂上的螺旋桨和位于螺旋桨外的导流罩，其特征在于：所述导流罩是加速型导管，导流罩的长度与导流罩的内壁的直径之比在0.7-0.75之间，导流罩的切面形状是外平内凸前后对称的翼型，导流罩的内壁0.6-0.7无因次弦长处是水平的。
本发明还包括这样一些结构特征：
1.所述螺旋桨具有三个桨叶，每个桨叶是无侧斜、无纵倾的宽叶稍的扇形桨叶，沿着桨叶半径方向的剖面是前后上下对称的梭形切面。
2.导流罩内壁与桨叶叶梢间的间隙小于2mm。
3.所述桨毂、毂帽和机舱的直径相等，毂帽和机舱末端形状相同。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的推进器正反向时能够产生相等的推力，因而便于水下机器人的前进和后退，特别是适合于有高操纵性、和高机动性等方面要求的水下机器人。本发明结构简单、易于实现，在转速相等的条件下，螺旋桨正转与反转时，推进器产生的推进性能相等且推力方向相反，有利于水下机器人的前进和后退，从而提高水下机器人的机动性能。而且可通过对导流罩和桨叶几何参数进行优化设计，使得推进器推力满足要求，效率达到最高。能够满足水下机器人航行时的推力、效率及使用等方面的需求。在推进器的螺旋桨转速相同时，正反转时能够产生大小相等、方向相反的推力，并对导管的形状、桨叶参数以及间隙等进行合理设计，以提高推进效率。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2(a)是图1去除导流罩后的侧视图，图2(b)是图1去除导流罩后的主视图；
图3(a)是常规导管桨导流罩外形示意图，图3(b)是本发明导流罩外形示意图；
图4(a)是正向导流罩表面压力分布图，图4(b)是正向导流罩截面的合力与分力分析图；
图5(a)是反向导流罩表面压力分布图，图5(b)是反向导流罩截面的合力与分力分析图；
图6(a)是常规导管桨速度多角形，图6(b)是本发明螺旋桨速度多角形；
图7(a)是常规导管桨速度多角形，图7(b)是本发明螺旋桨速度多角形。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
下面结合图1～7(b)对本发明的正反向等推力导管推进器装置做详细介绍。图1给出了该推进器的总布置图，主要包括螺旋桨1、导流罩4、桨毂3、毂帽2以及机舱5等部分组成。螺旋桨1各叶片固定于桨毂3上，导流罩4在螺旋桨的外围。
图2给出了该推进器的螺旋桨、桨毂、毂帽及机舱的总体视图，桨毂3毂径比为0.3-0.35，而且桨毂3、毂帽2与机舱3的直径相同，毂帽2与机舱5端部外形相同，均采用椭圆型，从而保证了前后端的进流相同。推进器桨叶外形采用的无纵倾无侧斜的扇形。
图3(a)、图3(b)给出了常规导管桨的导流罩和本发明导流罩的切面图，与常规导管桨的导流罩不同，本发明对导流罩的横向切面进行了重新设计，导流罩采用的是加速型导管，长度与内壁直径比为0.7-0.75，切面形状为外平内凸前后对称的翼型，前后两端用导圆光顺，内壁0.6-0.7无因次弦长处是水平的，这种设计可使螺旋桨正反转时进流条件相同，又能形成一个有利于螺旋桨工作的流场，同时也作为推进器的一部分产生推力，从而起到改善推进器的推进效率的作用。
图4(a)-图5(b)分别给出了本发明导流罩的横向截面在正向和反向时的表面压力分布以及受力分解。可见，无论螺旋桨正转或者是反转，由于进口的水流收缩，该处的流线发生偏斜，并以一定的攻角流向导流罩的截面，出口的水流速度比较平缓，导致导流罩内壁进口处的负压力要比出口时的大。对导管截面进行积分得到合力为R，将合力分解成两个部分，沿导管轴向的分力T和与轴线方向垂直的分力Q。其中，沿导管轴向的分力形成了推进器的附加推力。
图6(a)-图7(b)分别给出了本发明推进器的螺旋桨和常规导管桨某半径剖面形状以及螺旋桨正转与反转时该剖面的速度多角形。图6和图7中n为螺旋桨的转速，推进器的进速为VA，螺旋桨轴向和周向的诱导速度为uap和utp，导流罩对螺旋桨的轴向和周向的诱导速度为uad和utd，VR为螺旋桨某半径处叶元体的实际来流速度，βi、β分别代表水动力螺距角及进角。由于导流罩对螺旋桨的诱导速度uap和utp与螺旋桨自身的诱导速度uap和utp反向相反，使得整个推进器的水动力性能得到了改善。
从图6(a)-图7(b)中可知，本发明推进器的螺旋桨的剖面翼型是前后上下均对称的梭形切面，使得正转和反转时在某半径剖面处的水动力螺距角及进角大小相等，从而保证推进器正向与反向时的推力相等，方向相反；而常规导管桨的剖面翼型不具有对称向，正转时能够获得较大的推力，而反转时的推力较小。
本发明自行设计了外平内凸前后对称翼型的导流罩，该型导流罩不但能够改善推进的效率，而且能够保证螺旋桨正反转时有相同的进流条件。对螺旋桨进行特殊设计，各半径剖面采用梭形切面，外形采用无纵倾无侧斜的扇形桨叶，可保证螺旋桨正反转时产生大小相等方向相反的推力，而且推进效率与常规导管桨相比减小幅度不大。桨毂、毂帽和机舱外形的直径相等，外形均为流线型，毂帽和机舱的端部有相同的外形。通过对推进器各部件的合理设计保证了推进器正反向时推力相等。驱动螺旋桨的电机可选用直流无刷电机，这种电机以电子换向代替机械换向，可方便的控制电动机的启动、停止、变速及正反转。
本发明包括螺旋桨1、毂帽2、桨毂3、导流罩4、机舱5(包括电机、减速器和控制器等)，结构关系为：桨叶与桨毂相接，毂帽与桨毂相接，整个螺旋桨由电机驱动，电机固定于机舱内，导流罩在螺旋桨的外围。螺旋桨的外围有一个环型导流罩，导流罩采用的是加速型导管，长度与内壁直径比为0.7-0.75(0.72左右)，其横向剖面设计为外平内凸前后对称翼型，前后两端用导圆光顺，内壁0.6-0.7无因次弦长处是水平的，该型导流罩保证正反转时前后进流相同，也可提高推进效率。螺旋桨的桨叶数为3叶，外形为无侧斜、无纵倾的宽叶稍的扇形桨叶，毂径比0.3-0.35，桨叶与现有的导管桨的桨叶有很大的不同，其各半径剖面采用的是前后上下对称的梭形切面。导流罩内壁与桨叶叶梢间的间隙小于2mm，从而减小尾流能量损失，提高推进效率。螺旋桨布置与导流罩中部，保证螺旋桨前后有相同的进流条件。桨毂、毂帽和机舱的直径相等，毂帽和机舱末端形状相同，外形为椭圆型，保证螺旋桨前后有相同的进流条件。
本发明目的是在转速相等的条件下，螺旋桨正反转时能够产生大小相等且方向相反的推力，且有较高的推进效率。为了使推进器正反向有相同的进流条件，设计了外平内凸且轴向截面前后对称翼型的导流罩。为了保证螺旋桨正转反转时的推力能相等，应对螺旋桨桨叶进行特殊设计，各半径剖面选用梭形切面，外形为无侧斜、无纵倾的宽叶稍的扇形桨叶，整个螺旋桨布置于导流罩中部。桨毂、毂帽和机舱外形的直径相等，外形均为流线型，毂帽和机舱的端部有相同的外形。本发明结构简单，易于实现，对提高水下机器人的机动性能有很大的帮助。

Claims (1)

1.正反向等推力导管推进器，包括机舱、设置在机舱内的电机、与电机输出端连接的桨毂、设置在桨毂端部的毂帽、安装在桨毂上的螺旋桨和位于螺旋桨外的导流罩，其特征在于：所述导流罩是加速型导管，导流罩的长度与导流罩的内壁的直径之比在0.7-0.75之间，导流罩的切面形状是外平内凸前后对称的翼型，导流罩的内壁0.6-0.7无因次弦长处是水平的；所述螺旋桨具有三个桨叶，每个桨叶是无侧斜、无纵倾的宽叶稍的扇形桨叶，沿着桨叶半径方向的剖面是前后上下对称的梭形切面；导流罩内壁与桨叶叶梢间的间隙小于2mm；所述桨毂、毂帽和机舱的直径相等，外形均为流线型，毂帽和机舱末端形状相同。
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