几种水下推进器介绍及超小型水下推进器开发设计

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1、几种水下推进器装置水下机器人又称为水下无人潜器，分为遥控、半自治及自治型。水下机器人是典型的军民两用技术，不仅可用于海上资源的勘探和开发，而且在海战中也有不可替代的作用。为了争夺制海权，各国都在开发各种用途的水下机器人。以下介 绍几种最新的水下推进器：1泵喷推进器上世纪80年代，英国在“特拉法尔加”仃rafalgar)级攻击型核潜艇上率先装备了一种新型的泵喷推进器(PumpJetThruster)。这种推进方式可以有效降低潜艇的辐射噪声，因而倍受世界各海军强国的关注。随后，英国在“前卫”(Vanguard)级以及“机敏” (Astute)级核潜艇上，法国在“凯旋” (LeTriomphant)

2、级核潜艇上，美国在“海狼”(Seawolf)级、“弗吉尼亚” (Virginia)级核潜艇上，纷纷采用泵喷推进器取代已被广泛应用的七叶大侧斜螺旋桨。据不完全统计，至今世界上以泵喷推进器作为推进方式的核动力潜艇已达几十艘之多。图1 北风之神”级核潜艇尾部泵喷射推进器特写采用泵喷推进的潜艇与采用大侧斜螺旋桨推进的潜艇相比，最大的优点是可以大幅度降低潜艇推进器的辐射噪声、提高潜艇的低噪声航速。以美国“海狼”级攻击型核潜艇为例，该艇水下最高航速30节以上(有报道可达35节)，水下30米 时的低噪声航速大于20节，辐射噪声接近于海洋环境噪声，被美国官方称为当今世界上最安静、最快的潜艇。图2 泵喷推进器设

3、计三维图随着声探测技术的飞速进步，在未来海战中，核潜艇的声隐身性能将是决定战斗胜负的关键，努力降低核潜艇的噪声必将成为潜艇研究的主要课题，而推进器是核潜艇的一个主要噪声源，低噪声推进器的研究和应用势在必行。因此，具有低噪声优势的泵喷推进器，将成为未来几十年核潜艇推进器的一个重要发展方向。2 WT系列蛙人助推器武汉维纳凯朴工程技术有限公司生产的商用水下推进器（DPV，也叫蛙人助推器，是潜水爱好者或者特种部队进行潜水航行的重要援助手段之一，广受国内外使用者的青睐。水下推进器系列采用先进可靠的驱动方式，力图给使用者提供最强劲持久的推进力。该产品广泛应用于水下蛙人推进、水底拍摄、潜水娱乐及辅助水下救生

4、等。图3WT1-50系列水下推进器WT1-50系列水下推进器体积小、重量轻，采用蓄电池作动力，设有电池容量显示，充电方便。在水中呈零浮力状态。采用特殊的密封结构。使用维护简单、安全、可靠。最大潜水深度为50米，可以给您的水中航行带来前所未有的体验。其主要技术参数见表1。适用场合：单人水下蛙人推进、水底拍摄、潜水娱乐表1 WT1-50系列主要技术参数表F11，3水下空心无穀桨推进器刘文智、李海波等人发明了一种水下空心无穀桨推进器。其组成包括电机外壳、定子线圈、定子硅钢片、转子永磁体、 转子、螺旋桨和陶瓷轴承，定子线圈缠绕在定子硅钢片上，缠绕在定子硅钢片上的定子线圈装在电机外壳的中心处，转子 为空

5、心环状结构，转子永磁体分极固定在转子上、形成空心结构的转子，螺旋桨固定在空心转子内部，螺旋桨、转子和转 子永磁体组成为一个整体，转子通过陶瓷轴承固定在电机外壳内。本发明的浆叶旋转时不会产生诱导阻力和空泡现象大大 提高了螺旋桨的效率。另外由于加大了电机的直径增加电机的极数提高了电机的扭矩，尤其适合在大水深大密度下的环境 中工作，由于该水下推进器的电机和螺旋桨为整体空心结构，易于安装在船体上。图4 水下空心无穀桨推进器基本结构图4水下球形电机推进器张强、王红等人发明的是一种水下球形电机推进器。定子铁心为球形，球形定子铁心表面沿大圆开有三个相互垂直的 槽，槽内分别放置三相集中绕组，绕组两两垂直，三相

6、绕组的线圈通过电缆线接到水下密封插头上，定子铁心外面包有与，球壳形的外转子通过橡胶轴承套在密封壳上，橡胶轴承表面开有水槽，在两个橡胶轴承之间，在转子铁心和密封壳之间留有微小的缝隙，转子铁心、橡胶轴承与转子外壳结合在一起，螺旋桨桨叶直接固。本发明实现了水下电机推进器的矢量推进，在提高了推进器性能的同时，可使水下工作装置简化机械结，减轻质量、缩小体积，具有更好的应用性和更高的可靠性。图5 水下球形电机推进器基本结构图一种超小型水下推进器的研究与开发 摘 要：介绍了国内外水下推进器的基本组成与工作原理，分析了水下推进器的 主要关键技术，并针对这些关键技术进行优化设计，开发出一种新型水下推进器。 通过

7、样机的试制及试验，该型水下推进器性能优越，为进一步开展超小型水下推 进器的研究提供了依据。引言水下推进器(dive propulsion vehicle,DPV )，也叫水下推进器，蛙人助推器， 是海军蛙人或者潜水爱好者进行浅海潜水的重要援助手段之一，在国外越来越受到使用者的青睐。水下推进器提供给人们一种全新的娱乐方式，它提高了人们在 水中的活动范围和速度，它不但能让人们在水面自由的航行，而且能将游泳者带 入水下世界，进行观光、探险等活动，其趣味性和对人们的吸引力远大于传统的 娱乐活动。目前在国外，水下推进器十分流行，正成为一种普通的家用娱乐工具。 水下推进 器项目除了能够满足人们娱乐生活的需

8、要， 而且在娱乐用水下推进器基础上进行 改进后，可以顺利的研制出性能更好，用于水下搜救、水下勘测等工业领域和蛙 人运输、特种作战等军事领域的水下推进装置。国外生产水下推进器的厂家数量较多，产品种类也很丰富，比较有名的如AerisDPV Torpedo DPV SeaDoo及 Oceanic Mako等。而国内水下推进器的生产研制 刚起步，生产厂家很少。据了解，昆明750所研仿过一型俄罗斯军用水下推进器， 其性能指标尚不了解。国内有关船厂也曾组织过类似的研究，因推进和密封等关键技术未过关而失败。由此可见，如果开发水下推进器，一旦成功并成熟则拥有 着非常广泛的市场前景。1组成与原理目前，国内外水下

9、推进器在加工制造及外形上也许有很大的差异， 但其组成与原 理大体上是相同的。分析了大量国内外现有产品，并结合先进的优化设计建模方 法与工具，武汉第二船舶设计研究所研究开发了 WT1-40B WT1-50两种型号水下 推进器，其主要组成及工作原理如下：主要组成与国内外其他型号一样，WT1-40B WT1-50水下推进器主要包括浮力调整装置、 壳体、蓄电池、控制装置、驱动电机、传动装置、螺旋桨、及7部分组成。如图1所示。浮力调整装置：推进器需要漂浮水面或悬浮水下，其状态切换就需要使用浮力 调整装置，浮力装置相当于配重使其达到零浮力状态，从而可以在水中任意位置 悬浮工作。壳体：主要是水下推进器外形及

10、内部骨架，是整个水下推进器的基础。壳体外 形涉及线性设计、分段位置以及密封方式，内部骨架涉及耐压加强及各部件安装 形式。蓄电池：主要是水下推进器的动力来源，蓄电池的性能直接决定了水下推进器 的性能与使用寿命。控制装置：主要是水下推进器的起停控制与速度调节。起停方式有接触式的按 钮开关与非接触式的磁力控制等。速度调节有桨角机械转换与电机电气转速控制 等。驱动电机：水下推进器主要采用的电机有标准电机、水下电机、定制电机等多 种。传动装置：传动可以采用机械传动与磁力耦合传动两种方式，根据电机转速的 不同通常需要配备减速器。螺旋桨：目前使用的主要有普通螺旋桨、导管螺旋桨、可调螺距螺旋桨等。螺 旋桨的适

11、当与否直接决定了产品最重要的性能指标，如速度与推力。图1水下推进器示意图1浮力调整装置2壳体3蓄电池4控制装置5驱动电机6传动装置7螺旋桨 工作原理根据图1的示意，水下推进器的浮力调整装置、蓄电池、控制装置、驱动电机及 传动装置均安装与壳体内部，在壳体的密封下完全与外界隔绝。通常浮力调整装 置在该产品出厂时已经调整完毕，水面与水下使用的不同在用是否使用这一装 置，使用者很少自己对浮力调整装置重新进行配重。 浮力调整装置通常用固定于 壳体内部的密封容器装无水乙醇或细沙状颗粒，便于增减配重。使用前根据水上 与水下的不同预先装配好浮力调整装置，检查壳体的安装情况无误后才能下水使 用。通过控制装置安装

12、在手柄处的开关接通电源，此时蓄电池给驱动电机供电， 驱动电机通过传动装置，包括减速器、连轴器、桨轴等带动螺旋桨，螺旋桨旋转 从而推动水下推进器前进。在螺旋桨旋转过程中，可以通过控制装置安装在另一 侧手柄处的开关控制速度，达到调节速度的目的。如果采用的是机械式速度控制， 则需要停止推进器，从螺旋桨处旋转改变桨叶角度后再次启动电机， 从而达到改 变速度的目的。根据以上工作原理设计出的水下推进器工作深度一般不超过 50米，75kg的人适 用时航速约23节，系柱推力约100N推进时间为30120分钟，可以反复充 电使用。另外可以调节浮力，从而满足水面推进与水下推进两种不同场合。2主要关键技术目前国外开

13、发的水下推进器对国内基本上都进行技术隔离， 国内也有少数几个厂 家研发生产水下推进器，但其性能与国外产品比较起来还存在很大差距， 国外厂 家也曾经大量召回其生产的水下推进器产品。 分析原因，除了国内与国外工业制 造水平的差距因素外，其涉及的关键技术国内生产厂家没有完全解决， 总结起来 主要有以下几个方面：结构设计水下推进器的结构非常重要，结构设计的好坏直接影响到整个使用过程： 如推进 器壳体的线形设计影响水下推进器的水阻，从而影响水下推进器的航速等；推进 器壳体可以采用整段结构，也可以使用分段舱位结构，从而影响水下推进器的密 封性能及维修性能等；推进器设计中手柄或扶手的设计也非常重要，它直接决

14、定 用什么方式控制推进器的起停与调速， 以及控制方式中涉及结构的密封。另外电 池的固定，驱动电机的固定等都需要仔细设计。螺旋桨设计目前水下推进器的螺旋桨种类繁多， 有普通螺旋桨，导管螺旋桨，可调螺距螺旋 桨，即使同类型的螺旋桨的设计也没有统一标准， 许多产品中的螺旋桨不是完全 符合流体力学的标准螺旋桨，很多都是近似设计，国内有些厂家生产的水下推进 器螺旋桨桨面几乎为平面桨叶。这些设计严重影响了水下推进器的效率，不能最 大程度的发挥水下推进器的性能，有的产品甚至因为螺旋桨的失败设计， 推进能 力非常有限从而不被市场认可。密圭寸设计密封设计是水下推进器设计中最为重要的关键技术之一，密封不好将直接导

15、致水 下推进器进水，从而造成不可想象的危害，甚至是有伤及人身安全的危险。目前 国内外生产的某些水下推进器都不同程度的存在进水现象，有的是使用操作不当所致，但更多是密封设计不周全所致。目前水下推进器的密封主要有密封件密封 和密封材料填充密封两种方式，密封件密封使得产品标准化程度高， 维修更换方 便，密封材料填充密封使得产品密封可靠， 但一旦产品发生问题，对其维修更换 将非常困难，密封设计有的产品综合采用这两种密封方式。安全性设计在国内外水下推进器使用经历中， 多次发生了事故，如水下推进器进水、推进器 无法停止、推进器螺旋桨打伤潜水者身体等。另外推进器在水中的使用时间最好 可以掌握，从而保证潜水者知道航行距离与返行时间， 从而避免水下推进器在水 中因为突然没有电力停止工作，从潜水助手演变成潜水累赘。因此水下推进器的 使用环境决定了其设计过程中必须把其安全性放在第一位。3开发与实现在研究开发 WT1-40B WT1-50两型水下推进器的过程中，关键技术如结构设计主 要着重壳体线型及分段位置的确定，螺旋桨设计主要着重标准导管螺旋桨与导流 管的设计，密封设计则采用密封件密封与填充材料密封相结合的方式，而安全性设计主要是以人机工程学为基础，从安全角度出发考虑各种细节。其主要开发与 实现如下：壳体设计根据分析现有水下推进器，我们开发的水下推进器主要采用水滴型线型壳体，其线型情况见图2。该壳