宁动柴油机配件-从物理学角度探讨无人驾驶水下航行器的推进原理及设计差异螺旋桨设计软件

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从车辆推进的物理学角度来看，无人水下航行器 (UUV) 与滑水艇或油轮没有太大区别。它采用车辆-推进器-驱动系统模型，通过推进器将驱动能量转化为推力，从而移动车辆。这三种车辆的推力平衡和运动的基本原理是相同的，即旋转能量通过推进器（系统的核心）转化为轴向推力。

不同类型的车辆的推进设计根据车辆各自任务所特有的设计约束和目标而有所不同。例如，滑水艇可能需要在拖曳速度下获得高推力，并愿意放弃潜在的最高速度来实现这一任务要求，其齿轮比和推进特性就是为此目的而设计的。油轮可能需要在“经济速度”下实现最大效率，以实现最大的经济回报。或者，它可能还会对排放或燃料消耗有额外的限制，这需要在推进设计上做出妥协。

考虑到所涉及的各种任务，水下航行器有自己的一套推进设计要求，例如电池寿命（或电池容量下的最大距离）、最大直径、最小运行速度、是否从流体动力学效率或安全性的角度使用导管螺旋桨，以及考虑降低噪音​​以确保安静的数据收集任务。这些设计要求是公司在设计 UUV 推进时所考虑的。这些思考来自一个成功的设计项目，是在与客户深入沟通设计要求和信息的过程中形成的。车辆-推进-驱动模型是此类设计讨论的一个很好的框架。

飞机

典型的 UUV 是具有头部、身体和尾部的陀螺形（也称为轴对称形）体。为了最大限度地增加内部容积以安装设备，某些车辆的船首和船尾非常短。正如您所预料的，这样的船首必然会导致阻力增加，而且由于流体以一定的角度而不是沿轴线进入推进器船舶柴油机配件船舶安全管理体系软件，因此推进性能也会有一定的损失。不同阻力成分（如造波阻力或压力阻力和摩擦阻力或粘性阻力）之间的平衡是我们工作的一部分，我们经常希望获得最小的阻力体积比。事实上，这并不能完全实现。我们真正想要的是最小的功率体积比，而尾部的几何形状将极大地影响推进器将陀螺能量转换成有效轴向推力的能力。

因此，许多推进设计项目首先使用 ® 软件（一种用于模拟和分析流体动力和推进系统的专用软件）预测车辆的阻力和船体推进系数（伴流分数和推力扣除）。

独特的潜水模块为鱼雷型 UUV 提供强大的预测和分析能力

驾驶

与推进器相对应的是驱动装置，通常是电动机。电动机的电气特性各不相同，但推进器设计的关键数据是轴上的机械输出功率与转速之间的关系。峰值输入功率当然很重要，它与某些运行极限相对应。我们使用电机效率曲线来描述输入功率，这有助于回答诸如以下问题：如果最长的电池寿命是最高优先级，那么我们的最佳目标速度范围是多少？另一方面，轴的功率与转速之间的关系将告诉我们与可能的最大功率相对应的转速，进而可以告诉我们与潜在的最大推进器推力和车辆速度相对应的转速。

从典型的电机轴功率、电机效率和转速曲线可以看出，最高可能功率很少（如果有的话）出现在最高电机输入效率下。因此，我们常常必须将设计转速点定义为提供更高输出功率和提供最佳电机效率之间的折衷。

每次讨论电动 UUV 时，轴转速几乎总是过高，无法使推进器达到最佳运行状态。通常采用某种形式的传动装置来实现最佳推进器性能，或者接受推进器可能以平庸的效率运行。

推进器

您会注意到，这里使用的是“推进器”而不是“螺旋桨”。这是为了强化这样一个概念，即管道和螺旋桨（在大多数 UUV 上都有）是一个交互单元，即螺旋桨。螺旋桨的设计就是找到最佳的螺旋桨和管道组合，同时跟踪它们的相互作用。换句话说，您必须使用具有这种交互式分析功能的设计工具，例如用于系统仿真的 CAD 或用于螺旋桨管道组件设计的 CAD。在所有 UUV 推进设计项目中，一个普遍的目标是开发一种可产生最高推力功率比（效率）的几何形状，我们通过大量经过验证的实验来实现这一目标。通常，外部设计驱动因素的影响会使成功的 UUV 推进设计具有挑战性。例如，转速可能太高（如上所述），几何约束可能会限制最大直径，或者它们可能会由于考虑车辆尾部的斜度而影响设计。

花点时间提一下 UUV 推进器制造的重要性。媒体上有很多关于 3D 打印螺旋桨的讨论。虽然从经济和生产角度来看，这可能很有吸引力，但我们必须小心，不要因表面纹理不当（这对大多数 UUV 上的小尺寸推进器有很大影响）、疲劳强度失效或叶片的水弹性弯曲而影响性能。该公司已通过各种内部研究项目成功地将 3D 打印应用于小型推进器。

除了这些实际的设计考虑因素外，当代最有趣的设计驱动因素之一是辐射噪声。作为更广泛的可持续发展计划的一部分，该公司已在推进水声学（捕捉噪声和振动）方面建立了专业知识。随着我们的工具开发出新的水声特性，这些知识可供其他船舶建筑师和工程师使用。项目对噪声的敏感性始终是我们 UUV 推进设计工程客户讨论的一部分。

所有水声激励都源于质量波动（流体质​​量的周期性运动）。螺旋桨驱动的水声通常由螺旋桨在低压区域内旋转时产生的振动引起，因为螺旋桨会进出“遮蔽”区域（例如支柱或控制翼后面）。这种波动的一部分只是由于流入量的变化导致叶片周围的流动方向发生变化，但更重要的是由于叶片空化气泡的快速膨胀和破裂。评估这些影响因素中的每一个都是我们推进器设计工作的一部分螺旋桨 软件，并且可以通过改变叶片的轮廓及其弧度分布来根据需要减轻影响。

创造性的管道设计也可以减轻过度的水声激励和传输。利用我们在管道性能模拟方面的背景，我们可以考虑特定的噪音抑制管道几何形状是否能提供必要的抑制螺旋桨 软件，以及可能导致的推进效率损失。

因此，尽管 UUV 推进设计有其独特的挑战，但它仍然只是更大系统问题中的一个子任务。它可以提供一项有意义的工程挑战，只需稍加注意、使用合适的软件工具和实际经验即可成功完成。

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