集成电机泵喷推进器应用于水下机器人探讨

程鹏 贺波

摘 要：集成电机泵喷推进器是一种新型的推进方式。本文介绍了集成电机泵喷推进器概况以及水下机器人的推进方式。分析了集成电机泵喷推进器应用于水下机器人的特点,探讨了推进器与水下机器人的功率匹配方法。

关键词：集成电机泵喷推进器；水下机器人；推进方式；功率匹配

中图分类号:U664.3文献标识码：A

Investigate the Application of Integrated Motor Water-Jet

Propulsor on ROV

CHENG Peng1，HE Bo2

（1.Guangdong Ocean University，Zhanjiang524025；2.Zhanjiang Maritime Bureau ，Zhanjiang 524001）

Abstract：Integrated Motor water-jet Propulsion is a new kind underwater vehicle propulsion way. This paper investigated the application of Integrated Motor Water-Jet Propulsor on ROV. Analyzed the characteristics of IMJP used in ROV, Discussed the power matching method between Propulsor and ROV.

Key words: IMJP; ROV; Propulsion way; Power Matching

1 集成电机泵喷推进器简介

集成电机泵喷推进器的结构简图，如图1所示。主要由主轴、导流罩、电机定子、粘有永磁体的转子叶轮以及导叶等部分组成[1]。其最外部为导流罩，类似喷水推进器的导管，并且起到支撑定子的作用。电机定子固定在外部导流罩中，转子叶轮外圈贴有永磁体片并且安装在主轴上并可以绕轴转动。导叶可以与轴做成一体，为静叶栅，它的作用是为了消除从叶轮后喷出的水的旋转运动，有效的回收喷出水的能量并平衡扭矩。工作时，电机定子线圈通电，产生磁场，贴有永磁体的叶轮作为电机的转子旋转，并且按照轴流泵设计理论设计的叶片抽水并向后排出，通过静叶栅导叶回收旋转能量后经由喷管喷出，为装置提供向前的动力。

2 水下机器人的推进方式

2.1 水下机器人

图1 集成电机泵喷推进器简图

水下机器人大致可以分为AUV和ROV两种：AUV是自主水下航行器，一般情况下不带缆，主要用途是深海作业；ROV一般为小型水下机器人，主要在浅水区域工作，一般情况下带电缆。

2.2 水下机器人的推进方式

水下机器人是一种主要在水下航行的潜水器，其推力是由潜水器的推进动力装置即推进器提供的。水下机器人常用的推进方式有：电机推进器、液压推进器、喷水推进器、磁流体推进器、仿生推进器等[2]。

中小型水下机器人多用电动机直接连接螺旋桨，称为电机推进器；大中型水下机器人普遍采用液压马达为推进动力，采用液压马达的液压推进系统受液压液体流量控制，有较大的调速范围。这两种推进方式都采用常规的螺旋桨推进。采用螺旋桨推进器时，为了使水下机器人在水下能够换向、旋转等，需增加推进器个数。

喷水推进也称泵喷推进，是一种利用喷射管喷出的高速水流的反作用提供推力的一种推进装置。水通过水下机器人上所装设的大流量高压水泵获得高速后，由喷射管喷出产生推力[3]。

此外，磁流体推进方面研究仍然不成熟，随着仿生学的发展，仿生推进器被人们提出，仿生推进器具有能源利用率高、流体性能更加完善、降低噪音、可采用多种驱动方式等特点，但限于设计和制造水平的原因，仿生推进技术还不成熟[4]。

3 推进器应用于水下机器人的特点

集成电机泵喷推进器是一种全新的推进方式，它集合了电力推进以及泵喷推进两者的优点。同时，这种新型的推进方式也有其缺点和局限性。具体的有以下几个方面：

（1）与热动力推进系统相比，电动力推进系统有噪声小、隐蔽性好、不受深度影响的特点；

（2）电动力系统调速方便，可以实现无级变速，可以满足控制系统的工作要求；

（3）推进效率高。推进器的静叶栅可以回收液流旋转能量，增加有效推进能量；推进器的导管可减少推进叶轮叶栅的滑流损失，增加有效推力，提高效率；

（4）噪声污染小。导管可以起到一定屏蔽噪声的作用，同样推进功率的推进器，推进器叶轮体积较小，降低机械旋转的噪声；

（5）同样航速下，抗空泡能力强。导管使来流均匀，同时，根据轴流泵设计理论设计的推进器的泵轴因泵的轴向长度的增加会比同等条件下设计螺旋桨推进器的桨毂的直径大，抗空泡能力强；

（6）几乎取消了水下机器人上的全部附体，而且消除了轴系和传动装置的损失以及螺旋桨的空泡损失，同时可以容易地操纵水下机器人；

（7）集成电机泵喷推进器应用于水下机器人的主要缺点，是要求零部件加工精度高，对材料的表面处理有很高的要求，成本高，而且现阶段仍处在实验阶段，对于远距离航行以及机动操作航行下的效率仍有待进一步研究。

4 推进器与水下机器人功率匹配

集成电机推进器与水下机器人的功率匹配，即推进器推力与航行体阻力、推进器功率与航行体吸收功率的平衡问题。本文拟以某ROV为例，计算机器人的航行阻力曲线，并利用喷水推进的基本原理加以修正，绘制推力曲线，两曲线相交点即为匹配点。

4.1 阻力计算

机器人的设计航速为10 kn，机器人长度L=0.7 m。水的运动粘性系数=，机器人湿表面积Ω≈

2.4 m2，速度与相应的雷诺数计算值如表1所列。阻力系数随雷诺数的变化，如图1所示。将图1中阻力系数曲线离散，计算得出水下机器人航行阻力曲线如图2所示。

表1 计算速度与雷诺数

图1阻力系数随雷诺数对数的变化

4.2 功率匹配方法及实例

具体步骤如下：

（1）给出已知条件：

机器人航行阻力曲线；推进器叶轮预期转速 ；预计电机提供的有效功率 ；预计汽蚀比转速 ；预计边界层影响系数 ；管道损失系

数 ；喷口截面损失系数 。

（2）求最佳效率的速比：

（1）

或 （2）

（3）根据水泵效率公式：

（3）

流量公式：

（4）

推进器叶轮前后的能量变化公式：

（5）

（6）

式中： 为水的密度；Q为推进泵流量；H为推进泵扬程；分别为推进器进出口的水流速度；

为边界层影响系数； 分别为管道进出口损失系数和用来流速度等效表示的管道损失系数。

对于已经确定的最佳速比，给定进水口速度，根据速比k确定喷口截面积、喷口速度，同时也确定了推进器泵的流量和扬程以及能够提供的推力。把进口速度从0开始变化到10 kn下在最佳速比的情况下能够产生的推力绘成一条曲线与机器人航行阻力曲线相交即得出在设计航速下的工作点。如果工作交点达不到设计航速的要求，则要增加原动机的功率，即预计电机提供的有效功率增大，重新计算绘图。

（4）在上面绘制推力与阻力曲线的交点处，读出该处的流量Q和扬程H的值，计算比转速以及汽蚀比转速 ，并判断是否满足汽蚀条件。

（5）一般来说，按上述步骤得出推进泵的参数、喷管直径，设计推进泵实体后，应该考虑重新布置管道进出水口，再次计算管道损失系数 以及边界层影响系数 。若得出结果与预估计算值出入较大，或者因为水泵重量引起阻力性能变化时，则应把计算有关数值重新一并考虑，重复上述计算过程，最后得到较为精确的结果。

以某水下机器人为例，进行功率匹配。该机器人设计航速v0=10 kn(约5.14 m/s)；推进泵叶轮转速n=1500 r/min ；预计边界层影响系数α=0.95、β=α2；

预计推进泵效率 η=0.93；预计收到电机功率Ne=1 200 W；管道损失系数ζ=0.35；进水管道损失系数ζ=0.3; 喷口损失系数ζ=0.02 。计算结果如图2所示。

图2 推进器与水下机器人的功率匹配

由匹配点得出推进器的主要参数：

有效功率Ne =1 200 W；喷口直径dj=80 mm；推进泵的流量Q=0.04 m3/s ；比转速ns =540；转速n=1 500 r/min；推进泵扬程H=2.68 m；泵负荷汽蚀余量要求初步校核：Hsv=8.4 m；=2.59 m。，初步设计符合汽蚀余量要求。

5结束语

本文首先介绍了集成电机泵喷推进器的结构与原理，以及水下机器人的推进方式。并详细阐述了集成电机泵喷推进器应用于水下机器人的特点。集成电机泵喷推进器集合了电力推进和泵喷推进的优点，可以作为水下机器人的一种最新推进方式，然而也存在加工精度高、制造成本高等劣势。最后，文章分析了集成电机泵喷推进器与水下机器人的功率匹配方法，并以某机器人为实例，给出了匹配曲线及参数，对未来集成电机泵喷推进器在水下机器人上的应用有一定指导意义。

参考文献

[1]何东林．集成电机泵喷推进器研究[D]．西安：西北工业大学工学硕士论文，2005.

[2]李一平.水下机器人推进过去现在和未来[J].自动化博览，2002，(3)：56-58.

[3] 吴民权，任潮海等.喷水推进器低损失进口管道研究[J].中国造船，1988，(3)：45-55.

[4]徐海军，谢海斌等.微小型水下机器人推进方式比较研究[J].兵工自动化，2009，28(4)：85-87.

作者简介：程鹏（1987-），男，教师。主要从事船舶轮机推进装置方面的研究。

贺波（1987-），男，教师。主要从事智能运输系统方面的研究。

收稿日期：2014-03-31