Σύγχρονος σχεδιασμός κινητήρων UUV

Εικόνα: Donald MacPherson / Hydrocomp

Εικόνα: Donald MacPherson / Hydrocomp

Previous Next

Από τη σκοπιά της φυσικής πρόωσης των οχημάτων, ένα μη επανδρωμένο υποβρύχιο όχημα (UUV) διαφέρει ελάχιστα από το προσωπικό σκι ή το βυτιοφόρο. Μοιράζεται το μοντέλο συστήματος Vessel-Propulsor-Drive, το οποίο επιτρέπει στον προωθητή να μετατρέψει την ενέργεια κίνησης σε ώθηση με σκοπό τη μετακίνηση ενός σκάφους. Οι βασικές αρχές της ισορροπίας ώθησης και της κίνησης είναι κοινές και στις τρεις, όπως και η μετάφραση της περιστροφικής ενέργειας σε αξονική ώθηση από το κεντρικό στοιχείο του συστήματος - τον Εκκινητή.

Δεν μοιράζονται διαφορετικοί τύποι οχημάτων είναι οι περιορισμοί και οι στόχοι σχεδιασμού που είναι μοναδικοί για την αποστολή κάθε οχήματος. Για παράδειγμα, ένα σκάφος για σκι μπορεί να χρειαστεί μεγάλη ώθηση στις ταχύτητες ρυμούλκησης και είναι πρόθυμο να εγκαταλείψει την πιθανή τελική ταχύτητα για να επιτύχει αυτή την απαίτηση αποστολής. Η σχέση μετάδοσης και τα χαρακτηριστικά της έλικας έχουν σχεδιαστεί για το σκοπό αυτό. Ένα δεξαμενόπλοιο μπορεί να χρειαστεί τη μεγαλύτερη αποτελεσματικότητά του στην "ταχύτητα των επιχειρήσεων" για τη μεγαλύτερη οικονομική απόδοση. Ή μπορεί επίσης να έχει έναν περιορισμό για εκπομπές ή μείωση καυσίμου, απαιτώντας συμβιβασμό στο σχεδιασμό της έλικας.

Τα υποβρύχια οχήματα έχουν τη δική τους δέσμη απαιτήσεων σχεδίασης του κινητήρα που σχετίζονται με τις διάφορες αποστολές τους, όπως η διάρκεια ζωής της μπαταρίας (ή η μεγαλύτερη απόσταση που διανύθηκε για τον προϋπολογισμό της μπαταρίας), μέγιστη διάμετρος σώματος, ελάχιστη επιχειρησιακή ταχύτητα, εξέταση περιβλημάτων ή ακροφυσίων για υδροδυναμική απόδοση ή ασφάλεια από έλικα επαφή, ή μείωση του θορύβου για να εξασφαλιστεί η αθόρυβη λειτουργία για τη συλλογή δεδομένων. Αυτή είναι η ρύθμιση για τη δουλειά μας για το σχεδιασμό του κινητήρα UUV στο HydroComp και αρχίζει με μια συνέντευξη πελάτη για να συλλέξει τις πολύ σημαντικές πληροφορίες για ένα επιτυχημένο σχέδιο σχεδίασης. Το μοντέλο Vessel-Propulsor-Drive είναι ένα καλό πλαίσιο για τέτοιου είδους συζητήσεις.

Σκάφος
Το τυπικό UUV είναι μια μορφή γάστρας του σώματος (που ονομάζεται επίσης αξο-συμμετρική μορφή) που έχει μύτη, σώμα και ουρά. Για το μέγιστο εσωτερικό όγκο του εξοπλισμού, ορισμένα οχήματα έχουν πολύ μικρή μύτη και ουρά. Όπως μπορείτε να περιμένετε, υπάρχει μια ορισμένη ποινή σύλληψης για μια αμβλύ μύτη και μια ποινή πρόωσης για τη ροή στον προωθητή που δεν είναι αξονική αλλά κατά μήκος μιας απότομης κλίσης. Μέρος της δουλειάς μας είναι να εξισορροπήσουμε το διαφορετικό μέρος της αντίστασης - την παραγωγή κύματος ή την αντίσταση πίεσης σε σχέση με την τριβή ή την ιξώδη οπισθέλκουσα - για να έχουμε το λιγότερο αποτέλεσμα αντίστασης προς όγκο. Στην πραγματικότητα, αυτό δεν είναι εντελώς αλήθεια. Θέλουμε πραγματικά ένα ελάχιστο αποτέλεσμα ισχύος προς όγκο και η γεωμετρία της ουράς θα επηρεάσει σε μεγάλο βαθμό την ικανότητα του προωστήρα να αναπτύξει χρήσιμη αξονική ώθηση από την περιστροφική ενέργεια.

Ως εκ τούτου, πολλά σχέδια σχεδιασμού προωστήρα ξεκινούν με την πρόβλεψη συντελεστών οπισθέλκουσας και προωθητήρων του οχήματος (κλάσμα αφύπνισης και αφαίρεση ώσης) χρησιμοποιώντας το λογισμικό NavCad® για υδροδυναμική και προσομοίωση συστήματος πρόωσης. Μια ειδική υποβρύχια μονάδα οχήματος παρέχει ισχυρές δυνατότητες πρόβλεψης για φόρμες μορφής κύτους UUV με τορπίλη.

Εικόνα: Drive Hydrocomp
Από την άλλη πλευρά του κινητήρα είναι το Drive, το οποίο τυπικά θα είναι ηλεκτρικό μοτέρ. Οι κινητήρες ποικίλλουν στα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά, αλλά τα κρίσιμα δεδομένα για το σχεδιασμό του κινητήρα είναι η καμπύλη μηχανικής ισχύος εξόδου-RPM στον άξονα. Η "ανάντη" ηλεκτρική ισχύς εισόδου είναι σημαντική, φυσικά, και παρέχει έναν επιχειρησιακό περιορισμό. Χαρακτηρίζουμε την ηλεκτρική ισχύ εισόδου με την καμπύλη αποδοτικότητας του κινητήρα, η οποία βοηθά στην απάντηση στο ερώτημα: Ποια είναι η βέλτιστη σειρά RPM στόχων μας, αν η μέγιστη διάρκεια ζωής της μπαταρίας είναι η υψηλότερη προτεραιότητα; Από την άλλη πλευρά, είναι η καμπύλη ισχύος-RPM του άξονα που μας δείχνει τις στροφές ανά λεπτό για τη μέγιστη δυνατή ισχύ άξονα και, κατά συνέπεια, τις στροφές ανά λεπτό για τη μέγιστη δυναμική ώθηση του κινητήρα και την ταχύτητα του οχήματος.

Όπως μπορείτε να δείτε από τις αντιπροσωπευτικές καμπύλες μοτέρ της ισχύος του άξονα και της ηλεκτρικής απόδοσης έναντι των στροφών RPM, η υψηλότερη δυναμική ισχύς σπάνια (αν συμβεί ποτέ) εμφανίζεται στην υψηλότερη απόδοση ηλεκτρικής εισόδου. Έτσι, πρέπει συχνά να ορίσουμε το σημείο σχεδιασμού RPM ως συμβιβασμό που δεν δίνει ούτε την υψηλότερη ισχύ εξόδου ούτε την καλύτερη ηλεκτρική απόδοση.

Επίσης, σχετική με οποιαδήποτε συζήτηση σχετικά με τις κινητήριες μονάδες UUVs είναι ότι οι RPM του άξονα είναι σχεδόν πάντοτε αισθητά υπερβολικά υψηλές για τη βέλτιστη λειτουργία του κινητήρα. Δεν είναι ασυνήθιστο να βλέπουμε κάποια μορφή μετάδοσης για να επιτύχουμε την καλύτερη απόδοση του κινητήρα - ή να δεχτούμε ότι ο κινητήρας μπορεί να λειτουργεί με μέτρια απόδοση.

Προωθητής
Θα σημειώσετε τη χρήση του όρου "propulsor" και όχι "propeller". Αυτό ενισχύει την ιδέα ότι ένα ακροφύσιο και μια έλικα (όπως συναντάται στα περισσότερα UUV και συχνά αποκαλούμενα "τροφοδότης" του οχήματος) είναι μια διαδραστική μονάδα, ο Propulsor. Ο σχεδιασμός Propulsor είναι ένας συνδυασμός εύρεσης της καλύτερης έλικας και του ακροφυσίου (που ονομάζεται επίσης αγωγός ή κάλυμμα), ενώ παρακολουθούν την αλληλεπίδραση τους. Με άλλα λόγια, πρέπει να χρησιμοποιήσετε εργαλεία σχεδίασης που περιλαμβάνουν αυτήν την αλληλεπίδραση, όπως το NavCad για τη μοντελοποίηση συστήματος ή το PropElements® για το σχεδιασμό εξαρτημάτων με έλικα.

Σε όλα τα έργα σχεδιασμού του κινητήρα UUV, ένας καθολικός στόχος είναι να αναπτυχθεί μια γεωμετρία που παράγει την υψηλότερη αναλογία ωφέλιμης δύναμης (απόδοση), την οποία επιτυγχάνουμε χρησιμοποιώντας καλά καθιερωμένες πρακτικές. Είναι γενικά η επιρροή των εξωτερικών οδηγών σχεδιασμού που μπορούν να κάνουν τον επιτυχημένο σχεδιασμό του κινητήρα UUV τόσο δύσκολο. Για παράδειγμα, τα RPM μπορούν να είναι υπερβολικά υψηλά (όπως σημειώνεται παραπάνω). Οι γεωμετρικοί περιορισμοί μπορούν να περιορίσουν τη μέγιστη διάμετρο (για να εξασφαλιστεί ότι παραμένουν εντός της διάμετρος του σώματος) ή μπορούν να επηρεάσουν τον σχεδιασμό για να υπολογίσουν την κλίση της ουράς του οχήματος.

Είναι σημαντικό να αφιερώσετε μια στιγμή και να αναφέρετε τις συνέπειες της κατασκευής του κινητήρα UUV. Υπάρχει ουσιαστική συζήτηση στον τύπο για την παρασκευή προσθέτων (AM) για έλικες. Αν και αυτό μπορεί να είναι ελκυστικό από οικονομική άποψη και από άποψη σκοπιμότητας, πρέπει να φροντίσουμε ώστε η απόδοση να μην υπονομεύεται από την ακατάλληλη υφή της επιφάνειας (που μπορεί να έχει τεράστια επίδραση στον προωθητή μικρού μεγέθους που βρίσκεται στα περισσότερα UUV), αποτυχίες στην κόπωση ή υδροελαστική κάμψη στη λεπίδα. Η HydroComp έχει αναπτύξει επιτυχημένες πρακτικές για τη χρήση ΑΜ για μικρούς προωθητές μέσω μιας σειράς εσωτερικών ερευνητικών έργων.

Πέρα από αυτά τα πρακτικά ζητήματα σχεδιασμού, ένας από τους πιο ενδιαφέροντες σύγχρονους οδηγούς σχεδίασης το θέμα του ακτινοβολούμενου θορύβου. Στο πλαίσιο μιας ευρύτερης πρωτοβουλίας βιωσιμότητας, η HydroComp έχει αναπτύξει εμπειρογνωμοσύνη στην πρόβλεψη και τον μετριασμό της υδροακουστικής προωστήρα (ο όρος που συλλαμβάνει τον θόρυβο και τους κραδασμούς). Αυτή η γνώση είναι επίσης διαθέσιμη σε άλλους ναυτικούς αρχιτέκτονες και μηχανικούς καθώς αναπτύσσονται νέα υδροακουστικά χαρακτηριστικά για τα εργαλεία μας. Η ευαισθησία ενός έργου στον θόρυβο είναι πλέον πάντα μέρος της συζήτησης με τους πελάτες της μηχανικής σχεδίασης κινητήρων UUV.

Όλη η υδροακουστική διέγερση είναι από τη διακύμανση της μάζας (η περιοδική κίνηση της μάζας ρευστού). Η υδροακουστική που προκαλείται από τον κινητήρα προκαλείται γενικά από μεταβολές στις ζώνες χαμηλής πίεσης της έλικας καθώς περιστρέφεται μέσα και έξω από "σκιασμένες" περιοχές, όπως πίσω από το στύλο ή το πτερύγιο ελέγχου. Μέρος της διακύμανσης είναι απλά από τη μεταβολή της κατεύθυνσης ροής γύρω από την λεπίδα που προκαλείται από την μεταβαλλόμενη εισροή, αλλά πιο σημαντικά από την ταχεία διαστολή και κατάρρευση της σπηλαίωσης της λεπίδας. Κάθε μία από αυτές αξιολογείται ως μέρος του σχεδιασμού του κινητήρα μας, με μετριασμό όπως απαιτείται από τις αλλαγές στο περίγραμμα της λεπίδας και την κατανομή της καμπύλης-βήματος.

Η υπερβολική υδροακουστική διέγερση - και η μετάδοση - μπορούν επίσης να βοηθηθούν με ένα δημιουργικό σχεδιασμό ακροφυσίων. Χρησιμοποιώντας το υπόβαθρό μας στη μοντελοποίηση των επιδόσεων των ακροφυσίων, μπορούμε να εξετάσουμε εάν η συγκεκριμένη γεωμετρία του ακροφυσίου μπορεί να προσφέρει την απαραίτητη καταστολή, καθώς και οποιαδήποτε απώλεια της απόδοσης του προωστήρα.

Έτσι, ενώ ο σχεδιασμός του κινητήρα UUV έχει τη συλλογή του από μοναδικές προκλήσεις, εξακολουθεί να είναι απλώς ένα συστατικό έργο μέσα σε ένα μεγαλύτερο πρόβλημα του συστήματος. Μπορεί να προσφέρει μια ικανοποιητική πρόκληση μηχανικής, μία που μπορεί να ολοκληρωθεί επιτυχώς με λίγη προσοχή, κατάλληλα εργαλεία και πρακτική εμπειρία.

Σχετικά με τον Συγγραφέα

Donald MacPherson, ο συγγραφέας.

Ο Donald MacPherson, κορυφαίος ειδικός στην προσομοίωση του συστήματος πρόωσης, είναι ο Τεχνικός Διευθυντής της HydroComp, όπου επιβλέπει όλες τις υπηρεσίες ανάπτυξης λογισμικού και μηχανικών. Είναι πτυχιούχος του Ινστιτούτου Webb, είναι μέλος του SNAME και μέλος του πάνελ υδροδυναμικής προώθησης.