变螺距推进器设计与研究

本文提出了一种采用螺距变化方式实现侧向力输出的水下航行器推进器方案.该推进器内部有主推电机、螺距控制电机及齿轮组,螺距控制轴与推进主轴同轴安装,通过对电机转速进行控制可以周期性地改变桨叶的螺距角,从而实现侧向力输出.采用计算流体动力学(CFD)方法对该推进器的水动力特性进行了研究,结果表明:采用正弦曲线的规律控制螺距角变化可以产生稳定的侧向力,侧向力曲线在桨盘极坐标下为圆形;平均侧向力方向与螺距控制初始相位方向一致;在螺距角变化幅值为 9°的情况下,产生的平均侧向力大小约为 40 N.此外还仿真研究了侧向力、推力与螺距角变化幅值、转速的关系,结果表明:当螺距角变化采用正弦曲线时,推进器产生的平均侧向力与螺距角变化幅值及转速的平方成正比;而平均推力受螺距角变化幅值影响不大,与转速的平方成正比.将仿真结果应用于自主水下航行器(AUV)的动力学模型,验证装有此推进器的 AUV 的操纵情况.计算结果表明,当水下升潜和水平回转运动时,采用基于螺距控制的推进器可以实现良好的操纵效果.相较于传统的螺旋桨+舵的操纵方式,该方案结构简单、减少了电机数量、提升了 AUV 艉部空间利用率.与已有矢量推进方案相比,变螺距推进器具有结构简单、可靠性高、侧向力可控性好的优点.台架测试结果表明该变螺距原理能够实现桨叶螺距的周期调整,可用于实现AUV平台的矢量推进.