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一种超小型水下推进器的研究与开发,水下推进器,潜水水下推进器,微型水下推进器,自..
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一种超小型水下推进器的研究与开发
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方位推进器的水下安装
文章摘要：The semi-submersible crane vessel Thialf owned by Heerema Marine Contractors recently required more powerful azimuthing thrusters to keep on station in more adverse sea conditions. The retrofit set an interesting challenge as the work had to be completed underwater with the vessel afloat.
文章关键词：
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当前位置：>>>一种超小型水下推进器的研究与开发
曾钕钋，刘丰，吴永成
（武汉第二船舶设计研究所，湖北 武汉，430064）
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。
关键词：超小型 水下推进器 DPV
中图分类号：U242 文献标识码：A 文章编号：
Research and Development of an Ultra Small Dive Propulsion Vehicle
Zeng Nv-po, Liu feng, Wu yong-cheng
(Wuhan second ship design and research institute)
Abstract: This article introduced the composition and working principle of dive propulsion vehicle at home and abroad, have analysed the key technologies in the equipment, and aimed at these key technologies to carry on the optimized design, developed one kind of new dive propulsion vehicle. Through the prototypical trial manufacturing and the experiment, this vehicle performance is superior, for further developed the submarine propeller the research to provide the basis.
Key words: sub-mini dive propulsion vehicle
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Aeris DPV、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：
1.1 主要组成
1.2 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。
1.3 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。
1.4 壳体：主要是水下推进器外形及内部骨架，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。
1.5 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。
1.6 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。
1.7 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。
1.8 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。
1.9 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。螺旋桨的适当与否直接决定了产品最重要的性能指标，如速度与推力。
1.11 图1 水下推进器示意图
1.12 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
1.13 1.2 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2～3节，系柱推力约100N，推进时间为30～120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：
2.1 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。
2.2 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。
2.3 密封设计
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。
2.4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：
3.1 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。该壳体截面均为椭圆型，线型从0＃~6＃为圆弧段，7＃~9＃为直线段，10＃~18＃也为圆弧段，具体数值见表1。该线型使得该水下推进器水阻小，生产制造方便，承受压力能力强。
图2 水下推进器壳体线形图
表1 水下推进器线形数值表
根据上面线型，水下推进器被分成三段，其中0＃～6＃为壳体前段，7＃～14＃为壳体中段，15＃～18＃为壳体尾段。在壳体前段0＃之前加装扶手，从而方便搬运与减少水阻。壳体前段与壳体中段通过密封槽、O型圈与搭扣进行密封，这一密封面是进入水下推进器内部，进行维修、电池安放的唯一途径。壳体尾段安装导流管，与壳体中段通过螺栓联结，控制手柄通过非接触形式，安装在壳体中段靠后的位置。
3.2 螺旋桨设计
WT1-40B，WT1-50设计特别选取了荷兰水池的一种适用于重载的标准加速导流管螺旋桨。即19A型导流管以及与之配套的Ka型螺旋桨Ka3－65。选用该型导流管螺旋桨的目的如下：此导流管螺旋桨适合于重载荷的工况，在此工况下，其推力相对较大。导流管螺旋桨较为安全，非常适合此载人水下推进器的工作状态。
对同一型螺旋桨，不同的螺距比P/D，就有不同的倘水系数，因此采取多条件计算、并比较所得结果的方法来进行最佳方案的选择。在此前提下选取了D＝200mm，D=250mm，D＝300mm三个直径，在假定航速为2.5kn时，分别在转速为900，750，600，450r/min条件下计算了各个直径下螺距比P/D＝1.4，1.2，1.0，0.8，0.6情况下的共60组数据。设计追求的目标是导流管螺旋桨在什么样的转速，多大的直径，多少的螺距比下产生的推力最大，与电机配合的最好。
经过对计算结果的比较分析，以及与电机的配合考虑，认为比较好的方案是P/D＝0.8，N＝600r/min，D＝250mm，此时在设计航速2.5kn的条件下的推力大概为6.278kgf，螺旋桨的系柱推力大致为12.425kgf。在1.5kn的第二档航速下，螺旋桨的推力4.538 kgf对应的系柱推力为8.170kgf。在450r/min时要想提高推力则需要加大螺距比P/D值，而做变螺距的螺旋桨工艺要高，而且费用也较高，因此最后决定采用不变螺距而采用电机调速的方法改变转速来达到改变航速的目的，即600r/min对应为航速为2.5kn时的转速，450r/min（或者转速更高一些）对应为1.5kn时的转速。电机额定功率时正好达到600r/min的转速，而450r/min的转速通过电机调速来达到。
在通过一系列的计算后，得出了所需19A导管＋Ka3－65螺旋桨的基本参数：直径D＝250mm，螺距比P/D＝0.8，工作转速N＝600r/min，额定功率P＝140W，导流罩长径比L/D＝0.5，间隙c＝1.5mm；并绘制出了导管及螺旋桨的总图，见图3。
图3 导管及螺旋桨总图
3.2 密封设计
在密封设计中，WT1-40B，WT1-50采用机械密封以及密封材料填充密封。根据壳体分段情况，在壳体前段与中段结合处使用特制O型圈，规格为&P250&5压紧密封，该分段主要是电池、控制装置的安装处。壳体中段与后段采用的也是O型圈，在同一截面不同位置分别安装标准O型圈。在螺旋桨轴处采用双唇形密封圈，依靠水压进行桨轴密封。
壳体前段与壳体中段用电池安装板隔开，在电机安装并调试完毕后通过环氧树脂填料密封，使得电池安装板完全隔开电池与电机，分别形成密闭腔。手柄、电池指示灯与中段连接处也使用环氧树脂密封。因此壳体中段在推进器出厂后相关填料密封处为不可逆状态，但其一般密封牢靠，相较密封件密封来说很少发生渗漏，万一发生泄漏则只能返厂维修。
3.4安全及其他设计
在安全方面除了上面的密封设计外，安全设计中还应包括电路设计，手柄设计，传动设计等。电路设计主要是根据推进器的使用情况，电路能显示剩余电量，根据电量提醒使用者适时返航。手柄设计主要是防止渗水，在WT1-40B，WT1-50设计中采用干簧管式磁力感应开关，开关通过非磁性材料密封后直接浸入水中，非接触式磁力方式启挺控制潜水器。传动设计中磁力耦合方式是最安全的，但其传动效率不高，在本开发中主要是采取带减速箱驱动电机，然后把这个传动部件设计为一体，完全用金属壳体密封起来，很好的保证了其安全性。其他方面还需要设计校核总体的重量重心以及排开水的浮力浮心，以及浮力调整装置的形式，最后使得此水下推进器在水中的浮力基本为零，从而减轻潜水员的负担，保护其生命安全。
根据以上设计结果，水下推进器的总体结构设计如下图4。
1上盖扶手2壳体前段3电池支撑框4电池5电池固定架6电池安装板7电机8上盖密封框9壳体中段10开关手柄11法兰12密封圈13传动部件14壳体尾段15导流罩16销轴17螺旋桨18紧固螺母19尾盖图4 水下推进器总体
水下推进器研制开发以后，必需对其进行相关试验，以检测其性能与安全可靠性。主要有密封试验，耐压试验，性能试验等。
水下推进器密封试验前，卸掉驱动电机与电池，并在壳体内部有可能进水之处涂抹感水物质，然后安装完毕水下推进器，沉放入水中2～3个小时，根据现场可以看到进水留下的痕迹，不仅显示了进水位置还可以估计进水剧烈程度。本研发过程中多次试验，壳体内部并没有浸水，从而肯定了水下推进器的结构是可靠的。
耐压试验主要是测试水下推进器壳体的强度，从而保证水下推进器的潜水深度。在密封试验完成后，确保水下推进器不进水的情况下，把水下推进器安装完整，同密封试验安装一样，不包括电机与电池，放入加压试验装置中，设定水压力为5M Pa, 2～3个小时后拿出水下推进器，检查其外壳表面，看是否有明显变形。试验中水下推进器表面保持完好，并无变形痕迹。
性能试验包括推力试验、航速试验、运行时间等试验。推力试验在标准长度50m水池中进行，用测力弹簧测出水下推进器在水中稳定推力约为100N；航速试验以50m长度载人航行时间为观测对象，平均其观测结果换算得到水下推进器的航速为2节。实际运行时间则以一次充电完全后载人航行时间为准，在水下推进器试验中，测试得到数值为100分钟。
结合以上设计与试验，WT1-40B，WT1-50的最终产品总图及样机实物如下：
图5产品总图及样机
就目前国内调查来看，在民用、军用等各个方面，水下推进器的需求已经突现出来。此开发研究主要完成了水下推进器样机的试制工作，相关技术限于篇幅不能详尽介绍。此水下推进器针对现有同类产品存在的问题进行了一系列的改进，经试验表明，该设计合理，方案可行，研制出的装置性能稳定可靠，为后续成批生产提供了较好的基础，并对今后类似装置的研制开发具有重要的参考价值。
[1]蒋新松,封锡盛,等.水下机器人[M]. 沈阳，辽宁科学技术出版社，2000.
[2]翟宇毅,刘亮,龚振邦.超小型水下机器人的发展现状及若干问题探讨 [J].机床与液压：2005.NO. 2.
[3]宋 鑫,叶家玮,等.超小型水下机器人改进设计及其智能控制系统[J].机器人，2007（第29卷）.
曾钕钋，刘丰，吴永成
（武汉第二船舶设计研究所，湖北 武汉，430064）
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。
关键词：超小型 水下推进器 DPV
中图分类号：U242 文献标识码：A 文章编号：
Research and Development of an Ultra Small Dive Propulsion Vehicle
Zeng Nv-po, Liu feng, Wu yong-cheng
(Wuhan second ship design and research institute)
Abstract: This article introduced the composition and working principle of dive propulsion vehicle at home and abroad, have analysed the key technologies in the equipment, and aimed at these key technologies to carry on the optimized design, developed one kind of new dive propulsion vehicle. Through the prototypical trial manufacturing and the experiment, this vehicle performance is superior, for further developed the submarine propeller the research to provide the basis.
Key words: sub-mini dive propulsion vehicle
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Aeris DPV、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：
1.1 主要组成
1.2 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。
1.3 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。
1.4 壳体：主要是水下推进器外形及内部骨架，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。
1.5 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。
1.6 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。
1.7 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。
1.8 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。
1.9 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。螺旋桨的适当与否直接决定了产品最重要的性能指标，如速度与推力。
1.11 图1 水下推进器示意图
1.12 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
1.13 1.2 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2～3节，系柱推力约100N，推进时间为30～120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：
2.1 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。
2.2 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。
2.3 密封设计
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。
2.4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：
3.1 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。该壳体截面均为椭圆型，线型从0＃~6＃为圆弧段，7＃~9＃为直线段，10＃~18＃也为圆弧段，具体数值见表1。该线型使得该水下推进器水阻小，生产制造方便，承受压力能力强。
图2 水下推进器壳体线形图
表1 水下推进器线形数值表
根据上面线型，水下推进器被分成三段，其中0＃～6＃为壳体前段，7＃～14＃为壳体中段，15＃～18＃为壳体尾段。在壳体前段0＃之前加装扶手，从而方便搬运与减少水阻。壳体前段与壳体中段通过密封槽、O型圈与搭扣进行密封，这一密封面是进入水下推进器内部，进行维修、电池安放的唯一途径。壳体尾段安装导流管，与壳体中段通过螺栓联结，控制手柄通过非接触形式，安装在壳体中段靠后的位置。
3.2 螺旋桨设计
WT1-40B，WT1-50设计特别选取了荷兰水池的一种适用于重载的标准加速导流管螺旋桨。即19A型导流管以及与之配套的Ka型螺旋桨Ka3－65。选用该型导流管螺旋桨的目的如下：此导流管螺旋桨适合于重载荷的工况，在此工况下，其推力相对较大。导流管螺旋桨较为安全，非常适合此载人水下推进器的工作状态。
对同一型螺旋桨，不同的螺距比P/D，就有不同的倘水系数，因此采取多条件计算、并比较所得结果的方法来进行最佳方案的选择。在此前提下选取了D＝200mm，D=250mm，D＝300mm三个直径，在假定航速为2.5kn时，分别在转速为900，750，600，450r/min条件下计算了各个直径下螺距比P/D＝1.4，1.2，1.0，0.8，0.6情况下的共60组数据。设计追求的目标是导流管螺旋桨在什么样的转速，多大的直径，多少的螺距比下产生的推力最大，与电机配合的最好。
经过对计算结果的比较分析，以及与电机的配合考虑，认为比较好的方案是P/D＝0.8，N＝600r/min，D＝250mm，此时在设计航速2.5kn的条件下的推力大概为6.278kgf，螺旋桨的系柱推力大致为12.425kgf。在1.5kn的第二档航速下，螺旋桨的推力4.538 kgf对应的系柱推力为8.170kgf。在450r/min时要想提高推力则需要加大螺距比P/D值，而做变螺距的螺旋桨工艺要高，而且费用也较高，因此最后决定采用不变螺距而采用电机调速的方法改变转速来达到改变航速的目的，即600r/min对应为航速为2.5kn时的转速，450r/min（或者转速更高一些）对应为1.5kn时的转速。电机额定功率时正好达到600r/min的转速，而450r/min的转速通过电机调速来达到。
在通过一系列的计算后，得出了所需19A导管＋Ka3－65螺旋桨的基本参数：直径D＝250mm，螺距比P/D＝0.8，工作转速N＝600r/min，额定功率P＝140W，导流罩长径比L/D＝0.5，间隙c＝1.5mm；并绘制出了导管及螺旋桨的总图，见图3。
图3 导管及螺旋桨总图
3.2 密封设计
在密封设计中，WT1-40B，WT1-50采用机械密封以及密封材料填充密封。根据壳体分段情况，在壳体前段与中段结合处使用特制O型圈，规格为&P250&5压紧密封，该分段主要是电池、控制装置的安装处。壳体中段与后段采用的也是O型圈，在同一截面不同位置分别安装标准O型圈。在螺旋桨轴处采用双唇形密封圈，依靠水压进行桨轴密封。
壳体前段与壳体中段用电池安装板隔开，在电机安装并调试完毕后通过环氧树脂填料密封，使得电池安装板完全隔开电池与电机，分别形成密闭腔。手柄、电池指示灯与中段连接处也使用环氧树脂密封。因此壳体中段在推进器出厂后相关填料密封处为不可逆状态，但其一般密封牢靠，相较密封件密封来说很少发生渗漏，万一发生泄漏则只能返厂维修。
3.4安全及其他设计
在安全方面除了上面的密封设计外，安全设计中还应包括电路设计，手柄设计，传动设计等。电路设计主要是根据推进器的使用情况，电路能显示剩余电量，根据电量提醒使用者适时返航。手柄设计主要是防止渗水，在WT1-40B，WT1-50设计中采用干簧管式磁力感应开关，开关通过非磁性材料密封后直接浸入水中，非接触式磁力方式启挺控制潜水器。传动设计中磁力耦合方式是最安全的，但其传动效率不高，在本开发中主要是采取带减速箱驱动电机，然后把这个传动部件设计为一体，完全用金属壳体密封起来，很好的保证了其安全性。其他方面还需要设计校核总体的重量重心以及排开水的浮力浮心，以及浮力调整装置的形式，最后使得此水下推进器在水中的浮力基本为零，从而减轻潜水员的负担，保护其生命安全。
根据以上设计结果，水下推进器的总体结构设计如下图4。
1上盖扶手2壳体前段3电池支撑框4电池5电池固定架6电池安装板7电机8上盖密封框9壳体中段10开关手柄11法兰12密封圈13传动部件14壳体尾段15导流罩16销轴17螺旋桨18紧固螺母19尾盖图4 水下推进器总体
水下推进器研制开发以后，必需对其进行相关试验，以检测其性能与安全可靠性。主要有密封试验，耐压试验，性能试验等。
水下推进器密封试验前，卸掉驱动电机与电池，并在壳体内部有可能进水之处涂抹感水物质，然后安装完毕水下推进器，沉放入水中2～3个小时，根据现场可以看到进水留下的痕迹，不仅显示了进水位置还可以估计进水剧烈程度。本研发过程中多次试验，壳体内部并没有浸水，从而肯定了水下推进器的结构是可靠的。
耐压试验主要是测试水下推进器壳体的强度，从而保证水下推进器的潜水深度。在密封试验完成后，确保水下推进器不进水的情况下，把水下推进器安装完整，同密封试验安装一样，不包括电机与电池，放入加压试验装置中，设定水压力为5M Pa, 2～3个小时后拿出水下推进器，检查其外壳表面，看是否有明显变形。试验中水下推进器表面保持完好，并无变形痕迹。
性能试验包括推力试验、航速试验、运行时间等试验。推力试验在标准长度50m水池中进行，用测力弹簧测出水下推进器在水中稳定推力约为100N；航速试验以50m长度载人航行时间为观测对象，平均其观测结果换算得到水下推进器的航速为2节。实际运行时间则以一次充电完全后载人航行时间为准，在水下推进器试验中，测试得到数值为100分钟。
结合以上设计与试验，WT1-40B，WT1-50的最终产品总图及样机实物如下：
图5产品总图及样机
就目前国内调查来看，在民用、军用等各个方面，水下推进器的需求已经突现出来。此开发研究主要完成了水下推进器样机的试制工作，相关技术限于篇幅不能详尽介绍。此水下推进器针对现有同类产品存在的问题进行了一系列的改进，经试验表明，该设计合理，方案可行，研制出的装置性能稳定可靠，为后续成批生产提供了较好的基础，并对今后类似装置的研制开发具有重要的参考价值。
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