Thruster Design für Tauchentwickler

Bild: Hydrocomp

Previous Next

Viele Unternehmen, die an der Entwicklung von Tauchfahrzeugen beteiligt sind, sind auch bestrebt, das Fahrzeug mit einem kundenspezifischen Strahlruder auszustatten. Diese Unternehmen verfügen in der Regel über Know-how in der Fahrzeug- und Antriebskonstruktion, haben jedoch keine Erfahrung mit der Konstruktion von Antrieben. Es ist auch nicht zu erwarten, dass sie über die speziellen Tools verfügen, die für eine effiziente Auslegung, Analyse und Optimierung von Triebwerken erforderlich sind. In diesem Artikel werden Entwickler von Tauchfahrzeugen in die Konstruktionspraktiken eingeführt, die HydroComp und andere Spezialisten anwenden, um Triebwerkskonstruktionen zu entwickeln, die zu den Triebwerken mit dem höchsten Leistungsverhältnis im Einsatz gehören.

PROPULSOR DESIGN ZIELE

Das ultimative Ziel der Triebwerkskonstruktion für die Fahrzeugentwicklung ist in der Regel ein 3D-CAD-Modell des Propellers und der Düse, das die technische und geschäftliche Mission des Fahrzeugs unterstützt und verbessert. Drei Hauptaufgabengruppen bilden ein vollständiges Projekt für die Auslegung von Strahlrudern - die Abstimmung des Fahrzeugantriebssystems, die Optimierung der Strahlruderkomponenten und die geometrische Modellierung.

Fahrzeug-Propulsor-Drive-System passend

In diesem ersten Arbeitspaket werden die wichtigsten Propeller- und Düseneigenschaften festgelegt, die ordnungsgemäß auf das System abgestimmt sind. Entscheidend für den Gesamterfolg des Konstruktionsprozesses des Triebwerks ist, dass zunächst die entsprechenden Hauptspezifikationen für den Antrieb und das Antriebssystem festgelegt werden. Erst dann können die Propeller- und Düsenkomponenten im Detail konstruiert werden. Propulsorspezifikationen, die während des Systemdesigns festgelegt werden, sind typischerweise: Konfiguration (offen vs. abgelenkt), Düsenart (je nach Bedarf), Blattanzahl, Durchmesser, Steigung und Blattflächenverhältnis. Kritische Antriebsparameter (die gleichzeitig bestimmt werden) sind die mechanische Wellenleistung (keine elektrische Leistung), die Drehzahl und die Position des Auslegungspunkts auf der Wellenleistungskurve des Antriebs (z. B. die Verwendung der Leistungskurven des Elektromotors, um die Leistung im Verhältnis zur Batterielebensdauer auszugleichen, z Beispiel).

Optimierung der Triebwerkskomponenten

Diese Aufgabengruppe bietet eine hydrodynamisch optimierte Propellergeometrie (innerhalb des ausgewählten Düsentyps), die für die hydrodynamischen Eigenschaften des jeweiligen Fahrzeugs und dessen Wechselwirkung mit dem Antrieb „auf Leistung ausgelegt“ ist. Nachdem die hauptsächlichen Systemeigenschaften von Propeller und Antrieb in der vorherigen Phase definiert wurden, können die Details der Propellerkomponente entworfen werden. Dieser als "wake-adaptiertes Propellerdesign" bezeichnete Prozess liefert die radialen Formparameter, die Größe (Sehne, Dicke, Folie), Auftrieb (Steigung, Sturz) und Position (Neigung, Neigung) widerspiegeln. Diese Parameter sind auf eine bestimmte Fahrzeuggeschwindigkeit, die erforderliche Axiallast und die Wellendrehzahl (dh den „Auslegungspunkt“) ausgelegt und unterstützen Auswertungen für Kavitation und Blattfestigkeit.

Für eine Mehrzweckanwendung (z. B. ein adaptives UUV, das sowohl als AUV für den Transit als auch als ROV für das Arbeitspferd fungiert) ist möglicherweise eine ausgewogene Perspektive für ein „Kompromiss“ -Design erforderlich. Wenn sich die Leistungsziele ändern, ändern sich auch die optimalen Eigenschaften des Propellers - und seiner Düse. Die Multi-Mode-Optimierung ist nicht schwierig. Es bedarf nur einiger Sorgfalt, um die Entwürfe im Kontext der gesamten Missionsanforderungen zu überprüfen. In vielen Fällen kann eine gewichtete Berechnung des Leistungsbedarfs des Gesamtbetriebsprofils Probleme aufzeigen, die die erforderlichen Leistungsanforderungen innerhalb des erwarteten „Energiebudgets“ erfüllen.

Bild: Hydrocomp Geometrische Modellierung

Anschließend wird ein vollständiges 3D-CAD-Modell „designed for manufacturing“ entwickelt und für Prototypentests und -bereitstellungen geliefert. Ausgehend von den in der Phase des wachangepassten Optimierungsdesigns ermittelten geometrischen Parametern wird eine vollständige Schaufelform erzeugt. Die Schaufeln müssen dann mit einer Nabe (die viele verschiedene Arten von Wellenbefestigungen aufweisen kann) versehen werden, wobei während eines 3D-CAD-Prozesses Verrundungen und andere Details hinzugefügt werden. Es kann auch zusätzliche Überlegungen für bestimmte Herstellungsprozesse geben, die sich auf die Form auswirken, wie z. B. Gießen oder Fräsen. Die Entwicklung der Düsengeometrie ist eigentlich kaum mehr als eine ringförmige (Rotations-) Extrusion eines geeigneten Folienprofils.

ERFORDERLICHE WERKZEUGE FÜR DAS PROPULSOR-DESIGN

Die Workbench eines typischen Triebwerkdesigners enthält die folgenden Softwaretools. Für jede der drei Hauptentwurfsaufgaben wird eine Liste der erforderlichen Werkzeugfunktionen und -merkmale angezeigt.

Die Tools für die Anpassung des Fahrzeug-Antriebssystems basieren auf einem Optimierungslöser, der die Propellereigenschaften für maximale Effizienz unter Berücksichtigung aller Einschränkungen für die Konfiguration, den maximalen Propellerdurchmesser und die Kavitationsgrenzen bestimmen kann. Dies muss sowohl stoßbasierte als auch kraftbasierte Ladeoptionen enthalten, um Transit- und Towpull-Missionsrollen ausführen zu können. Geeignete Modelle für die Propellervorhersage müssen für die betrachteten Propeller- und Düsenausführungen enthalten sein. Schließlich muss die Leistung des optimierten Antriebs mit dem Fahrzeug und dem Antrieb bewertet werden, einschließlich der Vorhersage der Betriebsdrehzahl und der erforderlichen Leistung.

Werkzeuge für die Optimierung von Triebwerkskomponenten sind in der Regel eine Schaufelelementberechnung für den Propeller mit Unterstützung für verschiedene Arten von Düsen und Deckbändern. CFD und andere solche Codes können verwendet werden, obwohl propellerspezifische Wake-adaptierte Designtools eine Vielzahl von technischen, finanziellen und Workflow-Vorteilen bieten können. Dazu gehören ein strukturiertes Rahmenwerk aus extrudierter Folie für die Verwaltung der Konstruktionsparameter, die automatische Lösung der optimalen Steigung und des optimalen Sturzes für das Konstruktionsziel sowie die Möglichkeit, die radiale Belastung nach Bedarf zu ändern, um zusätzliche Konstruktionsprobleme zu lösen (z. B. Berücksichtigung der Hydroakustik, Wurzel Kavitation oder Stärke, zum Beispiel). Propeller-spezifische Konstruktionswerkzeuge bieten auch die Bewertung kritischer Kavitationsmetriken (mit Feedback für die Konstruktion) und die Bewertung der Blattfestigkeit und des Sicherheitsfaktors für verschiedene Materialeigenschaften.

Notwendig für die geometrische Modellierung wäre ein Werkzeug mit spezifischen Fähigkeiten für die Propellerblattkonstruktion, ergänzt mit einer universellen CAD / CAM-Software für die weniger geometrisch herausfordernden Rollen (einschließlich der Entwicklung der Düsenform). Die Erstellung von Blattformen ist für allgemeine CAD-Werkzeuge eine große Herausforderung. Daher kann ein propellerspezifisches Werkzeug für die geometrische Blattkonstruktion mathematische Funktionen für die Erstellung von Blattformen bieten, einschließlich einer Bibliothek mit zeitgenössischen und traditionellen Propellerprofilformen. Für die Vervollständigung des 3D-CAD-Modells (mit den generierten Blades und dem Hub) ist natürlich ein Export in ein universelles CAD / CAM-System erforderlich.

ERFORDERLICHE KOMPETENZ FÜR DAS IN-HOUSE THRUSTER DESIGN

Für eine kompetente Auslegung der Triebwerke ist ein Verständnis der Prinzipien der Interaktion mit dem Antriebssystem, der Antriebsleistung und der Propeller-Düsen-Geometrie erforderlich. Davon abgesehen erfordert es nicht unbedingt einen Abschluss in Marinearchitektur oder Hydrodynamik. Beispielsweise kann ein Maschinenbauingenieur mit einem Universitätslehrgang für Flüssigkeiten auf einfache Weise die zusätzlichen Fähigkeiten entwickeln, die für ein erfolgreiches Triebwerkdesign erforderlich sind. Die HydroComp-Toolsuite (NavCad, PropExpert, PropElements und PropCad) wird von fast 200 Propulsorkonstrukteuren und -herstellern auf der ganzen Welt verwendet und bietet ein komfortables Framework, das sich für einen „gesteuerten Arbeitsablauf“ eignet kosteneffizient.

PARTNERING MIT EINEM SPEZIALISTEN
Natürlich möchte oder muss nicht jeder die Propulsor-Design-Fähigkeiten im eigenen Haus haben. In solchen Fällen kann es durchaus sinnvoll sein, sich an einen Spezialisten mit angemessenem Wissen, Erfahrung und Lebenslauf erfolgreicher Projekte zu wenden. Wenn dies nach Ihnen klingt, besprechen wir gerne Ihre Projekt- und Triebwerkskonstruktionsanforderungen.