串列蹼板推進器性能實驗研究

劉 鵬，張昭鵬，辛龍慶，馬 良

（1.中國海洋大學山東省海洋工程重點實驗室，山東 青島 266100；2.青島海洋科技中心，山東 青島 266237）

目前，城市內河、湖泊等小型水域及近海水域上的水生植物和漂浮物的有效清理仍是一個難題[1-3]（圖1），這些漂浮垃圾和水生植物長久以來依賴“圍、攔、拖”等方式，或者直接由人工打撈，或由清漂船舶收集。但人工清理方式不僅耗費大量人力物力，且效率極為有限，同時還存在著較大的安全隱患[4]；而現有的清漂船多為人工操縱的大型船舶（圖2），采用螺旋槳或明輪推進，存在噪聲大，效率低、極易被纏繞等不足，且在一些小型水域中難以作業。因此，設計一種適用于小型清漂船的淺吃水船舶推進裝置，同時避免水生植物纏繞、具備相對較高效率的推進器成為水域清漂作業的關鍵技術之一[5]。

圖1 青島近海滸苔情況

圖2 明輪推進的清漂船

相對于螺旋槳和明輪，一些履帶式兩棲推進裝置[6]結構小巧，簡單輕便，運動時可減小水生植物纏繞的風險，同時具有吃水小、回轉半徑小等優點，尤其適合在淺水水域工作。一種采用串列式蹼板推進的方法[7]結合了明輪的結構設計，并對履帶式推進裝置進行了進一步地優化，使其更適合在水上推進，可以被作為清漂船推進器的選擇之一。履帶式推進方式最初是應用在軍事上，其中應用最多的就是在1930 年被設計出來的履帶式登陸艦（Landing Vehicle Track，LVT）。LVT 是船舶到岸作業最重要的現代技術貢獻之一[8]，所采用的履帶式推進裝置屬于半潛式推進方式。為了增加在水面行駛時的推力，LVT 在履帶板體上增加了渦輪狀的葉片，最終將總效率提高到25%[9]。隨后這種推進方式被應用在一些超重型兩棲登陸艇上[10-11]，這種車輛均具有兩棲使用的功能，所以需使用較為密集的浮體代替蹼板來保證在水中的推進并且增加在陸地上的移動速率，但這樣無疑限制了蹼板推進器在水中推進的性能。近些年來，履帶式推進方式在向小型化進行轉變，但大多依舊是應用在兩棲機器人上。2014 年，CUI J 等[12]受蜈蚣運動啟發設計了一種小型兩棲機器人AmBot，用來檢測西澳大利亞州的河口數據，其在水中運動時，由浮子組成的履帶提供浮力和推力。2017 年，SUSANTO R D 等[13]設計了使用明輪和連續履帶結合的兩棲機器人，目的是使用一套推進裝置完成在兩棲環境中使用，從而縮小機器人整體尺寸，在水中，明輪為兩棲機器人提供推進力。2018 年，HOSOTANI K 等[14]研究了一種柔性尖刺履帶推進器，主要用于維護池塘和稻田。推進器最大尺寸約為45 cm，陸地和水上使用同一套推進裝置，其在履帶上布置柔韌的尖刺，利用尖刺陣列在水中產生推進力，工作時需添加浮體以保證其在水面的漂浮狀態。

本文結合履帶式推進的運動模式，在明輪的結構基礎上設計出了一種串列式蹼板推進系統[15]（Tandem Paddle Propulsion，TPP），推進系統依靠蹼板在水中的運動產生推力，相對于傳統明輪式推進，串列蹼板式推進延長了蹼板在水下平動的運動時間和距離，縮小了旋轉尺寸，解決了占用空間大的問題；在此基礎上加工了串列蹼板推進系統的原理樣機，并進行水槽試驗，測試其推進性能情況；在此基礎上將串列蹼板推進器安裝于小型無人清漂船，實地檢驗其應用效果。

1 TPP 設計方案與樣機

串列蹼板推進系統結合了履帶式推進的運動模式，與明輪的工作原理一致，均是依靠蹼板劃水獲得動力。但與明輪不同的是，串列蹼板推進系統固定串列蹼板的驅動帶需與水面呈平行狀態，使得蹼板劃水時與水面呈垂直狀態，延長了蹼板在水下垂直水面劃水的距離，減少了蹼板揚水的進程。

如圖3 所示，2 為一級驅動輪，直徑為56 mm，由直流電機1 驅動，驅動電機也可替換為燃油發動機從而提升動力。圖3（a）中，4 為主動輪，直徑142 mm，其后側有與一級驅動輪2 等直徑的二級驅動輪，二級驅動輪與主動輪之間相互固定，二者具有相同的轉動速度，同時兩者固聯于中心軸12。主動輪通過傳動履帶5 將線速度傳遞給同步從動輪6，傳動履帶厚度約為5 mm，從動輪直徑與主動輪直徑相同，均為142 mm。主動輪與從動輪具有相同的線速度，由中心軸固定在支撐橫梁8 上。

圖3 串列蹼板推進器樣機3D 設計模型

主動輪驅使傳動履帶運轉，串列蹼板7 被等間距安裝在傳動履帶上，數量共計12 個，間距約為136.7 mm，蹼板頂端需采用半柔性腳蹼形式，以避免纏繞或鉤掛漂浮物，蹼板根部加裝固定塊與傳動履帶連接，固定塊直接與傳動履帶固定連接，保證蹼板與傳動履帶之間的強度。由于傳動履帶為柔性材料制作，為防止履帶在運行過程中發生凹陷變形，因此推進器樣機在主動輪與從動輪之間放置兩個支撐輪9 起到支撐履帶的作用，支撐輪不提供動力，同樣與橫梁固定連接。為了使推進器控制入水深度，在橫梁另一側固定安裝滑塊11，滑塊可沿導軌10 上下自由滑動，可以調節推進器的入水深度，以及與浮體之間的上下位置關系。整個推進器長約920 mm，寬約270 mm，高約340 mm，調整電機的轉動方向可以實現推進器的向前或向后推進。如圖3（b）所示，本文規定串列蹼板推進器左側為前進方向，對應蹼板逆時針旋轉。

此外，在串列蹼板推進器的實際應用中，還需考慮中心驅動軸的安裝位置，應使驅動軸盡可能地高于水面安裝，由此可以減少防水設施的使用，避免水下穿透的水密問題。串列蹼板推進器的中心轉軸位置較低，在船體水上舷側開孔穿過會對船體強度有不利影響。為了減少船體開孔，減少揚水飛濺對電機的影響，需抬高推進器的驅動轉軸，因此，本文推進器選擇二級驅動形式將驅動轉軸抬高，遠離船體和水面。

如圖4 所示，一級驅動輪2 與二級驅動輪直徑相等，并通過驅動履帶3 連接，由此將電機輸出的轉矩傳遞至主動輪，從而帶動主動輪旋轉，使串列蹼板獲得動力。

圖4 串列蹼板推進器二級傳動形式示意圖

在水域中所使用的推進器多依靠蹼板或槳產生推力，因此蹼板或槳的設計對推進系統性能的優劣具有重要意義。對于以履帶形式驅動的串列蹼板推進器此前很少有人涉及，因此本文要展開蹼板形態的設計，需要參考借鑒一些其他推進形式蹼板的設計思路。在眾多水上的半潛式推進機構中最常見的是明輪推進器，而針對明輪蹼板的研究多集中于蹼板的展弦比和彎曲程度，二者的目的都是為了提高推進系統的推力和效率，其中蹼板的彎曲程度與其入水時對水面的擾動和引起的液體飛濺有關。因此，本文對蹼板自身的曲度進行設計，選擇了直板、弧板和折板三種結構形式。

如圖5 所示，其中弧板的設計來源于體育運動中劃船所用的船槳啟發，參照Macon 槳[16]的外形進行設計。

以上3 個蹼板面積相同，控制其展弦比相同，展長最大為95 mm，弦長最大為50 mm，蹼板厚度為2 mm。串列蹼板推進器所用的金屬材料外表噴漆，進行防銹處理，制造出的推進器樣機如圖6所示。

2 TPP 推進性能實驗方法

本實驗在中國海洋大學的波流水槽中進行，水槽長30 m，寬0.6 m，高1.0 m。實驗中來流的控制通過造流機系統進行，包括水流流速和深度等參數。實驗過程中采用旋槳式流速儀進行實時監測過水斷面的平均流速。如圖7 所示，整個實驗機構由控制系統、測量系統和機械傳動系統組成。其中控制系統調節電機的旋轉方向和速度，機械傳動系統執行控制系統的命令，實現串列蹼板的周期性運動，隨著蹼板的運轉，測量系統通過力傳感器接收推進器產生的推力，并通過軟件進行信號采集和數據處理。圖8 展示了實驗裝置的安裝示意圖。

圖7 實驗原理圖

圖8 現場實驗裝置圖

如圖7 所示，為了保證整個串列蹼板推進器能夠平穩線性運動，實驗采用在水槽上端兩側分別安裝一條直線滑軌的方法[17]，并在直線滑軌上各裝上兩個滑塊，導軌與水槽側壁堅實固定，以減少推進器運動時所產生的震動影響。串列蹼板推進器的蹼板處于水槽的中間位置，以減少水槽側壁玻璃壁面對蹼板的影響。采用歐標3030 鋁型材制作T 型支撐框架，并將其固定連接在滑塊上，這些滑塊允許T 型支架在實驗中沿著直線導軌進行同步直線滑動。然后將串列蹼板推進器固定在兩個T 型支架的下端，為了減少支架梁對測量結果的干擾，選擇T型支架的下端長度對水流的影響盡可能小，并且兩個支架的上梁長度大于水槽的寬度，保證推進器可以懸空安裝在水槽的上方，而不會滑脫。力傳感器一端連接在上游T 形支架的梁中心，另一端連接在水槽上方的固定梁上。為了獲得串列蹼板在絕對坐標系下的線速度，實驗使用非接觸式轉速儀測量已知直徑的從動輪轉速，當轉速和流量達到穩定時，開始使用力傳感器記錄推力值。傳感器的采樣頻率為50 Hz，獲得的數據通過二階Savitzky-Golay 濾波器進行處理[18]。

整體的循環水槽實驗裝置示意圖如圖9 所示。與推進器和水流互相干擾的區域尺寸相比，水槽的長度足夠長，并且在其末端安裝消波裝置，因此在實驗中可以忽略推進器產生的尾部波浪引起的尾跡反射對推力測量的影響?，F場測量時的照片如圖10所示，實驗過程中使用的儀器如表1 所示。

表1 實驗中使用的器材

圖9 循環水槽實驗裝置示意圖

3 實驗數據與討論

3.1 數據采集與處理

實驗裝置安裝完畢后，在水槽無水的情況下測試滑軌阻力。力傳感器一端與T 型支架固定連接，另一端與牽引滑臺連接，保證兩端連接點共線。牽引滑臺帶動推進器在直線滑軌上勻速行駛并記錄力傳感器數值，重復3 次取平均值，此值可以被認為是推進器在直線滑軌上所受到的阻力。當水槽注水完成之后，受不同水深的浮力影響，推進器所受到滑軌上的阻力可能存在不同，但由于推進器浸沒水中的部分體積很小，因此這種影響可以忽略。

在每次運行期間，瞬時力Fx以50 Hz 的速率采樣。圖11（a）中的灰線表示水流速度V0=0.1 m/s，蹼板速度Vd=0.5 m/s，入水深度hs=133 mm 的實驗中Fx作為時間的函數曲線?？梢钥吹?，以50 Hz采樣的原始信號顯示出明顯的波動。然而，為了更好的可讀性，信號使用Savitzky-Golay 濾波器濾波，濾波器寬度在不同工況下樣本寬度不一致。

圖11 TPP 推力的時歷變化曲線

圖11（a）中的黑實線表示濾波后的信號。力信號在前22 s 內出現較為明顯的下降波動，這是由于之前實驗對自由液面的擾動可能未完全平穩。之后，力傳感器的值趨于穩定但仍有波動，造成波動的原因可能是水槽的流量在運行中不穩定所導致的。每組工況的數據測量3 次，然后取平均值，所有的計算和分析都是使用此平均值進行的。

此外，在實驗過程中串列蹼板推進器完整的力波動數據同樣被記錄下來，如圖11（b）所示。在A階段，蹼板均處于靜止階段，但水槽中的水流速度不為0，此時間段內推進器會受到水流的沖擊，從而產生阻力。從最初的轉折點（點1）開始，蹼板轉速增加至設定值并開始產生相應推力，此時間間隔為B 階段。隨著數據的采集趨于穩定后，關閉蹼板轉速和水槽水流，推進器產生的推力逐漸降至點2，此刻推進器產生的推力為負值，意味著承受阻力。雖然蹼板停止運動，但由于蹼板之前的運動對水流造成擾動，水流會產生慣性，因此水流的慣性會對推進器造成沖擊從而產生了阻力，并隨著慣性的消失逐漸減小，并趨于穩定，此時間間隔為C 階段。在D 階段，當自由液面穩定時，串列蹼板推進器所受到的力幾乎為0，此時串列蹼板推進器受到力的過程完全結束。

3.2 入水深度對TPP 推力的影響

在實際應用中，推進器的吃水深度往往會隨著船舶載荷的變化而變化，故蹼板的入水深度將隨船體吃水的增加而增大。實驗改變了蹼板的入水深度并測量其在不同入水深度下所產生的推力值。在實驗過程中，選取入水深度分別在45 mm、95 mm 和133 mm 時進行測量推力值。圖12 展示了不同蹼板入水深度下推力實驗值與模擬值的對比情況，其中，數值結果參考文獻[7]。

從圖12 可看出，在三種不同的入水深度下，實驗結果與數值結果趨勢一致，推力與速度成正比，變化規律相同。當蹼板入水深度為45 mm 和95 mm 時，實驗結果略大于模擬結果，計算值與實驗值的誤差較小，平均誤差在10%內；當入水深度為133 mm 時，實驗結果要小于模擬結果，二者之間的誤差較大，但平均誤差均不超過15%，最大誤差不超過21%，最大誤差在hs=133 mm，Vd=0.5 m/s時產生。與數值模擬中的三維模型不同，由于實驗中使用了一些支撐結構，當浸水深度增加時，這些結構部分沉入水中受到水流沖擊的影響，因此會產生附加阻力。而蹼板產生的部分推力將不得不用來克服這種阻力，導致測量的推力值下降，但這些誤差仍然在可接受的范圍內，由此可以證明本文中所采用的數值模擬方法具有一定的準確性。

3.3 蹼板形狀對TPP 推力的影響

在上述實驗過程中發現不同的入水深度會對蹼板背流側的尾渦結構造成一定影響。因此本節選擇了hs=95 mm 和hs= 171 mm 兩種代表工況下，對蹼板曲度與推進性能的關系進行闡述。實驗中測量了三種不同曲度的蹼板在入水深度hs=95 mm 時所產生推力的大小關系，如圖13 所示。

圖13 三種蹼板曲度下的推力實驗值

從圖13 中可以看出，三種蹼板產生的推力隨速度的增加而增加，在實驗速度范圍內，直板產生的推力最大，弧板次之，折板最小。經過實驗研究可以得到三種不同曲度的蹼板所產生的推力具有一定差異，但受實驗器材的限制，無法很好地分析出這種差異的原因。故結合數值模擬發現：圖14 展示的是推進效率隨蹼板速度的變化趨勢，效率的計算方式參考明輪效率的計算公式[19]。由圖可以看出，當蹼板速度Vd=2.0 m/s 時，直板推進系統的效率要大于折板推進系統，隨著蹼板速度的減小，折板推進系統的推進效率遠大于直板推進系統，而弧板推進系統產生的效率介于二者之間。在現場觀測中發現，折板引起的揚水量最大，直板最小，揚水量的變化趨勢與效率的變化趨勢相關，說明效率與揚水量存在一定關系，但揚水量并不是影響效率的唯一因素。折板推進系統在產生較高推進效率的同時也會導致較大的揚水量，因此，在折板推進系統的實際使用中，應當更嚴格地做好防水措施。

圖14 三種蹼板曲度下的效率計算值（hs=171 mm）

3.4 TPP 的實船推進測試

圖15 展示了清漂船的整體構造。清漂船采用雙體船的結構設計，將上文所研發的串列蹼板推進器對稱地安裝在兩個船體的內側，外側船體可以阻擋水域中的漂浮物，以免造成推進器的損壞。兩船體之間的距離為835 mm，整船的長約為2.05 m，寬約為1.4 m，高約為0.6 m。在串列蹼板推進器之間放置存儲容器，存儲空間約為0.08 m3，用于儲存收集物，其上方放置電池和控制系統，提供能源和發出運轉指令。存儲容器前側安裝收集裝置，輸送帶上網狀有透水孔，可以減少清漂船工作時的阻力。

圖15 清漂船的整體構造

兩串列蹼板推進器的速度可以分別控制，當兩推進器的速度出現差值時，清漂船即可完成大曲徑轉向操作，當推進器蹼板運動方向相反時清漂船即可完成原地轉向操作。清漂船的原地自轉如圖16所示，經過測量，船身轉過90 °需要約10 s 的時間。

圖16 清漂船原地自轉測試

忽略測試環境中的風場影響，對雙串列蹼板推進器驅動的清漂船的行駛速度進行測量，清漂船的速度U與蹼板速度Vd的關系如圖17 所示。經過測量，在靜水中，當前電機驅動功率（120 W）驅動下的串列蹼板的速度最大達到1.1 m/s 左右，對應船速約為0.42 m/s。船速與蹼板速度成正比，在較高的蹼板速度下船速的增長幅度變緩。

圖17 清漂船速度與蹼板速度關系圖

3.5 TPP 的揚水量測試

在現場測試過程中，特別注意了串列蹼板推進器在工作中產生的揚水現象是否與實驗及數值模擬表現一致。圖18 給出了串列蹼板推進器在水面測試中的揚水現象，并與數值模擬進行對比分析。

圖18 現場水面測試與數值模擬對比圖

如圖18 所示，蹼板入水時會拍擊水面，在拍擊面周圍激起波浪，短時間內會形成一個碗狀無水區域。自由液面下的蹼板在快速移動時，會在蹼板的前進側形成隆起，而在其另一側則會產生由低壓區導致的腔體，隨著時間增加，蹼板產生的隆起和空腔會更加劇烈，隨后蹼板上方會產生尖端朝向蹼板下邊緣的錐形破碎波浪，從而產生通風腔。從圖18 中可以看到測試中自由液面的情況與文獻[7]中數模云圖情況較為吻合。

4 結 論

本文設計了一種適用于淺吃水無人船的新型推進裝置—串列蹼板推進系統，并根據三維設計方案，制造推進器樣機，并進行不同蹼板速度、入水深度和曲度下的水槽實驗，對蹼板運動過程中產生的推力數據進行測量和處理，并比較了已有數值模擬結果。

結果顯示，推進器推力隨著運轉速度的增加而增大，但在不同蹼板浸沒深度下推力的增加幅度不同，在浸沒深度為95 mm 時，推力隨轉速變化最為劇烈；計算值與實驗值趨勢一致，數值相差不大，平均誤差均在15%以內，驗證了已建立數值方法的有效性和準確性。

單從推力來看，采用直板的推進器產生推力最大，折板最小，但結合揚水量及數值流場結果，在低進速系數下，折板的揚水量最小、效率最高，而直板的效率最低，故折板推進系統在擁有較高推進效率的同時，還會帶來較大的揚水。

清漂船在雙推進器的協同工作下可以完成原地自轉，轉向等操作，且推進器產生的揚水現象隨著蹼板速度的增加而越來越明顯。在一定范圍內，清漂船的速度與蹼板速度呈線性增長，在目前電機功率的基礎上，清漂船達到的最大速度約為0.42 m/s。

本文所提出的設計方案將對我國近海、內河、湖泊等水域的環境維護與信息監測提供技術與裝備支持，助力城市“綠水青山”建設，相應實驗測試方法與結果為無人清漂船的航行性能預報奠定基礎。未來可進一步研究船體對推進器性能的影響及雙推進器的回轉操控特性，建立蹼板速度與轉向角度的關系，嘗試預報路徑參數；此外，本文是以內河和小型景觀湖泊等無波浪水域為背景，接下來可結合實驗方法研究串列蹼板推進器在海洋波浪環境下的性能情況，建立不同海況下串列蹼板推進性能的預測模型。