水下机器人的动力与能源.docx

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1、第一篇：水下机器人的结构第三章：水下机器人的能源与动力上节课重点水下机器人设计方法与目标水下机器人的重量特征水下机器人耐压舱壁厚的设计型官源与动力的选择一核动力无缆（载人或无人）潜水器的能源绝大部分采用蓄电池。亦有采用核动力、燃料电池、柴油机等动力源的。带缆潜水器则多数是从水面提供直流或交流充源。美国从1952年就开始研制水下核动力装置。核动力装置最初用钠, 后来用压水堆，其主要特点是闭回路不需要空气。可以在水下长期工 作。其单轴功率可达30000hp。但应用于潜水器的主要矛盾是要小型 化。美国的NRI核动力潜水器，排水量400t,造价为9900万美元。 I.S.E.（国际潜艇工程公司）新研制

2、的核动力潜水器功率只有20kw。采用核动力可以大大提高潜水器的航速与续航力。但是必须解决 小型化以及高昂的造价问题，故不易推广。能源与动力的选择一电池美国国家科学院的报告指出，水下使用电池能源有以下优点：1、结构简单，全部元件可以组装在电池箱内。2、可以在海水压力下工作，节省耐压壳重，而且压力对电池性能影响很小，相反地压力会使电解液的导电率增加(铅酸电池增加5%,银锌电池增加2%),在多孔电极处或电极中压力减小了气体的体积，从而使电极表面有更多可利用的电解液，也就有效地增大了电流密度，同时压力还可以使功率增大。3、由于无运动部件，故无噪声振动。4、可以在比海水低很多或高很多的温度下工作。5、可

3、靠性好，一个单体电池出毛病，只影响输出，可以继续 工作。6、一般电池在市场上可以买到，无需付发展改进的费用。雪酸电池1、能量密度（单位重量的 能量）和比能量（单位容积 的能量）较低。2、功率水平一般都不超过 每磅几十瓦，每立方英尺几 千瓦。*冲走锂一般电池的最高能量密 度出现在低放电率的情况下, 高放电率会减小电池可能提 供的总能量。下图是某潜艇 用电池容量与放电时间的关 系O锌电池银锌电池的特点是容量 高，短时间内可以施放出 大容量，缺点是价格昂贵， 充电时间要求长。银锌电池的放电特性与铅酸电池有很大差别，大(A)国金爱赛部分时间电压相当稳定,放电时间00图4-2三种二次电池放电过程中的电压

4、曲线就是在开始时有一段初始高压，在使用时应加以注 意，如右图所示。型阳阴电解液温度开路 电压 (V)典型 工作理论 能量 密度 (W山 /kg)实际能量 密度最大功率 密度费用.(美元使用典型 的充备注式极极CC)电压 (V)(W力 /kg)(W 4/dm3)(W/kg)(W/dm3)/kWh)寿命放电 次数Ka ftx ilB 普铅，船二氧化铅硫酸-40602.21.721176253112224733366730.09 (60)214 年1,500普通的铅酸电 池目前用于汽 车、潜艇等银镉镉镇、氧 化物氢氧化钾-40601.351.01. 3231263343 6133920.21(700

5、)46 年1,0002,000完全封好的现 成电池银锌锌氧化 银氢氧 化钾、 氧化 锌18601.81.3L645266 176109.3423744398.40(800)618月10200容量大，放电率 高，工作寿命 短,价格高锂电池锂电池是指电化学体系中含有锂（包括金属锂、锂合 金和锂离子、锂聚合物）的电池。锂电池大致可分为两类: 锂金属电池和锂离子电池。锂金属电池通常是不可充电的, 且内含金属态的锂。锂离子电池不含有金属态的锂，并且 是可以充电的。锂离子电池单体电压高、自放电率低、比能量高、循 环寿命比较长，适合于各种电流密度放电；一次Li / S0CI2电池，比能量是银锌电池的2-3倍

6、，可支持AUV运行 40-60小时，缺点是造价高，对环境有害，适用于小电流 放电，安全问题是一个技术上的难题。锂电池深圳雷天(Thunder Sky)公司的10OOAh锂电池深圳雷天(Thunder Sky)公司的200Ah锂电池金官源与动力的选择一燃料电池燃料电池是60年代开始兴起的一种新电源，它直接从化学反应获得电能，是一种直接将贮存在燃料和氧化剂中 的化学能等温、高效（能量转换率可高达6070% ）、环 境友好地转化为电能的发电装置。计及辅助装置的消耗, 效率亦可达45%。而柴油发电机组的能量转换率只有30%, 扣除辅助系统的能耗后只有25%。燃料电池还有过载能力大（可达23倍）、噪声小

7、的优点，所以它是潜水器和潜 艇最有发展前途的能源之一。六十年代碱性燃料电池(AFC)曾迅速发展并在航天领域得到应用。七十至八十年代，熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)和 固体氧化物燃料电池(SOFC)发展起来。九十年代以来，质子交换膜燃料电池(PEMFC)得到迅猛发展。美国已确定燃料电池为经济繁荣和国家安全至关重要的27项必须发展的技术之一，PEMFC是其中的重点发展项目。国际著名刊物未来学家预测，到2017年，燃料电池将在全球得到广泛应用，约占总发电量的30%。2002年，燃料电池工程中心与大连新源动力股份有限公司共同开发出 2025kW H2/空气质子交换膜燃料电池模块和3035kW H2/0

8、2质子交 换膜燃料电池模块，在此基础上成功开发出40kW燃料电池轿车发动机 才口 75kW燃料电池城市客车发动机。水下机器人的动力源的确定式中：P水的密度，下克立方米1航速，米秒、G正而阻力系数：T推进器系统的推进系数：5水下机器人横剖面面积，平方米。,电力的总需求量,重量与体积/使用管理、维护与修理/成本/脐带电缆的尺寸与性能电力的总需求量的确定水下机器人对电力的总需求量取决于它的主要使命及水下航向或作业的时间。电气设备 工作时间余量 O电气设备工作的总功率 /重量与体积的确定 能量密度与比密度高的电力能源（AUV）输电电压与交流频率的确定（ROV）电力的使用、管理与维修 更换与补充电源定期

9、安检电源管理技术成本电缆供电最省,其次是电池能源的选型关乎水下机器人的重量与结构潜水器推进与操纵方式选择潜水器由于任务不同，对推进和操纵的要求也不同。 但综合起来，潜水器主要要求巡航、搜索和悬停三种水下 运行方式。由于在水下有海流存在，为满足潜水器的使命 任务，一般要求潜水器在悬停或近乎悬停状态下作6个自 由度或者至少5个自由度运动，在水流作用下也能够作相应的机动，因此在选择推力系统时，必须考虑在要求的方向发出推力和力矩。潜水器的推进操纵系统的组合方式S-1、两个可在垂直面内作360。旋转的导管推力器（可提供4个自由度:前进后退、上浮下潜、回转及液转）+水平舵和首推力器，可以获得 横移和俯仰运

10、动。2、主螺旋桨、舵和操纵面+垂直推力器。3、并联可旋转的喷水推进。4、主螺旋桨带可转动套环+垂向和横向槽道推进器。5、带舵和操纵面的螺旋桨+沃伊特-施奈德推进器控制悬停。6、哈兹尔顿串列推进器安装在首尾各一组，利用螺距周期性的变化可以向任一所要求的方向提供推力，两个联动可提供绕任一轴的力矩。敞式螺旋桨螺旋桨推力丁可我示为:式中:图1-3-9 敞式螺旋桨丁二夕4K7；p一水的密度，千克米q理螺旋桨转速，转秒,D螺旋桨直径，米： K一推力系数。式中：K。转矩系数。科氏导管推进器在螺旋桨外面罩一个经专门设计的套筒或导管，可以提高其效率, 这是美国路德维柯科特在1936年发明并取得专利的。导管的横剖

11、面 和飞机的机翼相似，外侧实际上是笔直的，内侧成弧形。当螺旋桨转 动时，导管在螺旋桨旋转平面的前部产生一个负压区，后部产生一个 正压区，从而产生推力。一个合理设计的螺旋桨一导管组合推进器， 其导管所提供的推力要占总推力的一半左右。这种组合的另一优点是 在进速为零时，静推力为最大，即在高滑脱比下运行时具有更为显著 的优点。与普通桨相比导管浆的尺寸可以小得多，但仍可以获得较高 的效率，这一优点正是潜水器设计者所期望的。导管推力器075in _ 9.68in 5 67in _(17cm)(24.3cm)(14.4cm)1d 16 89in w(42.9cm)斜流情况下导管桨 的推力特征：二总推力Tx

12、二纵向推力 丁江横向推力 二入流角Va二入流速度Tfauv-iii型水下机器人的导管推进器AUV-IV型水下机器人的导管推进器根据海中试验的经验，对推进系统进 行了改进，尾部增加了两部65Kg的主推进 器，去掉了两部水平推进器，并将铅酸电 池改为锂电池，电池容量由原来的200AH改造后水下智能机器人的巡航速度为3 Kn, 最大航速可达7 Kn,由原来具有70Km的续航 能力变为具有150Km的续航能力。全回转导管推力器小”3病H光1I溯0槽道推力器这种推进器系指水从艇体齐平的进 口吸入，由艇内一台泵给它增加能量， 然后再通过与艇体齐平的喷管将水排出 的推力系统，如图4-3。这种推力器所提供的推

13、力由三部分 组成：人口处负压力PjO泵产生的推力Tp。喷口伴流区的压力PWo其中、项取决于喷流速度， 取决于主速度与喷流速度之比。这种推 力器所产生的侧推力在没有前进速度的 情况下有很高的效率，但一旦有前进速 度，则侧推力和效率迅速下降。图4-3槽道推进器示意图道推力器SEA CONLMG-6-FS02.25in (57mm)4.72in (120mm)9.93in (252mm)6.0in (152mm)05.96in (151.4mm)#8-32 UNC-2B4 PLCS EQUALLY SPACED大型槽道推进器量 度宽水水 长型吃排259英尺39.5英尺10.2英尺2274公制吨来流对

14、槽道推进器流场的影响来流对槽道推进器推力的影响Q35 03。20.10 0J 0,2 Q3 0.25M=V/Vporp水下机器人的槽道推进器串列推进器（TPS）哈兹尔顿串列推进器为两组呈环形布置的叶片群，分别位于 艇的首部和尾部，可以向任何方向提供可控制的推力。前进（后退）时装叶螺距不变，当桨叶的螺距随着推进器360” 旋转作周期性的变化时，可以得到垂直于桨轮的任何方向的推力， 通过前后两端叶片推力的组合形成力矩，实现潜水器在任何方向 的移动和回转。所以TPS系统可以使潜水器获得6个自由度的运动。美国海军研究中心的模型试验表明，串列式推进器对航速有 一定限制（2.2kn）,当航速大于2.2kn

15、时模型运动会变得不稳定， 加固定尾翼后在35kn时仍具有稳定性，但大于6kn时又出现不稳 定。图7-18串列螺旋桨平旋推进器-摆线推进器美国的“麦卡卡爱”号是目前世界上唯一采用这种推进器的潜水器，它的前身“希奇诺(HIKINO) ”号潜水器首先采用了这种推 进器。“麦卡卡爱”上两台平旋推进器是由柯斯顿波音公司制造的,其工作原理类似于明轮推进器，推进器盘面带动叶片转动，叶片拍 击水从而产生推力。平旋推进器在其盘面的回转平面内能获得任何方向的推力。两台和纵向垂直面成45。的平旋推进器可以获得前后、上下、侧移和摇 首四个自由度的推进控制，当叶片绕着它的轨道运动时，其螺距也 随着发生变化，使其所有桨叶

16、的总推力处在所要求的方向上。向上图7-15 “麦卡卡爱”潜水器上平旋推进辖的安装位置摆线推进器1000aq、N)p迪奥 科特导管螺旋桨盘面比 4/4,=0.55 Z=4槽道推进器d = 18in番列推进器, 锥度35500100015002000横向力（N）4-4推力特性比较喷水推进器法国的“SP350”、两艘“SP500”及“深探”号潜水器采用 喷水推进器作为潜水器的横向辅助推进装置。SP-350的推进系统的核心是安装在尾部的、由ZhP的电动机驱动 的水泵，该泵将海水通过Y形软管向前打入安装在左右般眉板上的喷 管，通过齿轮齿条使安装在两舷的喷管转动，从而在两舷同时或分别 产生向前或向上、向下

17、的推力。变工况范围广利于环保.喷水推进系统的优点 推进效率高 抗空泡性强 操纵性好 传动轴系简单 运行噪声低操纵与倒车机构前主要国外喷水推进器厂商 新西兰Ham i I ton公司 荷兰Lips Jet公司 日本川崎公司(Kawasuki)英国Ultra Dynamics公荏美国TurSi ne公司；Hami I ton公司 Berke I ey公司美国Kod i ak公司100-3000kW 7200kW 500kW-20000kW定位于高速渡船、工 程船和刚性充气艇上 用的喷水推进装置小型高性能内河船、休 闲艇和赛艇用小型喷水 推进装置的研制开发美国American Jet公司瑞典Kamewa公司与瑞典Volvo Penta公司 合作成为大型喷水推进装置市场的领头羊国内708所双环公司除了采用推力器外，还可以用水平舵（首、尾升降舵）操纵潜艇或潜水.器在垂直面内的运动（定深航行、上浮、下潜、克服剩余浮力）。士一二-i jc f7二-(口- i0)(b)(c)S)水平舵的作用