Подводный двигатель

Подводный двигатель — это конфигурация морских винтов и гидравлического или электрического двигателя, встроенного или установленного на подводном роботе в качестве движителя. Они обеспечивают роботу движение и маневренность против сопротивления морской воды. Главное отличие подводных двигателей от морских двигателей — способность работать под большим давлением воды, иногда до полной глубины океана.

Типы подводных двигателей

Существует три основных типа подруливающих устройств: боковой или туннельный подруливающий двигатель, который состоит из гребного винта, установленного в поперечном туннеле; водометный подруливающий двигатель, который состоит из насоса, всасывающего воздух из киля и выбрасывающего его в обе стороны; и азимутальный подруливающий двигатель, который может вращаться на 360°.

Подводные двигатели можно разделить на две основные группы: гидравлические двигатели и электрические двигатели. Ниже приведены некоторые плюсы и минусы каждого типа:

^[2]

Гидравлические толкатели

Гидравлические двигатели в основном используются на более крупных рабочих ROV, в основном потому, что они занимают много места и веса из-за дополнительных компонентов, таких как клапаны и трубы. ^[3] Технология гидравлических двигателей старше, чем электрическая, они более прочные, и их отношение веса к тяге выше, чем у электрических двигателей, но проблемы с обслуживанием и трубопроводами вызывают некоторое недовольство пользователей. ^{[ необходима цитата ]} Отношение веса к тяге у гидравлических двигателей выше, чем у электрических двигателей, но после учета необходимых гидравлических компонентов, включая клапаны, гидравлические силовые агрегаты, соединения труб и т. д., системы гидравлических двигателей оказываются тяжелее, чем электрические двигатели. ^{[ необходима цитата ]}

Электрические двигатели

BlueROV2 с электрическими двигателями

Электрические двигатели в основном используются на подводных роботах с батарейным питанием, таких как AUV , подводные лодки и электрические ROV . Электрические двигатели обычно используют бесщеточные двигатели постоянного тока или синхронные двигатели с постоянными магнитами (PMSM) . Эти двигатели могут быть запечатаны в заполненных воздухом или маслом полостях или использовать затопленную конструкцию, которая позволяет воде контактировать с двигателем, обеспечивая дополнительное охлаждение и смазку. ^{[4] [5]}

Компоненты

Основными компонентами электрического двигателя являются:

Электроподводный двигатель Copenhagen Subsea мощностью 10-15 кВт

Электрический двигатель Lian Innovations

1. Электродвигатель: Электродвигатель является основным компонентом электрических подруливающих устройств и приводит в движение винт. Современные подводные подруливающие устройства обычно используют бесщеточные синхронные двигатели с постоянными магнитами ( PMSM ). ^{[ требуется цитата ]} В некоторых низкокачественных подруливающих устройствах используются бесщеточные двигатели постоянного тока. Выигрыш — более низкая цена, а штраф — более низкая эффективность. ^{[ требуется цитата ]} В большинстве современных конструкций бескорпусные двигатели PMSM (в основном производимые Kollmorgen) ^{[ требуется цитата ]} используются для снижения веса и повышения тепловой эффективности. Это улучшает соотношение мощности к весу , но штраф — более высокая стоимость сборки. ^{[ требуется цитата ]} Датская компания Copenhagen Subsea производит электрические кольцевые подруливающие устройства, в которых мощность подается по периметру, а компоненты двигателя интегрированы с воздуховодом. ^[6]
2. Редуктор: для согласования крутящего момента винта с крутящим моментом двигателя некоторые производители используют редуктор. В большинстве случаев, чтобы уменьшить вес и объем подруливающего устройства, шестерни собираются непосредственно внутри оболочки подруливающего устройства, которая используется в качестве корпуса редуктора. ^{[ необходима цитата ]} Таким образом, вес уменьшается, но ремонт становится сложным, так как запасные части не могут быть найдены на обычном рынке. ^{[ необходима цитата ]}
3. Прямой привод: В некоторых современных конструкциях, использующих двигатели PMSM, отношение крутящего момента двигателя к его диаметру настолько велико, что двигатель может вращать винт без редуктора. В подводных двигателях с прямым приводом двигатели тяжелее, чем те, которые используются в редукторных двигателях, но отсутствие редуктора компенсирует это. Двигатели с прямым приводом имеют более высокую надежность, меньший шум и более высокую эффективность, но цены выше, чем у редукторных двигателей. ^{[ необходима цитата ]}
4. Драйвер двигателя и электроника: Бесщеточные двигатели нуждаются в некоторой электронике для коммутации ^{[ необходимо разъяснение ]} и управления их скоростью. В ранних версиях драйверы были ненадежными, и это приводило к недовольству пользователей по сравнению с высоконадежными гидравлическими двигателями. В последнее время разработки в области силовой электроники сделали драйвер двигателя более эффективным и надежным, дешевым и компактным, чтобы его можно было установить непосредственно на конце двигателя. В современных конструкциях контроллеры двигателей способны не только управлять оборотами пропеллера, но и управлять силой тяги в приложениях, где требуется точный контроль их позиционирования. ^{[ необходима цитата ]}
5. Вал и уплотнение: удержание винта в правильном месте и обеспечение его надежности в случае столкновения с внешними предметами, такими как рыбы или рыболовные сети, является одной из основных проблем во всех типах подруливающих устройств. Из-за этой проблемы было зарегистрировано много отказов. ^{[ требуется цитата ]} Некоторые производители пытаются решить эту проблему, используя магнитные муфты и полностью избегая вращающегося уплотнения. Это повышает надежность уплотнения и вала, но они теряют в эффективности из-за ограниченной способности передачи крутящего момента магнитной муфты, и они решают эту проблему, используя высокоскоростной винт с низким крутящим моментом. ^{[ требуется цитата ]} В большинстве моделей эффективность составляет всего 25%, что очень мало для подводных подруливающих устройств. ^{[ требуется цитата ]} Магнитные подшипники ^{[ требуется разъяснение ]} требуют, чтобы винт вращался на внешних поверхностях оболочки с использованием слоя воды в качестве смазки, что может значительно сократить срок службы подшипника в загрязненной воде. Некоторые другие производители используют конические подшипники и многосекционную систему уплотнения для избыточности. В этой конструкции, если основное уплотнение (обычно керамическое уплотнение ^{[ нужна ссылка ]} ) выходит из строя, остальные уплотнения обеспечивают безопасность двигателя, и двигатель может продолжать работу. ^{[ нужна ссылка ]}
6. Пропеллер: Пропеллер — это компонент, который преобразует вращение в тягу. Выбор правильного пропеллера оказывает значительное влияние на производительность подруливающего устройства. Для каждой гидродинамической линии нагрузки приложения требуется соответствующий пропеллер для максимальной эффективности, но на рынке не хватает стандартных готовых вариантов пропеллеров, и поэтому невозможно заказать подруливающее устройство с наилучшей эффективностью. ^{[ необходима цитата ]} Некоторые компании проектируют и разрабатывают специальные пропеллеры, но их цены действительно высоки. ^{[ необходима цитата ]} Другие компании пытаются предложить множество пропеллеров в качестве опций и позволяют пользователю выбрать лучший, используя графики производительности своих подруливающих устройств.

   

   Разобранный вид двигателя T200 Thruster — полностью затопленный подводный электродвигатель

7. Сопло : Сопла используются с тяжелыми, низкоскоростными двигателями. Большинство ROV имеют этот тип гидродинамических нагрузок. В высокоскоростных, легкогрузных роботах, таких как AUV, UUV и подводные лодки, двигатели обычно не имеют сопла.
8. Защита пропеллера : пропеллеры могут быть повреждены ударом рыбы или других объектов, но могут вибрировать, если поток к лопастям неравномерный. Конструкция защиты пропеллера может повлиять на поток к пропеллеру и, следовательно, на производительность. Некоторые производители оставляют конструкцию защиты пропеллера пользователю, но более эффективным решением является интеграция функции с опорными стойками сопла. ^{[ необходима цитата ]}
9. Корпус : Корпуса двигателей обычно должны быть устойчивы к коррозии в морской воде. Существует два распространенных варианта корпусов: из анодированного алюминия и нержавеющей стали марки 316. ^{[ требуется ссылка ]} Сталь тяжелее, дороже и прочнее. Алюминий легче и дешевле.
10. Электрический разъем: Электрические разъемы являются важным компонентом подводных двигателей. Существует широкий спектр надежных компонентов, доступных от сторонних поставщиков. ^[7]

Производительность

На подводные двигатели значительно влияют многие параметры. Под водой энергия становится более ценной, поскольку ее трудно передавать (ROV) или хранить (AUV, UUV, подводная лодка). Тогда очень важно иметь максимальную эффективность. Привод двигателя, электродвигатель, вал, уплотнение, винт, сопло и внешняя геометрия и поверхность двигателя влияют на эффективность.

1. Соответствие нагрузки винта крутящему моменту двигателя: Одной из наиболее сложных проблем проектирования подводных двигателей является соответствие линии нагрузки винта линии мощности двигателя. Если этого не произойдет, общая эффективность двигателя упадет значительно ниже максимальной или будет использоваться лишь небольшой процент мощности двигателя. ^{[ необходима цитата ]}
2. Использование правильного винта: Диаметр винта, отношение шага и тип ^{[ необходимо разъяснение ]} очень важны для максимальной производительности. Перед окончательным заказом подруливающего устройства необходимо провести множество исследований и инженерных работ, чтобы сделать правильный выбор.
3. Использование двигателя и драйвера с низким общим коэффициентом гармонических искажений (THD): двигатели PMSM имеют некоторые проблемы с эффективностью из-за THD. Двигатели и драйверы с низким THD доступны на рынке (Kolmorgen), но их цены значительно выше, чем у двигателей с низкой эффективностью. Только высокотехнологичные двигатели на рынке используют этот тип двигателя и драйвера (Lian Innovative ^{[узурпировано]} ). ^{[ необходима цитата ]}
4. Обтекаемый корпус двигателя: Изготовление обтекаемого корпуса и рукоятки оказывает значительное влияние на эффективность, а изготовление изгибов в этом типе геометрии является дорогостоящим. ^{[ необходима цитата ]}

Смотрите также

• Подруливающий двигатель с приводом от обода

Ссылки

1. "T200 Thruster". Blue Robotics . Получено 2024-01-11 .
2. seaMarn3 (2023-12-04). "Гидравлические и электрические подруливающие устройства для ROV". SEAMOR Marine Ltd. Получено 2024-01-11 .{{cite web}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )
3. «Морские двигательные установки».
4. «Морские двигательные установки».
5. "Что такое двигатель?". Blue Robotics . Получено 2024-01-11 .
6. Сотрудники. "Надежность прежде всего". Домашняя страница . Copenhagen Subsea A/S . Получено 20 декабря 2016 г.
7. Сотрудники. "Подводные соединители и системные решения". Домашняя страница . Seacon . Получено 29 декабря 2016 г.

Внешние ссылки

• Усовершенствованный электрический подводный двигатель ^{[узурпировано]} , Lian Innovation является производителем ряда подводных двигателей.
• Общество подводных технологий (SUT) — это организация, объединяющая людей, интересующихся подводными технологиями.
• Innerspace Thrusters, Innerspace разрабатывает и производит подводные подруливающие устройства и двигатели.