潜水艦開発者向けのスラスタ設計

画像：Hydrocomp

Previous Next

潜水艇の開発に携わる多くの企業も、車両にカスタムスラスタを装備しようとしています。これらの企業は通常、車両とドライブの設計に関する専門知識を持っていますが、推進装置の設計の経験はありません。また、スラスターの優れた設計、分析、最適化に必要な専用ツールが必要になることもありません。この記事では、潜水艇の開発者にHydroCompおよびその他の専門家が使用している設計慣行を紹介し、使用中の最高の推力対出力比の推進装置の1つであるスラスタ設計を提供します。

プロジェクター設計の目的

車両開発のためのスラスタ設計の最終的な目的は、通常、車両の技術的およびビジネス上の使命をサポート（および強化）するプロペラとノズルの3D CADモデルです。 3つの主要なタスクグループは、完全なスラスタ設計プロジェクトを構成します-車両-推進-駆動システムのマッチング、スラスタコンポーネントの最適化、および幾何学的モデリング。

車両-推進-駆動システムのマッチング

この最初の作業パッケージにより、適切に「システムに一致する」主なプロペラとノズルの特性が決定されます。スラスタ設計プロセスの全体的な成功にとって重要なのは、最初にプロペラと駆動システムの適切な主要仕様を決定することです。そして、プロペラとノズルのコンポーネントを詳細に設計することができます。システム設計中に決定される推進器の仕様は、通常、構成（開放型とダクト型）、ノズルスタイル（必要に応じて）、ブレード数、直径、ピッチ、ブレード面積比です。同時に決定される重要な駆動パラメーターは、機械のシャフト出力（電力ではない）、RPM、およびドライブのシャフト出力曲線上の設計点の位置（電気モーターのパフォーマンス曲線を使用してパフォーマンスとバッテリー寿命のバランスを取るなど）です。例）。

スラスタコンポーネントの最適化

このタスクグループは、特定の車両の流体力学的特性とプロパルサーとの相互作用のために「パフォーマンス用に設計された」流体力学的に最適化されたプロペラジオメトリ（選択したノズルタイプ内）を提供します。プロペラとドライブの主要なシステム特性を前の段階で定義した後、プロペラコンポーネントの詳細を設計できます。 「後流に適応したプロペラ設計」と呼ばれるこのプロセスは、サイズ（弦、厚さ、ホイル）、揚力（ピッチ、キャンバー）、および位置（レーキ、スキュー）を反映する放射状の形状パラメーターを提供します。これらのパラメーターは、キャビテーションとブレード強度の評価をサポートしながら、指定された車両速度、必要なスラスト荷重、およびシャフトRPM（つまり、「設計ポイント」）に合わせて設計されています。

マルチデューティアプリケーション（通過AUVと主力ROVの両方の役割を担う適応UUVなど）では、「妥協」設計のためにバランスのとれた視点が必要になる場合があります。性能目標が変わると、プロペラとそのノズルの最適な特性も変わります。マルチモードの最適化は難しくありません。ミッション要件全体のコンテキストで設計をレビューするには、多少の注意が必要です。多くの場合、全体的なデューティプロファイルの電力需要の加重計算は、予想される「エネルギーバジェット」内で必要なパフォーマンス要件を満たす問題を明らかにすることができます。

画像：Hydrocompの 幾何学的モデリング

その後、完全な「製造向けに設計された」3D CADモデルが開発され、プロトタイプのテストと展開用に提供されます。後流に適応した最適化設計段階で決定された幾何学的パラメータが与えられると、完全なブレード形状が生成されます。次に、ブレードをハブ（多くの異なるタイプのシャフトアタッチメントを持つことができる）に組み込み、3D CADプロセス中にフィレットやその他の詳細を追加する必要があります。また、鋳造やフライス加工など、形状に影響を与える特定の製造プロセスに関する追加の考慮事項がある場合があります。ノズルの形状の開発は、実際には、適切なフォイル形状の環状（回転）押し出しにすぎません。

推進者の設計に必要なツール

一般的なスラスタ設計者のワークベンチには、次のソフトウェアツールが含まれます。 3つの主要な設計タスクごとに、必要なツール機能と機能のリストが表示されます。

Vehicle-Propulsor-Driveシステムマッチングのツールは、構成、最大プロペラ直径、およびキャビテーション制限の制約を考慮しながら、最大効率のプロペラ特性を決定できる最適化ソルバーに基づいて構築されます。これには、トランジットおよびけん引ミッションの役割を処理するために、推力ベースと電力ベースの両方のロードオプションを含める必要があります。検討中のプロペラとノズルのスタイルに適したプロパルサー予測モデルを含める必要があります。最後に、最適化されたプロペラの性能は、運転RPMと必要な出力の予測を含め、車両とドライブで評価する必要があります。

スラスタコンポーネントの最適化のためのツールは、通常、プロペラのブレード要素計算であり、さまざまなスタイルのノズルとシュラウドをサポートします。プロペラ固有の航跡に適応した設計ツールは、さまざまな技術的、財務的、およびワークフローの利点を提供できますが、CFDおよびその他のコードを使用できます。これらには、設計パラメーターの管理のための構造化された「押し出しフォイル」フレームワーク、設計目標に最適なピッチとキャンバーの自動ソリューション、および補足設計問題（水音響学、ルートの考慮など）キャビテーション、または強度など）。プロペラ固有の設計ツールは、重要なキャビテーションメトリックの評価（設計へのフィードバック付き）、およびブレードの強度とさまざまな材料特性の安全係数の評価も提供します。

ジオメトリックモデリングに必要なものには、プロペラブレード設計用の特定の機能を備えたツールが含まれ、幾何学的に困難な役割（ノズル形状の開発を含む）向けの汎用CAD / CAMソフトウェアが追加されます。ブレード形状の作成は汎用CADツールにとって非常に難しいため、幾何学的なブレード設計用のプロペラ固有のツールは、現代および従来のプロペラ断面形状のライブラリを含むブレード形状作成のための数学関数を提供できます。もちろん、3D CADモデル（生成されたブレードとハブを含む）を完成させるには、汎用CAD / CAMへのエクスポートが必要です。

社内のスラスター設計に必要な専門知識

有能なスラスタ設計には、推進システムの相互作用、推進器の性能、およびプロペラとノズルのジオメトリの原理を理解する必要があります。そうは言っても、必ずしも海軍建築や流体力学の学位を必要とするわけではありません。たとえば、流体の大学コースを持つ機械エンジニアは、スラスターの設計を成功させるために必要な追加スキルを簡単に開発できます。世界中の約200人のプロパルサーデザイナーとメーカーが使用するHydroCompのツールスイート（NavCad、PropExpert、PropElements、およびPropCad）は、「ガイド付きワークフロー」に役立つ快適なフレームワークを提供し、社内設計を実用的かつ費用対効果が高い。

スペシャリストとのパートナーシップ
もちろん、全員がプロパルサーの設計機能を社内で必要とするわけではありません。これらの場合、成功したプロジェクトの適切な知識、経験、履歴書を備えた専門家に連絡することは、実際に意味があります。これがあなたのように思えるなら、私たちはあなたのプロジェクトとスラスターの設計要件について喜んで議論します。