समकालीन UUV प्रोपल्सर डिज़ाइन

चित्र: डोनाल्ड मैकफरसन / हाइड्रोकम्प

चित्र: डोनाल्ड मैकफरसन / हाइड्रोकम्प

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वाहन प्रणोदन भौतिकी के दृष्टिकोण से, एक मानवरहित पानी के नीचे का वाहन (UUV) आपकी व्यक्तिगत स्की नाव या टैंकर से थोड़ा अलग है। यह वेसल-प्रोपल्सर-ड्राइव सिस्टम मॉडल को साझा करता है, जो एक प्रोपेलर को वेसल को स्थानांतरित करने के उद्देश्य से ड्राइव ऊर्जा को जोर में बदलने की अनुमति देता है। थ्रस्ट इक्विलिब्रियम और मोशन के मूल सिद्धांत तीनों के लिए सामान्य हैं, जैसा कि सिस्टम के केंद्रीय तत्व - प्रोलसर द्वारा घूर्णी ऊर्जा का अक्षीय जोर में अनुवाद है।

विभिन्न प्रकार के वाहनों द्वारा साझा नहीं किया जाता है, प्रत्येक वाहन के मिशन के लिए अद्वितीय बाधाएं और डिजाइन उद्देश्य हैं। उदाहरण के लिए, एक स्की बोट को रस्से की गति पर उच्च जोर की आवश्यकता हो सकती है और इस मिशन की आवश्यकता को प्राप्त करने के लिए संभावित शीर्ष गति को छोड़ने को तैयार है। इसके प्रसारण अनुपात और प्रोपेलर विशेषताओं को इस उद्देश्य के लिए डिज़ाइन किया गया है। एक टैंकर को सबसे बड़ी वित्तीय वापसी के लिए "व्यापार की गति" में इसकी सबसे बड़ी दक्षता की आवश्यकता हो सकती है। या इसके अतिरिक्त उत्सर्जन या ईंधन में कमी के लिए एक बाधा हो सकती है, जिसके लिए प्रोपेलर के डिजाइन में एक समझौते की आवश्यकता होती है।

अंडरवाटर वाहनों के पास अपने विभिन्न मिशनों से संबंधित प्रणोदक डिजाइन आवश्यकताओं का अपना सेट होता है, जैसे बैटरी जीवन (या बैटरी बजट के लिए सबसे बड़ी दूरी), अधिकतम शरीर व्यास, न्यूनतम परिचालन गति, हाइड्रोडायनामिक दक्षता या सुरक्षा के लिए कफ़न या नलिका का विचार। प्रोपेलर संपर्क, या शोर की कमी डेटा एकत्र करने के लिए शांत संचालन सुनिश्चित करने के लिए। यह हाइड्रोकॉम में हमारे यूयूवी प्रोपल्सर डिजाइन कार्य के लिए सेटिंग है, और यह एक सफल डिजाइन प्रोजेक्ट के लिए वास्तव में महत्वपूर्ण जानकारी को चमकाने के लिए एक ग्राहक साक्षात्कार के साथ शुरू होता है। वेसल-प्रोपल्सर-ड्राइव मॉडल ऐसी चर्चाओं के लिए एक अच्छा ढांचा है।

पतीला
विशिष्ट यूयूवी एक बॉडी-ऑफ-रिवॉल्यूशन पतवार फॉर्म (जिसे एक अक्षीय-सममित रूप भी कहा जाता है) जिसमें नाक, शरीर और पूंछ होती है। उपकरणों के लिए अधिकतम आंतरिक मात्रा के लिए, कुछ वाहनों में बहुत छोटी नाक और पूंछ होती है। जैसा कि आप उम्मीद कर सकते हैं, एक कुंद नाक के लिए एक निश्चित ड्रैग पेनल्टी है और प्रोपल्सर में प्रवाह के लिए एक प्रणोदन दंड है जो अक्षीय नहीं है लेकिन एक खड़ी ढलान के साथ है। हमारे काम का एक हिस्सा प्रतिरोध के अलग-अलग हिस्सों को संतुलित करना है - लहर-बनाने या दबाव खींचें बनाम घर्षण या चिपचिपा खींचें - कम से कम प्रतिरोध-टू-वॉल्यूम परिणाम प्राप्त करने के लिए। दरअसल, यह पूरी तरह सच नहीं है। हम वास्तव में कम से कम पावर-टू-वॉल्यूम परिणाम चाहते हैं, और पूंछ ज्यामिति घूर्णी ऊर्जा से उपयोगी अक्षीय जोर विकसित करने के लिए एक प्रणोदक की क्षमता को बहुत प्रभावित करेगी।

इसलिए, कई प्रोपल्सर डिजाइन परियोजनाएं एक वाहन के खींचने और पतवार-प्रणोदक गुणांक (वेक अंश और थ्रस्ट डिडक्शन) की भविष्यवाणी के साथ शुरू होती हैं, जो हाइड्रोडायनामिक और प्रोपल्शन सिस्टम सिमुलेशन के लिए NavCad® सॉफ्टवेयर का उपयोग करते हैं। एक विशिष्ट सबमर्सिबल वाहन मॉड्यूल टारपीडो जैसे यूयूवी पतवार रूपों के लिए मजबूत भविष्यवाणी क्षमता प्रदान करता है।

चित्र: Hydrocomp ड्राइव
प्रोपल्सर के दूसरी तरफ ड्राइव है, जो आमतौर पर एक इलेक्ट्रिक मोटर होगी। मोटर्स की विद्युत विशेषताओं में भिन्नता है, लेकिन प्रोपल्सर डिजाइन के लिए महत्वपूर्ण डेटा शाफ्ट पर इसकी यांत्रिक आउटपुट पावर-आरपीएम वक्र है। "अपस्ट्रीम" विद्युत इनपुट शक्ति, निश्चित रूप से महत्वपूर्ण है, और एक परिचालन बाधा प्रदान करती है। हम मोटर दक्षता वक्र के साथ इनपुट विद्युत शक्ति को चिह्नित करते हैं, जो इस सवाल का जवाब देने में मदद करता है: यदि सबसे बड़ी बैटरी जीवन सर्वोच्च प्राथमिकता है, तो हमारा इष्टतम लक्ष्य RPM रेंज क्या है? दूसरी ओर, यह शाफ्ट की शक्ति-आरपीएम वक्र है जो अधिकतम संभव शाफ्ट शक्ति के लिए आरपीएम को बताता है और, विस्तार से, अधिकतम संभावित प्रोपल्सर थ्रस्ट और वाहन की गति के लिए आरपीएम।

जैसा कि आप शाफ्ट पावर और आरपीएम बनाम विद्युत दक्षता के प्रतिनिधि मोटर वक्रों से देख सकते हैं, उच्चतम संभावित बिजली शायद ही कभी (यदि कभी हो) उच्चतम विद्युत इनपुट दक्षता पर होती है। इसलिए, हमें अक्सर RPM डिज़ाइन बिंदु को एक ऐसे समझौते के रूप में परिभाषित करना पड़ता है जो न तो उच्चतर बिजली उत्पादन देता है और न ही सर्वोत्तम विद्युत दक्षता।

मोटर-चालित यूयूवी के बारे में किसी भी चर्चा के लिए प्रासंगिक यह है कि शाफ्ट आरपीएम इष्टतम प्रोपल्सर ऑपरेशन के लिए लगभग हमेशा बहुत अधिक हैं। सर्वश्रेष्ठ प्रणोदक प्रदर्शन को प्राप्त करने के लिए गियरिंग के कुछ प्रकार को देखना असामान्य नहीं है - या यह स्वीकार करना कि प्रणोदक औसत दर्जे की दक्षता के साथ संचालित हो सकता है।

प्रणोदक
आप "प्रोपेलर" के बजाय "प्रोपल्सर" शब्द के उपयोग पर ध्यान देंगे। यह इस अवधारणा को सुदृढ़ करने के लिए है कि एक नोजल और प्रोपेलर (जैसा कि अधिकांश यूयूवी पर पाया जाता है और जिसे अक्सर वाहन का "थ्रस्टर" कहा जाता है) एक संवादात्मक इकाई, प्रोपल्सर है। प्रोपल्सर डिजाइन सबसे अच्छा प्रोपेलर और नोजल (जिसे डक्ट या कफन भी कहा जाता है) ढूंढने का एक संयोजन है, जबकि उनकी बातचीत का ट्रैक रखता है। दूसरे शब्दों में, आपको ऐसे डिज़ाइन उपकरण का उपयोग करना होगा, जिसमें इस इंटरैक्शन को शामिल किया जाए, जैसे कि सिस्टम मॉडलिंग के लिए NavCad या प्रोपेलर-नोजल कंपोनेंट डिज़ाइन के लिए PropElements®।

सभी यूयूवी प्रोपल्सर डिजाइन परियोजनाओं में, एक सार्वभौमिक उद्देश्य एक ज्यामिति विकसित करना है जो उच्चतम थ्रस्ट-टू-पावर अनुपात (इसकी दक्षता) उत्पन्न करता है, जिसे हम अच्छी तरह से स्थापित प्रथाओं का उपयोग करके प्राप्त करते हैं। यह आमतौर पर बाहरी डिजाइन ड्राइवरों का प्रभाव है जो सफल UUV प्रोपल्सर डिजाइन को इतना चुनौतीपूर्ण बना सकता है। उदाहरण के लिए, RPM बहुत अधिक हो सकता है (जैसा कि ऊपर उल्लेख किया गया है)। ज्यामितीय बाधाएं अधिकतम व्यास को सीमित कर सकती हैं (यह सुनिश्चित करने के लिए कि यह शरीर के व्यास के भीतर रहता है) या वे वाहन की पूंछ के ढलान के लिए डिजाइन को प्रभावित कर सकते हैं।

एक पल लेना और UUV प्रोपल्सर निर्माण के निहितार्थ का उल्लेख करना महत्वपूर्ण है। प्रोपेलर के लिए additive विनिर्माण (AM) के बारे में प्रेस में पर्याप्त चर्चा है। हालांकि यह एक वित्तीय और सुपुर्दगी के दृष्टिकोण से आकर्षक हो सकता है, हमें ध्यान रखना चाहिए कि प्रदर्शन अनुचित सतह बनावट (जो कि अधिकांश यूयूवी पर पाए जाने वाले छोटे आकार के प्रणोदक के लिए भारी प्रभाव डाल सकता है), थकान शक्ति विफलताओं, या द्वारा ब्लेड में हाइड्रो-इलास्टिक फ्लेक्सचर। हाइड्रोकॉम ने विभिन्न इन-हाउस अनुसंधान परियोजनाओं के माध्यम से छोटे प्रोपल्सरों के लिए एएम के उपयोग के लिए सफल प्रथाओं का विकास किया है।

इन व्यावहारिक डिजाइन विचारों से परे, सबसे दिलचस्प समकालीन डिजाइन ड्राइवरों में से एक विकीर्ण शोर का विषय है। एक व्यापक स्थिरता पहल के हिस्से के रूप में, HydroComp ने प्रणोदक हाइड्रोसेक्टिक्स (शब्द जो शोर और कंपन को पकड़ता है) की भविष्यवाणी और शमन में विशेषज्ञता विकसित की है। यह ज्ञान अन्य नौसेना वास्तुकारों और इंजीनियरों को भी उपलब्ध कराया जा रहा है क्योंकि हमारे उपकरणों के लिए नए हाइड्रो-ध्वनिक विशेषताओं का विकास किया गया है। शोर के लिए एक परियोजना की संवेदनशीलता अब हमेशा हमारे यूयूवी प्रोपल्सर डिजाइन इंजीनियरिंग ग्राहकों के साथ चर्चा का हिस्सा है।

सभी हाइड्रोकार्बन उत्तेजना द्रव्यमान के उतार-चढ़ाव (द्रव द्रव्यमान के आवधिक आंदोलन) से है। प्रोपल्सर से चलने वाले हाइड्रोकेक्टिक्स आमतौर पर प्रोपेलर के कम दबाव वाले क्षेत्रों में भिन्नता के कारण होते हैं क्योंकि यह "छाया" क्षेत्रों में घूमता है, जैसे कि एक अकड़ या नियंत्रण फिन के पीछे। उतार-चढ़ाव का एक हिस्सा अलग-अलग प्रवाह के कारण ब्लेड के चारों ओर प्रवाह दिशा में परिवर्तन से है, लेकिन ब्लेड पर तेजी से विस्तार और गुहिकायन के ढहने से काफी अधिक है। इनमें से प्रत्येक का मूल्यांकन हमारे प्रणोदक डिजाइन के हिस्से के रूप में किया जाता है, जिसमें शमन के साथ एक ब्लेड की रूपरेखा और उसके कैमर-पिच वितरण में परिवर्तन की आवश्यकता होती है।

अत्यधिक हाइड्रोकार्बन उत्तेजना - और संचरण - एक रचनात्मक नोजल डिजाइन के साथ भी सहायता प्राप्त की जा सकती है। नोजल प्रदर्शन मॉडलिंग में हमारी पृष्ठभूमि का उपयोग करना, हम विचार कर सकते हैं कि क्या विशेष शोर-शूल नोजल ज्यामिति आवश्यक दमन की पेशकश कर सकती है, साथ ही साथ प्रणोदक दक्षता का कोई नुकसान भी हो सकता है।

इसलिए, जबकि यूयूवी प्रोपल्सर डिजाइन में अद्वितीय चुनौतियों का संग्रह है, क्या यह अभी भी एक बड़ी प्रणाली की समस्या के भीतर एक घटक कार्य है। यह एक संतोषजनक इंजीनियरिंग चुनौती पेश कर सकता है, जिसे थोड़ी देखभाल, उचित उपकरण और व्यावहारिक अनुभव के साथ सफलतापूर्वक पूरा किया जा सकता है।

लेखक के बारे में

डोनाल्ड मैकफर्सन, लेखक।

डोनाल्ड मैकफरसन, प्रणोदन प्रणाली सिमुलेशन के एक प्रमुख विशेषज्ञ, हाइड्रोकॉम के तकनीकी निदेशक हैं, जहां वे सभी सॉफ्टवेयर विकास और इंजीनियरिंग सेवाओं की देखरेख करते हैं। वेब इंस्टीट्यूट के स्नातक, वे SNAME के फैलो हैं और इसके प्रोपल्शन हाइड्रोडायनामिक्स पैनल के सदस्य हैं।