Návrh a optimalizace geometrie obvodově hnaného pohonu vodního dronu

Abstract

Práca sa zaoberá návrhom a optimalizáciou vodného pohonného systému špecializovaného na pohon bezpilotných podvodných dronov. Geometria bola inšpirovaná dvoma pokrokovými prístupmi k návrhu lodných lopatiek a to konkrétne toroidnými a obvodovo hnanými lopatkami. Práca navrhuje využiť geometriu zjednocujúcu tieto dva prístupy s cieľom zjednotiť výhody jednotlivých dizajnov v jedinečnom lodnom šróbe ktorý by bol schopný minimalizovať vznik vírivých štruktúr na špičke lopatky ako aj zjednodušiť komplexitu zostavy pohonu. Výskum sa najprv venuje teoretickej rozprave o návrhu vodných lopatiek a faktorom podmieňujúcim ich funkciu a tvar. Po dôkladnej analýze prúdenia v lopatkovej mreži je odvodený analytický model slúžiaci na odhad ťahu a momentu (ergo účinnosti) návrhu nového tvaru lopatiek. Pre zjednodušenie výrazov je geometria opísaná množinou bezrozmerných parametrov ktoré jednoznačne popisujú výsledný tvar lopatiek. Mnohé z týchto parametrov sú už ustálené v literatúre no boli zavedené i parametre popisujúce práve tvar toroidného obvodovo hnaného pohonu. Tieto parametre sú následne použité pri popise geometrie v procese iteratívneho vyhodnocovania charakteristík lopatiek a postupného hľadania citlivosti systému na odozvu voči zmene jednotlivých parametrov. Pre tento proces bolo využité počítačové modelovanie prúdenia (CFD). Pre validáciu výsledkov z počítačového modelovania bola vykonaná séria meraní v ktorej bola zároveň meraná aj odchýlka jednotlivých modelov. Merania ukázali silné prepojenie teoretických a praktických výsledkov čo sa týka účinnosti (teda implicitne i ťahu a momentu). Zároveň bolo ukázané, že navrhovaná geometrie vie konkurovať moderným pohonom podvodných dronov ako i niektorým riešeniam lodných pohonov.The subject of this thesis is the design and optimization of a water drone propulsion system. By integrating two innovative propeller designs, toroidal and rim-driven, the work aims to enhance the performance and efficiency of the blade stage. The thesis proposes a hybrid solution to marine propulsion in hopes of reducing tip-induced drag and easing the mechanical complexity of the propulsion system assembly. The research follows a theoretical description of the propeller, complemented by an analytical model that predicts the performance of the blade arrangement. The geometry is defined using a set of parameters that are then used in the design stage in an iterative evaluation process to find viable shapes of the blade for further analysis and to find each parameter's impact on thrust and efficiency. The results are then compared with the findings of the CFD analysis. Experimental validation is used to underline the theoretical findings, confirming the potential benefits of the proposed design in underwater applications. The results demonstrate that the design is a strong alternative to rim-driven solutions of present-day UUV propulsion systems, with possible use in the maritime sector.