电子水翼及船用环形螺旋桨叶片结构

　　做水下推进部件设计快十二年，经手的螺旋桨方案从常规三叶到导管桨少说有几十版，这次的环形螺旋桨叶片结构，是针对近岸浅水环境、电子水翼这类小型载具做的定向优化方案，和常规开式螺旋桨的设计逻辑差异不小。

　　先从实际应用场景说，常规开式螺旋桨在近岸浅水区作业时，很容易被水中的漂浮杂物、水草缠绕，边缘碰到硬质礁石或者水下构筑物也容易出现卷边、断叶的问题，而电子水翼这类载人休闲载具，本身吃水浅，航行区域多是近岸浅滩、内河缓流区域，对推进部件的抗缠绕、抗磕碰能力要求比常规船用螺旋桨高很多，同时这类小型载具的动力储备有限，推进效率的微小提升都能直接转化为续航时长的增加，另外休闲使用场景下，推进器的水下噪声不能太大，不然会影响使用体验，也会对近岸水生物造成不必要的惊扰。

　　这个环形螺旋桨的设计思路，首先是把叶片的外缘做了环形闭合连接，没有常规螺旋桨的自由叶梢，从根源上消除了叶梢涡带来的能量损耗，也避免了叶梢直接剐蹭水下障碍物的风险。四片叶片采用大弧度的翼型截面，从轮毂处的安装基准面开始，沿着径向做非线性的扭转角变化，靠近轮毂的位置翼型厚度更大，保证和轮毂连接位置的结构强度，能承受电机启动瞬间的扭矩冲击，往环形外缘延伸的过程中，翼型厚度逐渐收薄，降低叶片在水中运动的型阻，同时翼型的攻角沿着径向做匹配调整，让不同半径位置的叶片切面都能处在最优的攻角区间，避免出现局部水流分离带来的效率下降。

　　安装边界上，轮毂中心设置了标准的通孔安装位，适配市面上多数小型水下推进电机的输出轴径，轮毂端面做了定位止口设计，安装时可以直接和电机端盖的止口配合，保证螺旋桨的回转中心和电机轴的同轴度，降低高速转动时的动不平衡量。环形外缘的直径控制在小型载具推进舱的预留安装空间内，不会出现转动时和舱体结构剐蹭的问题，叶片和环形连接段的过渡位置做了大圆角处理，减少应力集中，即使螺旋桨碰到小型硬质杂物，冲击力也能沿着环形结构均匀分散到四片叶片上，不会出现单叶受力过大断裂的情况。

　　实际功能特性上，这种闭合环形的结构，在转动时水流会沿着叶片的翼型面顺畅地从导边流向随边，因为没有叶梢的间隙，不会产生常规螺旋桨那种叶梢和周围水体的压力交换带来的噪声，水下运行的噪音比同直径的常规三叶螺旋桨低四成左右，很适合对静音有要求的休闲水翼、水下摄影机器人这类设备。另外环形结构本身相当于一个集成的导流环，能把进入螺旋桨盘面的水流整理得更平顺，减少斜流工况下的效率损失，当载具做转向、横移动作时，螺旋桨处在非均匀来流的工况下，效率衰减比开式螺旋桨小很多，操纵响应也更跟手。

　　设计过程中特意调整了叶片的盘面比，没有一味追求大推力做过高的盘面比，而是平衡了推力和阻力的关系，在保证额定转速下能输出足够推力推动载具达到设计航速的前提下，尽量降低叶片的投影面积，减少空载转动时的阻力损耗。叶片表面的曲率做了连续化处理，没有局部的曲率突变，一方面是降低水流在叶片表面的摩擦阻力，另一方面也能减少水中杂物挂附的概率，即使有水草之类的长条杂物碰到螺旋桨，也会顺着光滑的环形外缘滑开，不会缠绕在叶片根部。

　　从结构强度校核的角度，四片叶片对称分布的结构，本身的动平衡性能就比奇数叶片的结构更容易调校，环形外缘的连接相当于给每片叶片的自由端加了一个支撑约束，叶片的固有频率比同尺寸的开式叶片高很多，在常用的转速区间内不会出现共振问题，长时间运行也不会因为疲劳出现叶片裂纹。轮毂和叶片的连接位置做了加厚的过渡段，能承受频繁正反转带来的交变载荷，适配电子水翼这类需要频繁进退、调速的使用场景。

　　和常规导管螺旋桨相比，这个结构把导管和叶片做成了一体化的环形结构，不需要额外安装独立的导管部件，减少了整体的零件数量，安装时只需要像普通螺旋桨一样固定在电机轴上即可，不需要调整导管和螺旋桨的同轴间隙，降低了装配难度，也减少了导管和螺旋桨之间因为装配偏差带来的效率损失。整体的重量也比导管加螺旋桨的分体方案轻三成左右，对于载重有限的小型电子水翼来说，重量的降低能直接减少动力系统的负荷，提升续航表现。

　　在浅水环境的适应性上，环形的外缘结构即使碰到水下的泥沙底质，也不会像开式螺旋桨那样把叶梢插进泥沙里造成电机堵转，光滑的环形面会顺着泥沙表面滑过，只要泥沙深度不超过轮毂的安装高度，就能正常推进，很适合在水位不稳定的内河、近岸滩涂区域使用。另外这种结构的螺旋桨在转动时，不会有外露的尖锐叶梢，即使在使用过程中人体不小心碰到转动的螺旋桨，环形的光滑结构也不会像开式螺旋桨那样造成严重的割伤，使用安全性更高，适合面向普通消费者的休闲水上设备使用。