孔 斌，熊立眾，陳 林，宋 磊,3,4，孫江龍,3,4

(1. 武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北 武漢 430064；2. 華中科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；3. 船舶和海洋水動(dòng)力湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430074；4. 高新船舶與深海開發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心，上海 200240)

輪緣推進(jìn)器模型試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)研究

孔 斌1，熊立眾2，陳 林2，宋 磊2,3,4，孫江龍2,3,4

(1. 武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北 武漢 430064；2. 華中科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；3. 船舶和海洋水動(dòng)力湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430074；4. 高新船舶與深海開發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心，上海 200240)

輪緣推進(jìn)是將電機(jī)集成于推進(jìn)器，推進(jìn)器置于船尾推動(dòng)船舶航行的一種新型推進(jìn)技術(shù)。輪緣推進(jìn)器由于沒有傳統(tǒng)推進(jìn)軸系系統(tǒng)，故具有安裝方便、噪聲小、效率高等特點(diǎn)。國外已將該技術(shù)運(yùn)用到實(shí)際船舶中，而國內(nèi)尚處在總體設(shè)計(jì)、水動(dòng)力性能、集成電機(jī)等方面的初步研究階段。為了進(jìn)一步促進(jìn)輪緣推進(jìn)器性能研究的發(fā)展，本文提出一種輪緣推進(jìn)器模型試驗(yàn)裝置，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室拖車系統(tǒng)自身特點(diǎn)，完成了該試驗(yàn)裝置的總體設(shè)計(jì)、推進(jìn)器模型設(shè)計(jì)、測試方法等方面的研究工作，為輪緣推進(jìn)技術(shù)研究提供試驗(yàn)條件保障。

輪緣推進(jìn)；試驗(yàn)裝置；水動(dòng)力性能

0 引 言

輪緣推進(jìn)器是近年來提出并發(fā)展起來的一種全新推進(jìn)方式，相比于傳統(tǒng)螺旋槳推進(jìn)，輪緣推進(jìn)器突破了常規(guī)思維模式，設(shè)計(jì)時(shí)將電機(jī)和推進(jìn)器集中為一體，使得結(jié)構(gòu)更加緊湊，減少了推進(jìn)系統(tǒng)占用空間，提高了船舶經(jīng)濟(jì)性[1]。同時(shí)，輪緣推進(jìn)器取消了傳統(tǒng)螺旋槳推進(jìn)軸系，減少了艦船航行時(shí)的振動(dòng)和噪聲，提高了艦船隱身性能，具有很高的軍事應(yīng)用價(jià)值。

早在20世紀(jì)90年代，美國通用動(dòng)力電船公司就提出輪緣推進(jìn)器新概念，設(shè)計(jì)時(shí)仍保留傳統(tǒng)推進(jìn)軸系，故又稱作梢部驅(qū)動(dòng)推進(jìn)器。進(jìn)入21世紀(jì)后，輪緣推進(jìn)技術(shù)取得了較大發(fā)展，取消了傳統(tǒng)推進(jìn)軸系設(shè)計(jì)，具有占用空間小、結(jié)構(gòu)布置簡單、噪聲小等特點(diǎn)。目前國外輪緣推進(jìn)器的最大功率可達(dá)800 kW，可用于1 000噸級的艦船[2]。

國內(nèi)對輪緣推進(jìn)器的研究尚處在初步探索研究階段。20世紀(jì)90年代中國船舶科學(xué)研究中心與中船重工712所曾研制磁同步帶槳轂的輪緣推進(jìn)器，并開發(fā)出20 kW的原理樣機(jī)[3]。702研究所主要就輪緣推進(jìn)器的水動(dòng)力特性進(jìn)行研究，包括螺旋槳的樣式、外部導(dǎo)流罩的形狀及其對推進(jìn)效率的影響。臺灣的成功大學(xué)在2008年研制1臺小型輪緣驅(qū)動(dòng)推進(jìn)器的樣機(jī)，但其功率較小，體積較大，只能用于小型無人潛水器中[1]。705研究所也曾從電機(jī)的角度研究過無軸推進(jìn)技術(shù)[4]。

國內(nèi)學(xué)者開展了輪緣推進(jìn)器設(shè)計(jì)、水動(dòng)力性能計(jì)算、集成電機(jī)設(shè)計(jì)等方面的研究工作，但在水動(dòng)力性能試驗(yàn)方面的研究較少，本文提出了一種輪緣推進(jìn)器模型試驗(yàn)裝置，并完成了該試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)、推進(jìn)器模型設(shè)計(jì)和測試方法等方面的研究工作，可為我國輪緣推進(jìn)器研究提供試驗(yàn)技術(shù)支撐。

1 試驗(yàn)裝置總體設(shè)計(jì)

華中科技大學(xué)船模拖曳水池長175 m，寬6 m，水深4 m，本文根據(jù)船模拖曳水池拖車系統(tǒng)自身結(jié)構(gòu)形式，完成了輪緣推進(jìn)器模型試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)，試驗(yàn)裝置總體示意圖見圖1所示。

拖車橫梁截面為槽鋼，內(nèi)側(cè)水平間隔600 mm，槽鋼高度為178 mm，槽鋼底端距離水面1 210 mm。推進(jìn)器高度（包括劍）為450 mm，劍露出水面部分高度為110 mm，劍上端與橫梁垂直距離為1 100 mm，劍上端剛性固連在實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的新型約束模水動(dòng)力性能測試裝置上[5]。該測試裝置中的固定平臺通過拖車安裝架安裝于拖車橫梁上，運(yùn)動(dòng)平臺下面剛性連接六分力天平，劍上端與六分力天平剛性連接。通過6個(gè)電動(dòng)缸的伸縮運(yùn)動(dòng)使得運(yùn)動(dòng)平臺產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，從而使推進(jìn)器模型具有不同的迎流角，推進(jìn)器模型安裝連接示意圖見圖2所示。

2 推進(jìn)器模型設(shè)計(jì)

試驗(yàn)裝置推進(jìn)器模型集成了電機(jī)，基于永磁電機(jī)工作原理，完成了電機(jī)部分的設(shè)計(jì)，剖視圖如圖3所示。

電機(jī)部分主體由定子線圈、永磁體轉(zhuǎn)子、內(nèi)外殼等構(gòu)成。電機(jī)的定子線圈置于外殼內(nèi)側(cè)，永磁體轉(zhuǎn)子固定于內(nèi)殼外側(cè)，內(nèi)殼內(nèi)側(cè)設(shè)置了槳葉安裝基座，根據(jù)實(shí)際試驗(yàn)需求，可方便拆裝或更換槳葉。推力軸承和徑向軸承布置在內(nèi)外殼之間，由于電機(jī)長時(shí)間在水下工作，定子線圈、永磁體轉(zhuǎn)子兩端都設(shè)置有密封圈，并采用端蓋和軸蓋來固定內(nèi)、外殼，使推進(jìn)器模型部分成為一個(gè)獨(dú)立的整體。工作時(shí)轉(zhuǎn)子帶動(dòng)內(nèi)殼及槳葉實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)結(jié)構(gòu)剖視圖如圖4所示。

該試驗(yàn)裝置的相關(guān)參數(shù)如表1所示，電機(jī)外形尺寸如圖5～圖6所示。

在電機(jī)內(nèi)部有轉(zhuǎn)子永磁體、定子線圈等，為使試驗(yàn)裝置運(yùn)行良好，需要精細(xì)設(shè)計(jì)內(nèi)部零件尺寸，尤其是各層擋板厚度，具體尺寸如圖7所示。

表1 試驗(yàn)裝置參數(shù)Tab. 1 Technical parameters of the test device structure

3 測試方法研究

3.1 性能參數(shù)定義

建立參考系如圖8所示，x方向?yàn)橥七M(jìn)器前進(jìn)方向，y方向?yàn)橥凰矫鎯?nèi)垂直于x軸的方向。偏轉(zhuǎn)角φ正向?yàn)楦┮曂七M(jìn)器單元的順時(shí)針方向，此時(shí)推進(jìn)器向右舷偏轉(zhuǎn)[6]。

推進(jìn)器推力系數(shù)KT、扭矩系數(shù)KQ及推進(jìn)器效率η定義如下：

式中：ρ為流體密度；n為轉(zhuǎn)速；D為槳葉直徑；Q為扭矩；VA為進(jìn)速；Fx為輪緣推進(jìn)器在x方向的推力，其定義如下，

式中：T為輪緣推進(jìn)器軸線方向推力；Rl為輪緣推進(jìn)器阻力，可通過測力天平測得。

3.2 推力和扭矩測量

輪緣推進(jìn)器模型試驗(yàn)裝置在試驗(yàn)時(shí)，將槳葉安裝在試驗(yàn)裝置內(nèi)殼內(nèi)側(cè)上，由轉(zhuǎn)子帶動(dòng)內(nèi)殼及槳葉旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生推力，推力由推力軸承傳遞到試驗(yàn)裝置上，試驗(yàn)裝置通過測力天平固連劍，從而可測得整個(gè)試驗(yàn)裝置總推力T。由于推進(jìn)器產(chǎn)生的扭矩Q反向作用在試驗(yàn)裝置上，故在考慮電機(jī)效率的情況下，可通過電機(jī)功率來獲得推進(jìn)器扭矩。

4 結(jié) 語

本文創(chuàng)新性地提出一種輪緣推進(jìn)器模型試驗(yàn)裝置，完成了該試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)和測試方法的初步研究工作，可為推動(dòng)我國輪緣推進(jìn)器技術(shù)發(fā)展提供支撐。

[1]談微中, 嚴(yán)新平, 劉正林, 等. 無軸輪緣推進(jìn)系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀與展望[J]. 武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)(交通科學(xué)與工程版), 2015,39(3): 601–605.TAN Wei-zhong, YAN X in-ping, LIU Zheng-lin, et al.Technology development and prospect of shaftless rim-driven p ropu lsion system[J]. Jou rnal of Wuhan University o f Technology(Transportation Science& Engineering), 2015,39(3): 601–605.

[2]曹慶明, 洪方文, 胡芳琳. 梢部驅(qū)動(dòng)推進(jìn)器的研究與進(jìn)展[C]//第九屆全國水動(dòng)力學(xué)學(xué)術(shù)會議, 2009, 719–725.CAO Qing-ming, Hong Fang-wen, Hu Fang-ling. Research and development of rim-driven propulsors[C]// Proceedings of the Ninth National Symposium on hydrodynamics, 2009, 719–725.

[3]胡芳琳, 張志榮, 辛公正, 等. 梢部驅(qū)動(dòng)推進(jìn)器水動(dòng)力性能CFD預(yù)報(bào)[C]// 全國水動(dòng)力學(xué)學(xué)術(shù)會議暨兩岸船舶與海洋工程水動(dòng)力學(xué)研討會, 2008, 817–824.HU Fang-lin, ZHANG Zhi-rong, XIN Gong-zheng, et al. CFD prediction of rim-d riven thruster hydrodynamic performance[C]// Proceedings of the Eighth National Symposium on hydrodynamics, 2008, 817–824.

[4]鐘宏偉, 韓雪, 劉亞兵. 無軸推進(jìn)電機(jī)技術(shù)應(yīng)用研究[J]. 艦船科學(xué)技術(shù), 2015, 37(9): 1–6.ZHONG Hong-w ei, HAN Xue, LIU Ya-bing. Shaftless propulsion motor technology application[J]. Ship Science and Technology, 2015, 37(9): 1–6.

[5]陽航, 涂海文, 謝文雄, 等. 一種新型船模水動(dòng)力性能測試裝置研究[J]. 艦船科學(xué)技術(shù), 2017, 39(2): 31–36.YANG Hang, TU Hai-w en, XIE W en-xiong, et al. A new hydrodynam ic testing device of model ship[J]. Ship Science and Technology, 2017, 39(2): 31–36.

[6]徐嘉啟, 熊鷹, 王展智. 混合式CRP推進(jìn)器操舵工況水動(dòng)力性能數(shù)值研究[J]. 中國艦船研究, 2017, 12(2): 63–70.XU Jia-qi, XIONG Ying, WANG Zhan-zhi. Numerical research of hydrodynamic performance of hybrid CRP podded propulsor in steering conditions[J]. Chinese Journal of Ship Research,2017, 12(2): 63–70.

Research of the model test device design for rim-driven propulsor

KONG Bin1, XIONG Li-zhong2, CHEN Lin2, SONG Lei2,3,4, SUN Jiang-long2,3,4
(1. Wuhan Second Ship Design and Research Institute, Wuhan 430064, China; 2. School of Naval Architecture and Ocean Engineering,Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China; 3. Hubei Key Laboratory of Naval Architecture and Ocean Engineering Hydrodynamics, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China; 4. Collaborative Innovation Center for Advanced Ship and Deep-Sea Exploration, Shanghai 200240, China)

Rim-driven propulsion is a new type of propulsion technology that integrates the motor into the propeller and the propeller is placed at the stern for ship sailing. Since no conventional propeller shafting system, it has easy installation,low noise, high efficiency. Foreign countries have the technology to practical use in the ship, and the domestic is still in the overall design, hydrodynamic performance, integrated motor and other aspects of the initial research stage. In order to further promote the development of rim-driven propeller performance research, a model test device for rim driven propulsor is proposed in this paper. According to the characteristics of the laboratory trailer system, the whole design of the test device,the design of the propeller model, the test method and so on have been finished, which provide the test condition guarantee for the research of the rim driven propulsion technology.

rim-driven propulsion；test device；hydrodynamic performance

U661.1

A

1672–7649(2017)12–0163–04

10.3404/j.issn.1672–7649.2017.12.034

2017–09–27

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51679097，51474109)

孔斌(1974–)，男，碩士，高級工程師，研究方向?yàn)榇肮こ獭?/p>