祝昊，靳栓寶，王東，王公寶，魏應(yīng)三，胡鵬飛，武星宇，何升陽，胡風(fēng)革

(海軍工程大學(xué) 艦船綜合電力技術(shù)國防科技重點實驗室, 湖北 武漢 430033)

0 引言

無軸泵噴推進器(SPT)是一種組合式推進裝置，它將電機定子置于導(dǎo)管中，電機轉(zhuǎn)子與泵噴槳葉集成，利用電機轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)直接帶動槳葉做功，取消推進軸系及相關(guān)配套系統(tǒng)。SPT的主要組成部件包括集成化永磁電機(電機定子和轉(zhuǎn)子)、導(dǎo)管、葉輪、導(dǎo)葉、水潤滑軸承、輪轂等，其結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。SPT結(jié)合了無軸推進器與泵噴推進器二者的特點，具有結(jié)構(gòu)緊湊、效率高、輻射噪聲低等優(yōu)點[1-2]。SPT作為一種新型推進裝置，能夠應(yīng)用于無人水下潛航器(UUV)、自主水下潛航器(AUV)、水下機器人、魚雷、潛艇等水下航行體[3-4]，也可以作為主推進器或方位推進器應(yīng)用于水面船舶[5]，是目前推進器領(lǐng)域研究的熱點。

圖1 SPT結(jié)構(gòu)示意圖

作為高性能泵噴推進和新型無軸推進的結(jié)合體，SPT目前主要應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，有關(guān)其研究的公開文獻較少，已有文獻多集中在泵噴推進器和傳統(tǒng)無軸推進器的研究上。Das等[6]、Suryanarayana等[7-8]和Ivanell[9]運用數(shù)值計算和試驗的方法對魚雷泵噴的流體動力性能行了研究。姚惠之等[10]運用試驗的方法分析了潛艇前置導(dǎo)葉式泵噴增效降噪的機理。Sharkh等[11]設(shè)計并制造了一個無軸推進器演示樣機，并對其水動力性能進行了試驗研究。Freeman等[12]對無軸推進系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和內(nèi)部流動特性進行了計算和分析。另外，由于無軸推進器沒有傳動軸系，無法直接采用常規(guī)的模型試驗方法測量其受到的推力和扭矩，這是其水動力性能試驗研究中的一個難點。目前無軸推進器水動性能試驗研究大多采用小尺度縮比模型，利用導(dǎo)管表面支架測量推進器的整體推力[13]，但是葉輪的轉(zhuǎn)矩?zé)o法得到有效測量。Yakovlev等[14]和Lea等[15]將無軸推進器導(dǎo)管和葉輪的受力分開進行測量，即通過導(dǎo)管支架上的傳感器測量導(dǎo)管的推力，通過與葉輪傳動軸相連的動力儀測量槳葉的轉(zhuǎn)矩和推力。該試驗裝置無法避免導(dǎo)管支架和傳動軸系對推進器流場的干擾，并且需要多套測量系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)和裝配也較復(fù)雜。

為了探究SPT的水動力性能特點，以及其是否具有工程應(yīng)用的潛力，本文以某大尺度SPT樣機為對象，將其推進性能分別與機械泵噴推進器(MPT)以及傳統(tǒng)螺旋槳進行了對比和分析，并設(shè)計了一種新型水動力性能的測試裝置，通過試驗測試的方法驗證了數(shù)值分析模型的有效性。

1 SPT與MPT性能計算與對比

與MPT相比，SPT取消了葉頂間隙和傳動軸系，可以減少葉頂間隙和軸系帶來的功率損失，但是其輪緣的電機轉(zhuǎn)子和氣隙會增加功率的消耗，這使得SPT與MPT的效率有較大差別，因此有必要對二者的效率進行詳細地對比和分析。為方便對比，根據(jù)已有的SPT樣機設(shè)計了結(jié)構(gòu)相似的MPT，二者具有相同的葉輪、導(dǎo)葉、導(dǎo)管、輪轂等部件，主要區(qū)別是MPT無轉(zhuǎn)子和氣隙，但增加了葉頂間隙，其結(jié)構(gòu)對比如圖2所示。兩型推進器葉輪直徑均為D，輪轂直徑為0.3D.MPT的葉頂間隙寬度為0.003D，SPT的氣隙寬度為0.003D.推進器設(shè)計點的轉(zhuǎn)速為n，航速為vD，對應(yīng)的進速系數(shù)JD為1.19.

圖2 SPT與MPT的結(jié)構(gòu)對比

1.1 數(shù)值計算模型

采用商業(yè)有限元分析軟件ANSYS CFX來求解SPT和MPT的黏性流場。利用SST模型對流場中的湍流進行模擬，該模型融合了k-ε和k-ω兩種湍流模型，能夠較好地模擬黏性底層的流動[16]，k為湍流動能，ε為動能耗散率，ω為比動能耗散率。三維數(shù)值計算域的尺寸如圖3所示。圖3中計算域進口和出口分別采用速度和壓力邊界條件，其他遠場邊界均設(shè)置為自由滑移壁面，推進器及其支架表面均設(shè)置為無滑移壁面。葉輪和電機轉(zhuǎn)子的計算域為旋轉(zhuǎn)域，其余均為靜止域。計算域進口段長度Li=10D，出口段長度Lo=15D，推進器水平支架的軸向長度Lx約為5D.

圖3 SPT與MPT三維數(shù)值計算域

1.2 網(wǎng)格劃分及網(wǎng)格無關(guān)性分析

采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對整個計算域進行空間離散，推進器葉片表面的網(wǎng)格分布如圖4所示，其中旋轉(zhuǎn)壁面y+不超過20，靜止壁面y+不超過40.為了消除網(wǎng)格數(shù)量帶來的計算誤差，在保持y+不變條件下，采用4種不同密度的網(wǎng)格(網(wǎng)格總節(jié)點數(shù)分別為1.08×107、2.03×107、3.18×107、3.54×107)對SPT在設(shè)計工況下的水動力性能進行數(shù)值模擬，計算得到其推力系數(shù)如圖5所示。最終確定SPT計算域的無關(guān)性網(wǎng)格節(jié)點數(shù)約為3.18×107.類似地，MPT計算域無關(guān)性網(wǎng)格節(jié)點數(shù)約為3.21×107.

圖4 葉片表面網(wǎng)格分布

圖5 網(wǎng)格無關(guān)性分析

1.3 計算結(jié)果分析

為對比和分析SPT與MPT的推力和力矩分布，本文將推進器的受力壁面分為7個部分，如圖2所示，分別是導(dǎo)管、葉輪、導(dǎo)葉、輪轂、氣隙壁面、轉(zhuǎn)子外壁面、葉輪輪緣，各部分產(chǎn)生的推力依次標(biāo)記為TD、TB、TS、TH、TA、TR、TRS，其中葉輪、轉(zhuǎn)子外壁面以及葉輪輪緣等旋轉(zhuǎn)壁面受到的軸向力矩分別標(biāo)記為QB、QR、QRS.在設(shè)計工況下(JD=1.19)，計算得到兩型推進器各壁面的推力分布如表1、力矩分布如表2所示，表中結(jié)果均以SPT的總推力Ttot和總轉(zhuǎn)矩Qtot為基準，進行了無量綱化處理，負值表示反方向的力或者力矩。

表1 兩型泵噴推進器推力分布對比

表2 兩型泵噴推進器轉(zhuǎn)矩分布對比

從表1中的結(jié)果可以看出，兩型推進器相同部件上的軸向推力大小基本相同。葉輪、導(dǎo)葉和導(dǎo)管是主要受力部件，其中葉輪和導(dǎo)管上的推力分別約為總推力Ttot的110%、3%，導(dǎo)葉上推力是負值且約占總推力的11%.MPT產(chǎn)生的總推力比SPT高出約2.32%.SPT轉(zhuǎn)子外壁面上的力為推力，氣隙壁面上的力為阻力，二者的合力為負值，說明了氣隙結(jié)構(gòu)受到的合力為阻力。從表2中的結(jié)果可以看出，SPT的總轉(zhuǎn)矩Qtot較MPT有較大增加，主要原因是集成電機轉(zhuǎn)子的摩擦轉(zhuǎn)矩QR+QRS較大，約占SPT總轉(zhuǎn)矩的4%.

傳統(tǒng)推進器水動力效率計算公式為

η=Ttot·vD/(Qtot·n)，

(1)

式中：n為推進器轉(zhuǎn)速。由于SPT將永磁電機和推進器結(jié)合為一體，在計算其水動力效率時，需要區(qū)分各個部件消耗的功率是屬于電機還是推進器本體。根據(jù)永磁電機效率的計算方式，轉(zhuǎn)子的摩擦損耗和氣隙散熱損耗是作為電機功率損耗的一部分[17-18]。由于SPT氣隙的主要功能是作為推進電機的散熱通道，理論上應(yīng)當(dāng)將其電機轉(zhuǎn)子的摩擦損耗作為電機功率損耗的一部分，因此在計算SPT水動力效率ηH時，可以不考慮轉(zhuǎn)子的摩擦轉(zhuǎn)矩，此時其計算公式為

ηH=Ttot·vD/[(Qtot-QR-QRS)·n].

(2)

當(dāng)不區(qū)分SPT電機效率和水動力效率時，其整體效率ηtot可以直接按(1)式計算。對于MPT，其內(nèi)部不包含集成電機，因此MPT整體效率和水力效率是相同的。

在設(shè)計工況下，計算得到SPT和MPT內(nèi)流線分布，如圖6所示，可以看出，兩型泵噴推進器的進、出流線分布都比較均勻，流動順暢，沒有明顯的渦旋和回流產(chǎn)生，這說明葉輪與導(dǎo)葉具有較好的匹配性，推進器性能優(yōu)良。

圖6 SPT與MPT計算域內(nèi)流線分布

基于上述分析，在不同的進速條件下，計算得到SPT的整體效率和水動力效率，以及MPT的效率ηMPT，如圖7所示。從圖7中可以看出，SPT的整體效率和水動力效率的最大值分別為0.634、0.662，MPT效率的最大值為0.672，并且均出現(xiàn)在設(shè)計工況JD=1.19附近。SPT的水動力效率較其整體效率有大幅上升，且上升幅度隨著進速系數(shù)的增加先增大后減小，在進速系數(shù)為1.9時達到最大值0.037.SPT的水動力效率略低于MPT的效率，二者之間的最大差距約為0.1.如果綜合考慮這二者的效率，由于SPT消除了傳動軸系上的功率損失，其綜合效率可能接近或者優(yōu)于MPT.另外，在較大的進速系數(shù)范圍內(nèi)(0.89～1.70)，兩型推進器水動力效率都在0.6以上，其高效的進流范圍較寬。

圖7 兩型泵噴推進器水動力效率與整體效率對比

2 SPT與螺旋槳效率對比

為了分析SPT與傳統(tǒng)螺旋槳的推進性能差異，本文對E779A螺旋槳的敞水效率進行了數(shù)值計算，并將計算結(jié)果與其試驗結(jié)果以及SPT的水動力效率進行了對比。該螺旋槳的直徑為DE=0.227 3 m，螺距為0.25 m，葉片數(shù)為4，其三維幾何模型如圖8(a)所示[19]。根據(jù)E779A螺旋槳試驗水槽的尺寸，建立其水動力計算模型如圖9所示。采用分塊化全六面體網(wǎng)格對整個計算域進行空間離散，槳葉表面分布如圖8(b)所示，整個計算域網(wǎng)格節(jié)點數(shù)約為245萬。采用與SPT相同的計算程序和方法對E779A螺旋槳的黏性流場進行數(shù)值求解。計算得到E779A螺旋槳的敞水效率ηC曲線如圖10所示，并將其與E779A螺旋槳試驗結(jié)果ηT、SPT的敞水效率ηH進行了對比。

圖8 E779A螺旋槳三維模型及網(wǎng)格分布

圖9 E779A螺旋槳三維計算域

圖10 E779A螺旋槳敞水效率與SPT敞水效率對比

從圖10中可以看出：E779A螺旋槳敞水效率的計算值與試驗值十分吻合，二者之間的最大誤差不超過2.4%，從而驗證了螺旋槳數(shù)值計算方法的有效性；E779A螺旋槳的最高敞水效率達到了0.716，比SPT的最高敞水效率(0.662)高出了約0.05，但是其高效(效率高于0.6)的進速系數(shù)區(qū)間為0.66～1.08，遠小于SPT的高效進速系數(shù)區(qū)間(0.89～1.70)。綜上所述，SPT的最高敞水效率雖然低于螺旋槳，但是其能夠在更多的工況下高效運行。由于SPT的主要用途之一是降低推進器的水動力噪聲，其葉輪的葉片數(shù)較多(7葉及以上)，如果減少葉片數(shù)，可以使其敞水效率得到進一步有效提升。

3 SPT水推進器動力性能試驗裝置

為了驗證SPT數(shù)值計算方法的有效性，需要對其樣機開展水動性能測試。針對SPT模型試驗中推力和轉(zhuǎn)矩?zé)o法直接測量的問題，本文設(shè)計了一種新型試驗裝置。該試驗裝置采用整體式方案測量推進器的推力和扭矩，推力和轉(zhuǎn)矩測量軸安裝于SPT的輪轂內(nèi)，可有效避免外置測量支架對推進器流場的干擾，也不會破壞推進器的整體形狀。

新設(shè)計的試驗裝置主要組成部件包括：測量軸、前導(dǎo)管、后導(dǎo)管、葉輪、轉(zhuǎn)子、導(dǎo)葉、支撐葉片、滑動軸承、滾動軸承、前導(dǎo)流罩、后導(dǎo)流罩等，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖11所示。測量軸是該試驗裝置的核心部件，其是一根多段階梯型轉(zhuǎn)軸，軸內(nèi)設(shè)置有中心孔，測量推力和轉(zhuǎn)矩的傳感器安裝于中心孔內(nèi)。該測量軸一端與動力裝置的傳動軸相連，一端與葉輪和轉(zhuǎn)子固定相連，因此其可以直接帶動葉輪和轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子和葉輪產(chǎn)生的推力和轉(zhuǎn)矩可以直接傳遞到測量軸上。前、后導(dǎo)管通過螺栓連接到一起，因此前、后導(dǎo)管以及導(dǎo)葉、支撐葉片產(chǎn)生的推力均可以通過滾動軸承傳遞到測量軸上。該試驗裝置具有精度良好、易拆裝等優(yōu)點。

圖11 SPT水動力試驗臺架結(jié)構(gòu)示意圖

4 水動力性能試驗及驗證

將上述試驗裝置與L形傳動機構(gòu)結(jié)合，對SPT樣機的系泊水動力性能進行了測試。由于該SPT的尺寸和總體重量較大，受試驗條件的限制，水動力試驗是在有限的靜止水域中進行，試驗水域的尺寸大小如圖3所示，SPT試驗樣機如圖12所示。為減小試驗誤差，總共進行了3輪測試，并將3次試驗結(jié)果的平均值作為最終測試結(jié)果。

圖12 SPT試驗樣機

以圖3中數(shù)值計算模型為基礎(chǔ)，將計算域進、出口設(shè)置為無滑移壁面，以符合試驗水池的實際物理邊界條件。SPT及其支架外表面網(wǎng)格分布如圖13所示。采用修改后的數(shù)值模型計算了SPT試驗樣機在系列轉(zhuǎn)速下的水動力性能，并將計算結(jié)果與試驗結(jié)果對比，如圖14所示，圖中的轉(zhuǎn)速、試驗結(jié)果以及計算結(jié)果，均以最高轉(zhuǎn)速和對應(yīng)測試結(jié)果為基準，進行了無量綱化處理。由圖14可以看出，該SPT試驗結(jié)果與數(shù)值計算結(jié)果十分接近，推力的最大誤差不超過4.9%，轉(zhuǎn)矩的最大誤差不超過4.6%，這些誤差遠小于工程應(yīng)用的許可誤差，驗證了上述SPT數(shù)值計算方法的有效性。

圖13 SPT及其支架外表面網(wǎng)格分布

圖14 SPT系泊試驗結(jié)果與數(shù)值計算結(jié)果對比

5 結(jié)論

本文采用數(shù)值方法計算了SPT、MPT以及E779A螺旋槳的敞水水動力性能，并對這3種推進器的推進效率進行了對比和分析。為了解決SPT模型試驗中推力和轉(zhuǎn)矩?zé)o法準確測量的問題，本文提出一種新型水動力性能測試裝置，并利用該裝置驗證了SPT數(shù)值計算方法的有效性。得出以下主要結(jié)論：

1)與相似結(jié)構(gòu)MPT相比，SPT的整體效率下降主要是因為電機轉(zhuǎn)子和氣隙會使總推力減少而轉(zhuǎn)矩增加(消耗功率增加)。將SPT轉(zhuǎn)子的摩擦損耗作為集成電機的損耗，此時其水動力效率略低于MPT，且最大差距不超過1%.

2)SPT的最高敞水效率雖然低于常規(guī)螺旋槳，但是其高效的進流系數(shù)范圍較寬，能夠在更多的工況下高效運行。

3)所設(shè)計的試驗裝置能夠有效測量SPT試驗?zāi)Ｐ偷耐屏娃D(zhuǎn)矩，避免外置測量支架對推進器流場的影響，具有精度良好、易拆裝的優(yōu)點，可為同類型推進器的水動力性能測試提供參考。