宋顯成，左哲清，趙國(guó)平，劉 群，宋洪舟，艾賢祖

(北京精密機(jī)電控制設(shè)備研究所，北京 100076)

0 引 言

無(wú)軸輪緣推進(jìn)器（Shaftless Rim-driven Thruster,SRDT）是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新型推進(jìn)技術(shù)，其借助導(dǎo)管內(nèi)布局驅(qū)動(dòng)電機(jī)，從而取消驅(qū)動(dòng)長(zhǎng)軸，達(dá)到減振降噪、增加緊湊性、比功率和機(jī)動(dòng)性的目的，符合水下推進(jìn)高集成發(fā)展趨勢(shì)的需求[1-2]。然而，SRDT 的集成化特點(diǎn)勢(shì)必要求深入挖掘輪緣槳、電機(jī)及控制等各單元潛能，并確保相互之間的高度兼容，這使該種推進(jìn)器的設(shè)計(jì)和研發(fā)難度大為增加。如SRDT 電機(jī)定子是布局在狹小導(dǎo)管空間內(nèi)的，由于電機(jī)轉(zhuǎn)矩與其鐵芯體積成正比，所以其轉(zhuǎn)矩密度必須很高，致使過(guò)載余量有限；因SRDT 無(wú)法配置位置傳感器，存在無(wú)負(fù)載反饋的開(kāi)環(huán)調(diào)控低速區(qū)間，此時(shí)負(fù)載動(dòng)特性若出現(xiàn)偏差，控制難度大；作為輔推RDT 需面臨海浪、風(fēng)力、海洋流速等自然條件引起的沖擊變化，機(jī)動(dòng)操縱頻繁，要求SRDT 具有高動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力，以及電機(jī)具備長(zhǎng)時(shí)過(guò)載能力等。為解決上述諸種問(wèn)題，充分探明SRDT 負(fù)載特性，特別是動(dòng)態(tài)特性是非常必要的，其直接關(guān)乎推進(jìn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，也影響推進(jìn)系統(tǒng)的聲隱身性，乃至對(duì)艦艇生存和高機(jī)動(dòng)作戰(zhàn)能力發(fā)揮都具有重要意義。

目前，關(guān)于艦船推進(jìn)器負(fù)載動(dòng)態(tài)特性研究大多還集中于傳統(tǒng)推進(jìn)器仿真和實(shí)驗(yàn)方面，如國(guó)外挪威科技大學(xué)、ABB、SIEMENS、ALSTON 等研究機(jī)構(gòu)都建有大型船舶電力推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，都曾系統(tǒng)地對(duì)傳統(tǒng)船舶電力推進(jìn)仿真開(kāi)展過(guò)研究。其中，挪威科技大學(xué)在船舶電力推進(jìn)仿真系統(tǒng)領(lǐng)域有著豐富研究成果[3]，尤其在模擬不同工況下螺旋槳的負(fù)載特性方面有重大突破[4]。國(guó)內(nèi)中船712 研究所、集美大學(xué)等相關(guān)單位也建有電力推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，開(kāi)展了負(fù)載動(dòng)態(tài)特性的相關(guān)研究[5]。從國(guó)內(nèi)外公開(kāi)文獻(xiàn)看，迄今還鮮有涉及無(wú)軸輪緣推進(jìn)器動(dòng)態(tài)特性仿真及試驗(yàn)的研究，對(duì)于輪緣推進(jìn)器大多以穩(wěn)態(tài)特性研究居多。如美國(guó)通用電船公司自20 世紀(jì)90 年代開(kāi)始就對(duì)SRDT 敞水性能開(kāi)展了大量研究，指出輪緣推進(jìn)器可比傳統(tǒng)軸驅(qū)推進(jìn)器高出5%～10%敞水效率[6]。目前國(guó)外已有一些SRDT 產(chǎn)品開(kāi)始步入應(yīng)用，最大功率可達(dá)800 kW，用于千噸級(jí)艦船[7]。在國(guó)內(nèi)，中船重工702 研究所最早于20 世紀(jì)90 年代開(kāi)始對(duì)SRDT 進(jìn)行研究，開(kāi)發(fā)了有轂式20 kW 級(jí)原理樣機(jī)，系統(tǒng)地研究了導(dǎo)管、螺旋槳和間隙等邊界因素對(duì)SRDT的性能影響[8]。陳政宏和李宗衛(wèi)利[9]用PIV 對(duì)SRDT 試驗(yàn)分析，發(fā)現(xiàn)緣驅(qū)無(wú)轂螺旋槳可顯著降低尾渦流損失。中船705 研究所也曾從電機(jī)的角度研究過(guò)無(wú)軸推進(jìn)特性[10]。這些從穩(wěn)態(tài)角度關(guān)注SRDT 特性的研究雖然可為設(shè)計(jì)提供初步參考，但SRDT 作為一種有著高動(dòng)態(tài)工況特點(diǎn)及過(guò)載帶寬局限的推進(jìn)器，關(guān)注其動(dòng)態(tài)負(fù)載特性對(duì)其工程實(shí)用化設(shè)計(jì)更為重要。

鑒于無(wú)軸輪緣推進(jìn)器負(fù)載動(dòng)態(tài)特性的重要性，以及由于其獨(dú)具的特殊構(gòu)型，構(gòu)建模擬實(shí)驗(yàn)負(fù)載難度大且成本高的現(xiàn)實(shí)，本文針對(duì)無(wú)軸輪緣推進(jìn)器開(kāi)展負(fù)載動(dòng)態(tài)特性數(shù)值研究，為輪緣推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供參考依據(jù)，促進(jìn)其機(jī)動(dòng)推進(jìn)性能提升，同時(shí)也可為輪緣推進(jìn)的航行器操縱性奠定必要的動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)。

1 穩(wěn)態(tài)特性數(shù)值驗(yàn)證

無(wú)軸輪緣推進(jìn)器作為一種新型推進(jìn)器，迄今鮮有公開(kāi)的水動(dòng)力性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)。為了研究輪緣推進(jìn)器的負(fù)載動(dòng)態(tài)特性，必須首先獲取其穩(wěn)態(tài)的敞水特性。

本文采用數(shù)值模擬方法獲取其敞水性能。為確保所獲取水動(dòng)力特性的有效性和準(zhǔn)確性，本文選取與輪緣推進(jìn)具有相近結(jié)構(gòu)的導(dǎo)管槳作為參考對(duì)比，所選輪緣推進(jìn)器為所選導(dǎo)管槳的改型設(shè)計(jì)，以便利于對(duì)無(wú)軸化的針對(duì)性對(duì)比。本文選取具有試驗(yàn)數(shù)據(jù)的導(dǎo)管槳Ka4-7010+19A，對(duì)其進(jìn)行無(wú)軸化簡(jiǎn)單推進(jìn)器改型，對(duì)兩者分別進(jìn)行數(shù)值模擬，三維模型如圖1 所示。

圖1 導(dǎo)管螺旋槳和無(wú)軸輪緣推進(jìn)器三維模型Fig.1 Three-dimensional model of ducted propeller and shaftless Rim-driven Thruster

網(wǎng)格劃分采用混合結(jié)構(gòu)模式。對(duì)于轉(zhuǎn)子域，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，以提高槳區(qū)流場(chǎng)的精度；對(duì)于靜止域，采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分；對(duì)近壁面處進(jìn)行邊界層網(wǎng)格加密。以y+=3 設(shè)定底層邊界層高度，邊界層總層數(shù)為6 層，網(wǎng)格劃分如圖2 所示。

圖2 計(jì)算域網(wǎng)格剖分Fig.2 Computational domain meshing

基于雷諾時(shí)均方法（RANS）離散求解流動(dòng)不可壓縮流體N-S 方程，求解結(jié)果如圖3 所示。可以發(fā)現(xiàn)，Ka4-7010+19A 的數(shù)值結(jié)果與試驗(yàn)吻合較好。誤差范圍4% 以內(nèi)，仿真方法的有效性獲得了驗(yàn)證。SRDT 與Ka4-7010+19A 的性能比較相近，但也存在如下差異：SRDP 的推力系數(shù)在全進(jìn)速比范圍內(nèi)略低于導(dǎo)管槳；扭矩系數(shù)在低進(jìn)速比下略低于導(dǎo)管槳，高進(jìn)速比下略高于導(dǎo)管槳；效率在低進(jìn)速比下接近導(dǎo)管槳，高進(jìn)速比下明顯低于導(dǎo)管槳。這主要是因?yàn)镽DP 沒(méi)有輪轂端壁，且輪緣是隨槳一起轉(zhuǎn)動(dòng)的，導(dǎo)致了軸向誘導(dǎo)速度比導(dǎo)管槳小，推力系數(shù)變小，效率也在高進(jìn)速比時(shí)明顯變小。本文CFD 方法有效預(yù)示出了SRDP 與導(dǎo)管槳的性能既相近又存在著差異，說(shuō)明用其研究SRDP 水動(dòng)力學(xué)性能具有參考性。

圖3 SRDT 與導(dǎo)管槳敞水特性曲線對(duì)比Fig.3 Comparison of open water characteristic curve between SRDT and ducted propeller

2 動(dòng)態(tài)特性仿真數(shù)學(xué)模型

2.1 敞水性能曲線擬合

對(duì)于航行器推進(jìn)器，其進(jìn)速比J、進(jìn)程hp、槳盤(pán)直徑Dp、轉(zhuǎn)速為n和 進(jìn)速Vp存在如下關(guān)系：

航行器動(dòng)態(tài)航行不同于其穩(wěn)態(tài)航行，進(jìn)速比J范圍變化很大。比如當(dāng)推進(jìn)器從正航向倒航過(guò)渡過(guò)程中，當(dāng)轉(zhuǎn)速n經(jīng)過(guò)0 附近時(shí)，因慣性的存在，航速Vp還很大，于是J便出現(xiàn)近乎無(wú)窮大的情形，而且，盡管推進(jìn)器已反轉(zhuǎn)開(kāi)始,但航行器仍處于正航狀態(tài)，即Vp為正，可轉(zhuǎn)速n為負(fù)，于是進(jìn)速比此時(shí)便為負(fù)值。為此，為能夠在航行器全工況航行狀態(tài)下，避免出現(xiàn)J的奇異導(dǎo)致仿真無(wú)法進(jìn)行的情況，按照n和Vp的不同情形，劃分航行推進(jìn)4 個(gè)象限：第1 象限（n＞0，Vp＞0），第2 象限（n＜0，Vp＞0），第3 象限（n＜0，Vp＜0），第4 象限（n＞0，Vp＜0）。在n和Vp不同時(shí)為零的情況下，給出如下定義：

式中：J′為 相對(duì)進(jìn)速比；為相對(duì)推力系數(shù)；為相對(duì)轉(zhuǎn)矩系數(shù)；T為推進(jìn)器推力；M為推進(jìn)器扭矩；ρ為海水的密度。關(guān)于J′的曲線關(guān)系由敞水特性曲線決定，本文采用Chebyshevd 多項(xiàng)式對(duì)特性曲線進(jìn)行擬合。

2.2 航體-推進(jìn)器耦合數(shù)學(xué)模型

將式（1）和式（2）分別代入式（4）和式（5）可獲得T和扭矩M分別為：

水下推進(jìn)器一般處于航行器尾部，實(shí)際航行時(shí)對(duì)來(lái)流的抽吸作用會(huì)較裸航體額外增加一部分摩擦阻力和壓差阻力，推進(jìn)器只有多出一部分推力來(lái)抵消這一部分阻力，才能使有效推力與裸航體阻力值平衡，所以，工程設(shè)計(jì)中一般引入一推力減額系t，則推進(jìn)器的有效推力表示為：

t由如下關(guān)系式確定：

其中，ne為推進(jìn)器額定轉(zhuǎn)速。

根據(jù)牛頓第二定律，航體-推進(jìn)器系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程可表示為：

其中，m為航行器和推進(jìn)器的總質(zhì)量；Δm為附水質(zhì)量，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)附水質(zhì)量可取航行器總質(zhì)量（m+Δm）的5%～15%。Vs為航行速度，其余推進(jìn)器進(jìn)速關(guān)系為：

ω為伴流系數(shù)，由下式確定：

其中，Cb為船舶的方形系數(shù)，定義為排水體積與船長(zhǎng)、型寬、吃水深度三者乘積的比值。

航行器所受到的阻力R可根據(jù)1957ITTC 公式確定。此公式為1957 年的國(guó)際船模試驗(yàn)池會(huì)議確定下來(lái)的國(guó)際通用計(jì)算公式，其形式如下：

其中，S為航行器濕邊表面積。ΔCf為摩擦阻力補(bǔ)貼系數(shù)，通常取為 ΔCf=4×10-4，摩擦阻力Cf根據(jù)平板邊界層理論計(jì)算獲得，即

其中，Re為船舶航行的雷諾數(shù)。

推進(jìn)器旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)方程為:

其中：n為推進(jìn)器轉(zhuǎn)速；I為推進(jìn)器轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；ΔI為附水轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，其值一般取I的20%。

由船槳特性公式可以得到如圖4 所示的船槳數(shù)學(xué)模型。

圖4 船槳耦合數(shù)學(xué)模型圖Fig.4 Ship-propeller coupling mathematical model diagram

3 算例分析

為獲取無(wú)軸推進(jìn)帶來(lái)的動(dòng)態(tài)特性差異，本文選取某一導(dǎo)管螺旋槳電推進(jìn)船舶作為驗(yàn)證算例，并保持該導(dǎo)管推進(jìn)器電機(jī)定轉(zhuǎn)子重量、盤(pán)面直徑、導(dǎo)管型線和螺距比等幾何要素與無(wú)軸輪緣推進(jìn)器一致，以便顯著對(duì)比無(wú)軸與有軸之間動(dòng)態(tài)特性。選定某電力推進(jìn)導(dǎo)管槳船舶，該船最大航行速度15 kn，螺旋槳盤(pán)面直徑0.8 m，船體總重量 100 t。以前文數(shù)值方法獲取無(wú)軸輪緣推進(jìn)器的敞水特性曲線，同樣的初始航速條件下，分別進(jìn)行典型的正車啟動(dòng)和停車2 種工況下負(fù)載特性動(dòng)態(tài)仿真，對(duì)比分析推進(jìn)形式下特性曲線。表1 給出了該船參數(shù)及實(shí)際航行記錄的相關(guān)數(shù)據(jù)，以便于后續(xù)與仿真結(jié)果對(duì)比。

表1 船舶參數(shù)及航行記錄數(shù)據(jù)Tab.1 Ship parameters and voyage record data

3.1 正車啟動(dòng)

1）直接啟動(dòng)

直接啟動(dòng)是為了最快達(dá)到目標(biāo)轉(zhuǎn)速，電機(jī)快速直接工作，推進(jìn)器轉(zhuǎn)速迅速升高，極短時(shí)間內(nèi)即可達(dá)到目標(biāo)轉(zhuǎn)速。動(dòng)態(tài)仿真的推進(jìn)器轉(zhuǎn)速n、航體航速Vs以及推進(jìn)器扭矩M變化情況如圖5～圖7 所示。

圖5 槳速的響應(yīng)過(guò)程Fig.5 Response process of propeller rotation speed

圖6 船舶航速的響應(yīng)過(guò)程Fig.6 The response process of ship sailing speed

圖7 螺旋槳轉(zhuǎn)矩響應(yīng)過(guò)程Fig.7 Propeller torque response process

由圖5～圖7 可以看出，直接啟動(dòng)時(shí)，航速到達(dá)最大所需時(shí)間約為7.4 s，與該船航行記錄的8 s 比較接近，電機(jī)的峰值功率為126.6 kW，與航行記錄的129 kW接近，表明本文仿真方法的有效性。仿真表明，電機(jī)轉(zhuǎn)速被控制迅速達(dá)到最大轉(zhuǎn)速400 r/min，無(wú)軸推進(jìn)和傳統(tǒng)槳的扭矩都是迅速接近峰值，兩者扭矩趨勢(shì)都是先增大后減小，最后逐漸平穩(wěn)下來(lái)維持恒定值。兩者提交的航速都很快隨著轉(zhuǎn)速達(dá)到最高值而達(dá)到最高航速15 kn。從中可以發(fā)現(xiàn)，2 種推進(jìn)存在顯著差別。首先，峰值扭矩不同，無(wú)軸推進(jìn)的峰值扭矩明顯小于傳統(tǒng)槳推進(jìn)的扭矩，且達(dá)到平穩(wěn)航行時(shí)，其扭矩也較傳統(tǒng)推進(jìn)小。其次，無(wú)軸推進(jìn)的啟動(dòng)響應(yīng)比傳統(tǒng)推進(jìn)快，大約提前了2 s。其主要原因是無(wú)軸輪緣推進(jìn)器具有更小的啟動(dòng)力矩特性，以及更緊湊的結(jié)構(gòu)所致。

直接啟動(dòng)過(guò)程仿真表明，急加速的起始階段槳軸過(guò)載嚴(yán)重，這種狀況對(duì)設(shè)備的損害較大。而采用無(wú)軸推進(jìn)方式能在一定程度上減少這種傷害。

2）分級(jí)啟動(dòng)

分級(jí)啟動(dòng)一般可分為3 個(gè)啟動(dòng)階段，其目的是分級(jí)逐漸提高推進(jìn)器轉(zhuǎn)速到指定值。將推進(jìn)器分別按125 r/min，250 r/min，400 r/min 三級(jí)轉(zhuǎn)速設(shè)定進(jìn)行分級(jí)起動(dòng)，轉(zhuǎn)速n、船速Vs以及推進(jìn)器扭矩M從啟動(dòng)到完全穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)曲線如圖8～圖10 所示。

圖8 槳速的響應(yīng)過(guò)程Fig.8 Response process of propeller rotation speed

圖9 船舶航速響應(yīng)過(guò)程Fig.9 The response process of ship sailing speed

圖10 螺旋槳轉(zhuǎn)矩響應(yīng)過(guò)程Fig.10 Propeller torque response process

分級(jí)啟動(dòng)仿真曲線可以發(fā)現(xiàn)，船舶一級(jí)加速后電機(jī)開(kāi)始緩慢運(yùn)行，推進(jìn)器扭矩此時(shí)較低，船舶的航速緩緩提升。約5 s 以后，船舶航速加速減緩并穩(wěn)定在低速航行，2 種推進(jìn)器的轉(zhuǎn)速幾乎都能很快穩(wěn)定在125 r/min，扭矩呈先增至一峰值后漸漸趨于穩(wěn)定趨勢(shì)。扭矩趨穩(wěn)歷時(shí)較長(zhǎng)，約10 s 的時(shí)間。扭矩達(dá)到約260 Nm。第20 s和40 s 時(shí)分別開(kāi)始第2 次和第3 次加速，2 種推進(jìn)器的轉(zhuǎn)速和扭矩變化狀態(tài)與第1 次加速呈相同趨勢(shì)，航行器航速也呈同樣特點(diǎn)。最終，航行器航速達(dá)到15 kn，傳統(tǒng)推進(jìn)器的最大峰值扭矩達(dá)到了2.64 kNm，平穩(wěn)后扭矩達(dá)到2.5 kNm，而輪緣推進(jìn)器最大峰值扭矩為2.46 kNm，平穩(wěn)后扭矩2.4 kNm，均比傳統(tǒng)推進(jìn)器小。

相比直接啟動(dòng)，無(wú)論是輪緣推進(jìn)還是傳統(tǒng)推進(jìn)，分級(jí)啟動(dòng)最終的推進(jìn)器扭矩峰值扭矩較小，分別約為直接啟動(dòng)扭矩的88%和83%。輪緣推進(jìn)器比傳統(tǒng)推進(jìn)更容易在各級(jí)啟動(dòng)時(shí)先到達(dá)穩(wěn)定航速，最終峰值扭矩也比傳統(tǒng)推進(jìn)的扭矩小。

3.2 正車啟動(dòng)后停車

船舶經(jīng)常會(huì)在正車穩(wěn)定航行時(shí)進(jìn)行停車操作，一般停車操作可以分2 種方式：緊急停車和分級(jí)停車。與啟動(dòng)情況一樣，本文分別對(duì)2 種停車方式進(jìn)行動(dòng)態(tài)航行仿真，并對(duì)比無(wú)軸與傳統(tǒng)推進(jìn)的動(dòng)態(tài)特性。

1）緊急停車

緊急停車是指在船舶航行過(guò)程中發(fā)生突遇情況時(shí)緊急制動(dòng)，緊急停車過(guò)程中推進(jìn)器的轉(zhuǎn)速n、船速Vs和推進(jìn)器扭矩M的動(dòng)態(tài)仿真如圖11～圖13 所示。

圖11 槳轉(zhuǎn)速的響應(yīng)過(guò)程Fig.11 Response process of propeller rotation speed

圖12 船舶航速響應(yīng)過(guò)程Fig.12 The response process of ship sailing speed

圖13 螺旋槳轉(zhuǎn)矩響應(yīng)過(guò)程Fig.13 Propeller torque response process

從動(dòng)態(tài)仿真圖可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)在40 s 時(shí)使船舶從穩(wěn)定航行狀態(tài)下緊急制動(dòng)，將推進(jìn)器轉(zhuǎn)速?gòu)?00 r/min 直接降到不轉(zhuǎn)，2 種推進(jìn)形式的船舶航速都由15 kn 迅速下降，其中，無(wú)軸推進(jìn)船航速比有軸傳統(tǒng)推進(jìn)更快接近零航速。2 種推進(jìn)器的轉(zhuǎn)矩都能從第40 s 時(shí)的正向2.4 kNm 迅速變?yōu)榉聪?，并?jīng)一反向峰值，約經(jīng)歷10 s后而逐漸減小趨于零扭矩。其中，無(wú)軸推進(jìn)的扭矩反向峰值較小，達(dá)到了0.5 kNm，明顯有軸推進(jìn)反向扭矩值0.7 kNm 小許多。

從緊急制動(dòng)的仿真中可以看出，航速?gòu)淖畲鬁p小接近0 所需時(shí)間約為62 s，與該船航行記錄的64 s 比較接近，電機(jī)的反向峰值功率為33.8 kW，與航行記錄的36 kW 接近。說(shuō)明本文仿真方法具有有效性。仿真表明，無(wú)論是有軸還是無(wú)軸推進(jìn)，其轉(zhuǎn)矩在短時(shí)間內(nèi)突然由正值變?yōu)樨?fù)值，并且變化幅度均超過(guò)了3 kNm，過(guò)載十分嚴(yán)重，此種模式將極大損害推進(jìn)軸系和推進(jìn)電機(jī)，易造成事故或增加維護(hù)成本。相比而言，無(wú)軸推進(jìn)的過(guò)載稍小，因不存在細(xì)長(zhǎng)軸系，其損害僅限于電機(jī)部分。但因電機(jī)為輪緣轉(zhuǎn)子構(gòu)型，尺寸半徑大，其扭矩載荷較小，將損害大大降低，從這一點(diǎn)可以體現(xiàn)出無(wú)軸推進(jìn)具有易于維護(hù)的優(yōu)勢(shì)。

2）分級(jí)停車

分級(jí)停車是指船舶從穩(wěn)定的正向航行逐漸減速至靜止的停車操縱，一般按兩級(jí)減速進(jìn)行。分級(jí)停車過(guò)程中推進(jìn)器的轉(zhuǎn)速n、船速Vs和推進(jìn)器扭矩M的動(dòng)態(tài)仿真如圖14～圖16 所示。

圖14 螺旋槳轉(zhuǎn)速響應(yīng)過(guò)程Fig.14 Response process of propeller rotation speed

圖15 艇航速響應(yīng)過(guò)程Fig.15 The response process of ship sailing speed

圖16 螺旋槳轉(zhuǎn)矩響應(yīng)過(guò)程Fig.16 Propeller torque response process

從分級(jí)停車動(dòng)態(tài)仿真圖可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)在20 s 時(shí)使船舶從穩(wěn)定航行狀態(tài)下進(jìn)行第1 次制動(dòng)，將推進(jìn)器轉(zhuǎn)速?gòu)?00 r/min 降到280 r/min，2 種推進(jìn)形式的船舶航速都由15 kn 相應(yīng)下降至一航速后穩(wěn)定航行，其中，無(wú)軸推進(jìn)船航速比有軸傳統(tǒng)推進(jìn)稍快接近零航速。2 種推進(jìn)器的轉(zhuǎn)矩都能從第20 s 時(shí)的正向2.4 kNm 逐漸減小，并經(jīng)一谷值，約經(jīng)歷5 s 后而逐漸減小趨于某一正向扭矩值。其中，無(wú)軸推進(jìn)的扭矩谷值較小。第2 次減速，螺旋槳轉(zhuǎn)速?gòu)?80 r/min 縮減到160 r/min，航速與扭矩變化趨勢(shì)與第一次減速基本類似。此后伴隨船速的持續(xù)減小，螺旋槳轉(zhuǎn)速在20 s 內(nèi)縮減到0，但是船舶自身重量必定會(huì)產(chǎn)生慣性，因此船速始終無(wú)法完全降至0。而螺旋槳的轉(zhuǎn)矩在歷經(jīng)3 次逐漸減小的過(guò)程后，最終完全降至0。

從分級(jí)制動(dòng)的仿真可以看出，與緊急制動(dòng)相比，無(wú)論是有軸還是無(wú)軸推進(jìn)，其轉(zhuǎn)矩變化都比較平緩減低，并未出現(xiàn)迅速減低為負(fù)扭矩的情形，過(guò)載都不嚴(yán)重，對(duì)推進(jìn)系統(tǒng)的損害都不大。2 種推進(jìn)模型相比，無(wú)軸推進(jìn)具有更小的過(guò)載，以及更快的航速響應(yīng)能力。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文基于數(shù)值仿真方法對(duì)船舶無(wú)軸輪緣推進(jìn)動(dòng)態(tài)特性開(kāi)展研究。借助CFD 方法獲取輪緣推進(jìn)器敞水性能，并通過(guò)切比雪夫多項(xiàng)式擬合獲得了無(wú)軸輪緣推進(jìn)器四象限性能曲線。構(gòu)建了船-槳耦合動(dòng)態(tài)仿真數(shù)學(xué)模型以及仿真程序。通過(guò)某一實(shí)船為仿真算例，對(duì)比傳統(tǒng)推進(jìn)及實(shí)船航行記錄數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了研究的有效性。對(duì)比傳統(tǒng)推進(jìn)模式無(wú)軸輪緣推進(jìn)器超載力矩更低、響應(yīng)更快。

研究結(jié)果如下：

1）無(wú)軸輪緣推進(jìn)器緊湊性好，質(zhì)量輕，并且具有低進(jìn)速比小扭矩系數(shù)的特點(diǎn)，使得其具有比傳統(tǒng)電推進(jìn)模式更快的響應(yīng)能力。

2）輪緣推進(jìn)器動(dòng)態(tài)機(jī)動(dòng)時(shí)具有更小的峰值扭矩，利于其在導(dǎo)管內(nèi)進(jìn)行集成。動(dòng)態(tài)仿真的過(guò)載轉(zhuǎn)矩可以作為輪緣電機(jī)設(shè)計(jì)參考，以便進(jìn)行最優(yōu)化的輪緣電機(jī)設(shè)計(jì)。

本文研究動(dòng)態(tài)特性的數(shù)值仿真方法可以為船舶輪緣推進(jìn)的操縱控制提供指導(dǎo)，使其可以根據(jù)需要進(jìn)一步優(yōu)化，提高負(fù)載響應(yīng)速度，優(yōu)化推進(jìn)性能，增加航行器的機(jī)動(dòng)性。