2017, Vol. 39
2. 华中科技大学 船舶与海洋工程学院，湖北 武汉 430074;
3. 船舶和海洋水动力湖北省重点实验室，湖北 武汉 430074;
4. 高新船舶与深海开发装备协同创新中心，上海 200240
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
轮缘推进器是近年来提出并发展起来的一种全新推进方式，相比于传统螺旋桨推进，轮缘推进器突破了常规思维模式，设计时将电机和推进器集中为一体，使得结构更加紧凑，减少了推进系统占用空间，提高了船舶经济性[1]。同时，轮缘推进器取消了传统螺旋桨推进轴系，减少了舰船航行时的振动和噪声，提高了舰船隐身性能，具有很高的军事应用价值。
早在20世纪90年代，美国通用动力电船公司就提出轮缘推进器新概念，设计时仍保留传统推进轴系，故又称作梢部驱动推进器。进入21世纪后，轮缘推进技术取得了较大发展，取消了传统推进轴系设计，具有占用空间小、结构布置简单、噪声小等特点。目前国外轮缘推进器的最大功率可达800 kW，可用于1 000吨级的舰船[2]。
国内对轮缘推进器的研究尚处在初步探索研究阶段。20世纪90年代中国船舶科学研究中心与中船重工712所曾研制磁同步带桨毂的轮缘推进器，并开发出20 kW的原理样机[3]。702研究所主要就轮缘推进器的水动力特性进行研究，包括螺旋桨的样式、外部导流罩的形状及其对推进效率的影响。台湾的成功大学在2008年研制1台小型轮缘驱动推进器的样机，但其功率较小，体积较大，只能用于小型无人潜水器中[1]。705研究所也曾从电机的角度研究过无轴推进技术[4]。
国内学者开展了轮缘推进器设计、水动力性能计算、集成电机设计等方面的研究工作，但在水动力性能试验方面的研究较少，本文提出了一种轮缘推进器模型试验装置，并完成了该试验装置设计、推进器模型设计和测试方法等方面的研究工作，可为我国轮缘推进器研究提供试验技术支撑。
1 试验装置总体设计华中科技大学船模拖曳水池长175 m，宽6 m，水深4 m，本文根据船模拖曳水池拖车系统自身结构形式，完成了轮缘推进器模型试验装置的设计，试验装置总体示意图见图1所示。
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图 1 试验装置总体示意图 Fig. 1 The three-dimensional map of testing device |
拖车横梁截面为槽钢，内侧水平间隔600 mm，槽钢高度为178 mm，槽钢底端距离水面1 210 mm。推进器高度（包括剑）为450 mm，剑露出水面部分高度为110 mm，剑上端与横梁垂直距离为1 100 mm，剑上端刚性固连在实验室开发的新型约束模水动力性能测试装置上[5]。该测试装置中的固定平台通过拖车安装架安装于拖车横梁上，运动平台下面刚性连接六分力天平，剑上端与六分力天平刚性连接。通过6个电动缸的伸缩运动使得运动平台产生旋转，从而使推进器模型具有不同的迎流角，推进器模型安装连接示意图见图2所示。
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图 2 推进器模型安装连接示意图 Fig. 2 The map of propulsor model installation |
试验装置推进器模型集成了电机，基于永磁电机工作原理，完成了电机部分的设计，剖视图如图3所示。
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图 3 电机剖视图 Fig. 3 Sectional view of the motor |
电机部分主体由定子线圈、永磁体转子、内外壳等构成。电机的定子线圈置于外壳内侧，永磁体转子固定于内壳外侧，内壳内侧设置了桨叶安装基座，根据实际试验需求，可方便拆装或更换桨叶。推力轴承和径向轴承布置在内外壳之间，由于电机长时间在水下工作，定子线圈、永磁体转子两端都设置有密封圈，并采用端盖和轴盖来固定内、外壳，使推进器模型部分成为一个独立的整体。工作时转子带动内壳及桨叶实现转动，电机结构剖视图如图4所示。
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图 4 电机结构剖视图 Fig. 4 Sectional view of three-dimensional motor structure |
该试验装置的相关参数如表1所示，电机外形尺寸如图5~图6所示。
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表 1 试验装置参数 Tab.1 Technical parameters of the test device structure |
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图 5 电机纵剖面尺寸图 Fig. 5 The map of the motor longitudinal sectional dimensions |
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图 6 电机端面尺寸图 Fig. 6 The map of the motor external dimensions |
在电机内部有转子永磁体、定子线圈等，为使试验装置运行良好，需要精细设计内部零件尺寸，尤其是各层挡板厚度，具体尺寸如图7所示。
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图 7 电机横剖面尺寸图 Fig. 7 The map of the motor cross sectional dimensions |
建立参考系如图8所示，x方向为推进器前进方向，y方向为同一水平面内垂直于x轴的方向。偏转角φ正向为俯视推进器单元的顺时针方向，此时推进器向右舷偏转[6]。
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图 8 参考系及推进器水动力性能参数、偏转角 Fig. 8 Reference system and propeller hydrodynamic performance parameters, deflection angle |
推进器推力系数KT、扭矩系数KQ及推进器效率η定义如下：
| $\begin{array}{l}{K_T} = \displaystyle\displaystyle\displaystyle\frac{{{F_x}}}{{\rho {n^2}{D^4}}} \text{，}\\[10pt]{K_Q} = \displaystyle\displaystyle\frac{Q}{{\rho {n^2}{D^5}}} \text{，}\\[13pt]\eta = \displaystyle\frac{{{F_x}{V_A}}}{{2\pi nQ}} \text{。}\end{array}$ | (1) |
式中：ρ为流体密度；n为转速；D为桨叶直径；Q为扭矩；VA为进速；Fx为轮缘推进器在x方向的推力，其定义如下，
| ${F_x} = T\cos \phi + {R_l} \text{。}$ | (2) |
式中：T为轮缘推进器轴线方向推力；Rl为轮缘推进器阻力，可通过测力天平测得。
3.2 推力和扭矩测量轮缘推进器模型试验装置在试验时，将桨叶安装在试验装置内壳内侧上，由转子带动内壳及桨叶旋转，从而产生推力，推力由推力轴承传递到试验装置上，试验装置通过测力天平固连剑，从而可测得整个试验装置总推力T。由于推进器产生的扭矩Q反向作用在试验装置上，故在考虑电机效率的情况下，可通过电机功率来获得推进器扭矩。
4 结 语本文创新性地提出一种轮缘推进器模型试验装置，完成了该试验装置设计和测试方法的初步研究工作，可为推动我国轮缘推进器技术发展提供支撑。
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