舰船科学技术  2017, Vol. 39 Issue (12): 163-166   PDF    
轮缘推进器模型试验装置设计研究
孔斌1, 熊立众2, 陈林2, 宋磊2,3,4, 孙江龙2,3,4     
1. 武汉第二船舶设计研究所,湖北 武汉 430064;
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
摘要: 轮缘推进是将电机集成于推进器,推进器置于船尾推动船舶航行的一种新型推进技术。轮缘推进器由于没有传统推进轴系系统,故具有安装方便、噪声小、效率高等特点。国外已将该技术运用到实际船舶中,而国内尚处在总体设计、水动力性能、集成电机等方面的初步研究阶段。为了进一步促进轮缘推进器性能研究的发展,本文提出一种轮缘推进器模型试验装置,根据实验室拖车系统自身特点,完成了该试验装置的总体设计、推进器模型设计、测试方法等方面的研究工作,为轮缘推进技术研究提供试验条件保障。
关键词: 轮缘推进     试验装置     水动力性能    
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
Abstract: 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.
Key words: rim-driven propulsion     test device     hydrodynamic performance    
0 引 言

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。

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。

图 2 推进器模型安装连接示意图 Fig. 2 The map of propulsor model installation
2 推进器模型设计

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。

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。

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。

表 1 试验装置参数 Tab.1 Technical parameters of the test device structure

图 5 电机纵剖面尺寸图 Fig. 5 The map of the motor longitudinal sectional dimensions

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。

图 7 电机横剖面尺寸图 Fig. 7 The map of the motor cross sectional dimensions
3 测试方法研究 3.1 性能参数定义

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]

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。

参考文献
[1] 谈微中, 严新平, 刘正林, 张聪, 黄千稳, 田哲, 等. 无轴轮缘推进系统的研究现状与展望[J]. 武汉理工大学学报(交通科学与工程版), 2015, 39 (3): 601–605.
TAN Wei-zhong, YAN Xin-ping, LIU Zheng-lin, ZHANG Cong, HUANG Qian-wen, TIAN Zhe, et al. Technology Development and Prospect of Shaftless Rim-driven Propulsion System[J]. Journal of Wuhan University of Technology(Transportation Science& Engineering), 2015, 39 (3): 601–605.
[2] 曹庆明, 洪方文, 胡芳琳. 梢部驱动推进器的研究与进展[C]// 第九届全国水动力学学术会议, 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, 张志荣, 辛公正, 等. 梢部驱动推进器水动力性能CFD预报[C]// 全国水动力学学术会议暨两岸船舶与海洋工程水动力学研讨会, 2008, 817–824.
HU Fang-lin, ZHANG Zhi-rong, XIN Gong-zheng, et al. CFD prediction of rim-driven thruster hydrodynamic performance[C]// Proceedings of the Eighth National Symposium on hydrodynamics, 2008, 817–824.
[4] 钟宏伟, 韩雪, 刘亚兵. 无轴推进电机技术应用研究[J]. 舰船科学技术, 2015, 37 (9): 1–6.
ZHONG Hong-wei, HAN Xue, LIU Ya-bing. Shaftless propulsion motor technology application[J]. Ship Science and Technology, 2015, 37 (9): 1–6.
[5] 阳航, 涂海文, 谢文雄, 孙江龙, 等. 一种新型船模水动力性能测试装置研究[J]. 舰船科学技术, 2017, 39 (2): 31–36.
YANG Hang, TU Hai-wen, XIE Wen-xiong, SUN Jiang-long, et al. A new hydrodynamic testing device of model ship[J]. Ship Science and Technology, 2017, 39 (2): 31–36.
[6] 徐嘉启, 熊鹰, 王展智. 混合式CRP推进器操舵工况水动力性能数值研究[J]. 中国舰船研究, 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.