0 引　言

吊舱推进装置在机动性、可靠性、运行效率和推进功率等方面都拥有常规推进装置无可比拟的优势。随着吊舱的大量使用，以原来的结构型式为基础衍生出诸如导管推式吊舱、双头对转吊舱、双头同转吊舱等不同结构形式的吊舱。这也充分显示出吊舱在未来船舶推进系统拥有广泛的应用前景^[1]。

吊舱集推进和舵的功能于一体，其推进问题首先引起人们的关注，比如吊舱在直航情况下螺旋桨、船体、吊柱之间的相互干扰，拉式和推式型式的区别等，相关水动力性能已经开展了很多研究，也取得了很多的研究成果^{[2 − 4]}。但在操舵工况下，吊舱的轴向力、侧向力、转舵力矩随进速系数和舵角的变化会呈现复杂的变化规律，螺旋桨的动态载荷会发生剧烈变化，导致推进器效率降低，因此开展不同舵角工况下吊舱的水动力性能具备非常重要的研究价值。

以往受限于研究手段和方法的限制，开展吊舱在不同舵角情况下的水动力性能非常困难。近年来，随着计算流体力学的高速发展，数值模拟被越来越多的应用于吊舱的水动力性能研究上。采用数值计算方法进行吊舱的水动力性能研究成为行业主流的方式之一。马骋等^[5]应用涡格法和边界元发建立了吊舱的定常水动力性能的数值计算方法。Sánchez-Caja 等^[6]首次采用 RANS 黏流方法结合滑移网格技术计算了吊舱的非定常流动。Lobachev等^[7] 采用 RANS 方法并利用鼓动盘代替真实螺旋桨研究了全回转推进器的尺度效应。Moctar等^[8]首次使用 RANS 方法求解了斜航状态下全回转推进器的水动力性能。胡健等^[9]采用滑移网格的方法模拟吊舱连续摆动状态下的水动力性能以及不同斜航角的影响。

目前采用数值仿真对全回转吊舱的水动力性能研究已比较深入，并且也取得了较大研究成果，但如何开展吊舱在不同舵角下的测试，通过试验来验证数值仿真准确性的研究学者并不多。熊鹰等^[10]应用空泡水筒进行了混合式CRP吊舱的敞水性能试验；贺伟等^[11]利用船模拖曳水池和自行开发的测量系统，对双桨串列式吊舱在自航和操舵工况下的水动力性能进行了模型试验研究；赵大刚等^[12]利用自行研制的测量系统，对吊舱在不同转舵方向下各个舵角的水动力性能进行了模型试验研究。但对于吊舱不同舵角情况下吊舱和螺旋桨水动力性能进行测试、采集、分析等研究还并不成熟，对于吊舱的动态载荷测试工作也还处于空白的状态。因此，进一步深入开展吊舱性能测试研究非常必要。

本文通过专业的测试设备，进行吊舱在不同舵角下的水动力性能和动态载荷进行测试研究。通过对不同舵角下的吊舱本体和关键叶片的动态载荷数据采集和分析，为工程项目的全回转吊舱水动力性能预报以及操纵方式提供理论依据。保证吊舱能够完全满足使用要求，也为后续不同类型吊舱的开发提供了一种可行的测试方法。

1 方　法 1.1 吊舱模型

本文研究的吊舱以某80 m集装船所实际配置的主推器为研究对象。参数如表1所示。

由3D绘图软件生成吊舱整体模型，如图1所示。

1.2 试验装置

针对吊舱的性能测试开发了专用的测试装置。本装置试验专用于吊舱在拖拽水池中进行不同舵角情况下螺旋桨以及吊舱整体的水动力性能测试。这套测试装置与之前使用的测试装置有着极大不同，除了能够测试整个吊舱的水动力性能外，为了研究和捕捉关键叶片的动态载荷，采用可拆卸式的螺旋桨，其中选取一片桨叶作为测试对象，并在叶根内部放置一套六分量测试系统。在测试过程中可以同时采集2套测试系统的数据。

吊舱模型的测试装置主要由吊舱，可拆卸螺旋桨、驱动电机、转舵电机、驱动平台，2个六分量测试系统，封水板等多个部分组成。吊舱通过一套六分量测试系统固定在驱动平台上，驱动平台水平固定在拖车轨道上^[13]。驱动电机安装于吊舱内部，通过轴直接驱动螺旋桨旋转。驱动电机的电源线通过滑环连接外部电源。转舵电机通过转舵齿轮驱动吊舱实现360°转动。为了排除自由表面对吊舱推进水动力性能的影响，在吊舱的上端设置了尺度为1000 mm × 1000 mm的封水板，为排除水下非吊舱结构对吊舱水动力性能影响，在封水板上侧安装有足够高度的环状钢板，对所有水下非吊舱能够形成封水效果^[14]。

同时，试验为了更加精确地测试吊舱模型的各项数据，使用了2套六分量测试系统，一套用于测量吊舱推力、轴上扭矩、转舵扭矩^[15]；一套用于测试关键叶片的推力和扭矩。关键叶片的推力和扭矩测量信号通过电缆经过吊舱的内部结构，并通过滑环发送到外部接收装置^[16]。这套专用测试装置配备了一个八通道滑环装置。对于吊舱内部的六分力测试系统型号和驱动电机的电源传输。

吊舱的试验模型按照水池的测试设备尺度要求进行等比例缩放，模型和实物的缩尺比为8.5∶1，吊舱模型的螺旋桨直径为258.82 mm，吊舱模型转速为720 r/min，回转速度为随着进速不同而变化。

1.3 坐标系

本次试验共定义3个坐标。坐标系中示意图如图2所示。

第1个坐标系为一个以船为参照的坐标系，用O-XYZ表示，Z轴为纵轴，转向轴线与Z轴同轴；X轴为横轴，正方向指向假象船舶的航行方向。远点O的高度设置于吊舱支撑轴的顶部。

第2个坐标系是一个以吊舱为参照的坐标系，用o-xyz表示，z轴为纵轴，12点钟方向的关键叶片线与z轴同轴；x轴为横轴，螺旋桨转轴中心线与x轴同轴。在操作吊舱时，这个坐标系会随吊舱移动，但并不随螺旋桨转轴旋转。

第3个坐标系是一个以螺旋桨关键叶片为参照的坐标系，它随转轴转动。o-xtr坐标系对关键叶片动态负荷尤为重要。螺旋桨推力和力矩通常都被转换到以吊舱为参考的o-xyz坐标系。所有坐标系O-XYZ、o-xyz和o-xtr都为“右手”系统。

1.4 数据无量纲化

2个六分量测量系统被用于吊舱试验测试，第1个六分量值测试系统被固定在吊舱和牵引之间，适用于船为参照在O-XYZ系统中测量吊舱推力和转舵力矩。3个在该系统中被测量的力分别表示为F_X（吊舱轴向推力）、F_Y 和 F_Z（单位侧向力）；在X、Y、Z这3个方向上的力矩分别表示为M_X、M_Y、M_Z。

第2个六分量测试系统安装在螺旋桨关键叶片和螺旋桨转轴之间的螺旋桨转轴上。这个测量系统随螺旋桨转轴同步旋转，并且只在o-xrt坐标系中测量关键叶片上的负荷。其他3个叶片都通过转换器与转轴连接，对关键叶片没有影响。

螺旋桨作用在转轴上的力和力矩由关键叶片上的负荷和转换到o-xyz坐标系下的负荷组成。3个在系统中被测量的力分别表示为T_x（螺旋桨推力）、T_y 和T_z（螺旋桨侧力）；x、y、z这3个方向上的力矩分别表示为Q_x（螺旋桨力矩，反向）、Q_y 和Q_z。零度转向角下的敞水试验根据常规吊舱敞水试验进行，螺旋桨轴转速和拖带速度都被限定在各自的进程比。

在吊舱转向角倾斜的情况下，敞水试验通过准稳态方法在规定的进程比J下进行。为了减少延迟效应对试验的影响，在调节转向角时应该越慢越好。根据不同J下拖车速度的不同和试验池长度的不同，转向率是变化的。在试验中，吊舱需置于一定的水深处，螺旋桨中心所处的深度至少应是螺旋桨半径的2倍。此处没有考虑重力作用和自由面作用。为了减少缩放效果关于粘性阻力的影响，螺旋桨会被加速到最高转速以接近转换器的最高限制。

螺旋桨转速和牵引拖车速度在整个测试过程中都保持不变，在给定进程比时J定义为：

$J=\frac{V}{nD}。$

所有上面提到的12个力和力矩都被无量纲化到下面的系数中。

在O-XYZ系统中，对吊舱单位力和力矩：

${K}_{{F}_{X}}=\frac{{F}_{X}}{\rho{n}^{2}{D}^{4}}，\;\; {K}_{{F}_{Y}}=\frac{{F}_{Y}}{\rho{n}^{2}{D}^{4}}，\;\; {K}_{{F}_{Z}}=\frac{{F}_{Z}}{\rho{n}^{2}{D}^{4}}，$

${K}_{{M}_{X}}=\frac{{M}_{X}}{\rho{n}^{2}{D}^{5}} ，\;\; {K}_{{M}_{Y}}=\frac{{M}_{Y}}{\rho{n}^{2}{D}^{5}}，\;\; {K}_{{M}_{Z}}=\frac{{M}_{Z}}{\rho{n}^{2}{D}^{5}}。$

在o-xyz系统中，对螺旋桨推力和力矩：

${K}_{{T}_{x}}=\frac{{T}_{x}}{\rho{n}^{2}{D}^{4}}，\;\; {K}_{{T}_{y}}=\frac{{T}_{y}}{\rho{n}^{2}{D}^{4}} ，\;\; {K}_{{T}_{z}}=\frac{{T}_{z}}{\rho{n}^{2}{D}^{4}}，$

${K}_{{Q}_{x}}=\frac{{Q}_{x}}{\rho{n}^{2}{D}^{5}} ，\;\; {K}_{{Q}_{y}}=\frac{{Q}_{y}}{\rho{n}^{2}{D}^{5}}，\;\; {K}_{{Q}_{z}}=\frac{{Q}_{z}}{\rho{n}^{2}{D}^{5}}。$

在o-xtr系统中，对螺旋桨推力和力矩：

${K}_{{T}_{bx}}=\frac{{T}_{bx}}{\rho{n}^{2}{D}^{4}}，\;\; {K}_{{T}_{bt}}=\frac{{T}_{bt}}{\rho{n}^{2}{D}^{4}}，\;\; {K}_{{T}_{br}}=\frac{{T}_{br}}{\rho{n}^{2}{D}^{4}}，$

${K}_{{Q}_{bx}}=\frac{{Q}_{bx}}{\rho{n}^{2}{D}^{5}}，\;\; {K}_{{Q}_{bt}}=\frac{{Q}_{bt}}{\rho{n}^{2}{D}^{5}}，\;\; {K}_{{Q}_{br}}=\frac{{Q}_{br}}{\rho{n}^{2}{D}^{5}}。$

在吊舱整个转动过程中，吊舱转向角定义为夹在吊舱参考轴x和船舶参考轴X之间的角度。当转舵向左时该角度为正。

1.5 傅里叶级数

为了能够更好地整理和分析测速数据，本文将通过傅里叶级数调节的无量纲化系数，表达式如下：

$K=\sum _{k=0}^{40}\left[{A}_{k}\mathrm{sin}\left(k\delta \right)+{B}_{k}\mathrm{cos}\left(k\delta \right)\right]，\; {\text{-180°}} \leqslant \delta \leqslant {\text{-180°}} 。$

K为上文提到的所有12个系数。傅里叶级数系数的确定最高到40次方，从第30次谐波逐渐向第40次谐波截断。

1.6 动态载荷时间间隔

动态负荷表示为平均值附近，发生时间间隔为幅值的95%。当只有准稳态测量数据可用，为了预测稳态时期望的测量信号的发生，可以用以下方法预测动态载荷时间隔。

在稳态测量时，时间间隔将直接从信号值中计算得出。但准稳态测量可以被看作一组包含很多单独测试组成的测量，每个单独测试只有2个采样值（一个方向对应一个采样值），这时直接采用信号值计算将得不到结果。取而代之的是使用一种占用附近测量样品特性的计算方法。这种方法被认为是最能准确表示非稳态情况下实际发生时间间隔的方法。

2 结果与讨论

本次用于研究的吊舱水动力性能试验是在拖曳水池中进行，吊舱的初始舵角为+180°（吊舱和拖车前进方向相反），沿着第一个坐标系的Z轴按照逆时针旋转方式进行旋转360°当吊舱与拖车前进方向一致时候，该点为0°，继续旋转直到吊舱旋转到初始位置，定义为终点角度为−180°。在整个测试过程中，为了测试数据的真实性和准确性，都会根据吊舱的不同进速情况有效调节吊舱的转舵速度，保证吊舱在一次拖曳过程中测试完成一组不同舵角情况下的所有数据采集。

吊舱水动力性能研究除了转舵角度这个维度以外，还必须考虑动态维度，因此整个测试中的吊舱进速J从0～1.0，共计10进行10个不同进速状况下，来测试吊舱的推力和扭矩以及螺旋桨推力和扭矩，为了分析吊舱在整个动态过程中的水动力性能，以及找到变化的规律，本文仅节选了J=0.3、0.6、0.9等3个代表性进速下的数据作为分析样本，3种进速系数下吊舱的推力系数和扭矩系数以及螺旋桨的推力系数和扭矩系数关系图，如图3～图14所示。

2.1 吊舱测试结果分析

稳态状态下吊舱水动力性能仅受螺旋桨尾流与吊架之间相互作用影响，而本次测试过程是一个非稳态情况，随着吊舱的进速和舵角不停变化，吊架和螺旋桨的尾流及来流角度也在不断改变，导致进速越大水流对吊舱的影响作用力变化就越大。

由图3～图5可知，初始位置由于吊舱轴向力与拖车运动方向相反，轴向力为最大的负推力，低进速时吊舱随着舵角从180°逐步减少，在进速方向上吊舱的投影面积逐步增加，水流作用和螺旋桨产生的流场影响逐渐加大，轴向推力快速下降直至到0；当舵角＞60°开始，由于吊舱在前进方向上的投影面积逐步减小，此时拖车运动方向与轴向正推力方向相同，轴向推力会达到最大值；并且可以发现随着进速系数的增加轴向推力值逐渐减小，证明吊舱的轴向推力对进速系数的敏感度非常大。反观吊舱所受侧向力系数的变化，随着舵角减小和进速的增加，吊舱推进单元沿前进方向的投影越来越大，受其阻塞效应的影响明显增加造成侧向力逐渐增加直至在δ=90°时达到最大。不同的进速工况下，虽然吊舱受前方螺旋桨尾流相互干扰作用，吊舱所受侧向力的零点值依然在90°位置，这个也为实际工况条件下吊舱需要进行平移操作时确定了概念，及无论船舶进速大小吊舱的舵角位置应该固定在90°侧向力始终最大。侧向推力幅值与轴系推力相当，吊舱侧向力对于进速敏感度非常小；

由图6～图8可知，随着舵角δ从180°～90°的过程中逐渐减小，水流在吊舱上的作用逐渐增加，随着轴向来流分量减小而致使吊舱的负荷快速变大；因此，实船安装吊舱作为主推进设备时，在满负荷航行时改变舵角之前必须降低转速来降低负荷，否则将出现超额定扭矩的情况，给主机带来风险。这种也是实船运行中经常出现的问题，通过测试试验得到了变化的定量数据；但随着角度的继续增大，绕吊舱轴线两侧的投影面积差逐渐缩小，这使得整体转矩的大小变化逐渐归零，这个规律和轴向分力的变化趋势基本一致。

2.2 螺旋桨测试结果分析

图9～图11所示为螺旋桨推力系数在3个进速条件下的动态转舵过程中随角度变化的示意图。螺旋桨轴向推力系数曲线基本对称，而由于测试吊舱逆时针旋转再加上螺旋桨采用左旋型式，相互干扰的尾流会使δ在0°～−180°过程的轴向推力较前半程偏小；在低进速工况下由于动态转舵过程中δ=180°～100°内螺旋桨的轴向推力变化震荡强烈，这是因为在这个过程吊舱的舱体受来流作用的面积逐步变大，吊架与螺旋桨的相互干扰无序且剧烈，这种影响随着进速的变大会变得更加强烈，当δ＞90°时，吊舱受力面积减小后，相互干扰作用减弱，使螺旋桨的轴向分力方向逐渐和运动方向重合，轴向分力平滑过渡到一个稳定值；同样在δ=−90°～180°范围内也会出现前序同样的现象。

图12～图14为螺旋桨转矩系数在3个不同进速工况下转舵时随角度的变化曲线。转矩反映了螺旋桨在整个旋转过程中所受负荷的大小。整个转舵工程中螺旋桨的轴向扭矩曲线基本对称，除了在初始舵角和结束舵角范围内受到吊舱投影面积变化的影响出现强烈波动，当螺旋桨受力方向与拖车运行方向一致时轴向扭矩最小，这说明在吊舱正常运行过程中螺旋桨与吊架之间的相互干扰最小，其他舵角下都容易造成螺旋桨扭矩超负荷的现象。另外2个侧向扭矩变化也极其有规律性，在舵角变化过程中2个侧向扭矩相对变化，但是由于吊舱转舵是逆时针转动，所以螺旋桨在Z方向的扭矩幅度是Y方向扭矩的2倍左右，螺旋桨负荷受进速系数的影响也随着进速的增加会更加明显。

2.3 关键叶片的频谱分析

对于吊舱在整个全回转过程中，吊舱的振动情况一直是船东最关心的指标，但长久以来振动效果如何进行测试以及数据如何分析却是非常困难的一件事情。本次试验为了能够通过试验找到吊舱在不同舵角下的振动测试方法。由于吊舱主要的振动源来自于螺旋桨的旋转和整个吊舱的水流干扰，本次测试通过对关键叶片上的动态负荷进行提取，来有效地预报吊舱动态振动效果。动态负荷则通过含谐波的傅里叶级数展开，并用图解结合原始测量数据的形式在图形中予以体现。图15～图16为吊舱在J=0.6动态载荷频谱图。

以吊舱从180°旋转到−180°为一个周期，采集其中某一叶片上的水动力动态荷载和在吊舱装置上的动态负荷，试验时在最高转速720 r/min（12 r/s）下长期运行并实时测量了X、Y、Z这3个方向上的K_T和K_Q值，对测量结果采用傅里叶级数曲线进行拟合，分析拟合结果发现在X、Y、Z这3个方向上K_T和K_Q的峰值频率与轴频以及倍轴频呈现高度相关性，具体表现为在12、24、36、48、60、72、84、96 Hz下出现峰值，这与螺旋桨表面力的特性相吻合。在螺旋桨转速范围内，当发现在轴频或者某一倍轴频下K_T或K_Q波动峰值超过或接近许用值的时候，就需要采取修改螺旋桨桨叶或螺旋桨转速等措施来进行错移以避免振动问题。

3 结　语

1）吊舱的轴向推力对进速系数的敏感度非常大，最大轴向推力最大值会随着进速系数的增加在180°～120°之间偏移；吊舱的侧向力的零点值不随进速系数变化而产生变化，吊舱的舵角位置应该固定在90°方向。

2）吊舱螺旋桨推力系数在整个回转过程中基本对称，后半程幅度较前半程偏小；旋桨轴向扭矩随着舵角变化同样存在周期性变化，幅度随进速增减而变化，而其他2个扭矩分量呈现相互交错的变化，变化存在规律性。

3）通过试验可以准确测量吊舱关键叶片的轴频和倍轴频固有频率以及X、Y、Z这3个方向上的K_T和K_Q幅值，对吊舱的固有频率的计算以及吊舱桨叶的设计均具有重要指导意义。

4）本文采用试验测试的方法对不同舵角情况下的全回转吊舱进行水动力性能和动态载荷进行研究，测试数据表现出较好的规律性和重复性，表明测试方法的准确性和可行性。