輪緣推進器模型試驗裝置設計研究

孔 斌，熊立眾，陳 林，宋 磊,3,4，孫江龍,3,4

(1. 武漢第二船舶設計研究所，湖北 武漢 430064；2. 華中科技大學 船舶與海洋工程學院，湖北 武漢 430074；3. 船舶和海洋水動力湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430074；4. 高新船舶與深海開發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心，上海 200240)

輪緣推進器模型試驗裝置設計研究

孔 斌1，熊立眾2，陳 林2，宋 磊2,3,4，孫江龍2,3,4

(1. 武漢第二船舶設計研究所，湖北 武漢 430064；2. 華中科技大學 船舶與海洋工程學院，湖北 武漢 430074；3. 船舶和海洋水動力湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430074；4. 高新船舶與深海開發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心，上海 200240)

輪緣推進是將電機集成于推進器，推進器置于船尾推動船舶航行的一種新型推進技術。輪緣推進器由于沒有傳統(tǒng)推進軸系系統(tǒng)，故具有安裝方便、噪聲小、效率高等特點。國外已將該技術運用到實際船舶中，而國內(nèi)尚處在總體設計、水動力性能、集成電機等方面的初步研究階段。為了進一步促進輪緣推進器性能研究的發(fā)展，本文提出一種輪緣推進器模型試驗裝置，根據(jù)實驗室拖車系統(tǒng)自身特點，完成了該試驗裝置的總體設計、推進器模型設計、測試方法等方面的研究工作，為輪緣推進技術研究提供試驗條件保障。

輪緣推進；試驗裝置；水動力性能

0 引 言

輪緣推進器是近年來提出并發(fā)展起來的一種全新推進方式，相比于傳統(tǒng)螺旋槳推進，輪緣推進器突破了常規(guī)思維模式，設計時將電機和推進器集中為一體，使得結構更加緊湊，減少了推進系統(tǒng)占用空間，提高了船舶經(jīng)濟性[1]。同時，輪緣推進器取消了傳統(tǒng)螺旋槳推進軸系，減少了艦船航行時的振動和噪聲，提高了艦船隱身性能，具有很高的軍事應用價值。

早在20世紀90年代，美國通用動力電船公司就提出輪緣推進器新概念，設計時仍保留傳統(tǒng)推進軸系，故又稱作梢部驅動推進器。進入21世紀后，輪緣推進技術取得了較大發(fā)展，取消了傳統(tǒng)推進軸系設計，具有占用空間小、結構布置簡單、噪聲小等特點。目前國外輪緣推進器的最大功率可達800 kW，可用于1 000噸級的艦船[2]。

國內(nèi)對輪緣推進器的研究尚處在初步探索研究階段。20世紀90年代中國船舶科學研究中心與中船重工712所曾研制磁同步帶槳轂的輪緣推進器，并開發(fā)出20 kW的原理樣機[3]。702研究所主要就輪緣推進器的水動力特性進行研究，包括螺旋槳的樣式、外部導流罩的形狀及其對推進效率的影響。臺灣的成功大學在2008年研制1臺小型輪緣驅動推進器的樣機，但其功率較小，體積較大，只能用于小型無人潛水器中[1]。705研究所也曾從電機的角度研究過無軸推進技術[4]。

國內(nèi)學者開展了輪緣推進器設計、水動力性能計算、集成電機設計等方面的研究工作，但在水動力性能試驗方面的研究較少，本文提出了一種輪緣推進器模型試驗裝置，并完成了該試驗裝置設計、推進器模型設計和測試方法等方面的研究工作，可為我國輪緣推進器研究提供試驗技術支撐。

1 試驗裝置總體設計

華中科技大學船模拖曳水池長175 m，寬6 m，水深4 m，本文根據(jù)船模拖曳水池拖車系統(tǒng)自身結構形式，完成了輪緣推進器模型試驗裝置的設計，試驗裝置總體示意圖見圖1所示。

拖車橫梁截面為槽鋼，內(nèi)側水平間隔600 mm，槽鋼高度為178 mm，槽鋼底端距離水面1 210 mm。推進器高度（包括劍）為450 mm，劍露出水面部分高度為110 mm，劍上端與橫梁垂直距離為1 100 mm，劍上端剛性固連在實驗室開發(fā)的新型約束模水動力性能測試裝置上[5]。該測試裝置中的固定平臺通過拖車安裝架安裝于拖車橫梁上，運動平臺下面剛性連接六分力天平，劍上端與六分力天平剛性連接。通過6個電動缸的伸縮運動使得運動平臺產(chǎn)生旋轉，從而使推進器模型具有不同的迎流角，推進器模型安裝連接示意圖見圖2所示。

2 推進器模型設計

試驗裝置推進器模型集成了電機，基于永磁電機工作原理，完成了電機部分的設計，剖視圖如圖3所示。

電機部分主體由定子線圈、永磁體轉子、內(nèi)外殼等構成。電機的定子線圈置于外殼內(nèi)側，永磁體轉子固定于內(nèi)殼外側，內(nèi)殼內(nèi)側設置了槳葉安裝基座，根據(jù)實際試驗需求，可方便拆裝或更換槳葉。推力軸承和徑向軸承布置在內(nèi)外殼之間，由于電機長時間在水下工作，定子線圈、永磁體轉子兩端都設置有密封圈，并采用端蓋和軸蓋來固定內(nèi)、外殼，使推進器模型部分成為一個獨立的整體。工作時轉子帶動內(nèi)殼及槳葉實現(xiàn)轉動，電機結構剖視圖如圖4所示。

該試驗裝置的相關參數(shù)如表1所示，電機外形尺寸如圖5～圖6所示。

在電機內(nèi)部有轉子永磁體、定子線圈等，為使試驗裝置運行良好，需要精細設計內(nèi)部零件尺寸，尤其是各層擋板厚度，具體尺寸如圖7所示。

表1 試驗裝置參數(shù)Tab. 1 Technical parameters of the test device structure

3 測試方法研究

3.1 性能參數(shù)定義

建立參考系如圖8所示，x方向為推進器前進方向，y方向為同一水平面內(nèi)垂直于x軸的方向。偏轉角φ正向為俯視推進器單元的順時針方向，此時推進器向右舷偏轉[6]。

推進器推力系數(shù)KT、扭矩系數(shù)KQ及推進器效率η定義如下：

式中：ρ為流體密度；n為轉速；D為槳葉直徑；Q為扭矩；VA為進速；Fx為輪緣推進器在x方向的推力，其定義如下，

式中：T為輪緣推進器軸線方向推力；Rl為輪緣推進器阻力，可通過測力天平測得。

3.2 推力和扭矩測量

輪緣推進器模型試驗裝置在試驗時，將槳葉安裝在試驗裝置內(nèi)殼內(nèi)側上，由轉子帶動內(nèi)殼及槳葉旋轉，從而產(chǎn)生推力，推力由推力軸承傳遞到試驗裝置上，試驗裝置通過測力天平固連劍，從而可測得整個試驗裝置總推力T。由于推進器產(chǎn)生的扭矩Q反向作用在試驗裝置上，故在考慮電機效率的情況下，可通過電機功率來獲得推進器扭矩。

4 結 語

本文創(chuàng)新性地提出一種輪緣推進器模型試驗裝置，完成了該試驗裝置設計和測試方法的初步研究工作，可為推動我國輪緣推進器技術發(fā)展提供支撐。

[1]談微中, 嚴新平, 劉正林, 等. 無軸輪緣推進系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀與展望[J]. 武漢理工大學學報(交通科學與工程版), 2015,39(3): 601–605.TAN Wei-zhong, YAN X in-ping, LIU Zheng-lin, et al.Technology development and prospect of shaftless rim-driven p ropu lsion system[J]. Jou rnal of Wuhan University o f Technology(Transportation Science& Engineering), 2015,39(3): 601–605.

[2]曹慶明, 洪方文, 胡芳琳. 梢部驅動推進器的研究與進展[C]//第九屆全國水動力學學術會議, 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, 張志榮, 辛公正, 等. 梢部驅動推進器水動力性能CFD預報[C]// 全國水動力學學術會議暨兩岸船舶與海洋工程水動力學研討會, 2008, 817–824.HU Fang-lin, ZHANG Zhi-rong, XIN Gong-zheng, et al. CFD prediction of rim-d riven thruster hydrodynamic performance[C]// Proceedings of the Eighth National Symposium on hydrodynamics, 2008, 817–824.

[4]鐘宏偉, 韓雪, 劉亞兵. 無軸推進電機技術應用研究[J]. 艦船科學技術, 2015, 37(9): 1–6.ZHONG Hong-w ei, HAN Xue, LIU Ya-bing. Shaftless propulsion motor technology application[J]. Ship Science and Technology, 2015, 37(9): 1–6.

[5]陽航, 涂海文, 謝文雄, 等. 一種新型船模水動力性能測試裝置研究[J]. 艦船科學技術, 2017, 39(2): 31–36.YANG Hang, TU Hai-w en, XIE W en-xiong, et al. A new hydrodynam ic testing device of model ship[J]. Ship Science and Technology, 2017, 39(2): 31–36.

[6]徐嘉啟, 熊鷹, 王展智. 混合式CRP推進器操舵工況水動力性能數(shù)值研究[J]. 中國艦船研究, 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.

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)

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.

rim-driven propulsion；test device；hydrodynamic performance

U661.1

A

1672–7649(2017)12–0163–04

10.3404/j.issn.1672–7649.2017.12.034

2017–09–27

國家自然科學基金資助項目(51679097，51474109)

孔斌(1974–)，男，碩士，高級工程師，研究方向為船舶工程。