噴水推進裝置推力直接測量臺架的研究開發(fā)

周加建，劉建國

（中國船舶及海洋工程設計研究院 噴水推進技術(shù)重點實驗室，上海200011）

0 引 言

推力是所有推進器中最重要和最核心的參數(shù)，這也是水上載體快速性預報的核心參數(shù)。對于螺旋槳推進的船舶，在模型試驗時可以用動力儀直接測量螺旋槳軸上的推力和扭矩，目前國內(nèi)外都有一套成熟的方法來預報實船的性能。但對噴水推進船舶，噴水推進裝置作用于船體的凈推力并不等于噴水推進泵葉輪軸上的推力，不可能用動力儀來直接測量。

目前世界上較為常用的兩種測量噴水推進裝置推力的方法是間接測量法（動量通量法）和直接測量法。國際拖曳水池會議（ITTC）在21～24屆曾指定成立了專家委員會研究噴水推進船模試驗和性能預報程序，他們對推力測量的研究主要集中于動量通量法，但發(fā)現(xiàn)這種預報方法中，流量的測量誤差會對推力的預報精度產(chǎn)生很大的影響[1-4]。世界上大功率噴水推進裝置市場占有率第一的Rolls-Royce公司在其瑞典水動力研究中心開發(fā)了推力直接測量臺架，這是目前已知唯一公開報道的案例[5-6]。本文以國內(nèi)首次研究開發(fā)類似試驗臺架的實踐為討論主題。

1 推力直接測量原理

噴水推進裝置在船舶上正常運轉(zhuǎn)時，其產(chǎn)生凈推力的大小等于吸入的質(zhì)量流量與進出口速度差的乘積，所以推力間接測量法就是通過測量流量與速度來實現(xiàn)的。如果要實現(xiàn)對噴水推進裝置推力的直接測量，就必須梳理清楚推力是如何傳遞到船體上的。噴水推進裝置和船體之間的接口，除了和螺旋槳一樣的傳動軸端，通常還有船底板和船尾板兩處，如圖1所示。因此這三處接口都有可能傳遞推力，例如Rolls-Royce公司的S系列產(chǎn)品就是通過船尾板來傳遞推力的，而Hamilton公司的產(chǎn)品則是通過船底板來傳遞推力的。為了實現(xiàn)噴水推進裝置推力的分離與直接測量就必須對三處接口都要考慮周全。因為傳動軸是動力輸入端，該處不容易實現(xiàn)完全隔離。所以比較合理的推力直接測量臺架就是使噴水推進裝置的尾板和底板兩處接口脫離推力傳遞，并把動力驅(qū)動裝置和噴水推進裝置組合為一體，使動力輸入端由外部接口變成內(nèi)部接口，這樣就能比較理想地實現(xiàn)噴水推進裝置在推力測量上的相對隔離。

根據(jù)上述分析，提出噴水推進裝置推力直接測量原理如圖2所示。在這個原理圖中包括內(nèi)外兩個框架。外框架連接一個模擬船殼，它可以被固定到循環(huán)水槽的測量段上。內(nèi)部的框架安裝從電動機到噴水推進裝置的所有動力和傳動部件。這兩個框架之間僅通過推力傳感器相接觸，這樣推力就可以被正確地分離出來并得到測量。圖中噴水推進裝置和模擬船殼（包括底板和尾板）之間應采用一種柔性的密封連接，以實現(xiàn)既不影響推力的測量（它不能承受推力），還要保證船殼外的水不會滲漏到船殼內(nèi)。

圖1 噴水推進裝置與船體接口示意圖Fig.1 Interface between waterjet and ship

圖2 噴水推進裝置推力直接測量原理圖Fig.2 Waterjet direct thrust measuring principle diagram

2 研究開發(fā)

2.1 試驗場所

雖然理論上，在循環(huán)水槽和拖曳水池中均能進行被測模型需相對運動的水動力學試驗，但其不同點在于前者是水在槽中流動，被測模型不動；而后者是水流不動，被測模型在靜水中移動。由于被測模型在拖曳水池中拖曳是間斷性的，因此在做噴水推進裝置試驗時，在定點觀測和連續(xù)測試方面不及循環(huán)水槽便利。而且絕大多數(shù)噴水推進裝置實際上就運行在水面附近，即自然大氣環(huán)境下的自由液面。所以具有自由液面的循環(huán)水槽對噴水推進裝置試驗是非常理想的，省卻了對工況的模擬，真實的進流和出流邊界條件可以較簡便地被建立起來。進口管道和噴水推進泵可以運行在正確的空化數(shù)上。

2.2 基本構(gòu)成

推力直接測量臺架系統(tǒng)組成如圖3所示，按動、靜兩部分，可把試驗臺架首先分為固定系統(tǒng)和懸浮系統(tǒng)。固定系統(tǒng)如圖4所示，主要包括外框架和模擬船殼。外框架與模擬船殼之間采用螺桿和螺母的方式連接，這樣模擬船殼體根據(jù)未來被試模型的位置可以在垂向位置上作很方便的調(diào)整。

懸浮系統(tǒng)如圖5所示，除了內(nèi)框架以外，還包括動力傳動系統(tǒng)和被試噴水推進裝置模型。動力傳動系統(tǒng)則包括變頻電機、皮帶輪傳動系統(tǒng)、軸系、支撐軸承、聯(lián)軸器和扭矩儀等。整個懸浮系統(tǒng)通過懸索懸掛在固定系統(tǒng)的外框架頂部梁板上。

圖3 試驗臺架組成Fig.3 Constitution of test bench

圖4 固定系統(tǒng)Fig.4 Fixed system

圖5 懸浮系統(tǒng)Fig.5 Suspended system

2.3 吸入流量與空化衡準

由于循環(huán)水槽中的自由來流總流量是一定的，這就對被試模型的吸入流量有一個限制，如果吸入流量過大，可能會使試驗模型進口附近流場與實際情況差異太大而產(chǎn)生“失真”。因為真實情況是，船舶航行時，不受限的航區(qū)對噴水推進裝置來說簡直是巨量的“水庫”。我們在研究設計中暫定噴水推進裝置吸入流量不超過循環(huán)水槽總流量的3%。

在推力測量試驗中，我們還應對每個試驗工況有個空化校核的程序。確保在滿足相似換算定律的情況下，模型試驗中的葉輪并未發(fā)生空化（專項空化試驗除外）。

到達噴水推進裝置推進泵葉輪前的環(huán)境空化余量NPSHa主要取決于航速（試驗中即循環(huán)水槽工作段流速）：

式中：

以上公式中，Pa是大氣壓力，Pv是汽化壓力，vi是進流速度，vsh是航速，ε是進口損失系數(shù)，w是伴流分數(shù)，hl為吸水高程。

推進泵的必需空化余量NPSHr是推進泵本身的抗空化能力，我們常用空化比轉(zhuǎn)速來衡量，見下式：

式中：Q是推進泵的流量，n是推進泵的轉(zhuǎn)速。推進泵的葉輪都是經(jīng)過精心設計的，一般C值在1 300～1 500。

在泵轉(zhuǎn)速不變的情況下，必需空化余量NPSHr是不變化的，即泵自身的空化余量是不變的。但是環(huán)境空化余量NPSHa則主要隨著航速的變化而變化。當NPSHa的值降低到和NPSHr相等時，葉輪就發(fā)生了空泡，所以為防止推進泵在空化狀態(tài)下運行造成破壞，必須保證NPSHa＞NPSHr。

2.4 變速傳動系統(tǒng)

未來被試的噴水推進裝置模型可能是多種多樣的，所以試驗臺架的試驗轉(zhuǎn)速和功率也需要多種配置的。因此，動力傳動系統(tǒng)應盡可能多地滿足這些需求。

船舶噴水推進裝置在艦船上運轉(zhuǎn)時，因發(fā)動機的轉(zhuǎn)速可調(diào)（柴油發(fā)動機一般在30%至110%額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)可調(diào)），對應輸出有不同的功率，另外還可以選用不同速比的齒輪箱以達到不同配置要求。

對應發(fā)動機轉(zhuǎn)速可調(diào)，試驗臺架上可采用變頻電機。變頻電機的額定頻率為50 Hz，可調(diào)范圍一般是5～100 Hz（相當于10%～200%），優(yōu)于柴油機的轉(zhuǎn)速可調(diào)范圍。不過變頻電機在50 Hz以下為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，也就是說，輸出功率和轉(zhuǎn)速成線性關(guān)系；50 Hz以上為恒功率調(diào)速。因為噴水推進裝置的輸出功率和轉(zhuǎn)速呈三次方關(guān)系，所以采用變頻電機，可以保證同一套被試裝置進行整個轉(zhuǎn)速范圍的測試。

試驗臺架還采用了皮帶輪變速系統(tǒng)，可以達到實船齒輪箱的變速效果，而且成本較低，且可通過變更不同大小皮帶輪來實現(xiàn)速比調(diào)整，通用性更強。采用皮帶輪變速系統(tǒng)可以保證同一電機用于相同功率不同轉(zhuǎn)速的試驗裝置。而變頻不能做到這一點，因為變頻電機從額定轉(zhuǎn)速降速時，它能夠發(fā)出的功率也相應降低。

2.5 機構(gòu)受力平衡

推力的測量研究，最主要的就是研究如何合理地布設力傳感器，把與推力無關(guān)的其它力和力矩分解出去，使需要準確測量的推力得到很好的測量。

首先，從推力推動船舶前進的方向上看，推力測量傳感器應布設在來流方向的前方。如圖6所示，力傳感器安裝在固定系統(tǒng)的外框架上，球面觸頭頂住懸浮系統(tǒng)的內(nèi)框架。兩框架間應留增減墊片的空隙，力傳感器安裝調(diào)整好時，應使內(nèi)框架自然懸垂時無“鐘擺”現(xiàn)象，但也不應受擠壓力，最好力傳感器讀數(shù)為零。

圖6 推力傳感器垂向布置圖Fig.6 Vertical arrangement diagram of thrust gauge

圖7 力傳感器水平面布置圖Fig.7 Horizontal arrangement diagram of thrust gauge

內(nèi)框架通過四個角上的鋼索懸于外框架頂部梁板上。這兩個框架之間水平方向上，除前方外，其它三個方向我們也都用力傳感器限位了，如圖7所示，加上左右各兩個，后方一個，總共六個。左右和后方的力傳感器，是為安裝了操舵倒航機構(gòu)的整體噴水推進裝置試驗預留的。例如操舵倒航機構(gòu)執(zhí)行操舵動作時，產(chǎn)生的操舵力就可以從左右布置的力傳感器上測量出來；如果執(zhí)行倒航動作時，倒航力就可以從后方的力傳感器得到測量。

從受力分析和平衡看，如圖8所示，靜止懸垂時，四根懸索平衡內(nèi)框架上所有設備總重量。正常推進試驗時，水平推力由推進裝置前方的力傳感器平衡，矢量方向垂直于中縱剖面的扭矩，由前后懸索不同拉力產(chǎn)生的扭矩來平衡。矢量方向垂直于水平面的不平衡扭矩(推力與中縱面有偏差時產(chǎn)生)，這時需要如圖7中箭頭所示力傳感器的錯位布置才能平衡，箭頭所示兩傳感器組合可平衡圖示平面內(nèi)順時針的不平衡力矩。另兩個左右向傳感器組合則可平衡逆時針的不平衡力矩。電機輸出扭矩的反扭矩則需要左右懸索不同拉力來產(chǎn)生扭矩平衡。

圖8 試驗臺架立面受力分析圖Fig.8 Elevation view of test bench force analysis

3 試驗方法與內(nèi)容

推力測量臺架制造裝配完成后，可以先進行脫水調(diào)試，電機運轉(zhuǎn)時，被試裝置就相當于電風扇，這樣可以檢查整個動力傳動系統(tǒng)是否運行正常,不過此時負荷是非常低的。此外，還可以對力傳感器和扭矩儀的安裝和工作情況進行檢查確認。

脫水調(diào)試完成后，可以轉(zhuǎn)入靜水調(diào)試，此時首先應重點關(guān)注密封問題，檢查臺架入水后有無泄露點，如有發(fā)現(xiàn)，應及時排除。

調(diào)試完成后，可以轉(zhuǎn)入正式試驗，正式試驗的流程圖如圖9所示。工作段流速的調(diào)整是通過調(diào)循環(huán)水槽主循環(huán)泵的轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)的。推力測量臺架除了研究推力特性外，另一個重大功能就是研究噴水推進裝置的推進效率。試驗臺架上噴水推進裝置推進效率公式如下：

式中：Pout是噴水推進裝置發(fā)出的有效推進功率，Pin是噴水推進裝置從動力系統(tǒng)獲得的輸入功率，T為推力，vsh為航速，n為轉(zhuǎn)速，M為扭矩。

推力可由力傳感器直接測量獲取，模型航速即循環(huán)水槽自由來流速度，不過使用推力測量臺架對該速度有影響，需要對模擬船殼體的阻塞做出修正。扭矩和轉(zhuǎn)速可分別由扭矩儀和轉(zhuǎn)速儀測量得到，目前通常的扭矩儀都帶轉(zhuǎn)速測量功能，所以扭矩儀也相當于測功儀。

圖9 試驗流程圖Fig.9 Flow chart of experiment

從引言可知，推力還可以通過動量通量法進行間接測量。推力測量臺架上也可以同時進行該項試驗，其核心還是要準確測量噴水推進裝置進口和噴口的速度場，使用PIV或LDV可能是較先進的方法，而傳統(tǒng)的方法則是使用比托管（排）。直接測量法和間接測量法同時進行，可對試驗結(jié)果進行比對分析，并可結(jié)合CFD方法[7-8]，有利于試驗方法和試驗臺架設計的相互驗證，有助于對噴水推進裝置推力特性開展深入研究。在噴水推進裝置的零部件上進行貼片，就可以用應變儀測量局部應力應變，對零部件在運轉(zhuǎn)時的剛度和強度進行分析。

4 結(jié) 論

本文分析了噴水推進裝置推力直接測量的原理，并對試驗臺架的研究開發(fā)展開了探討，得出以下結(jié)論：

（1）在帶有自由液面的循環(huán)水槽中進行噴水推進裝置直接推力測量是最便利的，而且還可以進行動量通量法試驗和推進效率試驗。

（2）采用變頻電機加皮帶輪傳動系統(tǒng)的配置可以滿足試驗轉(zhuǎn)速與功率多樣化的需求。

（3）噴水推進裝置各試驗工況應進行流量與空化衡準。

參 考 文 獻：

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