噴水推進(jìn)裝置推力直接測(cè)量臺(tái)架的研究開(kāi)發(fā)

周加建，劉建國(guó)

（中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 噴水推進(jìn)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200011）

0 引 言

推力是所有推進(jìn)器中最重要和最核心的參數(shù)，這也是水上載體快速性預(yù)報(bào)的核心參數(shù)。對(duì)于螺旋槳推進(jìn)的船舶，在模型試驗(yàn)時(shí)可以用動(dòng)力儀直接測(cè)量螺旋槳軸上的推力和扭矩，目前國(guó)內(nèi)外都有一套成熟的方法來(lái)預(yù)報(bào)實(shí)船的性能。但對(duì)噴水推進(jìn)船舶，噴水推進(jìn)裝置作用于船體的凈推力并不等于噴水推進(jìn)泵葉輪軸上的推力，不可能用動(dòng)力儀來(lái)直接測(cè)量。

目前世界上較為常用的兩種測(cè)量噴水推進(jìn)裝置推力的方法是間接測(cè)量法（動(dòng)量通量法）和直接測(cè)量法。國(guó)際拖曳水池會(huì)議（ITTC）在21～24屆曾指定成立了專家委員會(huì)研究噴水推進(jìn)船模試驗(yàn)和性能預(yù)報(bào)程序，他們對(duì)推力測(cè)量的研究主要集中于動(dòng)量通量法，但發(fā)現(xiàn)這種預(yù)報(bào)方法中，流量的測(cè)量誤差會(huì)對(duì)推力的預(yù)報(bào)精度產(chǎn)生很大的影響[1-4]。世界上大功率噴水推進(jìn)裝置市場(chǎng)占有率第一的Rolls-Royce公司在其瑞典水動(dòng)力研究中心開(kāi)發(fā)了推力直接測(cè)量臺(tái)架，這是目前已知唯一公開(kāi)報(bào)道的案例[5-6]。本文以國(guó)內(nèi)首次研究開(kāi)發(fā)類似試驗(yàn)臺(tái)架的實(shí)踐為討論主題。

1 推力直接測(cè)量原理

噴水推進(jìn)裝置在船舶上正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，其產(chǎn)生凈推力的大小等于吸入的質(zhì)量流量與進(jìn)出口速度差的乘積，所以推力間接測(cè)量法就是通過(guò)測(cè)量流量與速度來(lái)實(shí)現(xiàn)的。如果要實(shí)現(xiàn)對(duì)噴水推進(jìn)裝置推力的直接測(cè)量，就必須梳理清楚推力是如何傳遞到船體上的。噴水推進(jìn)裝置和船體之間的接口，除了和螺旋槳一樣的傳動(dòng)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(guò)船尾板來(lái)傳遞推力的，而Hamilton公司的產(chǎn)品則是通過(guò)船底板來(lái)傳遞推力的。為了實(shí)現(xiàn)噴水推進(jìn)裝置推力的分離與直接測(cè)量就必須對(duì)三處接口都要考慮周全。因?yàn)閭鲃?dòng)軸是動(dòng)力輸入端，該處不容易實(shí)現(xiàn)完全隔離。所以比較合理的推力直接測(cè)量臺(tái)架就是使噴水推進(jìn)裝置的尾板和底板兩處接口脫離推力傳遞，并把動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置和噴水推進(jìn)裝置組合為一體，使動(dòng)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(shí)現(xiàn)噴水推進(jìn)裝置在推力測(cè)量上的相對(duì)隔離。

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

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

圖2 噴水推進(jìn)裝置推力直接測(cè)量原理圖Fig.2 Waterjet direct thrust measuring principle diagram

2 研究開(kāi)發(fā)

2.1 試驗(yàn)場(chǎng)所

雖然理論上，在循環(huán)水槽和拖曳水池中均能進(jìn)行被測(cè)模型需相對(duì)運(yùn)動(dòng)的水動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)，但其不同點(diǎn)在于前者是水在槽中流動(dòng)，被測(cè)模型不動(dòng)；而后者是水流不動(dòng)，被測(cè)模型在靜水中移動(dòng)。由于被測(cè)模型在拖曳水池中拖曳是間斷性的，因此在做噴水推進(jìn)裝置試驗(yàn)時(shí)，在定點(diǎn)觀測(cè)和連續(xù)測(cè)試方面不及循環(huán)水槽便利。而且絕大多數(shù)噴水推進(jìn)裝置實(shí)際上就運(yùn)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(duì)噴水推進(jìn)裝置試驗(yàn)是非常理想的，省卻了對(duì)工況的模擬，真實(shí)的進(jìn)流和出流邊界條件可以較簡(jiǎn)便地被建立起來(lái)。進(jìn)口管道和噴水推進(jìn)泵可以運(yùn)行在正確的空化數(shù)上。

2.2 基本構(gòu)成

推力直接測(cè)量臺(tái)架系統(tǒng)組成如圖3所示，按動(dòng)、靜兩部分，可把試驗(yàn)臺(tái)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(lái)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(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)和被試噴水推進(jìn)裝置模型。動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)則包括變頻電機(jī)、皮帶輪傳動(dòng)系統(tǒng)、軸系、支撐軸承、聯(lián)軸器和扭矩儀等。整個(gè)懸浮系統(tǒng)通過(guò)懸索懸掛在固定系統(tǒng)的外框架頂部梁板上。

圖3 試驗(yàn)臺(tái)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(zhǔn)

由于循環(huán)水槽中的自由來(lái)流總流量是一定的，這就對(duì)被試模型的吸入流量有一個(gè)限制，如果吸入流量過(guò)大，可能會(huì)使試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)口附近流場(chǎng)與實(shí)際情況差異太大而產(chǎn)生“失真”。因?yàn)檎鎸?shí)情況是，船舶航行時(shí)，不受限的航區(qū)對(duì)噴水推進(jìn)裝置來(lái)說(shuō)簡(jiǎn)直是巨量的“水庫(kù)”。我們?cè)谘芯吭O(shè)計(jì)中暫定噴水推進(jìn)裝置吸入流量不超過(guò)循環(huán)水槽總流量的3%。

在推力測(cè)量試驗(yàn)中，我們還應(yīng)對(duì)每個(gè)試驗(yàn)工況有個(gè)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(yàn)中的葉輪并未發(fā)生空化（專項(xiàng)空化試驗(yàn)除外）。

到達(dá)噴水推進(jìn)裝置推進(jìn)泵葉輪前的環(huán)境空化余量NPSHa主要取決于航速（試驗(yàn)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(jìn)流速度，vsh是航速，ε是進(jìn)口損失系數(shù)，w是伴流分?jǐn)?shù)，hl為吸水高程。

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

式中：Q是推進(jìn)泵的流量，n是推進(jìn)泵的轉(zhuǎn)速。推進(jìn)泵的葉輪都是經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)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(dāng)NPSHa的值降低到和NPSHr相等時(shí)，葉輪就發(fā)生了空泡，所以為防止推進(jìn)泵在空化狀態(tài)下運(yùn)行造成破壞，必須保證NPSHa＞NPSHr。

2.4 變速傳動(dòng)系統(tǒng)

未來(lái)被試的噴水推進(jìn)裝置模型可能是多種多樣的，所以試驗(yàn)臺(tái)架的試驗(yàn)轉(zhuǎn)速和功率也需要多種配置的。因此，動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)盡可能多地滿足這些需求。

船舶噴水推進(jìn)裝置在艦船上運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，因發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可調(diào)（柴油發(fā)動(dòng)機(jī)一般在30%至110%額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)可調(diào)），對(duì)應(yīng)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(dá)到不同配置要求。

對(duì)應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速可調(diào)，試驗(yàn)臺(tái)架上可采用變頻電機(jī)。變頻電機(jī)的額定頻率為50 Hz，可調(diào)范圍一般是5～100 Hz（相當(dāng)于10%～200%），優(yōu)于柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速可調(diào)范圍。不過(guò)變頻電機(jī)在50 Hz以下為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，也就是說(shuō)，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?yàn)閲娝七M(jìn)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(jī)，可以保證同一套被試裝置進(jìn)行整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍的測(cè)試。

試驗(yàn)臺(tái)架還采用了皮帶輪變速系統(tǒng)，可以達(dá)到實(shí)船齒輪箱的變速效果，而且成本較低，且可通過(guò)變更不同大小皮帶輪來(lái)實(shí)現(xiàn)速比調(diào)整，通用性更強(qiáng)。采用皮帶輪變速系統(tǒng)可以保證同一電機(jī)用于相同功率不同轉(zhuǎn)速的試驗(yàn)裝置。而變頻不能做到這一點(diǎn)，因?yàn)樽冾l電機(jī)從額定轉(zhuǎn)速降速時(shí)，它能夠發(fā)出的功率也相應(yīng)降低。

2.5 機(jī)構(gòu)受力平衡

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

首先，從推力推動(dòng)船舶前進(jìn)的方向上看，推力測(cè)量傳感器應(yīng)布設(shè)在來(lái)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(yīng)留增減墊片的空隙，力傳感器安裝調(diào)整好時(shí)，應(yīng)使內(nèi)框架自然懸垂時(shí)無(wú)“鐘擺”現(xiàn)象，但也不應(yīng)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(guò)四個(gè)角上的鋼索懸于外框架頂部梁板上。這兩個(gè)框架之間水平方向上，除前方外，其它三個(gè)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(gè)，后方一個(gè)，總共六個(gè)。左右和后方的力傳感器，是為安裝了操舵倒航機(jī)構(gòu)的整體噴水推進(jìn)裝置試驗(yàn)預(yù)留的。例如操舵倒航機(jī)構(gòu)執(zhí)行操舵動(dòng)作時(shí)，產(chǎn)生的操舵力就可以從左右布置的力傳感器上測(cè)量出來(lái)；如果執(zhí)行倒航動(dòng)作時(shí)，倒航力就可以從后方的力傳感器得到測(cè)量。

從受力分析和平衡看，如圖8所示，靜止懸垂時(shí)，四根懸索平衡內(nèi)框架上所有設(shè)備總重量。正常推進(jìn)試驗(yàn)時(shí)，水平推力由推進(jìn)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(lái)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(shí)產(chǎn)生)，這時(shí)需要如圖7中箭頭所示力傳感器的錯(cuò)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(shí)針的不平衡力矩。另兩個(gè)左右向傳感器組合則可平衡逆時(shí)針的不平衡力矩。電機(jī)輸出扭矩的反扭矩則需要左右懸索不同拉力來(lái)產(chǎn)生扭矩平衡。

圖8 試驗(yàn)臺(tái)架立面受力分析圖Fig.8 Elevation view of test bench force analysis

3 試驗(yàn)方法與內(nèi)容

推力測(cè)量臺(tái)架制造裝配完成后，可以先進(jìn)行脫水調(diào)試，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，被試裝置就相當(dāng)于電風(fēng)扇，這樣可以檢查整個(gè)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)是否運(yùn)行正常,不過(guò)此時(shí)負(fù)荷是非常低的。此外，還可以對(duì)力傳感器和扭矩儀的安裝和工作情況進(jìn)行檢查確認(rèn)。

脫水調(diào)試完成后，可以轉(zhuǎn)入靜水調(diào)試，此時(shí)首先應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注密封問(wèn)題，檢查臺(tái)架入水后有無(wú)泄露點(diǎn)，如有發(fā)現(xiàn)，應(yīng)及時(shí)排除。

調(diào)試完成后，可以轉(zhuǎn)入正式試驗(yàn)，正式試驗(yàn)的流程圖如圖9所示。工作段流速的調(diào)整是通過(guò)調(diào)循環(huán)水槽主循環(huán)泵的轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)的。推力測(cè)量臺(tái)架除了研究推力特性外，另一個(gè)重大功能就是研究噴水推進(jìn)裝置的推進(jìn)效率。試驗(yàn)臺(tái)架上噴水推進(jìn)裝置推進(jìn)效率公式如下：

式中：Pout是噴水推進(jìn)裝置發(fā)出的有效推進(jìn)功率，Pin是噴水推進(jìn)裝置從動(dòng)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(cè)量獲取，模型航速即循環(huán)水槽自由來(lái)流速度，不過(guò)使用推力測(cè)量臺(tái)架對(duì)該速度有影響，需要對(duì)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(cè)量得到，目前通常的扭矩儀都帶轉(zhuǎn)速測(cè)量功能，所以扭矩儀也相當(dāng)于測(cè)功儀。

圖9 試驗(yàn)流程圖Fig.9 Flow chart of experiment

從引言可知，推力還可以通過(guò)動(dòng)量通量法進(jìn)行間接測(cè)量。推力測(cè)量臺(tái)架上也可以同時(shí)進(jìn)行該項(xiàng)試驗(yàn)，其核心還是要準(zhǔn)確測(cè)量噴水推進(jìn)裝置進(jìn)口和噴口的速度場(chǎng)，使用PIV或LDV可能是較先進(jìn)的方法，而傳統(tǒng)的方法則是使用比托管（排）。直接測(cè)量法和間接測(cè)量法同時(shí)進(jìn)行，可對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)分析，并可結(jié)合CFD方法[7-8]，有利于試驗(yàn)方法和試驗(yàn)臺(tái)架設(shè)計(jì)的相互驗(yàn)證，有助于對(duì)噴水推進(jìn)裝置推力特性開(kāi)展深入研究。在噴水推進(jìn)裝置的零部件上進(jìn)行貼片，就可以用應(yīng)變儀測(cè)量局部應(yīng)力應(yīng)變，對(duì)零部件在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的剛度和強(qiáng)度進(jìn)行分析。

4 結(jié) 論

本文分析了噴水推進(jìn)裝置推力直接測(cè)量的原理，并對(duì)試驗(yàn)臺(tái)架的研究開(kāi)發(fā)展開(kāi)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(jìn)行噴水推進(jìn)裝置直接推力測(cè)量是最便利的，而且還可以進(jìn)行動(dòng)量通量法試驗(yàn)和推進(jìn)效率試驗(yàn)。

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

（3）噴水推進(jìn)裝置各試驗(yàn)工況應(yīng)進(jìn)行流量與空化衡準(zhǔn)。

參 考 文 獻(xiàn)：

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