CN104215426B - 一种喷水推进器内流场和外特性测量装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种喷水推进器内流场和外特性测量装置及其测量方法，涉及舰船推进领域。喷水推进器内流场和外特性测量装置的动力单元悬挂于船体模型内部；数据采集单元的两个推力采集模块分别设置于船体模型的中前部和尾部；轴向力采集模块设置于动力单元上；转速和扭矩采集模块设置于动力单元上。本发明通过采用透明有机玻璃材质的推进器壳体，实现对喷水推进器内流场的观察与测量；通过数据采集单元获取推进器的推力、轴向力、转速以及扭矩，并根据转速和扭矩计算推进器的功率，从而获取推进器的外特性；喷水推进器内流场和外特性测量装置结构简单，测量精度高且可操作性强。

Description

一种喷水推进器内流场和外特性测量装置及其测量方法

技术领域

本发明涉及舰船推进领域，尤其涉及一种喷水推进器内流场和外特性测量的装置及其测量方法。

背景技术

喷水推进器内流场与外特性的测量是优化喷水推进水动力结构、提高预报舰船航行特性精度、以及提高喷水推进技术水平的基础。然而，长期以来，喷水推进器内流场与外特性的测量由于受到喷水推进器结构、外壳体全透明材料技术、流体测量技术、以及推进器与船体难以分离等因素的制约，很难准确的获取喷水推进器内流场以及外特性的数据。

发明内容

针对现有的喷水推进器存在的上述问题，现提供一种旨在实现结构简单、测量精度高、且可操作性强的喷水推进器内流场和外特性测量装置及其测量方法。

具体技术方案如下：

一种喷水推进器内流场和外特性测量装置，包括：

船体模型；

动力单元，悬挂于所述船体模型内部；

数据采集单元，所述数据采集单元包括两个推力采集模块、轴向力采集模块、转速和扭矩采集模块；

两个所述推力采集模块分别设置于所述船体模型的中前部和尾部；

所述轴向力采集模块设置于所述动力单元上；

所述转速和扭矩采集模块设置于所述动力单元上。

优选的，还包括：桁架，所述动力单元固定于所述桁架上。

优选的，所述动力单元包括：

推进器，所述推进器的进水口与所述船体模型底部软连接，所述推进器的喷水口与所述船体模型的尾部软连接；

轴系，与所述推进器刚性连接；

电机，所述轴系与所述电机之间设置有所述转速和扭矩采集模块。

优选的，所述轴系与所述转速和扭矩采集模块以及所述转速和扭矩采集模块与所述电机之间通过第一联轴器连接。

优选的，所述推进器与所述轴系通过第二联轴器连接。

优选的，所述推进器包括：

叶片泵，所述叶片泵的一端连接所述第二联轴器，所述叶片泵包括叶轮、导叶体、导叶出口段壳体和叶轮壳体；

进口管道，与所述叶轮壳体连通。

优选的，所述导叶出口段壳体、所述叶轮壳体和所述进口管道均采用透明有机玻璃制成。

优选的，所述轴系包括：

轴承座，所述轴承座上设置有所述轴向力采集模块；

轴承，设置于所述轴承座的内部；

中间轴，所述轴承轴向固定所述中间轴，所述中间轴的一端连接所述第二联轴器，所述中间轴的另一端连接所述第一联轴器。

优选的，所述转速和扭矩采集模块采用扭矩仪。

一种喷水推进器内流场和外特性的测量方法，包括所述喷水推进器内流场和外特性测量装置；所述推进器的外特性包括：推力、轴向力和功率；

所述测量方法包括下列步骤：

步骤一，将所述喷水推进器内流场和外特性测量装置设置于所述船体模型内，将船体模型固定于循环水槽的工作段或拖曳水池的拖车上，将所述船体模型的吃水调整至设定位置；

步骤二，启动所述数据采集单元；

步骤三，启动所述电机，将转速逐渐增加至设定转速，驱动所述推进器运转；

步骤四，将所述循环水槽水速或所述拖曳水池拖车速度调至设定速度；

步骤五，采用粒子图像测速法或激光多普勒测速法测量所述推进器内流场；

步骤六，采用所述数据采集单元测量推进器推力、推进器叶轮轴向力、扭矩和转速，根据转速和扭矩计算所述推进器的功率，以获取所述推进器的外特性。

上述技术方案的有益效果：

通过采用透明有机玻璃材质的推进器，可方便观察以及实现对喷水推进器内流场的测量；

通过数据采集单元获取推进器的推力、轴向力、转速以及扭矩，并根据转速和扭矩可获取推进器的功率，从而获取推进器的外特性：推力、轴向力和功率；

喷水推进器内流场和外特性测量装置结构简单，测量精度高且可操作性强。

附图说明

图1为本发明所述喷水推进器内流场和外特性测量装置的一种实施例的剖面示意图；

图2为本发明所述推进器的一种实施例的剖面结构示意图；

图3为本发明所述轴系的一种实施例的剖面结构示意图；

图4为本发明所述喷水推进器内流场和外特性的方法流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

如图1所示，一种喷水推进器内流场和外特性测量装置可包括：船体模型、动力单元和数据采集单元；动力单元悬挂于船体模型内部；数据采集单元包括两个推力采集模块(21,24)、轴向力采集模块22、转速和扭矩采集模块23；两个推力采集模块(21,24)分别设置于船体模型的中前部和尾部；轴向力采集模块22设置于动力单元上；转速和扭矩采集模块23设置于动力单元上。

在本实施例中，喷水推进器内流场和外特性测量装置可运行在循环水槽或拖曳水池中，动力单元可通过吊索悬挂于船体模型上，动力单元的重量与吊索拉力相平衡；通过设置于首部和尾部的推力采集模块(21,24)，测量动力单元与船体模型之间的轴向相互作用力，即推进器11的推力；通过轴向力采集模块22采集轴向力；通过转速和扭矩采集模块23采集推进器11的转速和扭矩数据，将转速和扭矩进行计算获取推进器11的功率，从而获取推进器11的外特性：推力、轴向力和功率；该测量装置具有结构简单，测量精度高且可操作性强的优点。

进一步地，船体模型可以采用钢制成，钢具有较强的刚性，能保证悬挂的动力单元的位置精度；

推力采集模块(21,24)可采用力传感器。

对于推力和扭矩的测量，是利用应变片等微应变传感器组成的电桥，将推力、扭矩等物理量变化参数转换为电量信号，通过信号放大器放大后，送入数据采集单元进行采集，并经过参数修正，得到推力；

对于转速的测量，是利用转速传感器对于导磁体敏感的特性，将旋转轴上测速齿与传感器间距的交替变化转换为传感器的输出电平信号的高低变化，然后通过计算机对电平进行计数，从而得到转速数据。

如图1所示，在优选的实施例中，还可包括：桁架3，动力单元固定于桁架3上，从而形成具有框架结构的测量装置。

如图1所示，在优选的实施例中，动力单元可包括：推进器11、轴系和电机16；推进器11的进水口116与船体模型底部软连接17，并柔性密封，推进器11的喷水口115与船体模型的尾部软连接17，并柔性密封；轴系与推进器11刚性连接，轴系与电机16之间设置有转速和扭矩采集模块23。进一步地，在推进器11的进水口116和喷水口115与船体模型对应接口部位，采用法兰夹紧软质塑料，塑料处于推进器11悬浮状态，并起到密封的作用；电机16可采用变频电机，可根据需要调节转速，以分析转速与推力的关系。

如图1所示，在优选的实施例中，轴系与转速和扭矩采集模块23以及转速和扭矩采集模块23与电机16之间可通过第一联轴器(14，15)连接。进一步地，第一联轴器(14，15)可采用弹性柱销联轴器，弹性柱销联轴器适合于各种同轴线的传动系统，利用尼龙棒横断面剪切强度传递转矩，结构简单，具有缓冲减震性能和一定的轴偏移补偿能力。

如图1所示，在优选的实施例中，推进器11与轴系之间可通过第二联轴器12连接。进一步地，第二联轴器12可采用刚性联轴器，其具有：重量轻、超低惯量、高灵敏度、零间隙、免维护、超强抗油以及耐腐蚀的优点，刚性联轴器可采用铝合金和不锈钢材料制成。

在优选的实施例中，推进器11可包括：叶片泵和进口管道114；叶片泵的一端连接第二联轴器12，叶片泵包括叶轮112、导叶体、导叶出口段壳体111、和叶轮壳体113；进口管道114与叶轮壳体113连通。

如图1和图2所示，在优选的实施例中，导叶出口段壳体111、叶轮壳体113和进口管道114均可采用透明有机玻璃制成，通过粒子图像测速法可测量内流场，以及叶片泵内流场；叶轮进口段可采用不锈钢制成，以支撑叶片泵内水润滑轴承。

如图1和图3所示，在优选的实施例中，轴系可包括：轴承座13、轴承和中间轴；轴承座13上设置有轴向力采集模块22，轴向力采集模块22用以测量叶片泵的叶轮112运转的轴向力；轴承设置于轴承座13的内部；轴承轴向固定中间轴，中间轴的一端连接第二联轴器12，中间轴的另一端连接第一联轴器(14，15)。进一步地，轴承可采用角接触球轴承，一对角接触球轴承面对面排列，轴向固定轴系并将叶片泵的叶轮112运转产生的轴向力传递到桁架3上。

在优选的实施例中，转速和扭矩采集模块23一般可采用扭矩仪，但不局限于扭矩仪，扭矩仪可精确测量推进器11的转速与轴系传递的扭矩。

如图4所示，一种喷水推进器内流场和外特性的测量方法，包括喷水推进器内流场和外特性测量装置；推进器11的外特性包括：推力、轴向力和功率；

测量方法包括下列步骤：

步骤一，将喷水推进器内流场和外特性测量装置设置于船体模型内，将船体模型固定于循环水槽的工作段或拖曳水池的拖车上，将船体模型的吃水调整至设定位置；

步骤二，启动数据采集单元；

步骤三，启动电机，将转速逐渐增加至设定转速，驱动推进器运转；

步骤四，将循环水槽水速或拖曳水池拖车速度调至设定速度；

步骤五，采用粒子图像测速法或激光多普勒测速法测量推进器内流场；

步骤六，采用数据采集单元测量推进器推力、推进器叶轮轴向力、扭矩和转速，根据转速和扭矩计算推进器的功率，以获取推进器的外特性。

该方法具有测量精度高且可操作性强的优点。

以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种喷水推进器内流场和外特性测量装置，其特征在于，包括：

船体模型；

动力单元，悬挂于所述船体模型内部；

数据采集单元，所述数据采集单元包括两个推力采集模块、轴向力采集模块、转速和扭矩采集模块；

两个所述推力采集模块分别设置于所述船体模型的中前部和尾部；

所述轴向力采集模块设置于所述动力单元上；

所述转速和扭矩采集模块设置于所述动力单元上；

所述动力单元包括：

喷水推进器，所述喷水推进器的进水口与所述船体模型底部软连接，所述喷水推进器的喷水口与所述船体模型的尾部软连接；

轴系，与所述喷水推进器刚性连接；

电机，所述轴系与所述电机之间设置有所述转速和扭矩采集模块。

2.如权利要求1所述喷水推进器内流场和外特性测量装置，其特征在于，还包括：桁架，所述动力单元固定于所述桁架上。

3.如权利要求1所述喷水推进器内流场和外特性测量装置，其特征在于，所述轴系与所述转速和扭矩采集模块以及所述转速和扭矩采集模块与所述电机之间通过第一联轴器连接。

4.如权利要求1所述喷水推进器内流场和外特性测量装置，其特征在于，所述喷水推进器与所述轴系通过第二联轴器连接。

5.如权利要求4所述喷水推进器内流场和外特性测量装置，其特征在于，所述喷水推进器包括：

叶片泵，所述叶片泵的一端连接所述第二联轴器，所述叶片泵包括叶轮、导叶体、导叶出口段壳体和叶轮壳体；

进口管道，与所述叶轮壳体连通。

6.如权利要求5所述喷水推进器内流场和外特性测量装置，其特征在于，所述导叶出口段壳体、所述叶轮壳体和所述进口管道均采用透明有机玻璃制成。

7.如权利要求3或4所述喷水推进器内流场和外特性测量装置，其特征在于，所述轴系包括：

轴承座，所述轴承座上设置有所述轴向力采集模块；

轴承，设置于所述轴承座的内部；

中间轴，所述轴承轴向固定所述中间轴，所述中间轴的一端连接所述第二联轴器，所述中间轴的另一端连接所述第一联轴器。

8.如权利要求1所述喷水推进器内流场和外特性测量装置，其特征在于，所述转速和扭矩采集模块采用扭矩仪。

9.一种喷水推进器内流场和外特性的测量方法，其特征在于，包括如权利要求1至8所述喷水推进器内流场和外特性测量装置；所述喷水推进器的外特性包括：推力、轴向力和功率；

所述测量方法包括下列步骤：

步骤一，将所述喷水推进器内流场和外特性测量装置设置于所述船体模型内，将船体模型固定于循环水槽的工作段或拖曳水池的拖车上，将所述船体模型的吃水调整至设定位置；

步骤二，启动所述数据采集单元；

步骤三，启动所述电机，将转速逐渐增加至设定转速，驱动所述喷水推进器运转；

步骤四，将所述循环水槽水速或所述拖曳水池拖车速度调至设定速度；

步骤五，采用粒子图像测速法或激光多普勒测速法测量所述喷水推进器内流场；

步骤六，采用所述数据采集单元测量所述喷水推进器推力、推进器叶轮轴向力、扭矩和转速，根据转速和扭矩计算所述喷水推进器的功率，以获取所述喷水推进器的外特性。