CN104374544A - 螺旋桨脉动压力非对称测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种螺旋桨脉动压力非对称测量装置，属于船舶水动力学试验领域，在空泡水洞中进行脉动压力测量时，能高效的捕捉螺旋桨脉动压力最大值的装置，同时本装置也可以连续迅速的调节测量状态，便于安装。其的技术方案在于所述的可升降的螺旋桨脉动压力非对称测量装置包括脉动压力测量平板、脉动压力传感器、第一导向杆、水洞盖板、导向板、螺纹杆、螺纹杆套、螺纹杆座及摇柄。

Description

螺旋桨脉动压力非对称测量装置

技术领域

本发明涉及船舶水动力学试验领域，具体涉及一种螺旋桨脉动压力非对称测量装置。

背景技术

由于国际贸易的迅速发展，对航运业提出了更高的要求，集装箱船、滚装船等船型得到了广泛应用；船队也向海洋纵深发展。这类民用船舶航速不断提高，导致单机功率迅速增长，而船舶的吃水受到港湾的自然条件和设施的限制，螺旋桨直径不能过分增加，于是螺旋桨的负荷加重了，伴随而来的是在船舶性能方面出现例如尾部振动、结构损坏、噪声和剥蚀等问题，引起各国对螺旋桨激振力研究的重视。在试验设备及课题研究方面都有新的发展，如建造减压水池，大型工作段的水洞等。

通过研究，人们认为螺旋桨引起船体振动的激振力有三类。第一类是由于螺旋桨在船后不均匀伴流场中工作，以叶频为基频的脉动力和力矩作用在桨叶上，并通过轴承传给船体。螺旋桨制造不精确，各叶片间的螺距不同，航行中叶片的损坏或弯曲或轴的拉线不准也要引起不定常力。这种通过轴承传给船体的力通常称为轴承力；第二类是螺旋桨的不定常力通过水传给船体表面，即使在均匀流场中，由于螺旋桨的叶数有限，也会在船体表面产生以叶频为基频的变动压力。这类力成为表面力；第三类力是舵力，由于舵在螺旋桨后不定常尾流中，它必然受到按叶片频率变化的脉动力矩作用，这类力通过舵柱传给船体，舵力比前两类力小。这些不定常力的存在就引起人们对进入螺旋桨盘面的流动情况的关注，以采用正确的船体及附体的形状与布置，以便得到比较均匀的来流，尽可能减小振动。

螺旋桨不定常力的试验和理论研究，使人们对螺旋桨激起的船体振动有了新的认识。考虑船尾不均匀的伴流场，由此而产生螺旋桨的脉动激振力，还不足以解释船尾的激烈振动。因为还有另一个重要的因素是桨叶上发生空泡会导致脉动压力和相位的大的变化，特别是重载螺旋桨在不均匀程度比较严重的伴流中工作，当桨叶进入高伴流区时，不可避免的要出现空泡，随着桨叶离开高伴流区，空泡又消失，这种不定常空泡引起了振幅剧变的脉动压力，比定常空泡情况下要高得多，而往往这脉动压力又趋于同相位。这是产生船尾剧振的主要根源。

由于螺旋桨激振力问题十分复杂，理论预报至今仍是船舶快速性研究中的薄弱环节。近年来，尽管CFD技术得到了很大发展，但在定量分析与造船工程应用方面，试验手段确定螺旋桨产生的脉动压力及船体振动水平仍然具有不可替代的地位。

空泡水洞是进行螺旋桨激振力性能试验的最主要载体，主要涉及船模快速性试验、螺旋桨空泡形态试验、螺旋桨敞水性能试验和螺旋桨脉动压力测量等流体动力试验项目。其中螺旋桨激振力(脉动压力)的测量包括轴承力、表面力和舵的激振力测量。

为了保证测量精度，传感器安装板的中心测量点一般设置在螺旋桨的正上方。从20世纪70年代至今，前美国、荷兰、德国等国家的相关研究机构先后公布了用于空泡水洞的压力脉动测量装置，但是这些装置监测点一般采用对称分布模式无法满足试验研究需要，主要体现在以下几个方面：(1)采用五点式或九点式对称的监测点布置方法来测量螺旋桨尾流这种非对称的流场的脉动压力的空间变化，未必能捕捉到激振力最大值；(2)单纯采用多根螺杆连接传感器安装板与水洞观察段盖板及升降装置，在调节时需要调节各螺杆的行程，在这一过程中很难保持四根支撑螺杆同步，同时很难调节安装板水平浪费了大量时间；(3)脉动压力测量平板在测量过程中会发生振动，对安装其上的传感器会产生不利影响。

为深入研究螺旋桨脉动压力产生的机理和规律，并解决空泡水洞现有脉动压力测试装置的不足，本发明提供一种结构合理、布置紧凑、装卸方便、安全可靠的非对称脉动压力测试装置，为螺旋桨脉动压力的预报提供测试技术。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述背景技术中的问题，提供了一种使螺旋桨在空泡水洞中进行脉动压力测量时，能高效的捕捉螺旋桨脉动压力最大值的螺旋桨脉动压力非对称测量装置，本装置采用可升降式结构，能够快速平稳地调节脉动压力传感器的工作位置，提高装置的测量精度。

本发明的技术方案在于：所述的可升降的螺旋桨脉动压力非对称测量装置包括脉动压力测量平板、脉动压力传感器、第一导向杆、水洞盖板、导向板、螺纹杆、螺纹杆套、螺纹杆座及摇柄，所述水洞盖板上均匀分布有与第一导向杆数量相同且相配合的第一导向孔，所述第一导向杆下端固定于脉动压力测量平板上表面，上端穿过第一导向孔与上方的导向板固定连接；所述螺纹杆座中心和导向板中心均设有通孔，所述导向板的通孔内固设有所述螺纹杆套，所述螺纹杆套内设有与螺纹杆相配合的内螺纹，螺纹杆座中心通孔内固设有上轴承，水洞盖板上表面固设有下轴座，所述下轴座内设有下轴承，所述螺纹杆穿过所述上轴承及螺纹杆套，上端与摇柄固定连接，下端与下轴承连接；所述脉动压力传感器以非中心对称方式设于脉动压力测量平板上，其检测端设于脉动压力测量平板下表面。

所述测量装置还包括多根第二导向杆，所述导向板上均匀分布有与第二导向杆数量相同且相配合的第二导向孔，所述第二导向杆穿过第二导向孔，下端固设于水洞盖板上，上端与螺纹杆座固定连接。

所述脉动压力传感器数量为10个，其中有9个脉动压力传感器以3×3阵列分布，该阵列的其中一条边上的3个脉动压力传感器位于脉动压力测量平板的一条中线上，且中间的一个脉动压力传感器位于脉动压力测量平板的中心处；剩下的1个脉动压力传感器位于该中线的另一侧，与位于脉动压力测量平板中心处的脉动压力传感器正相对。

所述3×3阵列的行间距和列间距相等，均为40—60mm，所述脉动压力测量平板中线另一侧的脉动压力传感器与中心处的脉动压力传感器的间距等于3×3阵列的行间距。

所述第一导向孔内固设有与第一导向杆滑动配合的第一导向套，所述第一导向套两端与水洞盖板连接的部位设有压盖和密封垫。

所述水洞盖板上还设有能够使脉动压力传感器的导线穿出的过线孔，所述过线孔两端设有密封接头。

本发明的有益效果在于：

1、由于采用了螺纹杆、第一导向杆、第二导向杆相结合的结构来对脉动压力测量平板进行升降调节，相比于单纯采用多根螺纹杆将导向板与脉动压力测量平板连接，调节时需要同步调节螺纹杆的方式，该结构调整起来更加方便，调节精度和同步性更高，稳定性更强，而且能够有效保证脉动压力测量平板的水平，使脉动压力传感器的测量更加准确。

2、根据螺旋桨尾流场切向速度引起的最大压力脉动会发生偏移的特性，将脉动压力测量平板上的脉动压力传感器设置成上述的非中心对称分布，使脉动压力偏移的一侧设置有更多的脉动压力传感器，能够快速捕捉试验中的最大压力脉动值，从而保证实验数据的精度，显著提高实验质量。

3、本装置独立性强，可与不同空泡水洞工作段匹配，方便改造、加工和安装。

4、本装置的脉动压力测量平板采用螺纹杆与导向杆结合的方式进行升降调节，大大降低了由传感器安装板振动所导致的试验误差。

5、本装置为螺旋桨脉动压力试验提供了切实可行的技术保障和坚实的工程化应用基础，既可用于常压条件下的脉动压力测量，又可以在加压或者减压条件下进行脉动压力测量的试验项目。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图；

图2为图1中A处的局部放大示意图；

图3图1中水洞盖板的俯视图；

图4为图1中脉动压力测量平板的俯视图；

图5为图1中调节摇柄使脉动压力测量平板上升后的状态示意图。

具体实施方式

以下结合附图详细描述本发明的实施例。

如图1—3所示，本发明包括脉动压力测量平板3、脉动压力传感器2、第一导向杆4、水洞盖板17、导向板16、螺纹杆14、螺纹杆套15、螺纹杆座11及摇柄13。

在本实施例中，设置有四根第一导向杆4，水洞盖板17上对应的位置均匀分布有四个与第一导向杆4相配合的第一导向孔20，第一导向杆4下端固定于脉动压力测量平板3上表面，上端穿过第一导向孔20与上方的导向板16固定连接；螺纹杆座11中心和导向板16中心均设有通孔，导向板的中心通孔内固设有所述螺纹杆套15，螺纹杆套15内设有与螺纹杆14相配合的内螺纹，螺纹杆座11中心通孔内固设有上轴承12，水洞盖板17上表面固设有下轴座18，下轴座18内设有下轴承19，螺纹杆14穿过上轴承12及螺纹杆套15，上端与摇柄13固定连接，下端与下轴承19连接；脉动压力传感器2以非中心对称方式设于脉动压力测量平板3上，其检测端1设于脉动压力测量平板3下表面。

在本实施例中，为达到更好的测量效果，上述测量装置还包括四根第二导向杆10，导向板16上均匀分布有四个与第二导向杆10相配合的第二导向孔，第二导向杆10穿过第二导向孔，下端固设于水洞盖板17上，上端与螺纹杆座11固定连接。

在本实施例中，脉动压力传感器2的数量为10个，其中有9个脉动压力传感器以3×3阵列分布，该阵列的其中一条边上的3个脉动压力传感器位于脉动压力测量平板的一条中线21上，且中间的一个脉动压力传感器22位于脉动压力测量平板的中心处；剩下的1个脉动压力传感器23位于该中线的另一侧，与位于脉动压力测量平板中心处的脉动压力传感器22正相对。

在上述实施例中，3×3阵列的行间距和列间距相等，取值范围在40—60mm，优选的可以为50mm，脉动压力测量平板中线21另一侧的单个脉动压力传感器与中心处的脉动压力传感器23的间距等于3×3阵列的行间距。

在本实施例中，第一导向孔20内固设有与第一导向杆滑动配合的第一导向套7，第一导向套7两端与水洞盖板连接的部位设有压盖6和密封垫5，能够有效起到密封作用，如图2所示。水洞盖板17上还设有能够使脉动压力传感器的导线穿出的过线孔8，过线孔两端设有密封接头9。

以下详细描述本装置的工作原理：

本测量装置作为一种在空泡水洞中对螺旋桨进行脉动压力测量的装置，在使用时需要将整个装置安装于空泡水洞的可视工作段，脉动压力测量平板与螺旋桨桨盘面垂直，水洞盖板与空泡水洞密封固定。然后摇动摇柄，使螺杆转动，螺杆转动带动导向板上下移动，导向板的上下移动即可带动第一导向杆下端的脉动压力测量平板上下移动，从而可以通过摇动摇柄来调节脉动压力测量平板上的脉动压力传感器与空泡水洞内设的螺旋桨之间的距离，使之达到试验所需的值，如图1和图4所示。

由于螺旋桨尾流场切向速度会引起最大压力脉动会发生偏移，因此将脉动压力测量平板上的脉动压力传感器设置为非中心对称分布，以适应最大压力脉动发生偏移的问题，这种方式可以有效捕捉到脉动压力的最大值，使检测值更加准确，提高实验质量。

对上述工作原理做如下说明：

1、由于采用了螺纹杆、第一导向杆、第二导向杆相结合的结构来对脉动压力测量平板进行升降调节，相比于单纯采用多根螺纹杆将导向板与脉动压力测量平板连接，调节时需要同步调节螺纹杆的方式，该结构调整起来更加方便，调节精度和同步性更高，稳定性更强，而且能够有效保证脉动压力测量平板的水平，使脉动压力传感器的测量更加准确。

2、由于在实际情况下，螺旋桨尾流场切向速度引起的最大压力脉动会发生偏移，如果将脉动压力传感器以中心对称方式设于脉动压力测量平板上，来测量螺旋桨尾流这种非对称的流场的脉动压力的空间变化，未必能捕捉到脉动压力的最大值，因此在本实施例中，将脉动压力测量平板上的脉动压力传感器设置成上述的非中心对称，在使用时，根据螺旋桨旋向的不同选择脉动压力传感器的布置方位，使脉动压力偏移的一侧设置有更多的脉动压力传感器，例如对于右旋桨而言，将脉动压力传感器较多的一侧设置在右侧，这样就能够快速捕捉试验中的最大压力脉动值，从而保证实验数据的有效性，提高实验质量。

Claims (6)

1.螺旋桨脉动压力非对称测量装置，其特征在于：包括脉动压力测量平板、脉动压力传感器、第一导向杆、水洞盖板、导向板、螺纹杆、螺纹杆套、螺纹杆座及摇柄，所述水洞盖板上均匀分布有与第一导向杆数量相同且相配合的第一导向孔，所述第一导向杆下端固定于脉动压力测量平板上表面，上端穿过第一导向孔与上方的导向板固定连接；所述螺纹杆座中心和导向板中心均设有通孔，所述导向板的通孔内固设有所述螺纹杆套，所述螺纹杆套内设有与螺纹杆相配合的内螺纹，螺纹杆座中心通孔内固设有上轴承，水洞盖板上表面固设有下轴座，所述下轴座内设有下轴承，所述螺纹杆穿过所述上轴承及螺纹杆套，上端与摇柄固定连接，下端与下轴承连接；所述脉动压力传感器以非中心对称方式设于脉动压力测量平板上，其检测端设于脉动压力测量平板下表面。

2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于：所述测量装置还包括多根第二导向杆，所述导向板上均匀分布有与第二导向杆数量相同且相配合的第二导向孔，所述第二导向杆穿过第二导向孔，下端固设于水洞盖板上，上端与螺纹杆座固定连接。

3.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于：所述脉动压力传感器数量为10个，其中有9个脉动压力传感器以3×3阵列分布，所述阵列其中一条边上的3个脉动压力传感器位于脉动压力测量平板的一条中线上，且中间的一个脉动压力传感器位于脉动压力测量平板的中心处；剩下的1个脉动压力传感器位于该中线的另一侧，与位于脉动压力测量平板中心处的脉动压力传感器正相对。

4.根据权利要求3所述的测量装置，其特征在于：所述3×3阵列的行间距和列间距相等，均为40—60mm，所述脉动压力测量平板中线另一侧的单个脉动压力传感器与中心处的脉动压力传感器的间距等于3×3阵列的行间距。

5.根据根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于：所述第一导向孔内固设有与第一导向杆滑动配合的第一导向套，所述第一导向套两端与水洞盖板连接的部位设有压盖和密封垫。

6.根据根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于：所述水洞盖板上还设有能够使脉动压力传感器的导线穿出的过线孔，所述过线孔两端设有密封接头。