CN107830989A - 一种轮缘推进器模型试验方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种轮缘推进器模型试验方法及装置,方法为:(1)将轮缘推进器模型安装于试验装置上,给轮缘推进器模型通电,并驱动试验装置带动推进器模型在拖曳水池内运动;(2)采集轮缘推进器模型轴线方向推力T、轮缘推进器模型未通电时受到的阻力R轮以及轮缘推进器模型产生的扭矩Q;(3)计算表征轮缘推进器模型性能的推进器推力系数KT、扭矩系数KQ及推进器效率η。装置包括安装平台,六自由度平台、六分力天平和推进器模型。本发明能够精确模拟轮缘推进器模型在水下工作时的不同工况,并结合六分力天平测出推进器模型在不同试验状态时的各种水动力参数,进而计算轮缘推进器模型的工作效率。
Description
技术领域
本发明涉及船舶推进器性能试验技术领域,具体涉及一种轮缘推进器模型试验装置及方法。
背景技术
轮缘推进器是近年来提出并发展起来的一种全新推进方式,相比于传统螺旋桨推进,轮缘推进器突破了常规思维模式,设计时将电机和推进器集中为一体,使得结构更加紧凑,减少了推进系统占用空间,提高了船舶经济性。同时,轮缘推进器取消了传统螺旋桨推进轴系,减少了舰船航行时的振动和噪声,提高了舰船隐身性能,具有很高的军事应用价值。
轮缘推进器模型试验是指利用物理模型的方法,确定轮缘推进器模型水动力性能的一种手段。通过试验,不仅可以测出轮缘推进器模型的工作效率,也可以根据测试结果,完成对推进器模型的结构优化。它可以促进轮缘推进器的理论研究进一步的发展,使推进器的结构得到进一步的优化,改进推进器的水动力性能。
目前,国内学者开展了轮缘推进器设计、水动力性能计算、集成电机设计等方面的研究工作,主要依赖CFD软件进行相关计算,但在水动力性能试验方面的研究较少,CFD计算结果得不到试验的验证,且试验过程中缺乏对推进器在各种工况下的模拟,导致轮缘推进器模型的水动力性能无法得到准确的评估。
发明内容
为了克服现有技术的缺陷,本发明的目的在于提供一种轮缘推进器模型试验方法及装置,能够精确的带动推进器模型产生横摇、纵摇、首摇、横荡、纵荡和垂荡运动,并结合六分力天平,开展轮缘推进器模型的水动力性能试验,测量出推进器模型在不同试验状态时的推进性能,全面地评估轮缘推进器模型的水动力性能。
为解决上述问题,本发明采用的技术方案为:
一种轮缘推进器模型性能试验方法,包括以下步骤:
(1)将轮缘推进器模型安装于试验装置上,给轮缘推进器模型通电,驱动试验装置带动推进器模型在拖曳水池内运动;
(2)采集轮缘推进器模型轴线方向推力T、轮缘推进器模型未通电时受到的阻力R轮以及轮缘推进器模型产生的扭矩Q;
(3)计算表征轮缘推进器模型性能的推进器推力系数KT、扭矩系数KQ及推进器效率η;其中,
式中,ρ为流体密度,n为轮缘推进器模型的轴承转速,D为轮缘推进器模型的桨叶直径,VA为进速,π为圆周率,Fx为轮缘推进器模型在x方向的推力, 为偏转角。
进一步地,所述运动包括横摇,纵摇,首摇,横荡,纵荡和垂荡运动及其与拖车直线运动的各种组合运动。
实现所述方法的轮缘推进器模型性能试验装置,所述装置包括安装平台、固定平台、六个电动缸、运动平台、六分力天平和轮缘推进器模型;
固定平台吊装于安装平台上,固定平台依次连于运动平台的下表面,且位于运动平台的下表面中心,六分力天平下端与轮缘推进器模型上部的剑刚性连接;拖车带动整个测试装置沿直线方向运动,同时六电动缸通过伸缩运动使得运动平台及推进器模型产生不同方向的位移和旋转。
轮缘推进器模型包括本体、外圈、端盖、螺栓、轴盖、内圈、定子线圈、密封圈、推力轴承、永磁体转子以及浆叶;
本体内安装有内圈和外圈,定子线圈安装在外圈内侧,定子线圈的导线通过上方固连的剑布置到拖车上方;永磁体转子安装在内圈外侧;推力轴承布置在外圈与内圈之间,用于保证内圈和外圈之间的的相对转动;定子线圈、永磁体转子两端均布置有密封圈;端盖和轴盖分别用于固定内圈和外圈;试验前在内圈处加装螺旋桨叶片。
进一步地,所述安装平台包括上连接件和下连接件;上连接件为矩形平板,搭在拖车横梁上方,矩形板两侧开有定位孔与下连接件通过螺栓连接;下连接件为开口朝上的U形架,该U形架的两侧壁开有定位孔与拖车横梁通过螺栓连接;下连接件的上表面两侧开有定位孔,与上连接件通过螺栓连接,完成对拖车的固定。
本发明的有益技术效果体现在:
结合拖曳水池,利用拖车带动轮缘推进器模型完成拖曳试验,并在试验过程中采集相关水动力参数,即推进器推力系数KT、扭矩系数KQ及推进器效率η,以这些参数作为评估轮缘推进器模型的水动力性能。通过六自由度平台模拟了推进器模型在不同工况下的工作情况,使得出的推进器效率更为全面;同时考虑了在推进器模型空转情况下的形状阻力,并以容易测量的电机功率反向推导出电机工作时不易测量的扭矩,使计算公式中的数据更加精准,提高了计算精度。
附图说明
图1为轮缘推进器模型试验装置结构示意图;
图2为安装平台与拖车横梁装配示意图;
图3为六自由度平台与六分力天平装配示意图;
图4为轮缘推进器模型与六分力天平装配示意图;
图5为轮缘推进器模型结构示意图;
图6为本发明实验方法流程图;
图7为拖曳试验中推进器模型参考系示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步的详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明,并不用于限定本发明。此外,下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示,本发明轮缘推进器模型试验装置较佳实施例包括安装平台1、固定平台2、电动缸3、运动平台4、六分力天平5和轮缘推进器模型6。
六个电动缸3的上下端分别连接固定平台2和运动平台4。六个电动缸3的上端点两两组成固定平台2的三个支点,六个电动缸3的下端点两两组成运动平台4的三个支点,固定平台2和运动平台4上的三个支点均构成等边三角形,固定平台2上形成的三角形大于运动平台4上形成的三角形。六个电动缸3结构相同,通过外部控制器控制,带动推杆产生伸缩运动,进而使整电动缸3产生不同方向的位移和旋转,利用电动缸3与运动平台4的连接转化为模型空间上横荡、纵荡、垂荡、横摇、纵摇和首摇运动。
六分力天平5置于运动平台4的下方,且位于运动平台三个支点所组成的等边三角形的中心,六分力天平5刚性连接于轮缘推进器模型6的重心处。六分力天平5用于测量试验推进器模型的力和力矩。
固定平台2固定连接安装平台1。在本发明较佳实施方式中,为了减轻结构重量和便于安装,安装平台1分为上连接件和下连接件两个部分,如图2所示。为了保证安装平台上半部分与拖车横梁的紧密连接,上连接件为矩形平板,搭在拖车横梁上方,矩形板两侧开有定位孔与下连接件通过螺栓连接;下连接件为开口朝上的U形架,该U形架的两侧壁开有定位孔与拖车横梁均通过螺栓连接;下连接件的上表面两侧开有定位孔,与上连接件通过螺栓连接,完成对拖车的固定。
六分力天平5的上端面与运动平台4在周向布置多个定位孔,通过螺栓连接,如图3所示;推进器模型6上方固连剑与六分力天平5的下端面也通过周向的螺栓连接,如图4所示。
轮缘推进器模型电机内部结构如图5所示。轮缘推进器模型包括本体、外圈7、端盖8、螺栓9、轴盖10、内圈11、定子线圈12、密封圈13、推力轴承14、永磁体转子15以及桨叶。
本体上安装有内圈11和外圈7,的定子线圈12安装在外圈7内侧,线圈导线通过模型上方固连的剑内部布置到拖车上方。永磁体转子15安装在内圈11外侧。推力轴承14布置在外圈7与内圈11之间,保证内圈11、外圈7的相对转动。由于推进器模型长时间在水下工作,定子线圈12、永磁体转子15两端都布置有密封圈13。最后采用端盖8和轴盖10的配合固定内圈11和外圈7,并在内圈11中插入桨叶,使推进器模型形成一个相对独立的整体。
试验前,在推进器电机内圈加装螺旋桨叶片(图5中并未画出)即可组装成完整的推进器模型,进行拖曳试验。这样的设计保证了叶片的可替换性,有利于通过安装不同螺旋桨叶片的对比试验,找出更高效率的桨叶。
考虑到推进器模型尺寸,水池长度和运动频率的影响,对运动平台的位移,速度,加速度和振荡圆频率有范围限定。本发明依据试验特点,列出所述电动缸的行程和相邻电动缸之间的夹角使得运动平台的运动性能指标满足下表,(位移e=A cos ht,(角)速度f=-Ah sin ht,(角)加速度g=-Ah2 cos ht,为了表示方便表格里的e和f值显示的是峰值变化):
应用本发明测试装置可以完成对轮缘推进器模型水动力性能的测试,如图6所示,下面详细说明。
(1)进行测试时,给轮缘推进器模型通电启动,开动拖车拖动安装平台,首先驱使整个装置产生在拖曳水池内直线运动。通过控制台输入特定程序,控制电动缸的伸缩与旋转来实现推进器模型的特定运动,包括横摇,纵摇,首摇,横荡,纵荡和垂荡运动及其与拖车直线运动的各种组合运动。
(2)采集轮缘推进器轴线方向推力T、轮缘推进器模型未通电时受到的阻力R轮、轮缘推进器模型产生的扭矩Q。
在同样的测试方法下,不让螺旋桨工作,由拖车拖动,通过六分力天平测量推进器模型在空转情况下的本身形状带来的阻力轮缘推进器阻力R轮。
轮缘推进器模型试验装置在试验时,将桨叶安装在试验装置内壳内侧上,由转子带动内壳及桨叶旋转,从而产生推力,推力由推力轴承传递到试验装置上,试验装置通过测力天平固连剑,从而可测得整个试验装置总推力T。由于推进器产生的扭矩Q反向作用在试验装置上,故在考虑电机效率的情况下,可通过电机功率来获得推进器扭矩。
(3)计算表征轮缘推进器模型性能的推进器推力系数KT、扭矩系数KQ及推进器效率η。
推进器推力系数KT、扭矩系数KQ及推进器效率η定义如下:
式中:ρ为流体密度;n为轮缘推进器模型转速(推力轴承转速);D为桨叶直径;Q为扭矩;VA为进速;Fx为轮缘推进器在前进方向的推力,其定义如下,
式中,T为轮缘推进器轴线方向推力(等同于拖车推力);R轮为轮缘推进器形状阻力,可通过测力天平测得,偏转角(轮缘推进器轴线方向与拖车前进方向的夹角)正向为俯视推进器单元的顺时针方向(详见图7)。
推进器推力系数KT、扭矩系数KQ为推进器推力、转矩的一种无因次表达方式,在对几何相似的螺旋桨进行同样的试验后可得到类似的水动力性能图,便于比较、研究螺旋桨叶片的水动力性能。而推进器效率η表征推进器模型将输入的电能转化为有效推力的能力,也反映了推进器叶片的效率高低。推力系数越大,扭矩系数越小,则桨叶效率越高,即优化桨叶的指导思想。
轮缘推进器模型的技术性能指标满足下表:
本领域的技术人员容易理解,以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种轮缘推进器模型性能试验方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)将轮缘推进器模型安装于试验装置上,给轮缘推进器模型通电,驱动试验装置带动推进器模型在拖曳水池内运动;
(2)采集轮缘推进器模型轴线方向推力T、轮缘推进器模型未通电时受到的阻力R轮以及轮缘推进器模型产生的扭矩Q;
(3)计算表征轮缘推进器模型性能的推进器推力系数KT、扭矩系数KQ及推进器效率η;其中,
<mrow>
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<mo>=</mo>
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<mn>2</mn>
<mi>&pi;</mi>
<mi>n</mi>
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</mrow>
</mfrac>
</mrow>
式中,ρ为流体密度,n为轮缘推进器模型的轴承转速,D为轮缘推进器模型的桨叶直径,VA为进速,π为圆周率,Fx为轮缘推进器模型在x方向的推力, 为偏转角。
2.根据权利要求1所述的轮缘推进器模型性能试验方法,其特征在于,所述运动包括横摇,纵摇,首摇,横荡,纵荡和垂荡运动及其与拖车直线运动的各种组合运动。
3.实现权利要求1或2所述方法的轮缘推进器模型性能试验装置,其特征在于,所述装置包括安装平台(1)、固定平台(2)、六个电动缸(3)、运动平台(4)、六分力天平(5)和轮缘推进器模型(6);
固定平台(2)吊装于安装平台(1)上,固定平台(2)依次连接六个电动缸(3)、运动平台(4)、六分力天平(5)和推进器模型(6);六分力天平(5)上端安装于运动平台(4)的下表面,且位于运动平台(4)的下表面中心,六分力天平(5)下端与轮缘推进器模型上部的剑刚性连接;拖车带动整个测试装置沿直线方向运动,同时六电动缸通过伸缩运动使得运动平台及推进器模型产生不同方向的位移和旋转;
所述轮缘推进器模型(6)包括本体、外圈(7)、端盖(8)、螺栓(9)、轴盖(10)、内圈(11)、定子线圈(12)、密封圈(13)、推力轴承(14)以及永磁体转子(15)以及浆叶;
本体内安装有内圈(11)和外圈(7),定子线圈(12)安装在外圈(7)内侧,定子线圈(12)的导线通过上方固连的剑布置到拖车上方;永磁体转子(15)安装在内圈(11)外侧;推力轴承(14)布置在外圈(7)与内圈(11)之间,用于保证内圈(11)和外圈(7)之间的相对转动;定子线圈(12)、永磁体转子(15)两端均布置有密封圈(13);端盖(8)和轴盖(10)分别用于固定内圈(11)和外圈(7);内圈(11)处加装螺旋桨叶片。
4.根据权利要求3所述的轮缘推进器模型试验装置,其特征在于,所述安装平台包括上连接件和下连接件;
上连接件为矩形平板,搭在拖车横梁上方,矩形板两侧开有定位孔与下连接件通过螺栓连接;
下连接件为开口朝上的U形架,该U形架的两侧壁开有定位孔与拖车横梁通过螺栓连接;下连接件的上表面两侧开有定位孔,与上连接件通过螺栓连接,完成对拖车的固定。
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