盛立，熊鷹，王松

（海軍工程大學(xué)船舶與海洋工程系，湖北武漢 430033）

0 引言

吊艙推進(jìn)器是近年來發(fā)展起來的一種新型船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)，主要由支架、吊艙和螺旋槳等部件構(gòu)成。其中，吊艙通過支架懸掛在船體下面。由于吊艙推進(jìn)器具有體積小、重量輕、附加阻力小、效率高和空泡性能更佳等優(yōu)點(diǎn)［1］，其應(yīng)用范圍越來越廣泛，其試驗(yàn)技術(shù)研究也日漸為造船界所重視，第23屆國(guó)際水池會(huì)議（ITTC）推進(jìn)委員會(huì)［2－3］首次提出吊艙推進(jìn)器模型試驗(yàn)及性能預(yù)報(bào)規(guī)程，第24屆ITTC吊艙推進(jìn)器專家委員會(huì)［4］提出了試驗(yàn)及性能預(yù)報(bào)、空泡試驗(yàn)2個(gè)規(guī)程，第25屆ITTC吊艙推進(jìn)器專家委員會(huì)［5］明確提出將螺旋槳與吊艙作為一個(gè)推進(jìn)器單元處理的建議，對(duì)試驗(yàn)及性能預(yù)報(bào)規(guī)程的部分細(xì)節(jié)進(jìn)行了改進(jìn)，并提出簡(jiǎn)化的吊艙阻力預(yù)報(bào)方法;在歐洲還成立專門研究吊艙推進(jìn)器的T－POD委員會(huì)［6］，專門研究吊艙推進(jìn)器相關(guān)的水動(dòng)力學(xué)問題、動(dòng)力分配、螺旋槳設(shè)計(jì)以及動(dòng)力性能評(píng)估和試驗(yàn)等問題。吊艙推進(jìn)器的研究主要有對(duì)吊艙推進(jìn)器性能的數(shù)值模擬、吊艙推進(jìn)器設(shè)計(jì)技術(shù)以及吊艙推進(jìn)器的試驗(yàn)技術(shù)，針對(duì)吊艙推進(jìn)器的試驗(yàn)技術(shù)，國(guó)內(nèi)外的一些學(xué)者相繼開展了一系列的研究［7－18］。

本文利用空泡水洞以及H101動(dòng)力儀對(duì)吊艙推進(jìn)器空泡性能和脈動(dòng)壓力進(jìn)行試驗(yàn)研究，觀察槳模在不同工況下的葉背和葉面的空泡發(fā)展和變化情況，并用人工觀察和拍照的方式進(jìn)行記錄，同時(shí)通過螺旋槳正上方區(qū)域安裝的脈動(dòng)壓力傳感器測(cè)量脈動(dòng)壓力，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)分析，為吊艙推進(jìn)器性能研究及設(shè)計(jì)提供參考。

1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ图霸囼?yàn)裝置

1.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

吊艙推進(jìn)器由艙體、支架、尾鰭、槳轂、轂帽以及五葉螺旋槳組成。吊艙模型縮尺比為1:13.64，槳模直徑為0.22 m。吊艙具體參數(shù)見表1，模型照片見圖1。

表1 吊艙模型參數(shù)Tab．1Parameters of pod model

圖1 吊艙模型Fig.1Pod model for test

螺旋槳模型采用黃銅制作，模型主要參數(shù)見表2，模型照片如圖2。螺旋槳導(dǎo)流帽按實(shí)槳形式縮比加工。

表2 螺旋槳模型主參數(shù)Tab．2Parameters of propeller model

圖2 螺旋槳模型Fig.2Propeller model for test

1.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)工作段尺寸為0.6 m×0.6 m×2.6 m。空泡水洞流速采用比托管進(jìn)行測(cè)量。

H101動(dòng)力儀和單分力天平:H101動(dòng)力儀是Cussons公司專門針對(duì)吊艙推進(jìn)器水動(dòng)力性能測(cè)試而新開發(fā)的先進(jìn)測(cè)試儀器，能對(duì)雙槳吊艙推進(jìn)器在不同舵角下前槳和后槳的推力和扭矩以及吊艙上的阻力進(jìn)行測(cè)量。它主要由螺旋槳?jiǎng)恿x和單分力天平組成。

在螺旋槳正上方區(qū)域埋置1個(gè)脈動(dòng)壓力傳感器，傳感器受壓面直徑為8 mm，且與所處平面齊平［19］。傳感器位于槳盤面中心的正上方167 mm（見圖3）。

圖3 脈動(dòng)壓力傳感器位置圖Fig.3Location of fluctuating pressure sensor

2 試驗(yàn)方法和試驗(yàn)工況

2.1 試驗(yàn)方法和內(nèi)容

1）常壓狀態(tài)

在空泡水洞中，在試驗(yàn)設(shè)備和模型強(qiáng)度允許的范圍內(nèi)，確定槳模的轉(zhuǎn)速、水洞工作段進(jìn)速。在每個(gè)給定工況下，按試驗(yàn)規(guī)程，觀察槳模的空泡形態(tài)，測(cè)量和分析脈動(dòng)壓力。

2）抽空狀態(tài)

選定對(duì)應(yīng)吊艙推進(jìn)器在不同進(jìn)速下的工況，對(duì)水洞進(jìn)行抽空，按試驗(yàn)規(guī)程，觀察槳模的空泡形態(tài)，測(cè)量和分析脈動(dòng)壓力。

2.2 試驗(yàn)方案和工況

根據(jù)每個(gè)來流速度下的推力扭矩系數(shù)和轉(zhuǎn)速空泡數(shù)、模型試驗(yàn)時(shí)的槳模轉(zhuǎn)速和工作段進(jìn)速及壓力，調(diào)節(jié)空泡水洞水速及螺旋槳轉(zhuǎn)速并達(dá)到穩(wěn)定的試驗(yàn)工況后，進(jìn)行以下測(cè)量。

1）脈動(dòng)壓力

首先標(biāo)定各脈動(dòng)壓力傳感器的靈敏度系數(shù)，然后測(cè)試各工況下螺旋槳模型誘導(dǎo)的脈動(dòng)壓力，得到脈動(dòng)壓力系數(shù)，并換算到實(shí)槳的脈動(dòng)壓力值。

試驗(yàn)時(shí)，測(cè)量到的脈動(dòng)壓力時(shí)域信號(hào)p～經(jīng)FFT得到以螺旋槳葉頻為基頻及其諧頻的各階幅值（單幅值）pi，和以一指定槳葉葉梢位于正上方位置為參考角度的各階相位角φi，

各階幅值以無量綱系數(shù)Kpi表示，

2）空泡觀察

螺旋槳葉片上出現(xiàn)空泡后，畫出在相應(yīng)半徑不同周向角度上的空泡區(qū)域、空泡形態(tài)。空泡數(shù)定義如下:

式中:D為實(shí)槳的直徑，m;n為實(shí)槳轉(zhuǎn)速，1/s;pv為試驗(yàn)用水的飽和蒸氣壓，Pa;po為循環(huán)水槽工作段中心處壓力，Pa。

主要是在以下6個(gè)具體工況觀測(cè)空泡（見表3）。

表3 觀測(cè)空泡具體工況表Tab．3The specific conditions of vacuoles observed

3 試驗(yàn)結(jié)果和分析

3.1 脈動(dòng)壓力試驗(yàn)結(jié)果

模擬吊艙推進(jìn)器模型在進(jìn)速系數(shù)為J=0.60～1.12的工況。在各工況下分別測(cè)量螺旋槳上方的脈動(dòng)壓力，對(duì)測(cè)量得到的壓力時(shí)域信號(hào)進(jìn)行傅立葉分析后，發(fā)現(xiàn)一階葉頻脈動(dòng)壓力和二階脈動(dòng)壓力幅值比較明顯，3階以上的葉頻脈動(dòng)壓力幅值很小，不容易識(shí)別。各工況下得到的一階和二階葉頻脈動(dòng)壓力幅值見表4，相應(yīng)的脈動(dòng)壓力系數(shù)與脈動(dòng)壓力幅值見圖4和圖5。

表4 不同工況下的脈動(dòng)壓力Tab．4Fluctuating pressure under different conditions

從表4及圖4和圖5可以看出:

1）隨著轉(zhuǎn)速的增加，在常壓下，一階脈動(dòng)壓力系數(shù)和二階脈動(dòng)壓力系數(shù)變化不明顯;在抽真空狀態(tài)下，螺旋槳轉(zhuǎn)速在900～1 350 r/min情況下脈動(dòng)壓力系數(shù)變化也不明顯，但當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到1 500 r/min，即葉頻超過125 Hz時(shí)，脈動(dòng)壓力系數(shù)出現(xiàn)明顯增大。這主要是因?yàn)樵诔合?，模型槳在所測(cè)量的整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)均不會(huì)發(fā)生片空泡，所以在整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)脈動(dòng)壓力系數(shù)隨轉(zhuǎn)速的變化不明顯;在抽真空狀態(tài)下，低轉(zhuǎn)速時(shí)片空泡還未形成，或面積很小，此時(shí)脈動(dòng)壓力主要是由于螺旋槳非定常負(fù)荷引起的，所以脈動(dòng)壓力系數(shù)增加不明顯，高轉(zhuǎn)速時(shí)，空泡范圍開始明顯增加，這時(shí)空泡體積脈動(dòng)引起的脈動(dòng)壓力急劇增加，明顯超過螺旋槳負(fù)荷引起的脈動(dòng)壓力，從而引起脈動(dòng)壓力系數(shù)急劇增加。

2）在不同真空度條件下，每一工況一階脈動(dòng)壓力幅值均比二階脈動(dòng)壓力幅值大，但抽真空條件高轉(zhuǎn)速（空泡范圍較大）時(shí)，二階脈動(dòng)壓力幅值相對(duì)一階的比值較大，而在空泡不明顯的工況下，兩者的比值很小。這主要是因?yàn)榭张莶幻黠@時(shí)，脈動(dòng)壓力主要是槳葉負(fù)荷引起的，對(duì)五葉槳而言，螺旋槳負(fù)荷的變化主要是5n階伴流系數(shù)的，由于脈動(dòng)壓力的變化和5n階伴流系數(shù)是一致的，10階伴流分?jǐn)?shù)比5階伴流分?jǐn)?shù)小得多，此時(shí)二階葉頻脈動(dòng)壓力幅值就非常小;而發(fā)生大面積空泡后，空泡體積的變化并非只決定于槳5n階伴流系數(shù)，空泡體積的變化規(guī)律和5n階伴流系數(shù)的一致性變?nèi)?，此時(shí)二階葉頻脈動(dòng)壓力系數(shù)和一階脈動(dòng)壓力系數(shù)的比值就會(huì)增加。

由于時(shí)間問題，本次脈動(dòng)壓力測(cè)量試驗(yàn)只用了1個(gè)傳感器測(cè)量脈動(dòng)壓力，還要進(jìn)一步圍繞這個(gè)中心點(diǎn)的周圍布置數(shù)個(gè)傳感器，以便更加系統(tǒng)準(zhǔn)確地測(cè)量螺旋槳的脈動(dòng)壓力。

3.2 空泡觀察

1）吊艙推進(jìn)器模型在CAV-1～CAV-6六個(gè)具體工況條件下，螺旋槳模型在周向角度0°，90°，180°，270°狀態(tài)下的空泡形態(tài)見圖6～圖11（a表示真空度;V表示進(jìn)速;J表示進(jìn)速系數(shù);n表示螺旋槳轉(zhuǎn)速）。葉片周向角度定義見圖12。

2）當(dāng)來流速度為3.59 m/s，螺旋槳轉(zhuǎn)速1 350 r/min，以及來流速度4.75 m/s，螺旋槳轉(zhuǎn)速1 600 r/min時(shí)，位于半徑r/R=0.5～1.0靠近導(dǎo)邊處出現(xiàn)葉背片空泡，且局部片空泡不穩(wěn)定。

3）在螺旋槳轉(zhuǎn)速進(jìn)一步提高時(shí)，葉背空泡覆蓋葉片面積逐漸增大，在r/R=0.5～1.0之間葉背有泡空泡，會(huì)有導(dǎo)致螺旋槳表面剝蝕的危險(xiǎn)。在工況CAV-6下，能觀察到很明顯的超空化［20－21］現(xiàn)象，此時(shí)螺旋槳的推力扭矩呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

4）由于來流比較均勻，不同角度空泡范圍變化不大，僅在0°附近空泡范圍稍大，這主要是由于吊艙支柱對(duì)螺旋槳盤面處在0°附近的阻塞作用最大。通過對(duì)推力和扭矩的測(cè)量，發(fā)現(xiàn)在工況CAV-5和CAV-6時(shí)，推力系數(shù)和扭矩系數(shù)比相同進(jìn)速系數(shù)下無空泡條件測(cè)量的結(jié)果有明顯降低，說明由于空泡覆蓋面積較大，導(dǎo)致螺旋槳的水動(dòng)力性能惡化。水動(dòng)力性能表如圖13所示。其中虛線為德國(guó)波茨坦水池試驗(yàn)數(shù)據(jù)［18］，實(shí)線為產(chǎn)生抽空狀況下吊艙推進(jìn)器水動(dòng)力性能的測(cè)量值。

4 結(jié)語

隨著轉(zhuǎn)速的增加，在常壓下，一階脈動(dòng)壓力系數(shù)和二階脈動(dòng)壓力系數(shù)變化不明顯;在抽真空狀態(tài)下，螺旋槳轉(zhuǎn)速較低時(shí)脈動(dòng)壓力系數(shù)變化也不明顯，但當(dāng)螺旋槳轉(zhuǎn)速達(dá)到1 500 r/min，即脈動(dòng)頻率超過125 Hz時(shí)，抽空狀態(tài)下的螺旋槳的脈動(dòng)壓力系數(shù)出現(xiàn)明顯增大。這主要是因?yàn)樵诔合?，模型槳在所測(cè)量的整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)均不會(huì)發(fā)生片空泡，所以在整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)脈動(dòng)壓力系數(shù)隨轉(zhuǎn)速的變化不明顯;在抽真空狀態(tài)下，低轉(zhuǎn)速時(shí)片空泡還未形成，或面積很小，此時(shí)脈動(dòng)壓力主要是由于螺旋槳非定常負(fù)荷引起的，所以脈動(dòng)壓力系數(shù)增加不明顯，高轉(zhuǎn)速時(shí)，空泡范圍開始明顯增加，這時(shí)空泡體積脈動(dòng)引起的脈動(dòng)壓力急劇增加，甚至明顯超過螺旋槳負(fù)荷引起的脈動(dòng)壓力，從而引起脈動(dòng)壓力系數(shù)急劇增加。

通過空泡觀測(cè)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，由于來流比較均勻，不同角度空泡范圍變化不大，僅在0°附近空泡范圍稍大，這主要是由于吊艙支柱對(duì)螺旋槳盤面處在0°附近的阻塞作用最大。在螺旋槳轉(zhuǎn)速進(jìn)一步提高時(shí)，葉背空泡覆蓋葉片面積逐漸增大，在r/R=0.5～1.0之間葉背有泡空泡，會(huì)有導(dǎo)致螺旋槳表面剝蝕的危險(xiǎn)。通過對(duì)推力和扭矩的測(cè)量，發(fā)現(xiàn)在發(fā)生大面積空泡時(shí)，推力系數(shù)和扭矩系數(shù)相比相同進(jìn)速系數(shù)下無空泡條件測(cè)量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)明顯降低，說明由于空泡覆蓋面積較大，導(dǎo)致螺旋槳的水動(dòng)力性能惡化。

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