喷水推进装置推力直接测量台架的研究开发

周加建，刘建国

（中国船舶及海洋工程设计研究院 喷水推进技术重点实验室，上海200011）

0 引 言

推力是所有推进器中最重要和最核心的参数，这也是水上载体快速性预报的核心参数。对于螺旋桨推进的船舶，在模型试验时可以用动力仪直接测量螺旋桨轴上的推力和扭矩，目前国内外都有一套成熟的方法来预报实船的性能。但对喷水推进船舶，喷水推进装置作用于船体的净推力并不等于喷水推进泵叶轮轴上的推力，不可能用动力仪来直接测量。

目前世界上较为常用的两种测量喷水推进装置推力的方法是间接测量法（动量通量法）和直接测量法。国际拖曳水池会议（ITTC）在21～24届曾指定成立了专家委员会研究喷水推进船模试验和性能预报程序，他们对推力测量的研究主要集中于动量通量法，但发现这种预报方法中，流量的测量误差会对推力的预报精度产生很大的影响[1-4]。世界上大功率喷水推进装置市场占有率第一的Rolls-Royce公司在其瑞典水动力研究中心开发了推力直接测量台架，这是目前已知唯一公开报道的案例[5-6]。本文以国内首次研究开发类似试验台架的实践为讨论主题。

1 推力直接测量原理

喷水推进装置在船舶上正常运转时，其产生净推力的大小等于吸入的质量流量与进出口速度差的乘积，所以推力间接测量法就是通过测量流量与速度来实现的。如果要实现对喷水推进装置推力的直接测量，就必须梳理清楚推力是如何传递到船体上的。喷水推进装置和船体之间的接口，除了和螺旋桨一样的传动轴端，通常还有船底板和船尾板两处，如图1所示。因此这三处接口都有可能传递推力，例如Rolls-Royce公司的S系列产品就是通过船尾板来传递推力的，而Hamilton公司的产品则是通过船底板来传递推力的。为了实现喷水推进装置推力的分离与直接测量就必须对三处接口都要考虑周全。因为传动轴是动力输入端，该处不容易实现完全隔离。所以比较合理的推力直接测量台架就是使喷水推进装置的尾板和底板两处接口脱离推力传递，并把动力驱动装置和喷水推进装置组合为一体，使动力输入端由外部接口变成内部接口，这样就能比较理想地实现喷水推进装置在推力测量上的相对隔离。

根据上述分析，提出喷水推进装置推力直接测量原理如图2所示。在这个原理图中包括内外两个框架。外框架连接一个模拟船壳，它可以被固定到循环水槽的测量段上。内部的框架安装从电动机到喷水推进装置的所有动力和传动部件。这两个框架之间仅通过推力传感器相接触，这样推力就可以被正确地分离出来并得到测量。图中喷水推进装置和模拟船壳（包括底板和尾板）之间应采用一种柔性的密封连接，以实现既不影响推力的测量（它不能承受推力），还要保证船壳外的水不会渗漏到船壳内。

图1 喷水推进装置与船体接口示意图Fig.1 Interface between waterjet and ship

图2 喷水推进装置推力直接测量原理图Fig.2 Waterjet direct thrust measuring principle diagram

2 研究开发

2.1 试验场所

虽然理论上，在循环水槽和拖曳水池中均能进行被测模型需相对运动的水动力学试验，但其不同点在于前者是水在槽中流动，被测模型不动；而后者是水流不动，被测模型在静水中移动。由于被测模型在拖曳水池中拖曳是间断性的，因此在做喷水推进装置试验时，在定点观测和连续测试方面不及循环水槽便利。而且绝大多数喷水推进装置实际上就运行在水面附近，即自然大气环境下的自由液面。所以具有自由液面的循环水槽对喷水推进装置试验是非常理想的，省却了对工况的模拟，真实的进流和出流边界条件可以较简便地被建立起来。进口管道和喷水推进泵可以运行在正确的空化数上。

2.2 基本构成

推力直接测量台架系统组成如图3所示，按动、静两部分，可把试验台架首先分为固定系统和悬浮系统。固定系统如图4所示，主要包括外框架和模拟船壳。外框架与模拟船壳之间采用螺杆和螺母的方式连接，这样模拟船壳体根据未来被试模型的位置可以在垂向位置上作很方便的调整。

悬浮系统如图5所示，除了内框架以外，还包括动力传动系统和被试喷水推进装置模型。动力传动系统则包括变频电机、皮带轮传动系统、轴系、支撑轴承、联轴器和扭矩仪等。整个悬浮系统通过悬索悬挂在固定系统的外框架顶部梁板上。

图3 试验台架组成Fig.3 Constitution of test bench

图4 固定系统Fig.4 Fixed system

图5 悬浮系统Fig.5 Suspended system

2.3 吸入流量与空化衡准

由于循环水槽中的自由来流总流量是一定的，这就对被试模型的吸入流量有一个限制，如果吸入流量过大，可能会使试验模型进口附近流场与实际情况差异太大而产生“失真”。因为真实情况是，船舶航行时，不受限的航区对喷水推进装置来说简直是巨量的“水库”。我们在研究设计中暂定喷水推进装置吸入流量不超过循环水槽总流量的3%。

在推力测量试验中，我们还应对每个试验工况有个空化校核的程序。确保在满足相似换算定律的情况下，模型试验中的叶轮并未发生空化（专项空化试验除外）。

到达喷水推进装置推进泵叶轮前的环境空化余量NPSHa主要取决于航速（试验中即循环水槽工作段流速）：

式中：

以上公式中，Pa是大气压力，Pv是汽化压力，vi是进流速度，vsh是航速，ε是进口损失系数，w是伴流分数，hl为吸水高程。

推进泵的必需空化余量NPSHr是推进泵本身的抗空化能力，我们常用空化比转速来衡量，见下式：

式中：Q是推进泵的流量，n是推进泵的转速。推进泵的叶轮都是经过精心设计的，一般C值在1 300～1 500。

在泵转速不变的情况下，必需空化余量NPSHr是不变化的，即泵自身的空化余量是不变的。但是环境空化余量NPSHa则主要随着航速的变化而变化。当NPSHa的值降低到和NPSHr相等时，叶轮就发生了空泡，所以为防止推进泵在空化状态下运行造成破坏，必须保证NPSHa＞NPSHr。

2.4 变速传动系统

未来被试的喷水推进装置模型可能是多种多样的，所以试验台架的试验转速和功率也需要多种配置的。因此，动力传动系统应尽可能多地满足这些需求。

船舶喷水推进装置在舰船上运转时，因发动机的转速可调（柴油发动机一般在30%至110%额定转速范围内可调），对应输出有不同的功率，另外还可以选用不同速比的齿轮箱以达到不同配置要求。

对应发动机转速可调，试验台架上可采用变频电机。变频电机的额定频率为50 Hz，可调范围一般是5～100 Hz（相当于10%～200%），优于柴油机的转速可调范围。不过变频电机在50 Hz以下为恒转矩调速，也就是说，输出功率和转速成线性关系；50 Hz以上为恒功率调速。因为喷水推进装置的输出功率和转速呈三次方关系，所以采用变频电机，可以保证同一套被试装置进行整个转速范围的测试。

试验台架还采用了皮带轮变速系统，可以达到实船齿轮箱的变速效果，而且成本较低，且可通过变更不同大小皮带轮来实现速比调整，通用性更强。采用皮带轮变速系统可以保证同一电机用于相同功率不同转速的试验装置。而变频不能做到这一点，因为变频电机从额定转速降速时，它能够发出的功率也相应降低。

2.5 机构受力平衡

推力的测量研究，最主要的就是研究如何合理地布设力传感器，把与推力无关的其它力和力矩分解出去，使需要准确测量的推力得到很好的测量。

首先，从推力推动船舶前进的方向上看，推力测量传感器应布设在来流方向的前方。如图6所示，力传感器安装在固定系统的外框架上，球面触头顶住悬浮系统的内框架。两框架间应留增减垫片的空隙，力传感器安装调整好时，应使内框架自然悬垂时无“钟摆”现象，但也不应受挤压力，最好力传感器读数为零。

图6 推力传感器垂向布置图Fig.6 Vertical arrangement diagram of thrust gauge

图7 力传感器水平面布置图Fig.7 Horizontal arrangement diagram of thrust gauge

内框架通过四个角上的钢索悬于外框架顶部梁板上。这两个框架之间水平方向上，除前方外，其它三个方向我们也都用力传感器限位了，如图7所示，加上左右各两个，后方一个，总共六个。左右和后方的力传感器，是为安装了操舵倒航机构的整体喷水推进装置试验预留的。例如操舵倒航机构执行操舵动作时，产生的操舵力就可以从左右布置的力传感器上测量出来；如果执行倒航动作时，倒航力就可以从后方的力传感器得到测量。

从受力分析和平衡看，如图8所示，静止悬垂时，四根悬索平衡内框架上所有设备总重量。正常推进试验时，水平推力由推进装置前方的力传感器平衡，矢量方向垂直于中纵剖面的扭矩，由前后悬索不同拉力产生的扭矩来平衡。矢量方向垂直于水平面的不平衡扭矩(推力与中纵面有偏差时产生)，这时需要如图7中箭头所示力传感器的错位布置才能平衡，箭头所示两传感器组合可平衡图示平面内顺时针的不平衡力矩。另两个左右向传感器组合则可平衡逆时针的不平衡力矩。电机输出扭矩的反扭矩则需要左右悬索不同拉力来产生扭矩平衡。

图8 试验台架立面受力分析图Fig.8 Elevation view of test bench force analysis

3 试验方法与内容

推力测量台架制造装配完成后，可以先进行脱水调试，电机运转时，被试装置就相当于电风扇，这样可以检查整个动力传动系统是否运行正常,不过此时负荷是非常低的。此外，还可以对力传感器和扭矩仪的安装和工作情况进行检查确认。

脱水调试完成后，可以转入静水调试，此时首先应重点关注密封问题，检查台架入水后有无泄露点，如有发现，应及时排除。

调试完成后，可以转入正式试验，正式试验的流程图如图9所示。工作段流速的调整是通过调循环水槽主循环泵的转速来实现的。推力测量台架除了研究推力特性外，另一个重大功能就是研究喷水推进装置的推进效率。试验台架上喷水推进装置推进效率公式如下：

式中：Pout是喷水推进装置发出的有效推进功率，Pin是喷水推进装置从动力系统获得的输入功率，T为推力，vsh为航速，n为转速，M为扭矩。

推力可由力传感器直接测量获取，模型航速即循环水槽自由来流速度，不过使用推力测量台架对该速度有影响，需要对模拟船壳体的阻塞做出修正。扭矩和转速可分别由扭矩仪和转速仪测量得到，目前通常的扭矩仪都带转速测量功能，所以扭矩仪也相当于测功仪。

图9 试验流程图Fig.9 Flow chart of experiment

从引言可知，推力还可以通过动量通量法进行间接测量。推力测量台架上也可以同时进行该项试验，其核心还是要准确测量喷水推进装置进口和喷口的速度场，使用PIV或LDV可能是较先进的方法，而传统的方法则是使用比托管（排）。直接测量法和间接测量法同时进行，可对试验结果进行比对分析，并可结合CFD方法[7-8]，有利于试验方法和试验台架设计的相互验证，有助于对喷水推进装置推力特性开展深入研究。在喷水推进装置的零部件上进行贴片，就可以用应变仪测量局部应力应变，对零部件在运转时的刚度和强度进行分析。

4 结 论

本文分析了喷水推进装置推力直接测量的原理，并对试验台架的研究开发展开了探讨，得出以下结论：

（1）在带有自由液面的循环水槽中进行喷水推进装置直接推力测量是最便利的，而且还可以进行动量通量法试验和推进效率试验。

（2）采用变频电机加皮带轮传动系统的配置可以满足试验转速与功率多样化的需求。

（3）喷水推进装置各试验工况应进行流量与空化衡准。

参 考 文 献：

[1]Kruppa C(Chairman).Report of the specialist committee on waterjets[R].21st ITTC,Bergen and Trondheim,1996.

[2]Hoyt III J G(Chairman).Report of the specialist committee on waterjet[R].22nd ITTC,Seoul/Shanghai,1999.

[3]van Terwisga T J C(Chairman).Report of the specialist committee on validation of waterjet test procedures[R].23rd ITTC,Volume II,Venice,2002.

[4]van Terwisga T J C(Chairman).Report of the specialist committee on validation of waterjet test procedures[R].24th ITTC,Volume II,Edinburgh,Scotland UK,2005.

[5]Aartojärvi R,Häger C.Transient load on waterjets resulting from air ingestion[C]//International Conference on Waterjet Propulsion 3.Gothenburg Sweden：RINA,2001.

[6]Aartojärvi R,Heder M,et al.Implementation of results of CFD analysis to the design of a new waterjet steering and reversing unit[C]//International Conference on Waterjet Propulsion 4.London：RINA,2004.

[7]丁江明.船舶喷水推进器推进性能预报研究[D].武汉：海军工程大学,2009.Ding Jiangming.Research on propulsive performance of marine waterjet[D].Wuhan：Naval University of Engineering,2009.

[8]常书平,王永生,丁江明,聂沛军.基于CFD的船舶喷水推进器优化设计[J].船舶力学,2013,17(4)：369-374.Chang Shuping,Wang Yongsheng,Ding Jiangming,Nie Peijun.Waterjet optimal design on CFD technology[J].Journal of Ship Mechanics,2013,17(4)：369-374.