我国海洋科考船推进系统及推进器发展现状

基于海洋资源调查、科考作业、资源勘探等国家的战略需求,海洋科考船对于实现我国海洋战略十分重要。文章通过搜集、整理、分析近些年我国主要海洋科考船数据,根据现有海洋科考船类别进行分类,并对其推进系统及推进器在海洋科考船上的应用现状和特点进行分析和总结,研究结果可以为我国未来海洋科考船推进方案的选择提供参考。

叶片数对无轴泵喷推进器性能的影响

为丰富无轴泵喷推进器噪声性能优化理论,研究了叶片数对无轴泵喷推进器性能的影响,重点探究了不同叶片数下无轴泵喷推进器内的压力脉动变化规律。基于计算流体力学中的有限体积法离散RANS方程,应用RNG k-ε湍流模型封闭计算模型,采用SIMPLEC进行压力-速度耦合,对不同叶片数下的无轴泵喷推进器内部流场进行了非定常数值模拟计算,并对计算结果进行了详细的对比分析。研究结果表明:随叶片数的增加,无轴泵喷推进器模型的扬程、效率和推力均逐渐增大,叶片表面压力分布更加均匀,叶轮轮缘和中部的压力脉动均明显降低,叶轮进出口主频处的压力脉动幅值从轮缘向中心逐渐减小。

机匣开槽控制喷水推进器不稳定流动的数值研究

针对喷水推进器小流量工况下的驼峰区不稳定流动,采用计算流体力学方法研究了其失稳特性。结果表明,随着流量的减少,推进泵的扬程和效率显著下降,扬程曲线在0.42Qd~0.8Qd范围内呈现出正斜率的驼峰特性,同时内部流场变得紊乱,并出现流动分离和回流等现象。为了改善这一不稳定流动,采用了机匣开槽技术进行流动控制,使驼峰现象得到明显改善。在最佳槽体结构参数下,深度失速工况点的扬程和效率分别比原模型提高了约147.6%和70.3%。机匣开槽一方面能够对进口来流进行整流,起到减少预旋和增大轴向进流速度的作用,另一方面可以抑制主流区漩涡的形成以及叶轮进口位置的低频压力脉动。

喷水推进器进水流道格栅流固耦合特性研究

为了研究格栅部件对喷水推进船舶效率的影响,本文拟采用流固耦合的数值计算方法系统地对格栅表面受力及其强度特性进行计算,结合有限元方法和流固耦合理论,以STARCCM+和ABAQUS软件为工具,根据目前已知的格栅剖面设计方法,对目前格栅的剖面形式进行改进,形成新型对称剖面形式的格栅。基于上述计算流体力学与流固耦合计算方法对其进行周围流场、结构静力强度、结构动力强度进行计算与分析。结果表明:对称形式的格栅剖面对于降低格栅的变形与应力水平有一定的帮助,采用新型对称形式的剖面结构使格栅总体变形模式发生了变化,但是最大变形位置与最大应力出现在格栅的位置未发生明显变化,新型对称剖面形式格栅具有比较好的静强度与动强度特性,各栅条均匀承受流体载荷。

基于DDES耦合FW-H方法的吊舱推进器水动力噪声特性

为研究吊舱推进器非定常流场和诱发的声场结构,采用DDES耦合FW-H方法,对其开展了高精度非定常数值计算.结果表明:由于吊柱诱发的强烈动静干涉作用,使螺旋桨至吊柱区域内的压力脉动幅值上升;吊舱推进器的涡量分布较为复杂,由于吊舱体的扰流作用,除螺旋桨本身产生的主、副涡外,还出现干涉尾涡结构,且主涡区向上偏移.通过计算盘面上各个声接收点处的谐波频率标准差发现,声场在浆盘面上无明显声指向性.通过设置空间曲面内的声接收点阵列,获得了吊舱推进器的声场空间分布特性.发现轴频和叶频始终是其主要频率;在螺旋桨桨盘面附近的声压脉动无明显指向性,但在空间曲面上,轴频和叶频的分布特征明显,存在有明显形状的高低值区;在吊舱推进器后方,声压逐渐衰减,但叶频处能量衰减趋势小于轴频处.

几何参数对轮缘推进器水动力性能影响的研究

轮缘推进器是近年来发展起来的一种无轴组合式特种推进器。与传统推进器相比,轮缘推进器在水动力设计和性能分析方面存在诸多挑战,水动力性能的研究对轮缘推力器的设计和应用具有重要意义。为了研究几何参数对轮缘推力器水动力性能的影响,本文以7叶轮缘驱动推力器为基本模型,基于面元法原理,利用编译的面元法代码对轮缘推力器在开阔水域的工作状态进行了数值模拟。通过求解每个面元的速度场,计算了水动力性能和叶片表面压力分布。此外,本文选择了几个典型的几何特征,如螺距比和叶片数,通过进行变参数分析,比较了不同几何参数下轮缘推力器的敞水性能。结果表明:本文的相关研究对轮缘推力器的设计和开发具有参考价值。

喷水推进器进水流道在来流含气条件下的内部流动特性分析

为了研究喷水推进器进水流道在来流含气条件下的内部流动特性,以轴流式喷水推进器为研究对象,对喷水推进器在不同来流含气条件下进行全流域定常数值仿真,得到了不同来流含气条件下进水流道各截面气相体积分数分布特征和不均匀度变化规律.计算结果表明:在低航速区间时,进水流道内流量小、流速低,受管道几何结构影响,下部弯管处流体堆积现象明显,随着航速的升高,流量增大、流速提高,流体在上部弯管处产生流动分离,导致堆积区向上部弯管转移;在来流含气条件下,进口含气率和气泡直径的增大,会导致气液两相干涉作用变强,造成气体堆积现象加剧,影响流面的不均匀度.

船舶轮缘推进器关键技术研究现状和发展趋势

采用电力直驱模式来完成电能与机械能的无传动转化是高端交通动力装备领域的未来战略性技术之一。轮缘推进器(RDT)作为一种高度集成的电力直驱推进,是近年来研究的热点。文章梳理了船舶轮缘推进器的6项关键技术,包括水力部件设计及优化、电机设计及控制、水润滑轴承的设计和性能强化、系统集成与测试、船体匹配及联合控制以及可靠性评估与智能运维;阐述了各项技术的研究现状和趋势,总结了国内外RDT产品和实船应用情况。研究和应用表明,节能、环保、灵活的轮缘推进器是绿色智能船舶电力推进形式的重要选择,高性能轮缘推进器专用化设计、效能提升和状态监测以及智能运维是轮缘推进器未来重要发展趋势。

偏转工况L型吊舱推进器敞水性能数值研究

针对吊舱推进器在偏转时诱发的剧烈的水动力不稳定问题,以某L型吊舱推进器为研究对象,采用计算流体力学(CFD)方法和滑移网格技术对不同偏转角β(β=0°、±10°、±20°、±30°)下L型吊舱推进器进行敞水性能数值研究。研究结果表明:吊舱推进器螺旋桨的推力、扭矩以及吊舱单元的侧向力均随偏转角的增大而变大,其中吊舱推进器螺旋桨的推力系数、扭矩系数受偏转方向影响较小。β=0°时,受螺旋桨旋转时产生的周向诱导速度的影响,吊舱推进器在直航工况下也会受到侧向力作用,当吊舱推进器向右偏转时,其迎流侧产生的侧向力会与螺旋桨旋转尾流产生的侧向力相互抵消,导致吊舱推进器在向右偏转时产生的侧向力整体小于向左偏转时产生的侧向力;由于螺旋桨旋转尾流会与后方舱体、支架相互干扰,吊舱推进器整体推力系数并不是关于直航时对称,小偏转角(|β|≤15°)对吊舱推进器整体的推力系数影响较小,当偏转角|β|>15°时,推力系数会迅速下降。

小型推进器转轮五轴数控加工

以小型推进器转轮的五轴数控加工为研究对象,根据曲面造型理论进行转轮的三维数字化建模,并进行数控加工工艺规划和编程,基于双转台型五轴数控机床重点提出了具有RTCP功能的后置处理器开发关键技术,通过国内自主生产的双转台五轴联动加工中心完成小型推进器转轮的加工。经检测,加工的推进器转轮样件满足质量要求,验证了刀具路径和后置处理器的正确性和可靠性。充分发挥了五轴数控机床的加工潜能,同时也为其他类似复杂曲面类零件五轴数控加工提供了可借鉴的方案。

不同偏心角摆线推进器水动力性能数值模拟

通过数值模拟对摆线推进器水动力性能进行研究.分析摆线推进器流场特性、瞬时荷载变化规律及转向性能.采用重叠网格与滑移网格方法相结合进行网格划分,选择合适的湍流模型计算摆线推进器水动力性能,并与试验值进行对比,验证数值模拟的有效性与准确性.通过数值模拟得到了进速系数与偏心率对摆线推进器水动力性能的影响规律和摆线推进器瞬时荷载变化规律.在此基础上,对偏心角不为0°的摆线推进器进行研究,获得了偏心角对摆线推进器推力的影响规律.结果表明,摆线推进器可以通过改变偏心率改变推力大小,在不改变旋转方向的情况下通过改变偏心角改变推力方向.进速系数为零时,摆线推进器产生合力方向与前进方向夹角等于偏心角;进速系数对摆线推进器合力大小和方向均会产生影响,进速系数越大,前进方向推力越小,合力角度与偏心角差值越大.

基于沟槽结构的泵喷推进器导管脉动压力控制研究

本文借鉴航空发动机中的压气机“处理机匣”技术,在泵喷推进器导管内壁开设一定数量的轴向沟槽结构,用于减弱泵喷推进器的梢涡,从而减小泵喷推进器导管内壁上的脉动压力。结合分离涡模拟(DES)方法和滑移网格方法对椭圆形水翼的梢涡流场进行数值模拟,数值计算结果与试验值吻合度较高,验证了数值计算方法的可靠性与适用性。在此基础上,分别对有无沟槽结构的泵喷推进器进行数值模拟,对比分析沟槽结构对梢涡涡核压力、导管内壁脉动压力和水动力性能的影响。结果表明:沟槽结构可以显著增大梢涡涡核压力,并对导管内壁面上脉动压力幅值有明显的降低效果,且对水动力性能影响较小。

轮缘驱动泵喷推进器的螺旋桨性能优化方法

为得到适用于新型轮缘驱动泵喷推进器的螺旋桨,在传统泵喷推进器螺旋桨的基础上进行性能优化方法研究十分必要。利用CFD数值模拟方法对推进器进行水动力仿真,分别对比3个不同的螺旋桨孔径比和3种桨叶厚度分布方案对推进器敞水性能的影响。对比结果发现小孔径比对推进器敞水性能更为有利,其中0.1孔径比推进器比0.3孔径比推进器的敞水效率最大提升了3.25%。厚度反置导致轮缘驱动螺旋桨高半径处压力分布不均匀,扭矩大幅提升,敞水效率大幅降低。轮缘驱动螺旋桨的厚度越小,扭矩越低,敞水效率越高,其中方案C桨的扭矩比方案A最大降低了21.74%,敞水效率最大提升了12.9%。

对转喷水推进器前后叶轮能量配比对其性能影响的数值研究

面向新型舰船高效推进系统的研制需求,将对转叶轮形式与喷水推进技术相结合,以更高能量密度的能量转化模型代替传统模式。该文采用计算流体力学的数值模拟方法,对基本参数相似、前后叶轮能量配比不同的2种推进方案开展了定常内流场分析与非定常叶轮干涉特性研究,结果表明:2种能量配比的对转喷水推进器推进效率基本相同,适应航速范围广、高效区宽;前叶轮起到了整流作用,降低了进口流道流场不均匀性对后叶轮的影响;增加后转子负载,减小前叶轮负载的能量配比方式有利于对转喷水推进器非定常性能的提升,推进器叶轮激振力与压力脉动幅值下降明显。

典型推进器在高性能舰船中的应用

推进器是舰船实现航行的核心设备,而推进器的选择又是影响舰船战斗力的核心要素之一。该文以高性能舰船装备与技术发展为切入点,概述了典型推进器的发展现状,聚焦推进系统与舰船总体之间的相互关系,从舰船多工况变化、高航速、低噪声等要求对推进技术发展的影响,以及特种螺旋桨推进、喷水推进等推进器技术对舰船性能的提升这两方面进行系统分析。文中以某600 t执法平台与瑞典海军某舰艇为研究对象,基于实船和模型试验数据,对比了采用螺旋桨推进器和喷水推进器对舰船阻力性能、操纵性能和噪声的影响,并结合国内高性能舰船发展现状,面向舰船总体性能提升需要,展望了推进器技术的未来发展。

基于挠性梁结构的电推进器推力测量方法研究

电推进系统在空间任务中相比于传统化学燃料推进工作寿命更长、燃料消耗更低,在近年来备受关注。但基于可控核聚变思想研发的高功率霍尔效应电推进器,其推力很难测量,原因在于这些电推进器需要在高温环境下电离推进剂,所以工作时会产生高温等离子体羽流,导致传统推力测试方法无法准确测量其推力。推进器推力的准确测量直接关系到航天器姿态以及轨道保持的控制精度,因此必须在地面测试中准确地测量推力。本文设计并搭建了一套基于挠性梁结构的推力测量平台,可以在高温环境下测量电推进器产生的推力。实验结果表明,以可变比冲磁等离子体火箭为例,在中心磁场强度0.2 T、质量流率为20 mg·s-1的工况下,实时测得电推进器推力为266.5 mN,证明了测量平台的可行性,为后续电推进器推力测量实验提供参考。

基于推进器偏置的半潜式平台动力定位模型试验研究

半潜式平台在进行动力定位作业时,由于其水线面面积较小而初稳性高较低,其垂向运动(横摇、纵摇、垂荡)易受到推进器法向力作用的影响。基于此,提出一种基于推进器偏置的推力分配模式,旨在合理利用推进器的法向力抑制平台垂向运动,而不影响平台水平面定位功能。在海洋工程水池开展半潜式平台的动力定位模型试验,对比和分析不同载荷工况及推进器偏置模式下平台的六自由度运动响应。结果表明,推进器偏置策略能够基本保证水平面定位精度,并显著减小平台垂向运动在其固有频率附近的响应幅值,在该试验工况下,功率谱密度(PSD)峰值减小高达54.7%,对波频区间的运动影响则较小。该研究结果可为半潜平台垂向运动抑制提供新思路。

斜航工况下吊舱推进器水动力性能数值及试验研究

为了探讨吊舱推进器在斜航工况下的水动力性能变化,以某豪华邮轮吊舱推进器为研究对象,采用STAR CCM+软件基于RANS(Reynolds-averaged Navier-Stokes)方法并结合标准速系数和偏转角的水动力性能进行数值模拟。同时,利用拖曳水池和吊舱动力仪进行试验研究,并与仿真数据进行比较分析,进一步讨论螺旋桨与吊舱之间的相互作用对水动力性能的影响。结果表明,本文采用的数值模拟方法可较准确预测斜航工况下的水动力性能。螺旋桨推力系数、扭矩系数关于直航工况点对称,其数值随着偏转角的增大而增大;吊舱单元推力系数随着偏转角的增大而减小,吊舱侧向力随着偏转角的增大而增大;螺旋桨单元流场压力和流速在叶梢处达到最大值,吊舱左侧比右侧承担更多的表面压力幅值。

磁等离子体推进器阳极半径对阳极功率沉降的影响

随着人类航天事业的发展,需要研发适用于不同空间任务的推进系统,与磁约束核聚变原理类似的磁等离子体动力推进器(MegnetoPlasmaDynamic Thruster,MPDT)在推力功率比和比冲方面具有优越性能。阳极功率沉降是MPDT运行过程中等离子体与壁面相互作用的结果,占总功率的40%~90%,严重降低推进器效率。针对该问题,本文从阳极功率沉降的角度探究了阳极半径对推进器效率的影响。基于磁流体力学方程(MagnetoHydroDynamic,MHD),利用数值计算方法建立径向放电参数数值模型和阳极功率沉降物理模型,研究计算了阳极半径对放电参数和阳极功率沉降的影响规律,并建立热仿真模型对阳极水冷散热结构进行了热仿真。研究结果表明:增大阳极半径,电子密度及离子速度得到提高,阳极功率沉降增大,但阳极功率沉降分数降低,推进器效率得到提升。热仿真结果显示,水冷结构阳极在输入阳极功率沉降约为3 kW时,对应的阳极冷却水温差为5 K。本研究验证了阳极功率沉降物理模型的可靠性,并指出增大阳极半径是提升推进器效率的有效手段。

后置定子泵喷推进器噪声辐射特性分析

为了探究后置定子对泵喷推进器噪声的影响,本文利用杆-翼模型完成了噪声数值方法的验证,并基于分块结构性网格对研究模型进行了瞬态模拟。分析了后置定子对流场的影响,提取了模型周围若干监测点噪声数据,探究了其噪声辐射特性。结果表明:定子叶片增大了转子尾流的轴向速度,提高了推进器的推进性能;定子叶片还能够平衡转子产生的压力涡旋,均匀尾流压力;从整体声场指向性分布来看,在轴向方向转子噪声占据主导影响,在小范围的径向方向导管噪声对整体噪声影响较大,定子噪声对整体噪声影响最小;随着距离增加,声场中的低压区指向性由前缘120°和240°向中部收缩,最终整体呈现“∞”型;在轴向方向低频段噪声衰减最快,并且随着距离的增加,衰减速度越来越快,在径向方向上,低频段噪声衰减速度变化并不明显。