一种水下旋转螺旋桨
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轴系统水弹性性能试验装置
技术领域
1.本发明属于船舶水弹性力学或流固耦合力学试验相关技术领域，更具体地，涉及一种水下旋转螺旋桨
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轴系统水弹性性能试验装置。
背景技术：
2.螺旋桨
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轴系统是船舶动力推进装置的核心组成部件。螺旋桨由于叶片及转轴弹性在船尾非均匀伴流场中振动时产生流体
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弹性桨
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轴复杂双向流固耦合现象。随着大侧斜螺旋桨和复合材料螺旋桨的广泛使用，流体
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弹性桨
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轴复杂系统双向流固耦合作用更加显著，如图1所示。弹性桨
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轴系统振动不仅会损坏船舶上各种精密设备，亦会使船上人员产生晕船等不适症状，不利于船舶的安全运行。此外，弹性桨
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轴系振动是船舶水下低频辐射噪声产生的重要来源。对流体
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弹性桨
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轴复杂系统双向流固耦合/水弹性现象的研究于桨诱导的推进系统振动及船体水下辐射噪声问题意义重大。
3.现有技术中，获取均匀来流下船舶螺旋桨定常受力特性及非均匀来流下刚体螺旋桨动态特性(如动应变等)，通过设置对应传感器即可实现。但对于非均匀来流下考虑流体和桨叶固体(涉及桨叶及转轴弹性)相互作用导致的动态力学特性测试很难实现。仅有的对于螺旋将
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轴系统水弹性问题相关研究均在空泡水筒实验环境下开展。由于空泡水筒尺寸限制，测试用螺旋桨尺寸受到很大约束，一方面增加了试验的尺度效应，另一方面，测试使用的加速度传感器尺寸及重量会给螺旋桨振动特性和水动力特性造成较大干扰，一定程度上增加了试验台的信噪比，不利于螺旋桨
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轴系统水弹性规律的研究。
技术实现要素：
4.针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种水下旋转螺旋桨
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轴系统水弹性性能试验装置，避免传统螺旋桨尺度的限制，设计更加符合实际螺旋桨运行状态的试验装置，进而可以通过安装传感器和激振器配合实现螺旋桨
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轴系统水弹性性能的精确测试。
5.为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种水下旋转螺旋桨
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轴系统水弹性性能试验装置，所述装置包括：敞水箱，所述敞水箱内设有电机、扭矩推力转速测试系统以及电磁激励器；转轴，所述转轴的一端穿过所述敞水箱壁面设于所述敞水箱内，所述电机设于所述转轴的端部，所述扭矩推力转速测试系统和电磁激励器设于所述转轴中，所述电磁激励器与功率放大器以及信号发生器通信连接；螺旋桨，所述螺旋桨设于所述转轴的另一端，所述螺旋桨的桨叶以及转轴上设有加速度传感器，所述加速度传感器通过所述转轴端部的导电滑环输出至数据处理计算机；拖车与水池中的导轨配合运动，所述敞水箱设于所述拖车上。
6.优选地，所述导电滑环包括紧挨设置的定子和转子，所述转子通过电缆与所述加速度传感器连接，所述定子通过电缆与数据采集仪连接，进而与数据处理计算机连接。
7.优选地，布置于所述桨叶上的加速度传感器为多个，所述多个加速度传感器均匀
布置于所述螺旋桨的桨叶上。
8.优选地，所述加速度传感器的布置在桨叶上的位置距所述螺旋桨轴心的距离为0.6～0.9r，其中，r为桨叶的半径。
9.优选地，所述螺旋桨与所述敞水箱之间的距离大于所述螺旋桨直径的3倍。
10.优选地，所述敞水箱上固定有轴套管，所述转轴穿过所述轴套管。
11.优选地，所述螺旋桨端部设有整流帽。
12.总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的一种水下旋转螺旋桨
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轴系统水弹性性能试验装置具有如下有益效果：
13.1.使用拖车在拖曳水池中前行对来流进行模拟，由于敞水箱可以装配到离水面和池壁较远处，螺旋桨尺寸可相比在空泡水筒中更大，更适合安装各类加速度传感器进行振动信号测量，且尺度效应更小。
14.2.电磁激励器可以提供纵向振动，激励的激励频率和幅值易于调节，并且可以输出任何频率和振幅的激励，便于及时调整激励输出，显著提高试验效率和精度。
15.3.导电滑环设计为转子和定子组合的形式，可以克服因螺旋桨旋转带来的信号采集困难。
16.4.加速度传感器的布置在桨叶上的位置距所述螺旋桨轴心的距离为0.6～0.9r处既可以实现对桨叶加速度的测量又不会因加速度传感器而影响桨叶与水的相互作用。
附图说明
17.图1是弹性桨
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轴系统在非定常流场下工作时的变形示意图；
18.图2是水下旋转螺旋桨
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轴系统水弹性性能试验装置示意图；
19.图3是水下旋转螺旋桨
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轴系统水弹性性能试验装置的俯视图；
20.图4是导电滑环的主视图；
21.图5是导电滑环的右视图。
22.在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
[0023]1‑
敞水箱，2
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拖车，3
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电机，4
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扭矩推力转速测试系统，5
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电磁激励器，6
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轴套管，7
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转轴，8
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螺旋桨，9
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导电滑环，10
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加速度传感器，11
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整流帽，12
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功率放大器，13
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信号发生器，14
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数据采集仪，15
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数据处理计算机，16
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电缆，17
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水池，18
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导轨，19
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定子，20
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转子。
具体实施方式
[0024]
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详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，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。
[0025]
如图2和图3所示，本发明提供了一种水下旋转螺旋桨
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轴系统水弹性性能试验装置，所述装置包括敞水箱1、拖车2、电机3、扭矩推力转速测试系统4、电磁激励器5、轴套管6、转轴7、螺旋桨8、导电滑环9、加速度传感器10、整流帽11、功率放大器12、信号发生器13、数据处理计算机15，电缆16，导轨18，具体如下。
[0026]
敞水箱1内设有电机3、扭矩推力转速测试系统4以及电磁激励器5。电机3用于提供
螺旋桨旋转的转速和扭矩。扭矩推力转速测试系统4用于测量螺旋桨旋转的转速、推力和扭矩。电磁激励器5用于激励螺旋桨纵向振动，提供其纵向振动频率和幅值。电磁激励器5与功率放大器12以及信号发生器13通信连接，用于激励螺旋桨
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轴系统按所需信号进行振动。
[0027]
所述转轴7的一端穿过所述敞水箱1壁面设于所述敞水箱1内，所述电机3设于所述转轴7的端部，所述扭矩推力转速测试系统4和电磁激励器5设于所述转轴7中。所述敞水箱上固定有轴套管6，所述转轴7穿过所述轴套管6，所述轴套管6用于支撑所述转轴7。
[0028]
所述螺旋桨8设于所述转轴7的另一端，所述螺旋桨8的桨叶以及转轴7上设有加速度传感器10，所述加速度传感器10通过所述转轴7端部的导电滑环9输出至数据处理计算机15，加速度传感器10用于弹性桨
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轴系统振动信号的测量。
[0029]
布置于所述桨叶上的加速度传感器10为多个，所述多个加速度传感器10优选为均匀布置于所述螺旋桨8的桨叶上。所述加速度传感器10的布置在桨叶上的位置距所述螺旋桨8轴心的距离优选为0.6～0.9r，其中，r为桨叶的半径。
[0030]
如图4和图5所示，所述导电滑环9包括紧挨设置的定子19和转子20，所述转子20通过电缆16与所述加速度传感器10连接，所述定子19通过电缆16与数据处理计算机15连接。由于布置在桨叶上的加速度传感器10在随着螺旋桨一起转动，因而需要借助导电滑环9将旋转电缆16的信号传输到导电滑环9的定子19上，随后输入给数据采集仪14，完成信号采集。因此，使用导电滑环9对旋转螺旋桨进行振动信号采集，可克服因螺旋桨旋转带来的信号采集困难。加速度传感器10以及电缆16的外表面均布置有防水硅胶，确保在水下也能正常工作。
[0031]
所述螺旋桨8端部设有整流帽11。
[0032]
为了避免前行过程中敞水箱1后部尾流对螺旋桨处水流的影响，所述螺旋桨8与所述敞水箱1之间的距离大于所述螺旋桨8直径的3倍。
[0033]
拖车2与水池17中的导轨18配合运动，所述敞水箱1设于所述拖车2上。
[0034]
在船舶拖曳水池中，由信号发生器13发出锤击脉冲/周期激励信号，激励弹性桨
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轴系统产生振动，基于导电滑环9克服因桨
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轴系统旋转电缆16缠绕技术难点，将加速度传感器10通过导电滑环连接到数据采集仪14上，对螺旋桨8及转轴7上关注点的加速度信号进行测量。试验中，采用测量弹性桨
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轴系统静止状态及不同航行状态下湿模态及水动力阻尼参数影响规律，用以表征弹性桨
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轴系统水弹性特性。
[0035]
采用以上水下旋转螺旋桨
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轴系统水弹性性能试验装置的试验方法如下：
[0036]
s1：在不同水深及离岸距离进行试验，确立可近似为无限水域的水深及离岸距离范围。以排除壁面及水面效应对测试结果的影响。
[0037]
s2：对于湿模态特性，通过激励器加载强于电机激励的周期扫频信号得到桨叶及转轴处各加速度频率响应函数，通过峰值特征及相位关系辨识不同工况下桨
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轴系统湿模态频率及模态振型。
[0038]
s3：静止状态下阻尼确定，电机不转动，通过电磁激励器施加脉冲信号，基于自由振动衰减法求得机械阻尼和粘性阻尼因子。
[0039]
s4：获取运动状态下阻尼因子，拖动拖车，转动电机，并施加强度范围内远强于电机激励的脉冲信号获得包含水动力阻尼在内的总阻尼因子。
[0040]
s5：将步骤～获得的静态下的阻尼与步骤s4获得的运动状态下的阻尼做差即可获
得水动力阻尼，进而得出其随参数的变化规律。
[0041]
综上所述，本技术提供了一种水下旋转螺旋桨
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轴系统水弹性性能试验装置，避免传统螺旋桨尺度的限制，设计更加符合实际螺旋桨运行状态的试验装置，进而可以通过安装传感器和激振器配合实现螺旋桨
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轴系统水弹性性能的精确测试。
[0042]
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。