吊舱推进器螺旋桨°全方位流体动力研究

报告主旨

近年来吊舱推进器（以下简称“吊推”）取得了推广应用，吊舱推进器包括吊舱（内有螺旋桨驱动电机为其特征）、吊柱（用做与船体相连支撑并改变“吊推”方位角机座）、螺旋桨。作为主要部件的螺旋桨，从流体动力性能角度看，吊舱不过是类似船体（或附体）一样临近螺旋桨的绕流物体，其影响螺旋桨推进性能的程度，与之相当。但吊舱推进器本身有围绕“吊推轴”转动的功能，当其螺旋桨轴与船行方向形成Ψ角之后，螺旋桨提供的推力和吸收的功率，将会发生变化。到达Ψ新位置后，每一转内桨叶剖面的速度矢量图，也将发生变动。螺旋桨在各Ψ角位置时的推力和扭矩变化，将影响装置的电机、机械的运行。此外，这时出现在螺旋桨上的侧向力，是常规船用螺旋桨运作时不太注意的，它将影响吊舱推进器部件——螺旋桨受到的合力的方向和大小，不仅影响吊舱推进器作为推进器和动力定位装置的效能，而且牵涉到吊舱推进器部件、螺旋桨推力轴承等机件的安全和寿命。试验测定螺旋桨在360°方位角Ψ状态下的推力、扭矩、侧向力等等，了解它们的变化特征，以利定性评估这些力学因素对吊舱推进器等带有螺旋桨部件的工程装置的影响，从而做出恰当的技术决策。

鉴于常见的螺旋桨模型试验动力仪只能测螺旋桨推力、扭矩，而不能测其侧向力。需要专门设计、配置相应的环境和仪器，才能进行螺旋桨多维运动的流体力学测试。本报告以当前常见的各式船用螺旋桨为例，对螺旋桨置于吊舱前方（拖式）和后方（推式）的情况，进行了试验研究，企图找出当代螺旋桨装在吊舱推进器上后，各种流体动力力学数据变化的基本规律，补充已有的等螺距螺旋桨作为“舵桨”等的推力器时的有关流体动力性能数据范例[11]。

1 拖式吊舱推进器带360°全方位角流体动力试验研究

1.1 拖式吊舱推进器模型试验设计

除了满足推进船舶航行要求之外，吊舱推进器还是船用特种设备，须执行船舶操纵和动力定位的任务。用做推进器时，吊舱推进器的推力部件——螺旋桨的流体动力功能与其在船舶常规推进时的功能，并无实质差异。当用做动力定位装置时，要求吊舱推进器能转动和稳定在指定位置，处在任意要求的方位角Ψ（0～360°）。这时螺旋桨受到的流体动力和力矩，与它在执行推进任务时，有很大不同。需要有专门的了解，才能做出恰当的技术抉择。

鉴于缺少船用吊舱推进器装置研发所需的流体动力基础数据，为此进行吊舱推进器在360°方位角状态的模型试验。希望取得有关数据，即除了螺旋桨发出的推力T和吸收的功率PD外，还有螺旋桨产生的侧—横向力C及其对吊舱推进器方位调节轴—“吊推轴”（如同船舵柱）的力矩M。

基于前述试验要求，需测定螺旋桨在任意方位角状态的推力T、扭矩Q之外，尚需测定吊舱推进器整体所承受的航行方向的力X和垂直航行方向（水平面内）的横向力Y（组成影响船舶运动合力），及其对吊舱推进器方位调节轴“吊推轴”的力矩M。在方位角Ψ=0时，测得的T0、Q0、X0（X0=T0-R0， R0——吊柱、吊舱及其载体的阻力）；加上已知拖车速v以及转数n，实际上就取得了常规“自航试验”的全套数据。在“吊推”方位角Ψ设定为某一特定值后，保持拖车速度v以及转数n不变条件下，测定试验装置各部件受到的T，Q，X，Y，M。并逐次测得吊舱推进器各方位角（Ψ＜360°）时的上述流体动力数据。为保证改变方位角Ψ时，只有吊舱推进器受力变化，而载体（船模）受到的流体动力不变，避免吊舱刚性固定在船模底部后，随着吊舱方位角变化，船模与航速形成夹角也变动，难以扣除其对装置各部件受力T，Q，X，Y，M的影响。特意将吊舱模型安装在一圆盆形载体底部，“圆盆”的对称轴与吊舱推进器方位调节转轴“吊推轴”重合，调整Ψ角后，“圆盆”的阻力不随之改变，也不出现其他外力变化。

图1 吊舱推进器模型全景照片

如“吊推”模型全景图（图1所示），整个吊舱推进器装在“圆盆”底部。试验螺旋桨模型直径D=240mm；吊舱直径120mm、长约660mm圆柱体；螺旋桨轴线到“圆盆”底部距离240mm，“吊柱”横截面近椭圆形，弦长500mm。圆盆底直径为800mm，进行各方位角Ψ试验时，能完全阻止空气由水面吸入螺旋桨盘处，保证测试数据不受影响。在“吊推”模型未装螺旋桨时，先将吊舱各组件在预定航速——拖车速v和各方位角Ψ状况拖曳，用三分力天平测定装置的横向力Y0-C0（垂直拖车速度方向）、阻力X0（拖车速度方向）及“稳（转）舵力矩”M0。然后装上螺旋桨模型，将螺旋桨动力仪开到预定转数n，在拖车速v下，测定螺旋桨的推力T和扭矩Q，同时，三分力天平测定装置整体的横向力Y、拖车速度方向的力X及稳（转）舵力矩M。按力的分解和叠加办法，计及装在吊舱内的动力仪直接测得的螺旋桨推力T、扭矩Q，求得这时螺旋桨所承受的（横）侧向力C及其对“吊推轴”的力矩M值和侧向力在螺旋桨轴线上的位置。为模型试验专门设计的吊舱、“吊柱”和“圆盆”等部件，与实际吊舱推进器的相应部件并无相似要求，工程上实物吊舱推进器各自的上述部件形状也不同。这只是要取得螺旋桨在360°方位角状态的T，Q，X，Y，M等力学参数。

1.2 拖式吊舱推进器模型试验分析

试验装置准备完毕和螺旋桨模型选定之后，进行了螺旋桨空泡筒大气及空泡斗（初生空泡数σn随进速比Jp=vp/n D而变）性能测试。随后全部试验，包括吊舱推进器各方位角Ψ的试验，均在船模试验水池中进行。

1.2.1 吊舱推进器的推进性能试验

在图2上绘有SQ-5-70、P/D=1.05螺旋桨在船模试验水池的性能曲线KTW、KQWJp，以及在空泡水筒中对应的KT、KQ-Jp性能曲线，性能数据如表1所示。由图2所得数据可以和处理常规船模的自航试验数据一样，求出吊舱推进器装置装在“圆盆”底部后的推进因子w，t，ηr等。

图2 螺旋桨“敞水”及在“船后”的性能曲线

表1 参试螺旋桨性能数据

1.2.2 拖式吊舱推进器装置无桨时各方位角Ψ下升力Y0、阻力X0及稳（转）舵力矩M0试验

专门准备的吊舱推进器装置的“吊推轴”是吊舱及“吊柱”的对称轴，前部与后部对称，当水速v方向不变，“Ψ”与“180°-Ψ”位置时（掉头以后）阻力X0大小、方向不变，而升力Y0改变方向，由于合力作用中心对称于“吊推轴”，故稳（转）舵力矩M0大小不变，方向相反。底部装有吊舱推进器的“圆盆”直径以Dp≈0.9m，相应傅氏数Fr=va/数据变化如表2，在备注中分析了装置流体动力试验时Re雷诺数和Fr傅氏数的影响（无桨和带桨），为保持阻力X0相对稳定，选定试验水速为：0.4～1.3m/s。

表2 试验装置的CTS及Fr变化

表注：CT为船模阻力系数，S为船模湿面积

试验测得整个装置（无桨）时的阻力X0、侧向力Y0和稳舵力矩M0。在水池拖车速度等于va=0.4～1.3m/s时，各Ψ位置的流体动力变化图。其中，图3所示为阻力X0。表3中列出具体试验值。图4所示为升力Y0，表4中也列出具体试验值。吊柱、吊舱等有对称性，可将在方位角Ψ=0°～90°测试值推广拓展至90°～180°区间。装置（无桨）时的稳舵力矩M0，涉及流体动力合力作用中心，该稳（转）舵力矩M0与方位角Ψ有关。装置流体动力作用中心距“吊推轴”的距离LC～Ψ列于表5。表6中列出试验测得的装置（无桨）稳（转）舵力矩M0绘于图5。

图3 “吊推”无桨时的阻力

表3 装置（无桨）的阻力X0（单位为N）

（续表）

图4 无桨时吊舱的侧向力

图5 无桨时吊推的舵力矩

表4 装置（无桨）的侧向力Y0（单位为N）

表5 LC（由“吊推轴”到吊舱头部方向）

在完成吊舱推进器装置无桨时各方位角Ψ下升力Y0、阻力X0及“稳舵力矩”M0测试之后，发现在大攻角（Ψ）条件下，整个“吊推”装置绕流不很稳定。在加装试验螺旋桨后，其桨叶片剖面在各方位角Ψ位置，绕流更加复杂，预计绕流不稳定的现象更显著，因此采用各种手段测定装置各流体动力分量后，预期测得的数据精度与通常船舶推进试验（Ψ=0）所得的数据相比，将有差异。好在目前用于确定动力定位所需用的有关数据，实际上也比船舶推进性能计算要求的数据精度差别明显，即（2～5）%与20%之比。船舶动力定位是一个动态过程，实际的运动环境条件（方位角Ψ及航速v）每次不同，只能适时处理，试验研究也只是希望预知极限受力，确保运作安全。

表6 装置（无桨）的稳（转）舵力矩M0/（N·cm）

1.2.3 拖式吊舱推进器带SQ-5-70、P/D=1.05五叶螺旋桨在各方位角Ψ下推力T、扭矩Q测试

完成1.2.2节的准备工作之后，将螺旋桨模型装到吊舱内的螺旋桨动力仪轴上，就可进行试验。试验目的在于取得螺旋桨作为推力器时，处于360°内方位角状态下的性能（包括推力、扭矩、侧向力）。用做船舶推进的螺旋桨，桨轴通常与船航行方向的夹角小于15°。现在螺旋桨可能与来流夹角Ψ为0°～360°。为此，先观察一下“吊推”作Ψ角转动后桨叶剖面的速度图变化，由于桨叶绕桨轴转，而桨轴自身又与航速成Ψ夹角，故桨叶剖面在每转不同位置对水流的攻角都在变化。图6绘出了在不同Ψ时处于“时针12点”位置的翼剖面的速度图（航速v与翼剖面转动周向速矢量和），可看出流动的基本特性。为说明Ψ和-Ψ位置的差别，在Ψ=30°位置特绘有“时针6点”位置的速度图，和Ψ=-30°的速度图以比较，两者完全对称，若不计空泡及附体影响（由推进试验知该影响相对较小），则在Ψ和-Ψ位置性能相同。经试验Ψ=15°和Ψ=-15°对比，可以认为，在拖式吊舱推进器360°方位角试验中，只需进行180°方位角试验。在测试过程中，为每一方位角Ψ位置，在给定v拖车速度下，以不同转数n驱动螺旋桨，读取螺旋桨的推力T和扭矩Q，在|Ψ|值大于约20°时，采集的数据脉动得很明显。关于数据处理，需要说明的是：当“吊推”处于Ψ角位置时，随着拖车速度（船速）v及转数n的改变，螺旋桨推力T、扭矩Q都发生变化，当然可按常规测定Ψ为常值时的KT、KQ曲线。但为提高测试针对性，本次试验采用的程序是：据表1数据，选定CT0=[CT=2T/ρv2（πD2/4）]为定值时的v-n（JP=v/n D）组合，进行各方位角Ψ试验。将测定值T、Q，整理出CT0为定值（CT0=1，2，4，6，10）条件下的比值T/T0、Q/Q0，绘成图7和图8，其数据见表7、表8。将各Ψ值时的T、Q值与Ψ=0时的T0、Q0值做比较，表达为T/T0（或KT/KT0）和Q/Q0（或KQ/KQ0）。由图7和图8可看出：船舶进行机动时，将吊舱推进器转动Ψ方位角后，“吊推”的螺旋桨推力T、扭矩Q都增大，螺旋桨的轴向推力比航行时大，电机拖动螺旋桨所需功率也增大，即螺旋桨的吸收功率PD=2πn Q更大，驱动螺旋桨的发动机载荷变重。一般来讲，若机器功率不足，吊舱推进器螺旋桨势必减转数运行。

图6 “吊推”作Ψ角转动后螺旋桨翼剖面的速度示意图

图7 推力变化

图8 扭矩变化

表7 Ψ方位角下推力T与推力T0（Ψ=0）之比值（T/T0=KT/KT0）

表8 Ψ方位角下扭矩Q与扭矩Q0（Ψ=0）之比值（Q/Q0=KQ/KQ0）

（续表）

从螺旋桨吸收功率看，在某些方位角Ψ时，吊舱推进器需要的最大扭矩Q可能超出额定值5～6倍。对于全速航行工况的船舶来讲，这是不现实的，势必降低螺旋桨转数到额定值的～55%以下。还有，在设计船用螺旋桨时，当主机功率、转数都已定，通常选用直径大一点，即在载荷值CT相对低点的条件下运行，以期得到较高的推进效率。而在CT值低时，Ψ引起的推力T、扭矩Q相对增大更显著，由图7和图8中所示高CT值及低CT值时，对应的T/T0（或Q/Q0）图可看出这点。对中高速船来说，其螺旋桨的运行CT=0.5～2.5，方位角Ψ的影响更大。也就是说，对于螺旋桨，若要求它在CT≈0.6～0.7运行，在作方位角Ψ机动时，要求电机发出的功率更大，出现的T、Q的增值也更高。对拖船、破冰船一类低速船，其螺旋桨的运行CT值在CT≥6范围，Ψ方位角的影响相对较小。这可以解释为什么破冰船较先采用吊舱推进器。

为进行本节试验，本可将船模试验池常规用“螺旋桨动力仪”置于方位角Ψ处，测定螺旋桨推力T和扭矩Q，但通常“螺旋桨动力仪”不具备测定侧向力C的功能，所以要做1.2.2节的准备工作。现在用专门设计的装置（吊舱内含螺旋桨动力仪）来进行试验，装置本身接在三分力天平上，测定螺旋桨推力T和扭矩Q的同时，可以读取装置所受到的航向（拖车运动方向）力X、横向力Y及相对“吊推轴”的力矩M。

1.2.4 拖式吊舱推进器带SQ-5-70、P/D=1.05桨在各方位角Ψ下升力Y、阻力X及稳（转）舵力矩M测试——螺旋桨侧向力C的确定

吊舱推进器装置试验时，不仅用“螺旋桨动力仪”测定了螺旋桨的推力T、扭矩Q，而且用三分力天平测定了装置所承受的升力Y、航行方向力X及稳（转）舵力矩M等。按预先推演出的装置受力分析得出的关系式，对整个“吊推”装置所受到的X、Y及M，与同时测定的推力T、扭矩Q进行分析，可按以下方程组求解：

X=TcosΨ-CsinΨ-X0 　（1）

Y=TsinΨ+CcosΨ-Y0 　（2）

M=C×Lprop+M0 　（3）

式中，C为垂直螺旋桨轴的横向力；Lprop为桨盘到“吊推轴”的距离。由式（1），根据先后测得的T、X、X0及设定的方位角Ψ，可以求出侧向力：

C=-[（X+X0）-TcosΨ]/sinΨ

或由式（2）及综合式（1）、式（2）求出侧向力C：

C=[（Y+Y0）-TsinΨ]/cosΨ及C=（Y+Y0）cosΨ-（X+X0）sinΨ

再由式（3）得：Lprop=（M-M0）/C。

式（1）、式（2）、式（3）共三个方程，只有两个未知量：C和Lprop，可以比较其计算结果，借以判断试验数据的离散度。推算出的距离Lprop≈35cm，与试验装置的桨盘到“吊推轴”的距离接近。将吊舱推进器装置试验所得螺旋桨的侧向力C（表达为C=KCρn2D4），与螺旋桨在Ψ=0时的推力T0比较，得

C/T0=（C/T）×（T/T0）=KC/KT×（KT/KT0）=KC/KT0

将C/T0（KC/KT0）关系绘制成图9，数据列于表9中。由测试结果可见，当吊舱推进器作动力定位时，除了因螺旋桨轴与船行方向形成Ψ角，螺旋桨的推力T有垂直航行方向的分力外，还有这个侧向力C。在任意方向角Ψ位置，这个侧向力C的作用方向，都与来流速度（与船行方向相反）v在螺旋桨轴垂直方向的分量vsinΨ方向保持一致。除影响船回转外，这个侧向力C将对“吊推轴”形成转舵力矩，并影响对吊舱推进器的控制和锁定。上述横向力对“吊推轴”形成的转舵力矩，数值为横向力C乘以螺旋桨盘到“吊推轴”的距离（螺旋桨与吊舱其他部件的相互干扰为小量）。

图9 侧向力变化

表9 方位角Ψ下侧向力C与推力T0之比（C/T0=KC/KT0）

由图9可见，这个侧向力C对“吊推轴”的力矩Mprop=C×Lprop.=M-M0，用无量纲式表达为

Mprop=KMpropρn2D5=C×Lprop=KCρn2D5×Lprop/D=（KC/KT0）×KT0ρn2D5Lprop/D

可见KMprop≈（KC/KT0）×KT0×Lprop/D=（KC/KT0）×（KT0/KQ0）×KQ0×Lprop/D。由表9知：KC/KT0最常见值在0.1～0.2之间，通常螺旋桨用做推进船舶（方位角Ψ=0）时，KT0/KQ0≈6，可见KMprop≈（0.1～0.2）×6×KQ0×Lprop/D0≈（0.6～1.2）KQ0×（Lprop/D）。鉴于“吊推轴”到螺旋桨盘面的距离Lprop与螺旋桨直径D比：Lprop/D≥1，故KMprop≈KQ，即转（稳）舵力矩Mprop与螺旋桨运行时的力矩Q数值相当。这可是个很大的力矩值，需要足够强有力的机构才能控制和锁定吊舱推进器在预设的方位角Ψ位置。因此在设计吊舱推进器时，有将Lprop距离减小的趋势。

2 推式吊舱推进器360°全方位角流体动力试验研究

由于结构限制，某些船舰可能要将螺旋桨装在吊舱后部，即所谓“推式”吊舱推进器。为探索推式吊舱推进器在0～360°方位角Ψ时的流体动力性能，取得必要的技术贮备，以应对发展的需要，计及“大侧斜螺旋桨”正广为应用于各类舰船，故选定七叶大侧斜螺旋桨模型。该桨模直径为D=240mm，作为试验用桨模。以下为试验分析报告。

2.1 推式吊舱推进器（带七叶大侧斜桨）推进试验

推式吊舱推进器在360°方位角状态的流体动力模型试验，与1.1节中拖式吊舱推进器模型试验一样，除了吊舱体受到阻力、横向力和对“吊推轴”的力矩之外，螺旋桨的推力和扭矩也发生变化，也出现横向力及对吊舱柱的“吊推轴”的力矩。

图10 试验七叶螺旋桨与吊舱一道安装在“圆盆”底部（图中右旋七叶桨前为吊舱）

关于进行试验的条件准备，完全借用本报告第1部分中组配好的试验模型，其外形如图10所示。

2.1.1 吊舱推进器螺旋桨的性能试验

图11上有“空泡试验筒”中试得的右旋七叶螺旋桨，盘面比EAR≈0.7、径向为变螺距，其性能曲线KT、KQ-JP以及吊舱推进器装置在船模试验水池中螺旋桨推力TW及扭矩QW，所对应的KTW、KQW-JP性能曲线，表10中列有性能数据值。有图11数据后，可以和处理常规船模自航试验数据一样，求出吊舱推进器装置的推进因子w，t，ηr等。试验的是变螺距螺旋桨，在拖式“吊推”模型的“自航”条件下（Ψ=0，船模航速v≈1.04m/s， JP=0.65），测算得w=0.054，t=0.072及ηr=0.99。

表10 参试螺旋桨性能数据

（续表）

图11 螺旋桨“敞水”及在“船后”的性能曲线

2.2 吊舱推进器装置无桨时各方位角Ψ下升力Y0、阻力X0及稳（转）舵力矩M0试验

为试验研究推式吊舱推进器（带七叶大侧斜桨）的流体动力定位性能，需要知道裸吊舱装置（未装螺旋桨时）的流体力学性能数据，为此，利用第1部分中拖式吊舱推进器360°全方位流体动力试验研究所准备的“吊推”装置，将其首尾对调，得出需要的流体动力数据。

2.2.1 推式吊舱推进器装置无桨时各方位角Ψ下升力Y0、阻力X0及稳（转）舵力矩M0测试

鉴于吊舱体前后对称于“吊推轴”，前部和后部对称，当水速方向不变，“Ψ”与“180°-Ψ”位置时（掉头以后），阻力X0大小、方向不变，而升力Y0改变方向，由于合力作用中心对称于“吊推轴”——舵柱，故稳（转）舵力矩M0也仅改变方向。实际加工所得“圆盆”已如第1部分所述。整个“吊推”装置（无桨）情况下的阻力X0、升力Y0及稳（转）舵力矩M0均相同，在整理本试验资料的时候，采用插值的办法，求得试验水速v下的X0、Y0值。现将阻力X0、升力Y0示于图12、图13中。其中图12所示为阻力X0，表11中列有其数值；图13所示为升力Y0，表12中列有其数值，所有数据均出自第1部分。同样，由第1部分试验测得（无螺旋桨时）吊舱的“稳（转）舵力矩”M0，确实对称于“吊推轴”，仅与方位角Ψ有关，也因为吊舱体对称于“吊推轴”——“舵柱”，前部和后部可互换，实际测得吊舱体的流体动力作用中心距“吊推轴”的距离LC～Ψ关系，与1部分中相同，见表5。

图12 “吊推”无桨时的阻力

图13 “吊推”无桨时的升力

在大方位角Ψ情况下，整个推式吊舱推进器装置的绕流也很不稳定。装有螺旋桨后，在方位角Ψ状态下，其桨叶剖面绕流更加复杂。加上现在推式吊舱推进器的螺旋桨处在吊舱（包括吊舱柱）之后，与“可旋转螺旋桨舵柱”[4]类似，比“拖式吊舱推进器”螺旋桨的来流更紊乱，与通常船舶推进试验（Ψ=0）所得的推进性能数据相比，精度更有差异。好在目前用于确定动力定位所需的螺旋桨流体力学数据，与1中所述要求相近，流体动力数据要求精度也类同。

表11 “吊推”装置（无桨）的阻力X0（单位为N）

表12 “吊推”装置（无桨）的升力Y0（单位为N）

2.3 推式吊舱推进器七叶螺旋桨在0～360°的流体动力试验

2.3.1 吊舱推进器各方位角Ψ下推力T、扭矩Q测试

推式吊舱推进器的螺旋桨装到吊舱预定位置后，同样右旋的桨，在“吊推”右转或左转时遇到的由“吊柱”诱导的旋转流方向将不一样，因此专门增加了吊舱推进器右转（-15°）的试验。

吊舱推进器处于Ψ方位角位置，随着船速v及自身转数n的改变，螺旋桨推力T、扭矩Q都发生变化，现在特定v/n条件（v/n D=常数）下，将各Ψ值时的T、Q值与Ψ=0时的T0、Q0值比较，表达为T/T0（或KT/KT0）和Q/Q0（或KQ/KQ0）。其中，T、Q的无量纲表达：KT=T/ρn2D4和KQ=Q/ρn2D5。

当要求得到船速v和桨转数n不变条件下，某一Ψ方位角时吊舱推进器螺旋桨的推力T、扭矩Q时，可按该螺旋桨的性能曲线查得值KT0（T0=KT0ρn2D4）、KQ0（Q0=KQ0ρn2D5），再按图查出特定Ψ时的T/T0、Q/Q0值，乘以T0、Q0值，即求得了需要的推力T、扭矩Q。测试结果绘于图14及图15，其数据列于表13和表14中。

图14 推力变化（pushingmode）

图15 扭矩变化（pushingmode）

表13 Ψ方位角下推力T与推力T0（Ψ=0°）之比值（T/T0=KT/KT0）

表14 Ψ方位角下扭矩Q与扭矩Q0（Ψ=0°）之比值（Q/Q0=KQ/KQ0）

（续表）

试验数据显示：若认定吊舱推进器头部向左舷转（由船上向水底看）为正方位角Ψ，则当吊舱推进器头部向左转+15°到+30°时，与第1部分拖式吊舱推进器以及“B455系列螺旋桨在0～360°方位角运行时的流体动力性能（汇编资料）”中的螺旋桨和“舵桨”推力T、扭矩Q都增大的情况有所不同，推式吊舱推进器螺旋桨的推力T、扭矩Q值都不升反降；当吊舱推进器向右转-15°时，推力T、扭矩Q却又有显著增大。推式吊舱推进器向左、右转时，随着螺旋桨本身旋向（右或左）不同，螺旋桨的推力T、扭矩Q变化趋势不同，这是采用推式吊舱推进器方案时需要注意的。上述推式吊舱推进器向左、右转时，推进性能的差异，主要源于螺旋桨前上方的“吊柱”，由船体“圆盆”伸到吊舱的支撑柱，将迫使绕经该流线型体的水，顺“吊柱”中线流动，形成旋转，牵动螺旋桨前方来流出现周向分量，对于试验的右旋螺旋桨叶剖面速度三角形的周向速度量，造成抵消或叠加，从而改变攻角，随之螺旋桨推力T、扭矩Q发生前述变化。

2.3.2 推式七叶桨吊舱推进器各方位角Ψ的侧向力C

试验整个吊舱推进器装置时，不仅测定了螺旋桨部件的推力T、扭矩Q，而且测定了装置所承受的Ψ方位角时的升力Y、阻力X及稳（转）舵力矩M。按预先推演出的、据装置受力分析得出的关系式，对整个“吊推”装置所受到的X、Y及M，与同时测定的推力T、扭矩Q，如第1部分进行分析，得

X=TcosΨ-CsinΨ-X0 　（4）

Y=TsinΨ+CcosΨ-Y0 　（5）

M=C×Lprop-M0 　（6）

式中，C为垂直螺旋桨轴的横向力；Lprop为桨盘到“吊推轴”的距离。由式（4），据测得的T、X、X0及设定的方位角Ψ，可以求出侧向力：

C=-[（X+X0）-TcosΨ]/sinΨ

或由式（5）及综合式（4）和式（5）求出侧向力C：

C=[（Y+Y0）-TsinΨ]/cosΨ及C=（Y+Y0）cosΨ-（X+X0）sinΨ

再由式（6）得：Lprop=（M+M0）/C。

式（4）、式（5）、式（6）共三个方程，只有两个未知量：C和Lprop，比较其结果，可以借以判断试验数据的离散度。推算出由桨盘到“吊推轴”距离Lprop≈-35cm，与试验装置的实测结果基本吻合。将各不同方位角Ψ在不同载荷系条件下，按以上各式计算所得试验螺旋桨的侧向力C及Lprop值，并将其相对值表达为C/T0=C/T×（T/T0）=KC/KT×（KT/KT0）=KC/KT0。将C/T0（KC/KT0）关系绘制成图16，可见在吊舱推进器转动作动力定位时，除了因螺旋桨轴与船行方向形成Ψ角，螺旋桨推力的分量TsinΨ导致船舶进入回转外，还出现与桨轴垂直的侧向力C。表示T0=KT0ρn2D4，C=KCρn2D4，则有C/T0=KC/KT0。图16数值示于表15中。需要指出的是：这个侧向力C的作用方向，与来流（船速反方向）在螺旋桨垂直方向的分量一致，是阻止推式吊舱推进器绕“吊推轴”转动的力矩。与第1部分所讨论的拖式吊舱推进器中螺旋桨侧向力的作用相反。

图16 吊推桨侧向力（pushingmode）

表15 方位角Ψ下侧向力C与推力T0之比（C/T0=KC/KT0）

3 讨论

本报告的目的在于研究吊舱推进器用于船舶推进和动力定位的一般特点。拖式和推式“吊推”试验是分别进行的。试验的是当前工程中常用的具有代表性的变螺距螺旋桨。当新吊舱推进器采用其他不同于本试验的螺旋桨时，可以按新螺旋桨在方位角Ψ=0、选定的航速v及转数n时的螺旋桨载荷系数CT0，近似地用本试验所得图表，如文献[11]所推荐的做法，用内插法取得新螺旋桨在不同方位角Ψ时的T/T0（KT/KT0）、Q/Q0（KQ/KQ0）及C/T0（KC/KT0）。总的来讲，从报告结果可以得出以下一些看法。

1.关于吊舱推进器（推进用）螺旋桨设计

无论螺旋桨装在吊舱的前方还是后方，推进效率及与船身有关的参数w、t、ηr，与常见船用螺旋桨的有关参数没有实质性的差异。因此，要设计推式吊舱推进器，不存在原则性的流体力学困难。

2.关于吊舱推进器用作动力定位装置

完成动力定位任务时，吊舱推进器主要由螺旋桨提供需要的流体动力及力矩。为此，整个“吊推”都要频繁地绕“吊推轴”作左右机动，由试验数据看，在小角度（例如，Ψ=3°～5°）调节时，螺旋桨推力、扭矩（吸收功率）变化不大。但是，一旦要求作紧急机动（例如，紧急转向或倒车）时，吊舱推进器可能需作大角度Ψ调整，对于通常载荷系数值CT在1～2之间的船用螺旋桨，推力可能增加到原推力T0的2～3倍（T/T0=2～3）；而扭矩Q可能增加到Q/Q0=5～6，即约等于6Q0。鉴于拖动电机通常是根据设计工况的有效功率PE、航速v等，即根据推力T0、扭矩Q0需求来选用的，实际使用中要驱动电机能在额定输出状态运行，则为适应因方位角Ψ增大所带来的超额扭矩Q和推力T，需要将电机和螺旋桨转数下降到原来运行转数的50%左右。

3.吊舱推进器用做动力定位装置时出现的侧向力影响问题

螺旋桨作为推进器，主要是提供航速方向（与螺旋桨轴方向一致）的推力，用以克服船舶航行阻力。通常螺旋桨经与主机连接的轴系吸收（传递）功率（扭矩），但为保证主机转轴免于承载推力，一般通过止推轴承直接将螺旋桨推力传到船体。试验研究发现，当螺旋桨用做动力定位器时，除沿螺旋桨轴线方向的流体动力——推力T外，出现与轴系垂直的螺旋桨侧向力C，随着方位角Ψ的变化，这个力的量级约为螺旋桨推力T的10%～40%，动力定位是一个逐步逼近的过程，作用于螺旋桨驱动轴的侧向力C有可能造成吊舱推进器的机构零件出现技术问题。