專利名稱：一種主動控制船艇螺旋槳推力脈動的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種減小船艇螺旋槳推力脈動對船艇體振動影響的方法和裝 置，特別是一種對船艇螺旋槳推力脈動進行主動控制和補償?shù)姆椒ê脱b置，屬 于船艇振動和聲隱身技術(shù)范疇。
背景技術(shù)：
目前，各類船艇基本上都采用由主機帶動螺旋槳，利用螺旋槳旋轉(zhuǎn)過程中 與水的相互作用產(chǎn)生軸向推力的原理工作。通常把從螺旋槳到推力軸承這段軸 稱為推進軸系。螺旋槳所產(chǎn)生的軸向推力通過推進軸系傳遞給推力軸承，進而 傳遞給船艇體，推動船艇行進。由于各種原因，在螺旋槳產(chǎn)生的軸向推力中有 明顯的推力脈動，推力的脈動通過推力軸承傳遞給船船艇體結(jié)構(gòu)，引起整個船 艇體的振動。如何減小螺旋槳推力脈動對船艇體振動的影響，是提高船艇，特 別是潛艇，聲隱身水平的一個重要問題。因此，減小螺旋槳推力脈動對船艇體 振動的影響對減小船艇體的振動，提高船艇的聲隱身性能有著重要的作用。
螺旋槳所產(chǎn)生的軸向推力可以分解為一個恒定的推力和一個脈動的推力兩 部分，其中恒定推力占螺旋槳所產(chǎn)生的軸向推力的絕大部分，而脈動推力所占
的比較約為螺旋槳所產(chǎn)生的軸向推力的5%左右。螺旋槳上恒定推力的大小決 定船艇的運行性能，螺旋槳的脈動推力對船艇的運行沒有明顯的貢獻，但這個 脈動的推力會通過推力軸承傳遞給船艇體，引起船艇體的振動，對船艇的振動 和聲隱身性能產(chǎn)生明顯的影響。
目前為了減小螺旋槳的推力脈動，采用優(yōu)化螺旋槳結(jié)構(gòu)、在推力軸承處采 用各種減振裝置等方法，但所取得的效果十分有限。主動振動控制技術(shù)是僅 二、三十年發(fā)展起來的一種能夠?qū)C械系統(tǒng)的振動以及各種其他參數(shù)及性能進 行在線控制的一個新技術(shù)，已經(jīng)在一些工程中得到了應(yīng)用，并取得了良好的效 果。利用主動控制技術(shù)來主動地對船艇螺旋槳推力的脈動進行控制和補償，必 然也會取得明顯的效果。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種對各類船艇螺旋槳推力脈動進行主動控制的方法 和裝置，從而減小螺旋槳推力脈動對船艇體振動的影響，提供船艇的聲隱身水 平。
本發(fā)明的主動控制船艇螺旋槳推力脈動的方法，其特征在于通過安裝在船艇推進軸系上的軸向推力或軸向振動測量系統(tǒng)來測量船艇螺旋槳軸向推力的 脈動，或測量船艇推進軸系軸向振動位移、速度或加速度的大??；由推力脈動 控制器根據(jù)船艇螺旋槳軸向推力脈動的大小，或船艇推進軸系軸向振動的位 移、速度或加速度的大小，計算出需要在船艇推進軸系上施加的控制力，并向 功率放大器發(fā)出控制信號，功率放大器對控制信號進行放大，再通過安裝在船 艇推進軸系上的非接觸式電磁力執(zhí)行器在船艇推進軸系上產(chǎn)生所需要的軸向控 制力，對船艇螺旋槳推力脈動進行控制和補償，減小船艇螺旋槳推進力脈動對 船艇振動的影響。
上述方法中，推力脈動控制器是基于將推進軸系的軸向振動簡化為一個單 自由度的模型，利用推進軸系上的測量系統(tǒng)測量到的軸向推力或軸向振動的位 移、速度或加速度，按照下列方法來計算船艇推進軸系上施加的控制力
如果船艇螺旋槳軸向推力是直接由安裝在船艇推進軸系推力軸承位置的測 量系統(tǒng)1測量的，那么需要在船艇螺旋槳軸向施加的軸向控制力/力)的計算公 式為
其中A厶W為船艇推進軸系軸向力波動的測量值；
如果測量系統(tǒng)測量的是船艇推進軸系軸向振動的動態(tài)位移則需要在
船艇螺旋槳軸向施加的軸向控制力/力)的計算公式為
-t一
60
其中K,=《,V("wW)2 + (c一2 ，《,,=《，,-A ，々和&分別為推進軸系軸向動態(tài)
位移xJ0的第/階諧波的幅值和相位角，w-2;r^為船艇螺旋槳軸系旋轉(zhuǎn)的角
60
頻率，w為船艇螺旋槳軸系轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)速(rpm);
如果測量系統(tǒng)測量的是船艇推進軸系軸向振動的動態(tài)速度位移、(0 ，則需
要在船艇螺旋槳軸向施加的軸向控制力的計算公式為
L 廣w 、
/d一
1=1
2:— v60 '乂
其中i^^^("^V)2+(d一，A，《和《,分別為推進軸系軸向動
態(tài)速度、(o的第/階諧波的幅值和相位角；
如果測量系統(tǒng)測量的是船艇推進軸系軸向振動的動態(tài)速度位移^(0，則需
5要在船艇螺旋槳軸向施加的軸向控制力的計算公式為
其中F^"^V" —照'2^2)2+(C^)2 ，A， A,和^分別為推進軸系軸向 (一 ， ， ，
動態(tài)加速度^W的第/階諧波的幅值和相位角。
用于實現(xiàn)本發(fā)明的主動控制船艇螺旋槳推力脈動方法的裝置，包括主機、
船艇推進軸系推力軸承、中間軸承、螺旋槳軸承和螺旋槳，其特征在于還包括
測量船艇推進軸系軸向推力或軸向振動的測量系統(tǒng)、推力脈動控制器、功率放
大器和電磁力執(zhí)行器。非接觸式電磁力執(zhí)行器包括推力盤和由繞組和定子鐵心
組成的定子組件，船艇推進軸系軸向推力測量系統(tǒng)固定在推力軸承上，船艇推
進軸系軸向振動的測量系統(tǒng)置于推力軸承與螺旋槳之間軸間，非接觸式電磁力
執(zhí)行器的推力盤緊固在推力軸承和螺旋槳之間的推力軸上，隨推力軸一起旋
轉(zhuǎn)，定子組件固定在推力軸系的基礎(chǔ)上，測量系統(tǒng)的信號輸出端與推力脈動控
制器的輸入端相連，推力脈動控制器的輸出端與功率放大器的輸入端相連，功
率放大器的輸出端與非接觸式電磁力執(zhí)行器定子組件的繞組相連。
上述裝置中的推力脈動控制器包括模-數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)-模轉(zhuǎn)換器以及計算機
或微處理器。
所說的功率放大器是線性功率放大器或開關(guān)功率放大器。
上述裝置中的定子組件可以是兩個，對稱位于磁性推力盤的兩側(cè)；或定子 組件為一個，位于磁性推力盤的一側(cè)。
其中，定子鐵心為同心式雙環(huán)形圈，繞組為集中繞組，置于雙環(huán)形圈之 間?；蛘叨ㄗ予F心具有數(shù)個環(huán)形凸極，凸極上繞有集中繞組?；蛘叨ㄗ哟盆F為 數(shù)個圓柱狀凸極結(jié)構(gòu)，圓柱狀凸極上繞有集中繞組。
本發(fā)明的優(yōu)點在于
(1) 對船艇螺旋槳推力脈動的控制力是通過一種采用非接觸式的電磁力執(zhí)行 器實現(xiàn)的，不會對原來的船艇螺旋槳推進軸系的特性產(chǎn)生影響；
(2) 采用非接觸式電磁力執(zhí)行器在船艇螺旋槳推進軸系上產(chǎn)生一個能夠抵消 船艇螺旋槳推力脈動的軸向控制力，從而對船艇螺旋槳推力脈動進行控制和補 償，減小船艇螺旋槳軸向力的脈動，從而達到減小船艇螺旋槳推進力脈動對船 艇振動的影響。
本發(fā)明適用于對各類船艇螺旋槳推力脈動進行控制和補償，提高船艇的聲 隱身性能。


圖l為本發(fā)明裝置的示意圖； 圖2為船艇螺旋槳推力脈動控制裝置連接圖； 圖3為本發(fā)明中的電磁力執(zhí)行器一種結(jié)構(gòu)示意圖； 圖4為本發(fā)明中的電磁力執(zhí)行器的另一種結(jié)構(gòu)示意圖； 圖5為本發(fā)明中的電磁力執(zhí)行器定子組件示意圖； 圖6為本發(fā)明中的電磁力執(zhí)行器定子組件第二種示意圖； 圖7為本發(fā)明中的電磁力執(zhí)行器定子組件第三種示意圖。
具體實施例方式
以下結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步描述。
參見圖1，本發(fā)明的用于船艇螺旋槳軸向推力脈動控制裝置，包括主機 5、船艇推進軸系推力軸承6、中間軸承7、螺旋槳軸承8和螺旋槳9，測量船 艇推進軸系軸向推力或軸向振動的測量系統(tǒng)1、推力脈動控制器2、功率放大 器3和非接觸式電磁力執(zhí)行器4，非接觸式電磁力執(zhí)行器4包括推力盤IO和由 繞組13和定子鐵心12組成的定子組件11，船艇推進軸系軸向推力測量系統(tǒng)1 固定在推力軸承6上，非接觸式電磁力執(zhí)行器4的磁性推力盤IO緊固在推力軸 承6和螺旋槳9之間的推力軸14上，隨推力軸一起旋轉(zhuǎn)，定子組件11固定在 推力軸系的基礎(chǔ)上。連接如圖2所示，測量系統(tǒng)1的信號輸出端與推力脈動控 制器2的輸入端相連，推力脈動控制器2的輸出端與功率放大器3的輸入端相 連，功率放大器3的輸出端與非接觸式電磁力執(zhí)行器4定子組件的繞組13相 連。
圖2為本發(fā)明中中軸向振動測量系統(tǒng)1、脈沖力控制器2、功率放大器3 和非接觸式電磁力執(zhí)行器4的連接圖。測量系統(tǒng)1的軸向推力或軸向振動的位 移、速度或加速度信號經(jīng)過模數(shù)A/D轉(zhuǎn)換器變?yōu)閿?shù)字信號輸給脈沖力控制器 2，脈沖力控制器2按照船艇螺旋槳軸向推力脈動的大小和相位的計算方法， 計算出需要在船艇推進軸系軸向需要施加的控制力的大小和方向，給功率放大 器3發(fā)出控制信號，控制信號經(jīng)過數(shù)模D/A轉(zhuǎn)換器變?yōu)槟M信號輸給功率放大 器3，功率放大器3對推力脈動控制器2的控制信號進行放大，通過安裝在船 艇推進軸系上的非接觸式電磁力執(zhí)行器4在船艇推進軸系上產(chǎn)生一個與測量或 計算得到的船艇螺旋槳軸向推力脈動的大小相等方向相反的控制力，來達到對 船艇螺旋槳推力脈動進行控制和補償。
推力脈動控制器2有兩個作用。其一是依據(jù)測量得到的船艇螺旋槳軸向推力脈動或推進軸系軸向振動的位移、速度或加速度大小，按照測量的是軸向力、軸向振動的位移、軸向振動的速度或者軸向振動的加速度，計算出船艇螺旋槳軸向總的激勵力的大小和相位。其二是依據(jù)對船艇螺旋槳軸向推力脈動進行補償和主動控制的要求，計算出需要在船艇推進軸系上施加的控制力的大
小，然后對功率放大器3發(fā)出控制信號。
如果船艇螺旋槳軸向推力是直接由安裝在船艇推進軸系推力軸承位置的測
量系統(tǒng)(l)測量的，那么需要在船艇螺旋槳軸向施加的軸向控制力,W的計算公式為
其中UO為船艇推進軸系軸向力波動的測量值；
如果測量系統(tǒng)測量的是船艇推進軸系軸向振動的動態(tài)位移&(0，則需要在
船艇螺旋槳軸向施加的軸向控制力/力)的計算公式為
<formula>formula see original document page 8</formula>
其中cV)2 +一7，《,,=《,,-《，《,和《，,分別為推進軸系軸向動態(tài)
位移、(0的第/階諧波的幅值和相位角，^ = 27^為船艇螺旋槳軸系旋轉(zhuǎn)的角
60
頻率，"為船艇螺旋槳軸系轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)速(rpm);
如果測量系統(tǒng)測量的是船艇推進軸系軸向振動的動態(tài)速度位移、(/)，則需要在船艇螺旋槳軸向施加的軸向控制力/々)的計算公式為
<formula>formula see original document page 8</formula>
其中《丄麵附/2^)2+(—2，《，《和《,分別為推進軸系軸向動
態(tài)速度、(0的第/階諧波的幅值和相位角；
如果測量系統(tǒng)測量的是船艇推進軸系軸向振動的動態(tài)速度位移&(0，則需要在船艇螺旋槳軸向施加的軸向控制力/力)的計算公式為
<formula>formula see original document page 8</formula>
其中巧=4 一柳'2 W2 )2 + ，A ， 4和《，分別為推進軸系軸向
動態(tài)加速度；(O的第z'階諧波的幅值和相位角。圖3為本發(fā)明中的非接觸式電磁力執(zhí)行器的一種實現(xiàn)方式，它由磁性推力盤10和對稱位于磁性推力盤左、右側(cè)的定子組件ll形成，兩個定子組件ll結(jié)構(gòu)和參數(shù)完全相同。當非接觸式電磁力執(zhí)行器通入一定的電流后，在磁性推力盤和定子組件之間就產(chǎn)生了一個電磁力，這個外加的電磁力通過磁性推力盤作用在推進軸系上，從而能夠主動地對推進軸系上的軸向力進行控制。為了獲得良機的動態(tài)特性并在較大的范圍內(nèi)產(chǎn)生具有較好線性化的電磁力，在左、右線圈上先施加一個初始電流，然后將左、右線圈上控制電流采用差動方式連接。這種結(jié)構(gòu)的非接觸式電磁力執(zhí)行器的特點在于能夠產(chǎn)生雙向的控制力。由于這種差動結(jié)構(gòu)的非接觸式電磁力執(zhí)行器能夠產(chǎn)生雙向的控制力，即可以與推進軸系螺旋槳推進力的方向相反，也可以相同，那么在控制策略中可以以螺旋槳的推力脈動的正最大值、零或負最大值來最為目標。
圖4為本發(fā)明中的非接觸式電磁力執(zhí)行器的另一種實現(xiàn)方式，它由磁性推力盤10和位于磁性推力盤一側(cè)的定子組件形成，由于定子組件和磁性推力盤
之間的電磁力始終為吸引力，所以這種只有一個定子組件非接觸式電磁力執(zhí)行器只能產(chǎn)生與螺旋槳推力脈動同向或反向的控制力。在這種情況下，控制策略中就必須以螺旋槳的推力脈動的最大值或最小值作為控制的目標，在螺旋槳的推力脈動為負或正的情況下，產(chǎn)生必要的控制力，以使螺旋槳的推力始終趨向于最大值獲最小值，來減小螺旋槳的推力脈動。
圖5所示的電磁力執(zhí)行器定子組件的定子鐵心12為同心式雙環(huán)形圈，繞組13為周向纏繞的集中繞組，置于雙環(huán)形圈之間。
圖6所示的電磁力執(zhí)行器定子組件的定子鐵心12具有兩個環(huán)形凸極鐵心，繞組13為繞環(huán)狀凸極鐵心纏繞的集中繞組。各繞組之間可以串聯(lián)也可以并聯(lián)連接。
圖7所示的電磁力執(zhí)行器定子組件的定子鐵心12為四個沿周向分布的圓柱狀凸極鐵心，繞組13為繞圓柱狀凸極纏繞的集中繞組。各繞組之間可以串聯(lián)也可以并聯(lián)連接。
在圖6所示的部分環(huán)狀或者圖7所示的多個凸極結(jié)構(gòu)中，所述的定子結(jié)構(gòu)可以是整體式，也可以是可拆卸的分開式結(jié)構(gòu)。
9
權(quán)利要求
1. 一種主動控制船艇螺旋槳推力脈動的方法，其特征在于通過安裝在船艇推進軸系上的軸向推力或軸向振動測量系統(tǒng)(1)來測量船艇螺旋槳軸向推力的脈動，或測量船艇推進軸系軸向振動位移、速度或加速度的大?。挥赏屏γ}動控制器(2)根據(jù)船艇螺旋槳軸向推力脈動的大小，或船艇推進軸系軸向振動的位移、速度或加速度的大小，計算出需要在船艇推進軸系上施加的控制力，并向功率放大器(3)發(fā)出控制信號，功率放大器(3)對控制信號進行放大，再通過安裝在船艇推進軸系上的非接觸式電磁力執(zhí)行器(4)在船艇推進軸系上產(chǎn)生所需要的軸向控制力，對船艇螺旋槳推力脈動進行控制和補償，減小船艇螺旋槳推進力脈動對船艇振動的影響。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的主動控制船艇螺旋槳推力脈動的方法，其特征在于推力脈動控制器(2)是基于將推進軸系的軸向振動簡化為一個單自由度的模 型，利用推進軸系上的測量系統(tǒng)(l)測量到的軸向推力，或軸向振動的位移、速 度或加速度，按照下列方法來計算船艇推進軸系上施加的控制力如果船艇螺旋槳軸向推力是直接由安裝在船艇推進軸系推力軸承位置的測 量系統(tǒng)(l)測量的，那么需要在船艇螺旋槳軸向施加的軸向控制力/W)的計算公 式為其中4L(/)為船艇推進軸系軸向力波動的測量值；如果測量系統(tǒng)測量的是船艇推進軸系軸向振動的動態(tài)位移則需要在 船艇螺旋槳軸向施加的軸向控制力/力)的計算公式為其中《,=4》-做.2"2)2+(—2 ，《,=《,,-A， 4,,和《,,分別為推進軸系軸向動態(tài)位移&(/)的第z'階諧波的幅值和相位角，^ = 27^為船艇螺旋槳軸系旋轉(zhuǎn)的角 頻率，w為船艇螺旋槳軸系轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)速(rpm);如果測量系統(tǒng)測量的是船艇推進軸系軸向振動的動態(tài)速度位移、(/)，則需 要在船艇螺旋槳軸向施加的軸向控制力/￡W的計算公式為其中巧=勾(*_附~2)2+(由)2 ，《=^ +《,-A，《和《,分別為推進軸系軸向動態(tài)速度^W的第z'階諧波的幅值和相位角；如果測量系統(tǒng)測量的是船艇推進軸系軸向振動的動態(tài)速度位移JiU,)，則需 要在船艇螺旋槳軸向施加的軸向控制力/^)的計算公式為60其中^;二；^(A:-附,^2)2+(d必)2 ，《="+《，-《，A,和《，分別為推進軸系軸向 (/") , , ,動態(tài)加速度^(0的第/階諧波的幅值和相位角。
3. 用于實現(xiàn)權(quán)利要求1所述的主動控制船艇螺旋槳推力脈動方法的裝置， 包括主機(5)、船艇推進軸系推力軸承(6)、中間軸承(7)、螺旋槳軸承(8)和螺旋 槳(9)，其特征在于還包括測量船艇推進軸系軸向推力或軸向振動的測量系統(tǒng) (1)、推力脈動控制器(2)、功率放大器(3)和非接觸式電磁力執(zhí)行器(4)。非接觸 式電磁力執(zhí)行器(4)包括導(dǎo)磁材料制成的環(huán)形推力盤(10)和由繞組(13)和定子鐵 心(12)組成的定子組件(11)，測量系統(tǒng)(1)固定在推力軸承(6)上，非接觸式電磁 力執(zhí)行器(4)的磁性推力盤(10)緊固在推力軸承(6)和螺旋槳(9)之間的推力軸(14) 上，隨推力軸一起旋轉(zhuǎn)，定子組件(ll)固定在推力軸系的基礎(chǔ)上，測量系統(tǒng)(l) 的信號輸出端與推力脈動控制器(2)的輸入端相連，推力脈動控制器(2)的輸出端 與功率放大器(3)的輸入端相連，功率放大器(3)的輸出端與非接觸式電磁力執(zhí)行 器(4)定子組件的繞組(13灘連。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于功率放大器(3)是線性功率放大器或開關(guān)功率放大器。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其特征是定子組件(ll)有兩個，對稱位于磁 性推力盤(10)的兩側(cè)；或定子組件(ll)為一個，位于磁性推力盤(10)的一側(cè)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其特征是定子鐵心(12)為同心式雙環(huán)形圈， 繞組(13)為集中繞組，置于雙環(huán)形圈之間。
7. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其特征是定子鐵心(12)具有數(shù)個環(huán)形凸極， 凸極上繞有集中繞組(13)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其特征是定子磁鐵(12)為數(shù)個圓柱狀凸極結(jié) 構(gòu)，圓柱狀凸極上繞有集中繞組(13)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種主動控制船艇螺旋槳推力脈動的方法和裝置，其特征在于通過安裝在船艇推進軸系上的軸向推力或軸向振動測量系統(tǒng)來測量船艇螺旋槳軸向推力的脈動或推進軸系軸向振動的大小，根據(jù)船艇螺旋槳軸向推力脈動或推進軸系軸向振動的大小，由推力脈動控制器計算出為了消除推力脈動需要在船艇推進軸系上施加的控制力的大小，然后通過功率放大器對推力脈動控制器的信號進行放大，再通過安裝在船艇推進軸系上的一個非接觸式電磁力執(zhí)行器在船艇推進軸系上產(chǎn)生所需要的軸向控制力，來對船艇螺旋槳推力脈動進行控制和補償，從而達到減小船艇螺旋槳推進力脈動對船艇振動的影響。
文檔編號B63H5/07GK101456445SQ200810164209
公開日2009年6月17日 申請日期2008年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月31日
發(fā)明者祝長生 申請人:浙江大學