新型 XL 推进器的功能概念是基于泵喷功能。下列文章将介绍ABB 如何开发概念以及如何借助模型测试和CFD（计算流体力学）对功能进行验证。根据结果进一步开发了主体形式以提供最优性能。同时，使用通过 CFD 作为输入得到的 FEM （有限元法）计算对强度进行了调查，以给出最佳的实际操作条件模型。
介绍
鉴于现有吊舱推进概念的开发，结论是现有吊舱配置仅可以进行有限的改进。为此，ABB 于2014 年启动新的调研项目，以调查新的推进概念，看看是否存在某些优势可以开发到新的推进概念里面。这些概念的其中一个就是线型喷射推进概念。这个概念将在本文章中作进一步探讨。
背景和概念
流线型推进的基本概念是配备加速液流流向转子的导管。另一方面，转子在顶部可以受到更多负荷，并在加速来自导管的轴向进流中发挥额外的作用。转子后，定子叶片矫直液流，利用原本会流失到液流的旋流。
推进装置可采取将定子叶片置于转子之前或之后的方式，取决于整体结构的建立方式。例如，在造船应用中，自上世纪六十年代起，人们一直研究和实施推进系统。传统上，该概念被用作推进结构（鱼雷和潜艇推进），即定子叶片位于转子之前。
基本研究
初次概念评估由克雷洛夫国家科研中心（Krylov）代表 ABB 执行。初次预估针对预定在设计速度为 25 节的船舶运行的 17.5 MW 设备。基础设计根据敞水条件进行，其中伴流场仅被视为轴向分量。然而，初次预估是对概念的推进或拖拉版本进行决策。结构差异在于在拖拉结构中，转子位于定子之前，而在推进结构中，转子位于定子之后。
初次预估针对单独配置喷嘴的转子。为此，在计算中增加定子叶片组，其中目的在于最后分量没有旋涡。然后按不同转速和转子直径对这些概念进行计算，其中变量因素为转子节距（见如图 1 所示示例）。优化例程的结果是拖拉方案显示比推进方案优数个百分点。此外，对两个概念的叶面比进行了调查。这是基于空化出生风险。基本概念是两种方案必须达到空化出生余度。通过计算比较，结论为推进型概念需要更高的叶面来满足空化出生标准。
根据 Krylov 的喷嘴设计经验选出最佳喷嘴尺寸。他们根据系列模型建立构想，其中，喷嘴尺寸为总直径变量和轮毂在喷嘴不同位置的横截面直径变量。
根据基础研究，ABB 选择了采用优化转子和喷嘴配置的拖拉型结构推进系统，尽管这样会增大处理装置固定块的整体受力和力矩的难度。作出这种选择纯粹是从水动力学的角度考虑。
由 ABB 提供吊舱主体的 3D 模型给 Krylov 进行初次 CFD （计算流体动力学）全尺寸计算，让概念推进系统对预估性能作出验证。从计算结果看，节距略低，但在进行模型测试之前是准确的。模型测试也是Krylov 试验室中进行。
初次 CFD 计算的结论表明，预估全尺寸效率约为0.72。根据模型测试，当时预估的全尺寸效率为 0.71，也就是，考虑到当时无适用于概念推进系统的缩放方法，此预计值基本上符合 CFD 计算的结论。当时，由 Krylov 根据其早期在吊舱式推进方面的经验进行缩放，即假定推进部件（转子、喷嘴和定子叶片）在全尺寸的比例阻力和模型尺寸的比例阻力相同。在空化试验方面，间隙空化仅在设计预设值前出现，在设计预设值后，部分压空化出现。
优化和验证
从基本案例中可看出，可在首轮优化中对下列问题进行改进，并且应针对新型概念推进系统优化吊舱主体。在首轮优化中，吊舱主体几乎完全模仿Azipod® XO系列推进器的吊舱主体。当在吊舱前端引入喷嘴时，转向力受到影响十分显著，从而使整个吊舱的转向轴发生前移（因喷嘴长度原因，轴线变长）。此外，初次设计研究显示，吊舱支柱和喷嘴之间的间隙增大，从而使转向轴无需向前移动，因此，考虑到两个边界因素，上部吊舱主体必须进行优化。为了获得最佳的转向力平衡，鱼雷状部分末端同样安装小型鳍，以在较大的转向角下提供平衡力。此外，轴线较长，使鱼雷状主体比起当前型号较纤细，然而，必须注意吊舱的总旋转半径不得变得太大。
由于吊舱体是 ABB 提供，因此，其优化完全由 ABB决定。最后，ABB 决定由荷兰海事研究所(MARIN)对优化的吊舱进行验证而非由 Krylov，这样做的主要原因是让第三方参与并开发新概念推进系统的缩放方法，同时，让 Krylov 继续研究多部件系统的数值优化例程，其中，多部件系统由安装到吊舱外壳的被动件和主动件组成。
为了开发新型吊舱体，ABB 利用内部 CFD 和 FEM 计算得到优化形式，并在随后将其应用于接下来的模型试验。这些计算的利用方式是将 CFD 计算的结果输入到 FEM 计算中。不同的运行场景包括不同船速下的稳态向前运行以及倾斜运行。所研究的船舶结构的修正包括方位轴位置、斜撑设计、鳍位置、定子与转子叶片数之间的相关性以及喷嘴- 转子位置的修正。
上述结果（见图 2 所）用于从强度角度在不同运行条件下对设计进行验证。同样，总体力分布，比如转向力，以及总合力图用于根据运行条件分析作用力。
推进器的数值优化例程
在ABB 对吊舱体进行开发工作的同时，Krylov 继续开发喷嘴、转子和定子组合的设计流程。马里尼奇(Marinich)、雅克列夫(Yakolev)、奥夫钦尼科夫(ovchinnikov) 和韦恩康黑莫(Veinkonheimo) 于2017 年对此作出了更为详细的描述，但综上所述，此设计流程如下：主要例程是使用 BEM （边界元法）计算喷嘴、转子和定子等推进器部件的绕流。然而，流过喷嘴的液流取决于转子受到的载荷，并且该载荷又会影响流过转子和定子叶片的液流，因此，该例程为多次迭代流程以得出相关运行点的收敛解。计算例程建立后，下一步就是如何推进不同部件的实际优化例程。先从转子入手，以便实现尽可能高的效率，同时不会影响强度或超出空化标准（其中可包括非设计工况），而且在该操作工况下仍不会超出主要的转矩边界。定子叶片的优化例程与定子相同，不同之处在于主边界不是由电机产生的转矩，但定子叶片后面的涡量必须最小化。此外，定子叶片的强度标准相对高，因其是喷嘴结构的主要支撑。在优化方面，喷嘴分为三个不同的表面：外表面、转子前内表面和转子后内表面。喷嘴优化的目的是维持流量，确保表面间圆滑过渡，消除分离。
继优化例程后，Krylov 完成案例研究。借助 CFD 计算对推进结构进行了分析，并特别注意了在一次旋转期间的喷嘴压力分布和叶片压力分布（无峰值压力）、定子叶片前后的平均流速以及部分非设计工况，以确保系统在这些工况下也发挥作用。根据基本研究的 CFD, 实现的效率为 72%, 在实行优化例程后，在CFD 计算中实现的效率为 75%，而在模型尺度试验中，实现的效率为 69%.。CFD 和模型试验之间的差异是由系统的尺度效应造成的。
缩放
如前所述，新型概念推进系统的验证试验在荷兰的Marin 完成。在试验过程中认识到的一个重大问题就是现有的缩放方法 POD-U 不足以用于新型的多部件概念推进系统。因此，Marin 和 ABB 联合开发了新的缩放方法。虽然韦恩康黑莫(Veinkonheimo)、米耶蒂宁(Miettinen) 和哈思曼(Michiel Huisman) 在2017 年对这种方法进行了介绍，但下面还是对其作出说明：假定模型试验值按照雷诺(Reynolds) 尺度效应进行校正。转子根据 ITTC ’78 校正方法就推力和力矩进行校正，但对于被动工作部件，尚无明确的方法学。由 Marin 开发的PODU-U 方法根据局部雷诺数对吊舱外壳的阻力进行校正，并导出“传统”吊舱形状的形状因子和速度分布图。然而，在这种情况中，并未得到喷嘴和定子叶片的形状因子和速度分布图。因此，在 ABB 负责模型和全尺度的 CFD 计算，Marin负责模型试验的合作中，进一步开发与 POD-U 方法所用方法学相同的方法学，以对多部件推进器进行缩放。Marine 根据 CFD 计算设计出定子、吊舱体和喷嘴的形状因子和速度分布图。喷嘴方面存在部分不一致性，因此，Marin 利用其经验得到部分合理值。此外，在模型和全尺度上使用了 Katsui 摩擦线，当在Prandtl-Sclichting 粗化板公式超越 Katsui 摩擦线的全尺度情况下，使用了较大的值。
开发表明，对于多部件推进器来说，需要这样复杂的缩放方法，因为 POD-U 方法不足以迎合比传统吊舱更大的尺度效应。
验证
为了验证 Krylov 和 Marin 所得的结果是否相同，两个单位对完全相同的几何结构进行了试验（两个单位各自制作了模型，但他们所依据的规范相同）。在15Hz 时，模型尺度的最大效率变化了 3.5%，因此，不同水池之间存在部分明显的差异。因而，必须在两个不同的知名水池中展开验证工作，以对新型概念推进器进行验证。早期指出了两个模型水池之间在“传统”吊舱外壳上存在的类似差异（2006 年内部非公开报告），但仅从吊舱制造商的角度强调开发可靠的吊舱式推进器缩放方法的重要性。
通过对上述缩放方法进行调整使之适应 Marin 测定的模型结果，并将这些结果与 Krylov 的 CFD 结果作比较，最大效率的差异降低至约 2%，这表明基于两个不同模型水池的预测在它们之间的合理相关性的范围内。
现有概念推进器的设计仅按照敞水条件进行，即在转子- 定子- 喷嘴结构的设计阶段不考虑切向或轴向尾流分量。然而，根据敞水试验得到的结果，性能结果恰好符合配备 ABB Azipod® 推进器的在建项目。在与船厂的合作中，ABB 向 Marin 订购了系列模型试验，包括自航试验和空化试验，以便与现有结构的性能作比较。从自航试验的结果看出，在设计额定功率下，船速提高了 0.33 节，符合船上推进器的 hO 值0.73。考虑到这是当前项目的非优化系统，这仅展示该系统的最小可实现优势。
在空化试验中，出现之前预期的部分吸力面空泡，因为转子不是按照正确的尾流场设计。在设计项目中，假定在设计上，转子不会发生片状空化。在空化试验过程中，同样测量船体某个位置的压力脉冲，该位置与“传统”吊舱式推进器的空化试验相同。从测量结果看出，推进器引发的压力脉冲约为“传统”吊舱式螺旋桨的测量值的 50%。转换后，该压力脉冲值同样约为 FZeg （标准）的 50%. 部分差异的原因是转子直径小于螺旋桨直径，因此，螺旋桨与船体的距离略大。此外，喷嘴在新型结构上也带来优势，特别是转子出现部分吸力面空泡，而螺旋桨几乎不出现空泡之后。
摘要和结论
本文简洁地介绍了应用于开发新型概念吊舱式推进器的开发流程。除了传统的开发工作外，开发还包括面向多部件推进器的数值优化例程及新的缩放方法。
尽管空化初生需要做大量的设计工作，但是，效率方面的水动力优势和所引发的压力脉冲显然值得去花大力气。