輪緣驅(qū)動推進(jìn)器的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀

邱鵬 鄭高

摘? ? 要：輪緣推進(jìn)器是近年來出現(xiàn)的一種新型組合式特種推進(jìn)器，它的最大特點(diǎn)是借助電流作用實(shí)現(xiàn)無軸驅(qū)動，改變了傳統(tǒng)軸系驅(qū)動螺旋槳的推進(jìn)方式。無軸輪緣推進(jìn)器對降低軸系建造成本、增大艙容、減小振動與噪聲等方面具有突出的優(yōu)勢，特別適用于魚雷、潛艇、軍艦等艙容有限及隱蔽性要求高的應(yīng)用對象。本文在介紹輪緣驅(qū)動推進(jìn)器的基本結(jié)構(gòu)和優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)總結(jié)了該種推進(jìn)器的性能及研究現(xiàn)狀，為進(jìn)一步的深入探討提供參考意見。

關(guān)鍵詞：無軸;組合式;輪緣驅(qū)動;性能

中圖分類號：U661.31 ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

bstract： The Rim Driven Thruster （RDT） is a newly developed combined unconventional propulsor， which has changed the traditional ship transmission approach from shaft driving to shaftless rim driving by the action of current. The RDT has a prominent advantage in reducing shaft construction costs， increasing capacity as well as reducing vibration and noise， which is especially suitable for application objects with limited cabin capacity and high stealthy performance， such as torpedo， submarine， warships， etc. Based on the introduction of the basic structure and advantages of the propeller， the paper summarizes the current research status of performance analysis and provides reference for further in-depth discussion.

Key words： shaftless; combined; rim drive; performance;

1? ? 引言

隨著海上貿(mào)易的日益繁榮，船舶的運(yùn)輸量和噸位不斷增大，要求大型船舶主機(jī)提供更大的功率，現(xiàn)行船舶采用的推進(jìn)裝置系統(tǒng)已難以滿足發(fā)展需求，并逐漸凸現(xiàn)出傳統(tǒng)推進(jìn)系統(tǒng)的不足，主要表現(xiàn)為：（1）船舶傳統(tǒng)推進(jìn)系統(tǒng)主要由主機(jī)、軸系、推進(jìn)器等組成，主機(jī)功率的增大會帶來主機(jī)體積的增加和軸系長度的加長，使船艙空間利用率減少;（2）隨著軸系長度的增加，結(jié)構(gòu)也日漸復(fù)雜化，建造和設(shè)計成本劇增;（3）軸系過長對主機(jī)傳輸?shù)酵七M(jìn)器的能量效率降低，同時會帶來更多的軸系振動和噪聲等危害。

伴隨著半導(dǎo)體技術(shù)、微機(jī)技術(shù)以及永磁電機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，船舶采用電力推進(jìn)器為解決上述存在的問題提供了可能。上世紀(jì)80年代的吊艙推進(jìn)器就是一種電力推進(jìn)器，它主要是將推進(jìn)電動機(jī)安放在水下箱體內(nèi)直接給螺旋槳提供動力，這種設(shè)計減少了軸系的復(fù)雜性、增加了艙容利用率，同時也提高了船舶操縱性能。

近年來，一種更先進(jìn)的船舶電力推進(jìn)器—輪緣驅(qū)動推進(jìn)器[1]（RDT）成為了船舶領(lǐng)域的研究新課題，它在一定程度上是導(dǎo)管槳和吊艙推進(jìn)器的結(jié)合體。典型的輪緣驅(qū)動推進(jìn)器，如圖1所示。它是一種新型組合式特種推進(jìn)器，最大特點(diǎn)是借助電流作用實(shí)現(xiàn)無軸驅(qū)動，改變了傳統(tǒng)軸系驅(qū)動螺旋槳的推進(jìn)方式。輪緣驅(qū)動推進(jìn)器對降低軸系建造成本、增大艙容、減小振動與噪聲等方面具有突出的優(yōu)勢，特別適用于魚雷、潛艇、軍艦等艙容有限及隱蔽性要求高的應(yīng)用對象。

2? ? 基本結(jié)構(gòu)和優(yōu)勢

輪緣驅(qū)動推進(jìn)器主要由導(dǎo)管、電機(jī)、鐵芯、線圈、永磁磁體轉(zhuǎn)子和槳葉等部件組成，如圖2所示。其中電機(jī)、鐵芯及線圈作為定子安放在導(dǎo)管內(nèi)腔中，永磁磁體作為轉(zhuǎn)子安放在螺旋槳葉梢部以環(huán)的形式出現(xiàn)，導(dǎo)管內(nèi)部和環(huán)轉(zhuǎn)子之間存在一定的間隙，兩者間靠齒輪磨合進(jìn)行連接。

輪緣驅(qū)動推進(jìn)器與傳統(tǒng)推進(jìn)器最大的不同點(diǎn)是：它完全取消了軸系，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)和螺旋槳的一體化，永磁磁極和電機(jī)定子之間通過相互切割磁感線的電流作用來驅(qū)動螺旋槳槳葉旋轉(zhuǎn)，以徑向連接取代以往的軸向連接方式。因其特殊的結(jié)構(gòu)型式，輪緣驅(qū)動推進(jìn)器又被稱為梢部推進(jìn)器、無軸推進(jìn)器、集成電機(jī)推進(jìn)器等。

從結(jié)構(gòu)型式上可以將輪緣驅(qū)動推進(jìn)器分為有槳轂型和無槳轂型，如圖3所示。有槳轂的輪緣驅(qū)動推進(jìn)器，其槳轂并不起到驅(qū)動螺旋槳轉(zhuǎn)動的作用，而是對槳葉結(jié)構(gòu)強(qiáng)度起到加固的作用，同時也方便定位螺旋槳槳葉的安裝;無槳轂的輪緣驅(qū)動推進(jìn)器由于沒有槳轂的存在，在流場結(jié)構(gòu)上與常規(guī)推進(jìn)器有所區(qū)別，對槳葉葉根處也可以不考慮連接槳轂時的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度問題，因此在槳葉幾何設(shè)計方面更具有靈活性。

輪緣驅(qū)動推進(jìn)器作為一種新型組合式電力推進(jìn)器，與傳統(tǒng)的導(dǎo)管槳、吊艙推進(jìn)器等相比，表現(xiàn)出以下優(yōu)點(diǎn)：（1）使船舶建造成本和難度明顯降低，艙容利用率增大;（2）使振動和噪聲大大降低，有助于提高潛艇、軍艦等的隱身性能;（3）使船舶在軸系上傳遞的能量損耗消失，有利于提高推進(jìn)效率;（4）使船舶的尾部型線能夠得到更好地優(yōu)化，改變尾部流場、減少船舶阻力[2];（5）具有與吊艙推進(jìn)器同樣好的操縱性。

3? ?RDT應(yīng)用現(xiàn)狀

無軸輪緣驅(qū)動推進(jìn)器最早是由美國海軍水下作戰(zhàn)中心在Tango Bravo計劃中提出來的，并被認(rèn)為是潛艇發(fā)展的重要技術(shù)突破點(diǎn)。由于具有噪聲低和振動小等優(yōu)勢[3]，輪緣驅(qū)動推進(jìn)器非常適合應(yīng)用于魚雷和核潛艇等隱蔽性要求高的軍事領(lǐng)域。通用動力電船公司已在上世紀(jì)90年代設(shè)計了一組梢部驅(qū)動吊艙推進(jìn)器，并進(jìn)行了試驗研究，研究表明梢部吊艙推進(jìn)器的敞水效率要比槳轂驅(qū)動的吊艙推進(jìn)器高5%～10%左右;之后該公司在2002年又和賓夕法尼亞州立大學(xué)應(yīng)用研究試驗室合作，設(shè)計了以巴拿馬船為使用對象的輪緣驅(qū)動推進(jìn)器;隨后又把美國海軍退役的小水線面雙體船SES-200（船長48.8 m、寬13.l m、吃水5.6 m、滿載排水量340 t）作為應(yīng)用對象，設(shè)計了一型輪緣驅(qū)動推進(jìn)器用于輔助推進(jìn)，對推進(jìn)器的電磁特性、噪聲、效率、結(jié)構(gòu)安全性等方面進(jìn)行了評估，并完成了海試工作;2005年美國Schilling Robitics 公司開發(fā)了無軸輪緣驅(qū)動推進(jìn)器，葉數(shù)達(dá)到9葉;同年挪威Brunvoll公司也開發(fā)了7葉輪緣驅(qū)動推進(jìn)器，并根據(jù)電機(jī)尺寸及安裝位置優(yōu)化了導(dǎo)流罩，以此來降低振動和噪聲。此外，國際上的其它船用推進(jìn)器供應(yīng)商（如Rolls-Royce、Voith和Schottel等），也都先后開發(fā)了輪緣驅(qū)動推進(jìn)器系列產(chǎn)品。

4? ?RDT性能數(shù)值模擬研究現(xiàn)狀

由于輪緣驅(qū)動推進(jìn)器結(jié)構(gòu)型式、傳動型式的復(fù)雜性，在模型試驗中實(shí)現(xiàn)無軸電磁驅(qū)動槳葉具有很大的難度，因此對輪緣驅(qū)動推進(jìn)器的水動力性能大多以數(shù)值模擬為主。Yakovlev[4]等通過權(quán)衡螺旋槳效率及空泡性能，設(shè)計了有槳轂和無槳轂的輪緣驅(qū)動推進(jìn)器，采用有限元分析方法對其葉片強(qiáng)度進(jìn)行分析，并進(jìn)行了模型試驗驗證。模型試驗中，對于無槳轂輪緣驅(qū)動推進(jìn)器并不是采用真正意義下的葉梢驅(qū)動方式，而是采用細(xì)小的前置支架來近似模擬，如圖4所示。研究結(jié)果表明，在同一進(jìn)速系數(shù)下，無槳轂輪緣驅(qū)動推進(jìn)器的推力和扭矩都大于有槳轂的輪緣驅(qū)動推進(jìn)器;Dr.Steph A.Huyer[5]對泵噴推進(jìn)器，采用Fluent流體軟件對推進(jìn)器性能進(jìn)行了數(shù)值計算，討論了導(dǎo)管幾何形狀、前置定子及后置轉(zhuǎn)子等對性能的影響，得到一系列有用的結(jié)論;Aleksander J.Dubas[6]等利用openform軟件對輪緣驅(qū)動推進(jìn)器的前置定子與螺旋槳之間的耦合影響進(jìn)行了定常與非定常分析。在定常分析時采用MRF模型，在非定常時采用滑移網(wǎng)格來模擬流場。結(jié)果表明，非定常下的瞬態(tài)計算結(jié)果更有利于描述定轉(zhuǎn)子之間的相互干擾。同時提出在低進(jìn)速系數(shù)時SST k-ω模型更有利于捕捉流動分離，在高進(jìn)速系數(shù)時采用RNG k-ω 比較合適，對計算的結(jié)果也進(jìn)行了相應(yīng)的試驗驗證。

此外，汪勇[7]結(jié)合吊艙推進(jìn)器和導(dǎo)管槳的特點(diǎn)，將電機(jī)、螺旋槳推進(jìn)型式在軸向空間作了集成，并設(shè)計了新一代集成電機(jī)推進(jìn)器;曹慶明[8]對于梢部圓環(huán)扭矩在推進(jìn)器總扭矩中的貢獻(xiàn)進(jìn)行了理論分析，提出了經(jīng)驗公式用于近似估算環(huán)轉(zhuǎn)子扭矩大小，并對無轂型式輪緣驅(qū)動推進(jìn)器提出了兩種試驗方案，對以后的試驗安排有一定的參考作用;郭婷[9]等利用Fluent軟件對集成電機(jī)推進(jìn)器性能做了研究，對數(shù)值模擬時用到的三維建模方法、邊界條件設(shè)置、網(wǎng)格劃分等做了詳細(xì)的介紹，同時對導(dǎo)管幾何形狀作了優(yōu)化設(shè)計，討論了不同導(dǎo)管形狀對水動力性能影響，并對計算結(jié)果進(jìn)行了試驗驗證;胡芳琳[10]等利用CFD方法對輪緣驅(qū)動推進(jìn)器的敞水性能和流場結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)值分析，研究表明，輪緣驅(qū)動推進(jìn)器的推力和扭矩系數(shù)隨進(jìn)速系數(shù)的變化規(guī)律和導(dǎo)管槳非常一致;Song[11]等基于Fluent軟件，通過求解RANS方程，采用多重參考運(yùn)動模型（MRF）分別研究了兩組帶槳轂與不帶槳轂輪緣驅(qū)動推進(jìn)器的水動力特性，研究表明，在同樣轂徑比的情況下，有槳轂輪緣驅(qū)動推進(jìn)器由于槳轂的阻塞效應(yīng)，導(dǎo)管內(nèi)流速更高，其負(fù)荷低于無槳轂輪緣驅(qū)動推進(jìn)器，但槳轂本身產(chǎn)生阻力，故有槳轂輪緣驅(qū)動推進(jìn)器的效率比無槳轂輪緣驅(qū)動推進(jìn)器更低。

目前，國外針對輪緣驅(qū)動推進(jìn)器在數(shù)值仿真、模型試驗以及實(shí)船應(yīng)用方面已開展了較多的工作，部分公司也已開發(fā)了系列化產(chǎn)品，國內(nèi)這方面的進(jìn)展則相對緩慢。但總體而言，作為一種具有諸多優(yōu)勢的新型特種推進(jìn)器，無軸輪緣驅(qū)動推進(jìn)器已引起國內(nèi)外廣泛的關(guān)注。但由于問題的復(fù)雜性，對于其水動力性能方面的研究文獻(xiàn)并不多見，且大多數(shù)研究工作基于數(shù)值計算方法開展，模型試驗工作屈指可數(shù)，因此尚有待于進(jìn)一步的研究探索。

5? ?結(jié)束語

輪緣驅(qū)動推進(jìn)器作為一種新型組合式電力推進(jìn)器，與傳統(tǒng)的導(dǎo)管槳、吊艙推進(jìn)器等相比，在模塊化集成、節(jié)省船舶艙室空間、提高推進(jìn)系統(tǒng)工作效率、減振降噪等方面具有優(yōu)勢，可應(yīng)用于運(yùn)輸船舶、海洋裝備、潛艇、魚雷和水面艦船等，具備廣闊的軍民融合前景。本文介紹了輪緣驅(qū)動推進(jìn)器的發(fā)展應(yīng)用和數(shù)值模擬研究現(xiàn)狀，為下一步該種推進(jìn)器的模型試驗和數(shù)值模擬的深入研究提供了參考價值。

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