无轴推进电机技术应用研究

对可用于水面及水下航行器无轴推进系统4种推进电机工作原理、特点、转矩强度、电力变换器要求、声学性能等技术方面的研究分析比较,得出采用交流永磁同步电机是当前无轴推进器应用的最佳选择。

轮缘驱动无轴推进器冷却方案设计与多物理场耦合计算

针对轮缘驱动无轴推进器中集成化永磁电机的散热问题,设计了自然循环的海水冷方案,即在无轴推进器桨叶的前、后端开槽,并与电机定、转子间的气隙连通,形成闭合的、与推进器进出流方向相反的自然水循环通道,冷却通道的流量由推进器桨叶前后截面的压力差、气隙的高度等参数决定。文章基于有限元方法计算了永磁推进电机的电磁性能,并采用有限体积法对轮缘驱动式集成化永磁电机推进器的冷却方案进行了电磁场、温度场与流场的耦合计算,校验了集成化永磁推进电机冷却方案的有效性。

船舶无轴推进器中旋转型水润滑橡胶支撑轴承最大位移量研究

旋转型水润滑橡胶支撑轴承运行时的固有跳动现象,会使永磁电机的电磁气隙产生随动变化,导致动偏心问题。为了减少这种动偏心现象对推进器振动噪声的不良影响,将旋转型水润滑橡胶轴承跳动所导致的最大位移量限定在电磁气隙的5%以内,提出了一种设计和验证方法。文章以某型船舶无轴推进器中旋转型水润滑橡胶支撑轴承最大位移量0.4 mm为主要设计目标,通过有限元仿真计算得出在极端干摩擦工况下最大位移量为0.36 mm,搭建新型实验平台,试验验证测得最大位移量为0.28 mm。仿真值与结果表明设计轴承达到设计指标,文中设计方法有效可靠,为设计旋转型水润滑橡胶轴承提供了科学依据。

基于ANSYS的无轴推进器模态及谐响应分析

为了分析无轴推进器机械结构本身的振动特性,在对无轴推进器三维模型进行合理简化的基础上,借助有限元分析软件ANSYS Workbench进行无轴推进器的模态分析;在得到整机固有频率以及相关振型的基础上,进行无轴推进器的谐响应分析,分析在一定范围内激励载荷作用下整机的响应情况。研究结果表明:无轴推进器整机除刚体模态外最小固有频率为80.23 Hz,高阶模态基本为桨叶局部模态,桨叶本身出现扭转、摆动等振型;在无轴推进器整机第2阶固有频率附近应力、变形以及振动加速度频谱图均出现峰值,以桨叶为例,最大幅值依次为0.37 MPa、12.57 mm、3.2×10^(6) mm/s^(2),因此在实际运行中需要避免在80 Hz附近以及高频负载下工作,为整机性能预测和优化提供了依据。

无轴推进电机技术应用研究

随着现代科学技术的不断发展,一些新兴的管段技术也开始发展起来。一些可用于市面和水下的航行器的动力传输系统也在不断的发展起来,这其中就包括先进的无轴推进系统,本文通过对无轴推进系统中的电机的重要方面的研究于比较,从而其中得出只有交流永磁同步电机才能胜任无轴推进系统的动力供应的工作。

叶片数对无轴泵喷推进器性能的影响

为丰富无轴泵喷推进器噪声性能优化理论,研究了叶片数对无轴泵喷推进器性能的影响,重点探究了不同叶片数下无轴泵喷推进器内的压力脉动变化规律。基于计算流体力学中的有限体积法离散RANS方程,应用RNG k-ε湍流模型封闭计算模型,采用SIMPLEC进行压力-速度耦合,对不同叶片数下的无轴泵喷推进器内部流场进行了非定常数值模拟计算,并对计算结果进行了详细的对比分析。研究结果表明:随叶片数的增加,无轴泵喷推进器模型的扬程、效率和推力均逐渐增大,叶片表面压力分布更加均匀,叶轮轮缘和中部的压力脉动均明显降低,叶轮进出口主频处的压力脉动幅值从轮缘向中心逐渐减小。

轮毂比对无轴泵喷推进器性能的影响

为了探究轮毂比对无轴泵喷推进器内流特性的影响,本文基于RNG k-ε湍流模型和多重坐标系对无轴泵喷不同轮毂比(0.20、0.23、0.25)下的内部流动进行了非定常数值计算与分析。结果表明:随着轮毂比的增大,模型泵喷扬程、效率和推力均有所降低;叶片表面压力从叶梢到轮缘的压力梯度变小;叶轮中部速度略微减小,叶轮中心速度逐渐增大;叶轮出口漩涡强度先增强后减弱,漩涡面积朝着出口延长段出口逐渐扩大;叶轮中部压力脉动略微增大,叶轮轮缘和中心处压力脉动变化较小。无轴泵喷进口和出口中心处的主频略低于轴频,其余各点主频为轴频。轮毂比增加至0.25时,叶轮出口及出口延长段中心压力脉动主频处幅值大幅增加。研究结果能够为无轴泵喷推进器结构的优化设计提供一定参考。

无轴轮缘推进器流热耦合研究

无轴轮缘推进器将永磁电机与螺旋桨集成一体,螺旋桨旋转时对电机电磁损耗与流场换热特性产生影响,进而改变各部分的温度分布。采用有限元法(FEM)计算推进电机的电磁损耗,采用有限体积法(FVM)建立流体场和温度场仿真模型,对推进器的电磁-流-热耦合问题进行仿真分析。通过对比仿真和试验结果,验证了流热耦合仿真方法的有效性。在此基础上,推导了螺旋桨转速与集成电机的损耗关系,并利用仿真模型分析了在不同进速系数、不同转速、不同间隙下推进器电磁损耗及流体场对推进器散热的耦合影响。结果表明,外域水流对推进器的温升影响较小,当间隙流速达到一定程度时散热减缓;推进器螺旋桨转速与集成电机电磁损耗存在幂次方关系;推进器主要靠间隙流体的流动带走热量,间隙大小会影响推进器散热,应合理选择推进器间隙尺寸。

基于STAR-CCM+的无轴轮缘推进器水动力性能分析

无轴轮缘推进器(RDT)是一种振动噪声低、推进效率高的集成式电机推进器,具有广阔的应用前景,对其开展水动力研究有重要意义。本文基于STAR-CCM+,采用Realizablek k-ε模型完成RDT水动力性能的仿真计算,并将计算结果分别与RDT模型的实验结果和常规导管桨的敞水性能CFD值进行对比分析。

无轴轮缘推进系统的研究现状与展望

无轴轮缘推进系统是近年来提出并发展的一种全新的船舶推进方式,它打破了常规的思维方式和推进模式,将电机与推进器集成一体,有效地减少了推进系统占用的船舱,提高了空间利用率,增加了船舶的推进效率,减少了振动与噪声,保证了舰船的隐蔽性.在军事和民用领域都具有极高的应用价值和广阔的市场前景.在介绍无轴轮缘推进系统的基本原理和结构,以及发展现状和关键性技术的基础上,总结了无轴推进系统的主要特点和发展前景.

无轴推进电机技术的发展

航行器的的水下驾驶技术是其先进性能的重要因素。没有电力推进技术的支持,许多先进的战斗思路和战术是无法实现的。无轴推进技术消除了传统的推进驱动轴,这将促进电机和螺旋桨的整合,可以充分利用电气和海水接触,散热效果好,有效地节省了水下机舱空间,地面和水下航行器的动力推进系统。

无轴轮缘推进器电机与水力部件耦合优化设计研究

针对目前无轴推进器电机与水力部件设计时多未考虑两者耦合的问题,本文提出两者耦合的优化设计方法。采用多参数非线性优化方法,基于电机和导管螺旋桨设计理论公式,并考虑无轴推进器电机转子的直径等同于螺旋桨内径加上叶梢间隙,以及螺旋桨输出转矩加上间隙的摩擦转矩值作为电机输入转矩的关系,建立了一种新型优化设计模型,通过优化方法进行迭代分析,利用5.5 kW无轴推进器进行方法验证。研究结果表明,所提出的优化方法有效地考虑了无轴推进器电机与水力部件的耦合关系,可对推进器效率进行综合优化。

潜艇无轴泵喷推进器水下辐射噪声数值预报及分析

文章以某小艇无轴泵喷推进器为对象,采用"CFD+BEM"方法预报了其单部件和整体水下辐射声场,对各单部件噪声在各阶叶频处的指向性及典型测点处500 Hz以内的频谱进行了分析,并对由泵喷单部件综合推导得出的泵喷噪声宽带声压级(500Hz以内)与泵喷整体数值计算结果进行了分析对比。研究表明:在1-4倍叶频中转动部件的环状转子和静止部件径向声压级均大于轴向,叶轮径向声压级小于轴向,三者均呈"8"字形分布,静止部件声压级明显小于转动部件。三个监测点中所有单部件在1倍叶频处声压级大于其它倍叶频,随频率升高声压级总体趋势下降,最终轴向、径向及两者之间45°夹角处测点的声压级波动范围基本相同。单部件综合推导得出的宽带声压级(500 Hz以内)与泵喷整体数值计算结果吻合较好,指向性为规整的"8"字形。

无轴泵喷推进器敞水特性

无轴泵喷推进器是一种新型集成电机推进装置,其融合了无轴推进和泵喷推进技术的特点。为研究无轴泵喷推进器与常规推进器的水动力性能差异,采用流体数值计算手段,对比分析某无轴泵喷推进器样机与机械式泵喷推进器、E779A螺旋桨的水动力性能,并分析无轴泵喷推进器水动力效率的定义方式。通过设计的试验台架完成了无轴泵喷推进器样机的性能测试,并验证了数值计算结果的有效性。研究结果表明,无轴泵喷推进器最高敞水效率达到了0.662,低于常规螺旋桨,但其高效的进速系数区间远大于常规螺旋桨,能够在更多的工况下高效运行。

基于CFD的无轴喷水推进器水动力性能分析

喷水推进器以其优良的机动性、抗空化能力和低噪声等优点,在中、高速船艇上有着广泛应用。从弯道出流均匀度、流动分离情况、压力分布情况以及功率转化率等4个方面,对比无轴和有轴2种喷水推进器的进水流道水动力学性能。通过建立整个流场的三维模型,并借助CFD软件进行水动力学对比分析。结果显示,在外形尺寸和运行工况相同条件下,无轴喷水推进器的叶轮转矩较有轴喷水推进器小6.9%,而喷嘴出口流量前者比后者高出15.93%,表明无轴喷水推进器流动损失更小、效率更高。进一步改变无轴喷水推进器不同纵倾角进行对比,发现随着纵倾角的增加,喷口流量水平分量先增加后减小,在纵倾角为20°时达到峰值。

无轴轮缘推进器内置电机防护材料与防护工艺综述

无轴轮缘推进器采用永磁电机-螺旋桨-舵一体化设计,取消了传统轴系推进器的传动轴等结构,在节省安装空间、提高推进效率和减振降噪的同时,也面临着电机水下防护难题。分析了其内置电机的防护需求;讨论常用防护材料的优缺点;此外,介绍了电机转子和定子的防护层制造工艺;最后总结了目前防护材料及工艺的不足,提出需要进一步研究的重点和目标。

叶片安放角对无轴泵喷推进器性能的影响

为揭示叶片安放角对无轴泵喷推进器运行特性的影响规律,采用计算流体动力学方法对无轴泵喷推进器在不同叶片安放角内部流动进行了数值模拟,分析了泵外特性、推力、内部流场分布以及压力脉动的变化规律。结果表明:设计工况下随着叶片安放角的增大,模型泵喷扬程和推力逐渐增大,效率逐渐降低,相较于叶片安放角0°,叶片安放角为+4°时扬程增大5.99%、推力增大2.08%、效率降低7.6%;叶片进口边压力明显下降,叶轮内流体流速逐渐减小,叶轮出口漩涡强度逐渐增强,漩涡面积减小;叶片安放角的变化对于泵喷内压力脉动的主频没有影响,但对主频处的幅值具有明显的影响,尤其是轮缘和流道中部压力脉动。研究结果对于低噪声无轴泵喷推进器的设计具有一定的参考价值。

无轴轮缘推进器水动力性能分析及桨叶强度校核

基于CFD数值计算,计算某无轴轮缘推进器轮缘内外表面、前后端面的摩擦扭矩值,并与经验公式值进行对比,结果表明,轮缘总摩擦扭矩与经验公式值的误差在1.3%之内。通过采用相同的方法计算JD75+Ka4-70导管桨的水动力性能,并与试验值进行对比,验证该方法的正确性。在此基础上,通过单向流固耦合方法对桨叶的结构强度进行计算分析,并对原型桨的桨叶厚度分布进行改变,分析桨叶厚度分布改变对无轴缘推进器水动力性能及桨叶强度的影响。结果表明:再设计桨的质量、推力、扭矩均有所下降,效率提高了2.1%。虽然桨叶最大变形量及最大等效应力均有所增加,但仍满足强度要求。在满足强度要求的条件下,可以通过有限元计算方法选择较为合适的桨叶厚度分布,提高无轴轮缘推进器的敞水效率。

无轴轮缘推进器的间隙流动功耗与散热

针对间隙流体的摩擦功耗及其对电机散热的影响问题,利用流体计算软件FLUENT计算不同结构参数和工况参数下间隙内的摩擦扭矩变化,并与经验公式得出的结果进行对比分析,结果显示两者相吻合。对考虑电机发热因素间隙流体的温度场分布进行数值计算,分析不同参数对间隙流体温度分布的影响规律。研究结果表明:轴向和径向间隙尺寸越大,间隙流体摩擦功耗均越大,但增大间隙尺寸对电机散热有利,因此间隙尺寸设计需综合考虑功耗、散热和磁场强度等;间隙尺寸和水流速度等是影响间隙流道温度场分布的关键因素,推进器工作产生的推力导致转子轴向移动,间隙流道功耗随之增加,温度场分布也发生变化。

船舶无轴轮缘推进动态特性数值研究

基于数值方法对船舶无轴轮缘推进动态特性开展研究。首先,基于CFD方法获取无轴轮缘推进器敞水性能,基于切比雪夫多项式拟合获得了无轴轮缘推进器四象限性能曲线。然后,构建船-桨耦合动态仿真数学模型以及开发仿真程序。最后,通过算例对无轴推进船舶典型的起动和停机的动态特性仿真,与试验对比验证方法的有效性。与传统推进对比表明:无轴轮缘推进器超载力矩更低、响应更快。本文研究可为无轴轮缘推进器的设计提供指导,提升船舶采用无轴轮缘推进机动性能和可靠性。