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无轴轮缘推进器的设计与多目标优化

无轴轮缘推进器的设计与多目标优化

作者：刘亮亮江汉大学

学位级别：硕士

本文针对无轴轮缘推进器(Shaftless Rim-driven Thruster,以下简称:RDT)的结构进行合理简化,对其螺旋桨和导管进行建模和仿真,总结分析其水动力特征和趋势,并在此基础上研究并提出RDT桨叶的结构优化策略。本文首先在传统螺旋桨的研究基... 详细信息

本文针对无轴轮缘推进器(Shaftless Rim-driven Thruster,以下简称:RDT)的结构进行合理简化,对其螺旋桨和导管进行建模和仿真,总结分析其水动力特征和趋势,并在此基础上研究并提出RDT桨叶的结构优化策略。本文首先在传统螺旋桨的研究基础上,改进有轴驱动方式,采用无轮毂型轮缘驱动,将中心轴加叶片的组合方式改变为轮缘加叶片的组合方式,并选用无刷直流电机带动轮缘,从而驱动叶片旋转。由于改变了桨叶的组合方式,为保证螺旋桨的结构强度以及水动力性能,必须要调整桨叶的厚度分布。通过重新确定桨叶厚度中心和对应置换厚度值两步操作,得到了新的桨叶厚度分布;通过三维坐标转换得到桨叶的坐标点集,据此创建出RDT的简化模型;利用STAR-CCM+软件对简化模型进行仿真并分析其敞水性能。其次,确定桨叶的设计参数范围,选定算法模型以建立近似模型,针对近似模型进行误差分析,保证近似模型的输出和输入符合原样本关系。结果表明,根据响应面(Response Surface Method,以下简称:RSM)和径向基神经网络(Radial Basis Function,以下简称:RBF)建立的两种近似模型均具有较好的可靠性。此外,还进行了主成分分析,得到各设计参数对优化目标影响程度的量化指标,为接下来的结构优化提供依据。随后,选定Muti-Island GA作为多目标优化算法,设定优化参数,再进行优化流程初始化,开始优化。随着迭代完成,得到基于RSM和RBF近似模型的两组优化参数。结合前期仿真流程和方法,将两组参数进行仿真计算验证。结果表明,RBF设计得到的模型在各项性能指标(推进效率、推力系数等)上都优于RSM设计得到的模型。从推进效率来看,当进速系数大于或等于0.4时,RBF结果高于RSM结果,最大提升幅度约为5%;当进速系数小于0.4,RBF结果同RSM结果相近。最后,设计和加工RDT的壳体,并完成所有工件的防护方案设计。对于壳体的设计而言,参照了传统推进器的设计思路,将RDT设计为三段式,即壳体重心处为螺旋桨,前后为自润滑轴承,尾部为壳盖,提高了工件集成度。工件防护方案设计主要是从材料、涂装以及结构设计三部分完成,提升了RDT整体的抗腐蚀性能。

关键词：无轴轮缘推进器近似模型多目标优化工件防护与设计

基于STAR-CCM+的无轴轮缘推进器水动力性能分析

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舰船科学技术 2023年第22期45卷 50-55页

作者：李祥光管义锋刘志伟郑锐聪江苏科技大学船舶与海洋工程学院江苏镇江212003 广州海工船舶设备有限公司广东广州511495

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... 详细信息

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。

关键词：无轴轮缘推进器水动力性能数值仿真

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小型无人船的无轴轮缘推进器优化设计

小型无人船的无轴轮缘推进器优化设计

作者：陈宇婷华中科技大学

学位级别：硕士

随着航运事业的快速发展,民用的小型船舶逐渐增多,对与之匹配的推进器要求越来越高。无轴轮缘推进器作为一种新型的推进器,因具有效率高和振动噪声小等优点,应用前景极其广阔。本文主要针对无轴轮缘推进器的设计进行了以下的工作:(1)针... 详细信息

随着航运事业的快速发展,民用的小型船舶逐渐增多,对与之匹配的推进器要求越来越高。无轴轮缘推进器作为一种新型的推进器,因具有效率高和振动噪声小等优点,应用前景极其广阔。本文主要针对无轴轮缘推进器的设计进行了以下的工作:(1)针对实际科研项目中的某小型无人双体船进行水动力性能研究,采用经验公式验证船体静水状态数值仿真的可靠性,基于体积力法进行船体的自航仿真计算,用试验结果对比确保仿真方法的可行性,并确定了与船体匹配的无轴轮缘推进器的目标性能参数。(2)采用四种湍流模型分析湍流模型对无轴轮缘推进器敞水性能的影响,并使用经验公式验证所选用湍流模型的可靠性;改变推进器的结构参数,研究螺距角和导流罩结构间隙对推进器敞水性能的影响,结果表明,增加螺距角会增大推进器的推力和转矩,导流罩的结构间隙过大或过小对推进器的敞水性能不利;组合推进器的的结构参数获取新方案,研究新方案推进器的敞水性能。(3)计算推进器在双向流固耦合作用下的性能。研究流固耦合作用下新方案推进器的水动力性能以及结构性能,并与原始方案对比;使用三种各向同性桨叶材料研究推进器的性能与材料属性之间的关系。根据推进器的性能分析,选定A3B4型推进器为最优方案。

关键词：水动力性能无轴轮缘推进器体积力法双向流固耦合

无轴轮缘推进器水动力性能分析及桨叶强度校核

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船舶工程 2018年第10期40卷 52-58页

作者：兰加芬欧阳武严新平武汉理工大学能源与动力工程学院可靠性工程研究所武汉430063 船舶动力工程技术交通行业重点实验室武汉430063 国家水运安全工程技术研究中心武汉430063

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... 详细信息

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。

关键词：无轴轮缘推进器水动力性能桨叶强度

无轴轮缘推进器内置电机防护材料与防护工艺综述

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微特电机 2016年第7期44卷 83-87页

作者：陈珂杨显照李燚航潘凌风欧阳武严新平武汉理工大学武汉430070 国家水运安全工程技术研究中心武汉430063

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... 详细信息

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。

关键词：无轴轮缘推进器内置电机防护材料增韧防护工艺

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无轴轮缘推进器综述

数字海洋与水下攻防 2020年第3期3卷 185-191页

作者：胡举喜吴均云陈文聘上海船舶设备研究所

无轴轮缘推进器作为一种新型船舶推进器,具有诸多优点,其应用前景非常广泛。阐述了无轴轮缘推进器的起源及其演变发展过程,从结构上将无轴轮缘推进器与普通推进器进行了对比,详述了无轴轮缘推进器结构组成,对其系统特点进行了总结,归纳... 详细信息

无轴轮缘推进器作为一种新型船舶推进器,具有诸多优点,其应用前景非常广泛。阐述了无轴轮缘推进器的起源及其演变发展过程,从结构上将无轴轮缘推进器与普通推进器进行了对比,详述了无轴轮缘推进器结构组成,对其系统特点进行了总结,归纳了当下主要的生产商及其无轴轮缘推进器的研发情况,并提出分析了无轴轮缘推进器研究的关键技术。

关键词：无轴轮缘推进器结构组成系统特点

基于响应面模型的无轴轮缘推进器优化设计方法

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基于响应面模型的无轴轮缘推进器优化设计方法

作者：徐鹏宇大连理工大学

学位级别：硕士

无轴轮缘推进器是船舶动力系统中一种比较先进且新颖的推进装置。区别于传统螺旋桨,无轴轮缘推进器在结构上舍弃了传统的轴系结构,将螺旋桨桨叶与电机通过旋转环直接相连。因为这样的结构特点,使得无轴轮缘推进器具有了空间利用率大、... 详细信息

无轴轮缘推进器是船舶动力系统中一种比较先进且新颖的推进装置。区别于传统螺旋桨,无轴轮缘推进器在结构上舍弃了传统的轴系结构,将螺旋桨桨叶与电机通过旋转环直接相连。因为这样的结构特点,使得无轴轮缘推进器具有了空间利用率大、推进效率高、隐蔽性好等特点。本文对无轴轮缘推进器进行三维建模,使用CFD计算方法对无轴轮缘推进器进行了水动力性能预报试验,并通过对设计参数的响应面模型试验完成对无轴轮缘推进器的优化设计方案。为验证计算方法的正确性和可行性,本文首先以Ka型螺旋桨和No.19A导管的组合为例,在UG软件中进行三维建模后,在STAR-CCM+软件中进行CFD计算,将得到的计算结果与试验值对比分析,发现数据相似程度良好,证明了计算结果的正确性,也同时验证了用CFD计算方法预报螺旋桨水动力性能的可行性。在无轴轮缘推进器的水动力计算分析中,对桨叶选取螺距直径比、侧斜角、后倾角和内梢圆直径比四个设计参数,分别计算分析这些参数变化对螺旋桨水动力性能的影响趋势。结果发现螺距直径比的变化对无轴轮缘推进器水动力性能影响最大,侧斜角影响程度次之,后倾角和内梢圆直径比对螺旋桨水动力性能基本无影响。影响趋势为:螺距直径比增大,推力系数、扭矩系数和敞水效率都随之增大;侧斜角增大,推力系数、扭矩系数和敞水效率呈下降趋势,但效果并不明显;后倾角和内梢圆直径比对推力系数、扭矩系数和敞水效率的影响基本不明显。最后针对四个参数建立响应面模型,通过对响应面模型的方差分析,得到二次多元回归模型方程,并通过最优条件试验得到的最佳工艺条件,通过数值模拟计算,验证了结果与响应面试验对敞水效率预测值相符,表明此方程可以真实反映各因素对敞水效率的影响。

关键词：无轴轮缘推进器水动力性能 CFD数值模拟响应面模型

对转无轴轮缘推进器水动力性能分析及优化研究

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对转无轴轮缘推进器水动力性能分析及优化研究

作者：兰加芬武汉理工大学

学位级别：硕士

近年来,一种新型集成电机推进器(也称无轴轮缘推进器,Shaftless RimDriven Thruster,简称无轴推进器,RDT)正在不断地发展。为了进一步提高这种新型推进器的性能,课题组创新性提出了一种对转无轴轮缘推进器,它将无轴轮缘推进器和对转螺旋... 详细信息

近年来,一种新型集成电机推进器(也称无轴轮缘推进器,Shaftless RimDriven Thruster,简称无轴推进器,RDT)正在不断地发展。为了进一步提高这种新型推进器的性能,课题组创新性提出了一种对转无轴轮缘推进器,它将无轴轮缘推进器和对转螺旋桨(Contra-Rotating Propeller,简称CRP)进行有机融合,具有结构紧凑、高推力、高效节能和低噪音的优势。这种新型推进器的设计理念、水动力性能和流场特征均有别于常规桨。鉴于此,本文将研究基于CFD对转无轴轮缘推进器水动力性能的计算方法,探讨叶数、桨距及转速对其性能的影响规律,并提出其优化途径,具体工作如下:(1)利用常规对转桨实验数据验证了本文提出的数值仿真方法的准确性。结果表明:Standard k-e、RNG k-e、Realizable k-e和SST k-?等四种湍流模型的定常计算结果十分接近。在进速系数为1.1时,基于Standard k-e湍流模型的非定常法预报精度比定常方法稍高,但其占用的计算机资源及时间远大于定常方法。通过这两种方法计算得到的总推力系数及总扭矩系数的值与实验值的误差均分别小于0.5%及2%,满足计算要求。通过计算域与网格数量的独立性分析进一步论证了本文计算方法的合理性。同时,本文的仿真方法能够很好地捕捉流场细节,为分析对转无轴轮缘推进器的微小间隙流场提供了条件。(2)分别建立了对转无轴轮缘推进器的有间隙模型及无间隙模型,对其进行水动力性能计算,并将轮缘摩擦扭矩计算值与经验公式值进行对比。结果表明:前后域的总扭矩计算值与经验公式值分别相差1.56%及4.08%,说明了计算方法的合理性;间隙的存在与否虽然对总推力值影响不大,但对扭矩值的影响较大,因此在建立对转无轴轮缘推进器模型时不应忽略间隙;对转无轴轮缘推进器的推力系数、扭矩系数及效率均大于单桨无轴轮缘推进器,并随着进速系数的增大,前者的效率优势逐渐突显。(3)利用数值仿真方法分析了叶数、桨距及转速等参数对对转无轴轮缘推进器的影响规律,结果表明:a)前桨叶数一定时,随着后桨叶数的减小,总推力及总扭矩均有所减小,但其敞水效率十分接近,而桨叶数的增大会改善其振动性能;b)随着轮缘长度的减小,总推力系数及扭矩系数均先减后增,效率逐渐增加,而轮缘长度改变引起的桨距改变,对总推力系数及总扭矩系数均影响较小;c)平行中体长度的减小会使总推力系数及总扭矩系数均略微上升,而效率随之先增后减。d)在入口速度小于6m/s左右时,随着前后桨转速的减小,推进器性能逐渐提高;但当入口速度大于6m/s左右时,随着前后桨转速的减小,推进器性能逐渐降低。

关键词：无轴轮缘推进器对转桨 CFD方法间隙流域水动力性能

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无轴轮缘推进电机混合偏心故障仿真

大连海事大学学报 2019年第4期45卷 117-122页

作者：胡海斌高海波林治国王琦廖林豪宋明建武汉理工大学能源与动力工程学院

以无轴轮缘推进器中5kW永磁同步电机为研究对象,通过Maxwell仿真软件设置不同程度及种类的偏心故障,研究电机气隙磁密、电磁转矩以及绕组电流等参数的变化,对电流进行傅里叶分析,并与静态偏心和动态偏心故障对比,提取相应的故障特征,旨... 详细信息

以无轴轮缘推进器中5kW永磁同步电机为研究对象,通过Maxwell仿真软件设置不同程度及种类的偏心故障,研究电机气隙磁密、电磁转矩以及绕组电流等参数的变化,对电流进行傅里叶分析,并与静态偏心和动态偏心故障对比,提取相应的故障特征,旨在为无轴轮缘推进电机转子混合偏心故障诊断提供参考依据.

关键词：无轴轮缘推进器永磁同步电机气隙磁密傅里叶分析转子混合偏心