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间隙流域多因素对无轴轮缘驱动推进器性能与功耗影响研究

间隙流域多因素对无轴轮缘驱动推进器性能与功耗影响研究

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作者：刘报武汉理工大学

学位级别：硕士

无轴轮缘驱动推进器(以下简称“无轴推进器”)将电机与螺旋桨高度集成一体,是一种新型的电力推进装置。由于具有功率密度高、振动噪声小、绿色节能等优势,无轴推进技术是目前世界的研究热点。与普通电机的工作环境不同,无轴推进器电机... 详细信息

无轴轮缘驱动推进器(以下简称“无轴推进器”)将电机与螺旋桨高度集成一体,是一种新型的电力推进装置。由于具有功率密度高、振动噪声小、绿色节能等优势,无轴推进技术是目前世界的研究热点。与普通电机的工作环境不同,无轴推进器电机浸泡在水中,间隙流道带走电机部分发热量的同时,还为轴承提供润滑液,该间隙流道的设计是无轴推进器的技术难点之一:一方面,该间隙形成了多尺度流体且相互影响,间隙尺度会影响电机散热效果、电磁强度和轴承性能,需要面向三者性能设计间隙流道;另一方面,间隙流道由径向间隙、前端面间隙和后端面间隙组成,转子在间隙旋转会造成摩擦功耗,如何通过结构优化来控制功耗是关键之一。针对无轴推进器间隙流域的功耗、散热,以及对推进器性能影响的问题,建立了相应的数值模型,利用计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)方法研究间隙参数和边界参数对推进器整体的影响规律。主要研究工作和创新成果如下:(1)分析了无轴推进器的组成和各组件相互作用关系,设计了5.5 k W无轴推进器过流部件,阐明了无轴推进器螺旋桨和间隙流域的多尺度和多物理场耦合的特点。(2)给出了无轴推进器间隙流域摩擦功耗的数值仿真方法,通过与解析解对比,基本验证了数值仿真方法的正确性;研究了径向和轴向间隙尺寸对三部分流道的摩擦功耗的影响;通过改变进流处和旋转区域的边界条件,分析边界条件对间隙流域摩擦功耗的影响。研究结果表明:径向间隙的摩擦功耗大于轴向间隙摩擦功耗;间隙流域摩擦功耗随间隙尺寸、转速和入口速度的增大而增大;间隙流域摩擦功耗对两侧轴向间隙是否对称并不敏感,与间隙总尺寸关联度较大。(3)建立了无轴推进器完整水动力模型,分析了间隙流域与螺旋桨和轮缘水动力性能的相互作用关系,通过计算1.5MW无轴推进器间隙流域温度分布云图,分析了间隙流道对无轴推进器散热的影响。研究结果表明:螺旋桨对间隙流场压力和速度的影响甚小;间隙尺寸对轮缘有较大的影响,随着间隙尺寸的增大,轮缘水动力性能降低;兆瓦级无轴推进器电机发热量很大,假如该热量都从间隙流道散发,则间隙流域最高温度仍可达93℃。(4)分析了不同轴承形式和水槽参数对无轴推进器水动力性能和间隙流域摩擦功耗的影响规律,研究结果表明:因结构更复杂,安装L形轴承的间隙流域摩擦功耗大于安装锥形轴承的间隙流域摩擦功耗。随着L形轴承水槽数的增加,螺旋桨的推力增大,转子环的推力减小;随着锥形轴承水槽数的增加,螺旋桨所产生的推力和转矩逐渐减小,转子环随着轴承水槽数增加其推力和转矩不断增大。

关键词：无轴轮缘驱动推进器 CFD方法间隙流域间隙摩擦功耗间隙散热

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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

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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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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