輪緣驅動推進器的研究與應用現狀

邱鵬 鄭高

摘? ? 要：輪緣推進器是近年來出現的一種新型組合式特種推進器，它的最大特點是借助電流作用實現無軸驅動，改變了傳統軸系驅動螺旋槳的推進方式。無軸輪緣推進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用對象。本文在介紹輪緣驅動推進器的基本結構和優勢的基礎上，重點總結了該種推進器的性能及研究現狀，為進一步的深入探討提供參考意見。

關鍵詞：無軸;組合式;輪緣驅動;性能

中圖分類號：U661.31 ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：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

隨著海上貿易的日益繁榮，船舶的運輸量和噸位不斷增大，要求大型船舶主機提供更大的功率，現行船舶采用的推進裝置系統已難以滿足發展需求，并逐漸凸現出傳統推進系統的不足，主要表現為：（1）船舶傳統推進系統主要由主機、軸系、推進器等組成，主機功率的增大會帶來主機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，結構也日漸復雜化，建造和設計成本劇增;（3）軸系過長對主機傳輸到推進器的能量效率降低，同時會帶來更多的軸系振動和噪聲等危害。

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

近年來，一種更先進的船舶電力推進器—輪緣驅動推進器[1]（RDT）成為了船舶領域的研究新課題，它在一定程度上是導管槳和吊艙推進器的結合體。典型的輪緣驅動推進器，如圖1所示。它是一種新型組合式特種推進器，最大特點是借助電流作用實現無軸驅動，改變了傳統軸系驅動螺旋槳的推進方式。輪緣驅動推進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用對象。

2? ? 基本結構和優勢

輪緣驅動推進器主要由導管、電機、鐵芯、線圈、永磁磁體轉子和槳葉等部件組成，如圖2所示。其中電機、鐵芯及線圈作為定子安放在導管內腔中，永磁磁體作為轉子安放在螺旋槳葉梢部以環的形式出現，導管內部和環轉子之間存在一定的間隙，兩者間靠齒輪磨合進行連接。

輪緣驅動推進器與傳統推進器最大的不同點是：它完全取消了軸系，實現了電機和螺旋槳的一體化，永磁磁極和電機定子之間通過相互切割磁感線的電流作用來驅動螺旋槳槳葉旋轉，以徑向連接取代以往的軸向連接方式。因其特殊的結構型式，輪緣驅動推進器又被稱為梢部推進器、無軸推進器、集成電機推進器等。

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

輪緣驅動推進器作為一種新型組合式電力推進器，與傳統的導管槳、吊艙推進器等相比，表現出以下優點：（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，有利于提高推進效率;（4）使船舶的尾部型線能夠得到更好地優化，改變尾部流場、減少船舶阻力[2];（5）具有與吊艙推進器同樣好的操縱性。

3? ?RDT應用現狀

無軸輪緣驅動推進器最早是由美國海軍水下作戰中心在Tango Bravo計劃中提出來的，并被認為是潛艇發展的重要技術突破點。由于具有噪聲低和振動小等優勢[3]，輪緣驅動推進器非常適合應用于魚雷和核潛艇等隱蔽性要求高的軍事領域。通用動力電船公司已在上世紀90年代設計了一組梢部驅動吊艙推進器，并進行了試驗研究，研究表明梢部吊艙推進器的敞水效率要比槳轂驅動的吊艙推進器高5%～10%左右;之后該公司在2002年又和賓夕法尼亞州立大學應用研究試驗室合作，設計了以巴拿馬船為使用對象的輪緣驅動推進器;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）作為應用對象，設計了一型輪緣驅動推進器用于輔助推進，對推進器的電磁特性、噪聲、效率、結構安全性等方面進行了評估，并完成了海試工作;2005年美國Schilling Robitics 公司開發了無軸輪緣驅動推進器，葉數達到9葉;同年挪威Brunvoll公司也開發了7葉輪緣驅動推進器，并根據電機尺寸及安裝位置優化了導流罩，以此來降低振動和噪聲。此外，國際上的其它船用推進器供應商（如Rolls-Royce、Voith和Schottel等），也都先后開發了輪緣驅動推進器系列產品。

4? ?RDT性能數值模擬研究現狀

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

此外，汪勇[7]結合吊艙推進器和導管槳的特點，將電機、螺旋槳推進型式在軸向空間作了集成，并設計了新一代集成電機推進器;曹慶明[8]對于梢部圓環扭矩在推進器總扭矩中的貢獻進行了理論分析，提出了經驗公式用于近似估算環轉子扭矩大小，并對無轂型式輪緣驅動推進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軟件對集成電機推進器性能做了研究，對數值模擬時用到的三維建模方法、邊界條件設置、網格劃分等做了詳細的介紹，同時對導管幾何形狀作了優化設計，討論了不同導管形狀對水動力性能影響，并對計算結果進行了試驗驗證;胡芳琳[10]等利用CFD方法對輪緣驅動推進器的敞水性能和流場結構進行了數值分析，研究表明，輪緣驅動推進器的推力和扭矩系數隨進速系數的變化規律和導管槳非常一致;Song[11]等基于Fluent軟件，通過求解RANS方程，采用多重參考運動模型（MRF）分別研究了兩組帶槳轂與不帶槳轂輪緣驅動推進器的水動力特性，研究表明，在同樣轂徑比的情況下，有槳轂輪緣驅動推進器由于槳轂的阻塞效應，導管內流速更高，其負荷低于無槳轂輪緣驅動推進器，但槳轂本身產生阻力，故有槳轂輪緣驅動推進器的效率比無槳轂輪緣驅動推進器更低。

目前，國外針對輪緣驅動推進器在數值仿真、模型試驗以及實船應用方面已開展了較多的工作，部分公司也已開發了系列化產品，國內這方面的進展則相對緩慢。但總體而言，作為一種具有諸多優勢的新型特種推進器，無軸輪緣驅動推進器已引起國內外廣泛的關注。但由于問題的復雜性，對于其水動力性能方面的研究文獻并不多見，且大多數研究工作基于數值計算方法開展，模型試驗工作屈指可數，因此尚有待于進一步的研究探索。

5? ?結束語

輪緣驅動推進器作為一種新型組合式電力推進器，與傳統的導管槳、吊艙推進器等相比，在模塊化集成、節省船舶艙室空間、提高推進系統工作效率、減振降噪等方面具有優勢，可應用于運輸船舶、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。本文介紹了輪緣驅動推進器的發展應用和數值模擬研究現狀，為下一步該種推進器的模型試驗和數值模擬的深入研究提供了參考價值。

參考文獻

[1]談微中，嚴新平，劉正林，等.無軸輪緣推進系統的研究現狀與展望[J].武漢理工大學學報（交通科學與工程版）， 2015（03）.

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[10]胡芳琳，張志榮，辛公正等.梢部驅動推進器水動力性能CFD預報[C].全國水動力學學術會議暨兩岸船舶與海洋工程水動力學研討會，2008.

[11]Song B W， Wang Y J， Tian W L. Open water performance comparison between hub-type and hubless rim driven thrusters based on CFD method[J]. Ocean Engineering， 2015， 103.