无轴轮缘推进器电机与水力部件耦合优化设计研究

蒋 寒，盛晨兴，欧阳武

（1.武汉理工大学能源与动力工程学院，武汉 430063；2.船舶动力工程技术交通行业重点实验室，武汉 430063；3.国家水运安全工程技术研究中心可靠性工程研究所，武汉 430063；4.中船动力研究院有限公司，上海 201306）

0 引 言

无轴轮缘驱动推进器（shaftless rim-driven thruster，RDT，也称为集成电力推进器，简称无轴推进器）是由一个同步永磁电机、螺旋桨、导管和轴承等组成，如图1（a）所示。电机围绕着螺旋桨，并集成到导管中；电机的定子嵌入到导管中，转子围绕着螺旋桨形成一个圆环；轴承通常布置在轮缘两侧，嵌入到导管中。整个推进器淹没于水下，通过电缆连接到船上发电装置。这种推进系统可节省舱室空间，减少振动和噪声，提高推进效率[1]。无轴轮缘推进器实体结构如图1（b）所示，图中显示的是德国Voith公司的产品。

图1 无轴推进器结构及产品Fig.1 Shaftless propeller structure and product diagram

无轴轮缘推进器的理论模型最早出现在1940 年，历经几十年，无轴推进器也从理论模型变为现实模型，并应用于实践，已成为船舶行业里研究的热点。目前针对无轴推进器的电机和水力部件以及轴承的设计研究已得到了国内外研究机构的重视，这些功能模块的性能仿真和优化设计已有文献报道。对于电机的设计，挪威科技大学的Krøvel 等[2]将电机设计理论与有限元相结合，设计了一个100 kW 的永磁电机，满负载实验时温升不超过40℃；海军工程大学胡鹏飞等[3]对1.76 MW 的电机进行了温度仿真，结果显示定子表面的最高温度小于H 级绝缘等级规定的工作温度。螺旋桨作为主要的水动力模型，Yakovlev 等[4]对转速为15 r/s，桨径为0.2 m 的有毂及无毂轮缘驱动推进器进行了仿真分析，得出了无毂RDT 的螺旋桨能获得更高推力和扭矩的结论；……