鄭躍洲，王冬姣，薛乃耀，葉家瑋

(華南理工大學(xué) 土木與交通學(xué)院，廣東 廣州 510640)

0 引 言

集成電機(jī)推進(jìn)器IMP（Integrated Motor Propeller）最初是為無(wú)人潛航器的推進(jìn)裝置研發(fā)，是集電機(jī)本體、螺旋槳和導(dǎo)管于一身的新型動(dòng)力推進(jìn)裝置。其既可以作為主推進(jìn)器，也可以作為輔助動(dòng)力系統(tǒng)和應(yīng)急動(dòng)力裝置。同時(shí)具有結(jié)構(gòu)緊湊、艙容利用率高、可靠性好、易維護(hù)、噪聲和振動(dòng)小的優(yōu)點(diǎn)[1]，顯著提高船舶舒適性，廣泛應(yīng)用于水面和水下的航行器，在民用和軍用上都具有很大前景。

目前，歐洲以及新加坡的公司已經(jīng)推出了成熟的商業(yè)化集成電機(jī)推進(jìn)器產(chǎn)品。德國(guó)VIOTH 公司[2]推出了最大功率達(dá)到500 kW 無(wú)槳轂式和最大功率可達(dá)1 500 kW 有槳轂式的2 種集成電機(jī)推進(jìn)器。國(guó)內(nèi)尚未有投入民用市場(chǎng)的集成電機(jī)推進(jìn)器產(chǎn)品，還停留在樣機(jī)的研制中。安斌等[3]完成了160W 的無(wú)槳轂式集成電機(jī)推進(jìn)器樣機(jī)的研制，采用Ansoft Maxwell 對(duì)電機(jī)的二維靜態(tài)磁場(chǎng)進(jìn)行了分析。賈文超等[4]應(yīng)用Fluent 軟件對(duì)無(wú)軸輪緣推進(jìn)器的螺旋槳進(jìn)行水動(dòng)力仿真，分析了槳葉數(shù)目對(duì)推進(jìn)器性能的影響。國(guó)內(nèi)的樣機(jī)設(shè)計(jì)沒(méi)有綜合地考慮電機(jī)、導(dǎo)管和螺旋槳的配合，導(dǎo)致樣機(jī)體積大、功率小、效率低，達(dá)不到實(shí)用的要求。

計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics）已經(jīng)廣泛應(yīng)用于螺旋槳以及其他水下推進(jìn)器的設(shè)計(jì)，大多采用了MRF(Moving Reference Frames)移動(dòng)參考系法、RBM(Rigid Body Motion)滑移網(wǎng)格法和OM(Overset Mesh)重疊網(wǎng)格法，還可以基于格子玻爾茲曼LBM（Lattice Boltzmann Method）的無(wú)網(wǎng)格計(jì)算方法[5],仿真計(jì)算結(jié)果可以與試驗(yàn)值比較貼近。本文首先對(duì)電機(jī)和導(dǎo)管進(jìn)行設(shè)計(jì)，根據(jù)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速選擇合適的螺旋槳型號(hào)，應(yīng)用CFD 技術(shù)分析集成電機(jī)推進(jìn)器的性能，為樣機(jī)的研制提供依據(jù)。

1 集成電機(jī)推進(jìn)器設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

集成電機(jī)推進(jìn)器參照了吊艙推進(jìn)器和導(dǎo)管槳的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將電機(jī)、導(dǎo)管、螺旋槳等集合在一起，減小了軸向空間。相比于傳統(tǒng)的推進(jìn)系統(tǒng)，可以節(jié)省50%的體積和重量。按螺旋槳可分為有槳轂和無(wú)槳轂式推進(jìn)器，如圖1 所示。其原理均為采用高能量密度的永磁無(wú)刷電機(jī)（BLDCM）,內(nèi)轉(zhuǎn)子上布置永磁體，電機(jī)定子線圈通電后，轉(zhuǎn)子在與定子磁場(chǎng)相互作用下帶動(dòng)與其固定的螺旋槳葉片旋轉(zhuǎn)。無(wú)槳轂型集成電機(jī)推進(jìn)器不需要變速器、連軸器、減速器等機(jī)構(gòu)，消除了螺旋槳槳轂和支柱，流阻更小，推進(jìn)效率更高。如果使用傳統(tǒng)的油潤(rùn)滑軸承，軸承的體積會(huì)很大，極大地增加推進(jìn)器的重量[6]；使用水潤(rùn)滑軸承，雖然無(wú)需額外的潤(rùn)滑物，也沒(méi)有動(dòng)密封，但技術(shù)難度大，成本高。

圖 1 無(wú)槳轂與有槳轂型集成電機(jī)推進(jìn)器Fig.1 Integrated motor propeller with/without paddle shaft

本文采用有槳轂型的集成電機(jī)推進(jìn)器的設(shè)計(jì)形式，其結(jié)構(gòu)主要有DW310-35 材質(zhì)的電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子鐵心；防海水鋁制的螺旋槳與轉(zhuǎn)子鐵心固定；霍爾轉(zhuǎn)子位置傳感器安裝在定子齒部；螺旋槳的槳轂內(nèi)對(duì)稱設(shè)置2 個(gè)可以承受軸向和徑向載荷的圓錐滾子軸承，軸承和固定心軸連接；兩端的轂帽通過(guò)與截面形狀為NACA-0025 的3 支導(dǎo)葉與導(dǎo)管內(nèi)表面連接，通過(guò)固定心軸將導(dǎo)管和螺旋槳在軸向上限位。相比于無(wú)槳轂的集成電機(jī)推進(jìn)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本更低。

1.2 電機(jī)設(shè)計(jì)

電機(jī)采用無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)（BLDC）,也可以稱為方波驅(qū)動(dòng)電機(jī)，與正弦波驅(qū)動(dòng)電機(jī)相比具有更高的材料利用率，增加約15%的輸出轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子位置傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，位置信號(hào)僅需要做邏輯處理[7]，降低了電機(jī)研制的難度。

集成電機(jī)推進(jìn)器的設(shè)計(jì)應(yīng)盡量減小流體阻力，提高整個(gè)裝置的工作效率。這就要求容納在導(dǎo)管內(nèi)的電機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，限制了定子和轉(zhuǎn)子的尺寸。依據(jù)無(wú)人艇的吃水，預(yù)取螺旋槳的直徑300 mm，設(shè)計(jì)2 種的定子和轉(zhuǎn)子方案,如表1 和圖2 所示。

表 1 電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)方案Tab.1 Motor stator and rotor design

圖 2 電機(jī)定子與轉(zhuǎn)子剖面圖Fig.2 Motor stator and rotor profile

2 種方案均采用兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)的導(dǎo)通方式，分?jǐn)?shù)槽集中整距繞組方式，線圈節(jié)距為1。由于電機(jī)主體都在水下工作，水可以在電機(jī)的氣隙中自由流動(dòng)，有助于冷卻電機(jī)，從而提高電流密度。同時(shí)，在定子和轉(zhuǎn)子上涂覆氟化橡膠金屬漆，使用環(huán)氧樹脂封裝表貼在轉(zhuǎn)子上的永磁體和電氣部件[8]。

無(wú)人艇的工作電源為48 V 鋰電池，要求電機(jī)功率4 kW，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速1 000 r/min，電機(jī)效率不低于85%。通過(guò)等效磁路法預(yù)取電機(jī)電樞長(zhǎng)度、轉(zhuǎn)子外徑和永磁體的厚度。采用RMxprt 的參數(shù)化設(shè)計(jì)方法，將定子外徑、定子槽的各個(gè)尺寸、永磁體極弧系數(shù)、定子外徑等設(shè)為參數(shù)，把電機(jī)效率、額定轉(zhuǎn)速、額定轉(zhuǎn)矩、齒槽轉(zhuǎn)矩和輸入功率設(shè)為優(yōu)先計(jì)算值。最后從眾多方案里選出2 個(gè)比較理想方案的設(shè)計(jì)結(jié)果，如表2 所示。

方案1 極對(duì)數(shù)少，永磁體采用偏心設(shè)計(jì)，偏心距離90 mm，使得電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩更小，永磁體呈扇形瓦狀，尺寸大，加工成本高。而方案2 只需要采用常見的30 mm×15 mm×5 mm 尺寸的N35 釹鐵硼磁鐵，單價(jià)僅為4 元錢。由于極對(duì)數(shù)增加，可使定子和轉(zhuǎn)子磁軛厚度減小，節(jié)約導(dǎo)管空間，故犧牲電機(jī)效率和額定轉(zhuǎn)速，選擇方案2。

表 2 兩種設(shè)計(jì)方案的電機(jī)部分性能參數(shù)Tab.2 Parameters of the motor performance of two designs

2 集成電機(jī)推進(jìn)器水動(dòng)力性能數(shù)值模擬方法

2.1 控制方程

假定流體為不可壓縮流體，則集成電機(jī)推進(jìn)器周圍流場(chǎng)的控制方程[10]為：

連續(xù)性方程

動(dòng)量方程

式中：ui，uj為流體速度分量時(shí)均值（ i,j=1,2,3）；ρ 為流體密度；t 為時(shí)間；P 為壓力時(shí)均值；gi為重力加 速 度 分量；為雷諾應(yīng) 力 項(xiàng)；μ 為流體粘性系數(shù)；xi，xj均為坐標(biāo)分量。

2.2 螺旋槳及導(dǎo)管

集成電機(jī)推進(jìn)器在水下工作，其水下主要部分為導(dǎo)管和螺旋槳，必須經(jīng)過(guò)水動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)，力求流阻小、推力大、效率高，取得理想的水動(dòng)力性能。由于KA 螺旋槳的葉梢可以與電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)合好，電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速有限，依據(jù)圖譜[9]采用4 葉，盤面比為0.55，螺距比P/D1.0 的KA 螺旋槳。因?yàn)殡姍C(jī)的定子尺寸過(guò)大，推進(jìn)器采用JD7704 的改型導(dǎo)管。該導(dǎo)管通過(guò)擴(kuò)大JD7704 導(dǎo)管的外表面得到。本文將集成電機(jī)推進(jìn)器與采用相同的螺旋槳，配合JD7704 導(dǎo)管的導(dǎo)管槳進(jìn)行敞水性能對(duì)比。圖3 為JD7704 與JD7704 改2 種導(dǎo)管剖面示意圖。

2.3 計(jì)算域及邊界條件設(shè)置

計(jì)算域及邊界條件類型如圖4 所示，靜態(tài)域和旋轉(zhuǎn)域均為圓柱形，靜態(tài)域的直徑為螺旋槳直徑D 的10 倍，來(lái)流端和去流端的長(zhǎng)度分別為7 D，10 D。旋轉(zhuǎn)域設(shè)在導(dǎo)管內(nèi)，包圍了螺旋槳和導(dǎo)管小部分內(nèi)表面。將靜態(tài)域和旋轉(zhuǎn)域的交界面設(shè)置為Interface。為了更準(zhǔn)確地傳遞旋轉(zhuǎn)域與靜止域的流場(chǎng)信息，在交界面的兩側(cè)設(shè)置單棱柱層網(wǎng)格，同時(shí)導(dǎo)管內(nèi)外分別設(shè)置了3 個(gè)網(wǎng)格加密區(qū)，可以得到更好的流場(chǎng)演變。

圖 3 導(dǎo)管剖面示意圖Fig.3 Section of the duct

圖 4 計(jì)算域與邊界條件示意圖Fig.4 Schematic diagram of computing domain and boundary conditions

電機(jī)的定子內(nèi)表面和轉(zhuǎn)子的外表面間存在氣隙，間距為0.75 mm。為計(jì)算方便，忽略了轉(zhuǎn)子和導(dǎo)管的間隙，把導(dǎo)管視為實(shí)心體。對(duì)IMP 采用切割體和棱柱層網(wǎng)格，螺旋槳表面網(wǎng)格尺寸為1 mm,壁面設(shè)置5 層棱柱層網(wǎng)格，進(jìn)行2 層全y+壁面處理，其中旋轉(zhuǎn)域網(wǎng)格數(shù)106 萬(wàn)，靜態(tài)域228 萬(wàn)，IMP 的網(wǎng)格如圖5 所示。

2.4 數(shù)值仿真計(jì)算結(jié)果表達(dá)方法

根據(jù)本文構(gòu)建的幾何模型,在Star-ccm+軟件上對(duì)集成電機(jī)推進(jìn)器和導(dǎo)管槳進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算，得到推力T 和轉(zhuǎn)矩Q。將在不同進(jìn)速系數(shù)下所得的推力系數(shù)、力矩系數(shù)和效率的計(jì)算結(jié)果與導(dǎo)管槳已有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，其中所涉及的螺旋槳推力系數(shù) KT、轉(zhuǎn)矩系數(shù)KQ、效 率η 的 計(jì) 算 公 式 以 及 相 對(duì) 誤 差 ΔKT， ΔKQ，Δη ，平均誤差Δ ˉ如下式：

圖 5 計(jì)算域及集成電機(jī)推進(jìn)器網(wǎng)格示意圖Fig.5 Gridding sketch of the computational domain and IMP

式中：J 為進(jìn)速系數(shù)；下標(biāo)EXP 表示實(shí)驗(yàn)值；下標(biāo)M 表示采用CFD 計(jì)算得到的數(shù)據(jù)。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 導(dǎo)管槳敞水性能仿真結(jié)果驗(yàn)證

湍流模型是數(shù)值模擬中經(jīng)常用到的最基本模型，用于模擬湍流流動(dòng)的情況，模擬結(jié)果的好壞很大程度上取決于湍流模型的準(zhǔn)確度。為了使計(jì)算結(jié)果更準(zhǔn)確，選取2 種最常用的湍流模型，采用移動(dòng)參考系法，比較導(dǎo)管槳敞水性能。

圖6 給出了基于移動(dòng)參考系法采用不同湍流模型計(jì)算值與試驗(yàn)數(shù)據(jù)[9]的對(duì)比曲線，表3 給出了基于數(shù)值仿真得到的推力和轉(zhuǎn)矩，根據(jù)式（3）～式（9）求得的各物理值與試驗(yàn)值的相對(duì)誤差百分比和平均誤差?？梢园l(fā)現(xiàn)，在不同進(jìn)速系數(shù)下，采用SST k-ω 和標(biāo)準(zhǔn)k-e 湍流模型計(jì)算得到的結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果變化趨勢(shì)一致。結(jié)合表3 可以看出，采用標(biāo)準(zhǔn)k-e 湍流模型計(jì)算導(dǎo)管槳所得的水動(dòng)力主要物理參數(shù)在進(jìn)速0～0.6 范圍內(nèi)相對(duì)誤差不超過(guò)3%，平均誤差不超過(guò)2.5%，相比SST k-ω 湍流模型精度更高，但都能滿足工程所需的合理結(jié)果。

MRF 運(yùn)動(dòng)參考系法和RBM 滑移網(wǎng)格法已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)機(jī)械的流體仿真，前者通過(guò)引入相對(duì)運(yùn)動(dòng)參考系來(lái)處理槳的旋轉(zhuǎn)，是一種穩(wěn)定性好、易于收斂的穩(wěn)態(tài)方法；后者也稱為剛體運(yùn)動(dòng)法，通過(guò)網(wǎng)格的旋轉(zhuǎn)來(lái)模擬槳的真實(shí)運(yùn)動(dòng)，是計(jì)算時(shí)間更長(zhǎng)、精度更高的瞬態(tài)方法，2 種方法可以共用1 套網(wǎng)格。

圖 6 導(dǎo)管槳的敞水性能計(jì)算值與試驗(yàn)值比較Fig.6 Comparison of the open water performance of ducted propeller with experimental results

表 3 導(dǎo)管槳敞水性能相對(duì)計(jì)算誤差和平均誤差Tab.3 Relative calculation error and average error of open water performance of ducted propeller

由表4 可以看出，使用同一套網(wǎng)格，通過(guò)滑移網(wǎng)格法的瞬態(tài)計(jì)算方法，相比移動(dòng)參考系法可以計(jì)算得出更小的誤差。導(dǎo)管槳轉(zhuǎn)速為994 r/min，滑移網(wǎng)格法的計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)0.000 2 s，往往需要計(jì)算到1 s 以后，監(jiān)測(cè)的KT，KQ值才收斂穩(wěn)定，使用相同的處理器，需要比通過(guò)移動(dòng)參考系法計(jì)算耗費(fèi)5 倍以上時(shí)間。

3.2 集成電機(jī)推進(jìn)器與導(dǎo)管槳水動(dòng)力性能比較

軸向誘導(dǎo)速度是影響推進(jìn)器的主要因素，一般來(lái)說(shuō)，進(jìn)速越小軸向誘導(dǎo)速度越大，推進(jìn)器產(chǎn)生的推力越大。而導(dǎo)管和螺旋槳各自的幾何形狀以及兩者配合的一些幾何參數(shù)，如葉梢間隙、螺旋槳在導(dǎo)管中的位置都會(huì)影響推進(jìn)器的性能[11]。

圖7 表示集成電機(jī)推進(jìn)器（IMP）和導(dǎo)管槳分別由螺旋槳和導(dǎo)管產(chǎn)生的推力分量及總推力隨進(jìn)速系數(shù)J變化的曲線比較。可以看出，導(dǎo)管槳的總推力一直大于集成電機(jī)推進(jìn)器的總推力。低進(jìn)速時(shí)，兩者由導(dǎo)管產(chǎn)生的推力值比較接近，由螺旋槳產(chǎn)生的推力差值大。隨著進(jìn)速系數(shù)的增加，軸向誘導(dǎo)速度減小，艉流損失的能量增加，螺旋槳的推力減小。當(dāng)進(jìn)速系數(shù)J 大于0.7 時(shí)，導(dǎo)管產(chǎn)生阻力，由于IMP 的導(dǎo)管體積更大，產(chǎn)生更大的阻力。

圖7 和圖8 所示的集成電機(jī)推進(jìn)器（IMP）敞水性能數(shù)據(jù)來(lái)是通過(guò)MRF 法得到?？梢钥闯鰧?dǎo)管槳的敞水性能優(yōu)于IMP 推進(jìn)器，在低進(jìn)速系數(shù)時(shí)性能相差小。當(dāng)進(jìn)速系數(shù)大于0.4 時(shí)，推力和效率相差10%以上。這主要是由于IMP 推進(jìn)器沒(méi)有葉梢間隙，相比于導(dǎo)管槳，其軸向誘導(dǎo)速度減小，導(dǎo)致推力減小，從圖9 的速度分布等值線圖中也可以得到驗(yàn)證。同時(shí)推進(jìn)器的導(dǎo)葉產(chǎn)生的阻力也不可忽視，低進(jìn)速系數(shù)時(shí)，阻力值在5N 左右。

表 4 基于MRF 和RBM 的導(dǎo)管槳KT 和KQ 的相對(duì)計(jì)算誤差以及平均計(jì)算用時(shí)Tab.4 Relative calculation error of KT and KQ and average calculation time for ducted propeller

圖 7 不同進(jìn)速時(shí)導(dǎo)管槳和集成電機(jī)推進(jìn)器推力對(duì)比Fig.7 Comparison of the thrust between ducted propeller and IMP at different advance speeds

圖 8 導(dǎo)管槳和IMP 敞水性征曲線比較Fig.8 Comparison of the open water characteristic curves between ducted propeller and IMP

圖 9 進(jìn)速系數(shù)J=0 時(shí)，導(dǎo)管槳和IMP 周圍流場(chǎng)的速度分布等值線圖Fig.9 Velocity distribution contour map near the ducted propeller and IMP at J=0

4 結(jié) 語(yǔ)

集成電機(jī)推進(jìn)器是涉及電機(jī)、機(jī)械、流體、控制等多學(xué)科知識(shí)的新型高科技電力推進(jìn)裝置，本文分析了其機(jī)械結(jié)構(gòu)、材料選擇、電機(jī)設(shè)計(jì)和流體設(shè)計(jì)，并通過(guò)有限元數(shù)值仿真的方式進(jìn)行了部分論證，為新型集成電機(jī)推進(jìn)器的設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供參考。本文結(jié)論主要有以下幾點(diǎn)：

1）在相同條件下，采用多極數(shù)、多槽數(shù)的電機(jī)設(shè)計(jì)，可以縮小電機(jī)尺寸和降低電機(jī)的成本，增加輸出轉(zhuǎn)矩，但會(huì)犧牲電機(jī)的效率和額定轉(zhuǎn)速，使得推力減小。

2）有槳轂型集成電機(jī)推進(jìn)器和導(dǎo)管槳的敞水特征曲線趨勢(shì)一致，但由于集成電機(jī)推進(jìn)器的螺旋槳葉梢和電機(jī)轉(zhuǎn)子連接，不存在葉梢間隙，相比于導(dǎo)管槳，其軸向誘導(dǎo)速度會(huì)偏小，導(dǎo)致產(chǎn)生推力不如導(dǎo)管槳，效率降低。

3）導(dǎo)管的內(nèi)表面幾何形狀是影響導(dǎo)管和螺旋槳推力分配的主要因素，通過(guò)擴(kuò)展導(dǎo)管的外表面可以為電機(jī)的安裝增加有效的空間。改進(jìn)導(dǎo)管和電機(jī)的設(shè)計(jì)，提高電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩和額定轉(zhuǎn)速，選擇合適的螺旋槳，是提高集成電機(jī)推進(jìn)器性能的有效途徑。