广东造船2019年第2期（总第165期）
28基金项目：浙江省教育厅一般科研项目(Y201636245); 武警海警学院海警研究所特约研究员项目。
作者简介：邱 鹏（1990-），男，助教。研究方向：舰艇安全及性能分析。
郑 高（1977-）, 男，副教授。研究方向：舰艇安全及自动化。
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收稿日期：2018-10-24
轮缘驱动推进器的研究与应用现状
邱 鹏，郑 高
（武警海警学院 , 宁波 315801）
摘 要：轮缘推进器是近年来出现的一种新型组合式特种推进器，它的最大特点是借助电流作用实现无轴驱动，改变了传统轴系驱动螺旋桨的推进方式。无轴轮缘推进器对降低轴系建造成本、增大舱容、减小振动与噪声等方面具有突出的优势，特别适用于鱼雷、潜艇、军舰等舱容有限及隐蔽性要求高的应用对象。本文在介绍轮缘驱动推进器的基本结构和优势的基础上，重点总结了该种推进器的性能及研究现状，为进一步的深入探讨提供参考意见。
关键词：无轴；组合式；轮缘驱动；性能
中图分类号：U661.31 文献标识码：A
Rearch Status and Application of Rim Drive Propeller
QIU Peng, ZHENG Gao
( Department of Electromechanical Management, China Maritime Police Academy, Ningbo 315801 ) Abstract: 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 noi, which is especially suitable for application objects with limited cabin capacity and high stealthy performance, such as torpedo, submarine, warships, etc. Bad on the introduction of the basic structure and advantages of the propeller, the paper summarizes the current rearch status of performance analysis and provides reference for further in-depth discussion.
Key words: shaftless; combined; rim drive; performance;
1 引言
随着海上贸易的日益繁荣，船舶的运输量和吨位
不断增大，要求大型船舶主机提供更大的功率，现行
船舶采用的推进装置系统已难以满足发展需求，并逐
渐凸现出传统推进系统的不足，主要表现为：（1）船
舶传统推进系统主要由主机、轴系、推进器等组成，
主机功率的增大会带来主机体积的增加和轴系长度的
加长，使船舱空间利用率减少；（2）随着轴系长度的
增加，结构也日渐复杂化，建造和设计成本剧增；（3）
轴系过长对主机传输到推进器的能量效率降低，同时
会带来更多的轴系振动和噪声等危害。
伴随着半导体技术、微机技术以及永磁电机技术
的快速发展，船舶采用电力推进器为解决上述存在的
问题提供了可能。上世纪80年代的吊舱推进器就是一
种电力推进器，它主要是将推进电动机安放在水下箱
体内直接给螺旋桨提供动力，这种设计减少了轴系的
复杂性、增加了舱容利用率，同时也提高了船舶操纵
性能。
近年来，一种更先进的船舶电力推进器—轮缘驱
动推进器[1](RDT)成为了船舶领域的研究新课题，它在
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一定程度上是导管桨和吊舱推进器的结合体。典型的
轮缘驱动推进器，如图1所示。它是一种新型组合式
特种推进器，最大特点是借助电流作用实现无轴驱动，
改变了传统轴系驱动螺旋桨的推进方式。轮缘驱动推
进器对降低轴系建造成本、增大舱容、减小振动与噪
声等方面具有突出的优势，特别适用于鱼雷、潜艇、
军舰等舱容有限及隐蔽性要求高的应用对象。
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图 1 典型的轮缘驱动推进器
2 基本结构和优势健康中国战略
轮缘驱动推进器主要由导管、电机、铁芯、线圈、永磁磁体转子和桨叶等部件组成，如图2所示。其
中电机、铁芯及线圈作为定子安放在导管内腔中，永磁磁体作为转子安放在螺旋桨叶梢部以环的形式出现，导管内部和环转子之间存在一定的间隙，两者间靠齿轮磨合进行连接。
图2 轮缘驱动推进器结构示意图
轮缘驱动推进器与传统推进器最大的不同点是：它完全取消了轴系，实现了电机和螺旋桨的一体化，永磁磁极和电机定子之间通过相互切割磁感线的电流作用来驱动螺旋桨桨叶旋转，以径向连接取代以往的轴向连接方式。因其特殊的结构型式，轮缘驱动推进器又被称为梢部推进器、无轴推进器、集成电机推进器等。
从结构型式上可以将轮缘驱动推进器分为有桨毂型和无桨毂型，如图3所示。有桨毂的轮缘驱动推进器，其桨毂并不起到驱动螺旋桨转动的作用，而是对桨叶结构强度起到加固的作用，同时也方便定位螺旋桨桨叶的安装；无桨毂的轮缘驱动推进器由于没有桨毂的存在，在流场结构上与常规推进器有所区别，对桨叶叶根处也可以不考虑连接桨毂时的结构强度问题，因此在桨叶几何设计方面更具有灵活性。
轮缘驱动推进器作为一种新型组合式电力推进器，与传统的导管桨、吊舱推进器等相比，表现出以下优点：（1）使船舶建造成本和难度明显降低，舱容利用率增大；（2）使振动和噪声大大降低，有助于提
高潜艇、军舰等的隐身性能；（3）使船舶在轴系上传递的能量损耗消失，有利于提高推进效率；（4）使船舶的尾部型线能够得到更好地优化，改变尾部流场、减少船舶阻力[2]；（5）具有与吊舱推进器同样好的操纵性。
图3 有毂和无毂型RDT
3 RDT 应用现状
无轴轮缘驱动推进器最早是由美国海军水下作战中心在Tango Bravo 计划中提出来的，并被认为是潜艇发展的重要技术突破点。由于具有噪声低和振动小等优势
[3]
，轮缘驱动推进器非常适合应用于鱼雷和核潜艇等隐
蔽性要求高的军事领域。通用动力电船公司已在上世纪90年代设计了一组梢部驱动吊舱推进器，并进行了试验研究，研究表明梢部吊舱推进器的敞水效率要比桨毂驱动的吊舱推进器高5%～10%左右；之后该公司在2002年又和宾夕法尼亚州立大学应用研究试验室合作，设计了以巴拿马船为使用对象的轮缘驱动推进器；随后又把
美国海军退役的小水线面双体船SES-200(船长48.8 m、宽13.l m、吃水5.6 m、满载排水量340 t)作为应用对象，设计了一型轮缘驱动推进器用于辅助推进，对推进器的电磁特性、噪声、效率、结构安全性等方面进行了评估，并完成了海试工作；2005年美国Schilling Robitics 公司开发了无轴轮缘驱动推进器，叶数达到9叶；同年挪威Brunvoll 公司也开发了7叶轮缘驱动推进器，并根据电机尺寸及安装位置优化了导流罩，以此来降低振动和噪声。此外，国际上的其它船用推进器供应商（如Rolls-Royce、Voith 和Schottel 等），也都先后开发了轮缘驱动推进器系列产品。
4 RDT 性能数值模拟研究现状
由于轮缘驱动推进器结构型式、传动型式的复杂性，在模型试验中实现无轴电磁驱动桨叶具有很大的难度，因此对轮缘驱动推进器的水动力性能大多以数值模拟为主。Yakovlev [4]等通过权衡螺旋桨效率及空泡性能，设计了有桨毂和无桨毂的轮缘驱动推进器，
采用有限元分析方法对其叶片强度进行分析，并进行
（a ）有毂型
RDT
（b ）无毂型RDT
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30了模型试验验证。模型试验中，对于无桨毂轮缘驱动
推进器并不是采用真正意义下的叶梢驱动方式，而是
采用细小的前置支架来近似模拟，如图4所示。研究
结果表明，在同一进速系数下，无桨毂轮缘驱动推进
器的推力和扭矩都大于有桨毂的轮缘驱动推进器；
Dr.Steph A.Huyer[5]对泵喷推进器，采用Fluent流体软件
对推进器性能进行了数值计算，讨论了导管几何形状、依依不舍造句
前置定子及后置转子等对性能的影响，得到一系列有
用的结论；Aleksander J.Dubas[6]等利用openform软件对
轮缘驱动推进器的前置定子与螺旋桨之间的耦合影响
进行了定常与非定常分析。在定常分析时采用MRF模
型，在非定常时采用滑移网格来模拟流场。结果表明，
非定常下的瞬态计算结果更有利于描述定转子之间的
相互干扰。同时提出在低进速系数时SST k-ω模型更有
利于捕捉流动分离，在高进速系数时采用RNG k-ω 比
较合适，对计算的结果也进行了相应的试验验证。
（a）有毂RDT模型 （b）无毂RDT模型
图4 中有毂和无毂RDT模型
此外，汪勇[7]结合吊舱推进器和导管桨的特点，
将电机、螺旋桨推进型式在轴向空间作了集成，并设
计了新一代集成电机推进器；曹庆明[8]对于梢部圆环
扭矩在推进器总扭矩中的贡献进行了理论分析，提出
了经验公式用于近似估算环转子扭矩大小，并对无毂
型式轮缘驱动推进器提出了两种试验方案，对以后的
试验安排有一定的参考作用；郭婷[9]等利用Fluent软
件对集成电机推进器性能做了研究，对数值模拟时用
到的三维建模方法、边界条件设置、网格划分等做了
详细的介绍，同时对导管几何形状作了优化设计，讨
论了不同导管形状对水动力性能影响，并对计算结果
进行了试验验证；胡芳琳[10]等利用CFD方法对轮缘驱
动推进器的敞水性能和流场结构进行了数值分析，研
究表明，轮缘驱动推进器的推力和扭矩系数随进速系
数的变化规律和导管桨非常一致；Song[11]等基于Fluent
软件，通过求解RANS方程，采用多重参考运动模型
（MRF）分别研究了两组带桨毂与不带桨毂轮缘驱动
推进器的水动力特性，研究表明，在同样毂径比的情
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况下，有桨毂轮缘驱动推进器由于桨毂的阻塞效应，
导管内流速更高，其负荷低于无桨毂轮缘驱动推进器，
但桨毂本身产生阻力，故有桨毂轮缘驱动推进器的效
率比无桨毂轮缘驱动推进器更低。
目前，国外针对轮缘驱动推进器在数值仿真、模
宝宝流鼻血型试验以及实船应用方面已开展了较多的工作，部分
公司也已开发了系列化产品，国内这方面的进展则相
对缓慢。但总体而言，作为一种具有诸多优势的新型
特种推进器，无轴轮缘驱动推进器已引起国内外广泛
的关注。但由于问题的复杂性，对于其水动力性能方
面的研究文献并不多见，且大多数研究工作基于数值
计算方法开展，模型试验工作屈指可数，因此尚有待
于进一步的研究探索。
5 结束语
轮缘驱动推进器作为一种新型组合式电力推进器，
与传统的导管桨、吊舱推进器等相比，在模块化集成、
节省船舶舱室空间、提高推进系统工作效率、减振降
噪等方面具有优势，可应用于运输船舶、海洋装备、
潜艇、鱼雷和水面舰船等，具备广阔的军民融合前景。
本文介绍了轮缘驱动推进器的发展应用和数值模拟研
究现状，为下一步该种推进器的模型试验和数值模拟
的深入研究提供了参考价值。
参考文献
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