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。