面向万米深海高压高粘度高衰减环境的推进器研究

摘要

深达11000米的马里亚纳海沟是连接国际海底多金属结核矿区、富钴结壳矿区与我国专属经济区纽带，对该海域的环境探测与保护是我国在国际海底矿区长期存在的基本保障。万米载人潜水器是承担该环境探测保护使命的核心载体。推进器又是万米载人潜水器的最核心的部件之一，为了避免万米载人潜水器因整体过重无法吊装、可靠性不高导致事故、噪声太大影响与母船的通讯等问题，对万米推进器提出了新的要求:轻量化、高可靠性、低噪声。
　　本论文针对万米载人潜水器对推进系统的要求以及万米推进器的高压高粘度高衰减的工作环境，深入地对万米推进器的结构轻量化与集成化、伸出轴动密封的可靠性和嵌入式驱动器的耐高压与低噪声性进行了研究，旨在开发出满足万米载人潜水器需求的万米推进器。
　　第一章介绍了本论文的研究背景，并介绍了万米载人潜水器的研究现状和深海推进器的研究现状，通过对万米载人潜水器对推进系统的要求以及各种类型的深海推进器的优缺点分析，提出了本论文的研究意义和研究的主要内容。
　　第二章针对万米推进器的超高压的工作环境以及轻量化要求，基于深海压力补偿原理，提出了万米推进器的耐高压轻量化的设计方案，保证了整体结构的轻量化，并依据设计方案完成了面向万米深海高压环境的推进器的整体结构优化设计、详细结构设计计算和Ansys有限元仿真分析。
　　第三章对高粘度充油推进器的伸出轴动密封可靠性进行了研究，首先利用理论结合流体仿真对伸出轴动密封处的高粘度流体进行研究，分析了伸出轴动密封的结构和油液粘度变化对流体压力分布的影响，结合对机械密封的端面比压的分析得出了动密封不可靠的原因，然后提出了一种低旋流的机械密封的结构，并通过Fluent流体仿真验证了其低旋流特性。
　　第四章针对万米推进器的超高压环境以及低噪声的要求，提出了低噪声抗高压的嵌入式驱动器的设计方案，并完成了低噪声抗压嵌入式驱动器的抗压元器件的筛选、抗压硬件电路以及软件控制系统的设计，保证了万米推进器的低噪声性和可靠性。
　　第五章在完成万米推进器关键技术研究的基础上，进行了相应的实验分别验证了嵌入式驱动器的控制性能和抗压性能、推进器的结构优化设计方案的合理性和可靠性、低旋流机械密封在万米深海环境中的可靠性。
　　第六章总结了本论文完成的主要研究工作，并指出了论文的创新点，同时针对论文中的不足之处提出了改进和提高的方向。

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致谢

摘要

图目录

表目录

第1章 绪论

1．1 论文研究背景

1．2 面向万米深海环境的载人潜水器研究现状与趋势分析

1．2．1 万米载人潜水器的现状与趋势分析

1．2．2 万米深海高压高粘度高衰减环境对载人潜水器的影响分析

1．2．3 万米深海高压高粘度高衰减环境对载人潜水器推进器系统的要求

1．3 面向深海环境的推进器的研究现状与趋势分析

1．3．1 面向深海环境的推进器的研究现状

1．3．2 面向深海环境的推进器趋势分析

1．4 论文研究意义和内容

1．4．1 论文研究的目标和意义

1．4．2 论文研究的主要内容

1．4．3 论文的技术路线

1．5 本章小结

第2章 面向万米深海高压环境的推进器结构优化研究

2．1 面向万米深海高压环境的推进器的结构优化要求与方案

2．2 面向万米深海高压环境的推进器总体结构优化研究

2．2．1 面向万米深海环境的推进器电机本体结构优化研究

2．2．2 高弹性范围的压力补偿装置优化研究

2．2．3 低噪声的导管螺旋桨及其连接结构的优化研究

2．3 面向万米深海高压环境的推进器详细结构设计与计算

2．3．1 推进器电机本体的详细结构设计与计算

2．3．2 压力补偿装置的详细结构设计与计算

2．3．3 导管螺旋桨及其连接的详细结构设计与有限元仿真分析

2．4 本章小结

第3章 高粘度充油推进器伸出轴动密封可靠性研究

3．1 万米高压环境下的补偿油液粘度对伸出轴动密封的影响分析

3．1．1 伸出轴动密封处的流体及其基本特征

3．1．2 补偿油液的粘压粘温特性

3．1．3 伸出轴动密封处的油液负压机理分析

3．2 万米高压环境下的补偿油粘度对伸出轴动密封仿真研究

3．2．1 伸出轴动密封位置高粘度流场仿真的理论基础

3．2．2 伸出轴动密封位置高粘度流体建模

3．2．3 伸出轴动密封位置高粘度流场仿真参数设置

3．2．4 伸出轴动密封位置高粘度流体仿真结果与动密封分析

3．3 伸出轴动密封结构优化设计

3．3．1 低旋流的伸出轴动密封与工作机理

3．3．2 优化设计后伸出轴动密封处的高粘度流体仿真研究

3．4 本章小结

第4章 低噪声万米充油推进器嵌入式驱动器研究

4．1 低噪声抗压嵌入式驱动器的要求与方案

4．1．1 低噪声抗压嵌入式驱动器的要求

4．1．2 低噪声抗压嵌入武驱动器的方案

4．2 抗压嵌入式驱动器的抗压元器件筛选与硬件电路开发

4．2．1 抗压微处理器及其外围电路设计

4．2．2 低噪声电机控制专用芯片及其外围电路设计

4．2．3 抗压功率模块电路设计

4．2．4 抗压隔离模块电路设计

4．3 低噪声抗压嵌入式驱动器的软件控制系统研究

4．3．1 低噪声抗压嵌入式驱动器的双闭环控制原理

4．3．2 低噪声抗压嵌入式驱动器的软件控制系统

4．4 本章小结

第5章 万米推进器实验研究

5．1 嵌入式驱动器的性能实验研究

5．1．1 嵌入式驱动器的性能实验系统

5．1．2 嵌入式驱动器的性能实验及结果分析

5．2 嵌入式驱动器的抗压实验研究

5．2．1 嵌入式驱动器的抗压实验系统

5．2．2 嵌入式驱动器抗压实验及结果分析

5．3 万米推进器水池实验研究

5．3．1 万米推进器水池实验台

5．3．2 万米推进器水池实验及结果分析

5．4 伸出轴动密封可靠性实验研究

5．4．1 伸出轴动密封可靠性实验系统

5．4．2 伸出轴动密封可靠性水池实验及结果分析

5．5 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献