一种具有自适应冷却功能的自主水下装备

本发明涉及一种具有自适应冷却功能的水下装备。

背景技术：

1、随着水下装备向着高航速的趋势不断发展，其对于推进电机的高功率密度要求不断提高。而高效的冷却方法是提高推进电机功率密度的关键技术之一。对于高功率密度的水下推进电机，若不能采取有效的冷却措施，电机会在极短的时间内迅速升温并导致绝缘溶解、永磁体退磁等不可逆性损坏。因此，有效地冷却手段是高功率密度水下推进电机的必备条件。

2、现有的水下推进电机的冷却方案大致分成两类，分别是闭式循环冷却和开式循环冷却。闭式循环冷却是指壳外海水不进入水下航行器内部的冷却手段，其一般是自带循环冷却液，并使冷却液在电机内部的循环流道内循环流动，从而对电机进行冷却，因此，这种方法需携带泵、储液罐等辅助设备，结构复杂。而开式循环冷却则将壳外海水通过水泵抽入冷却流道进行循环，这种方法利用了壳外海水，无需换热装置，但同样需要携带水泵抽取海水。综上所述，现有的水下装备推进电机的冷却方法均需携带水泵为冷却液在流道内的循环提供动力，结构复杂。

3、为设计更加简单的水下装备密闭空间中的冷却系统，有设计者提出了利用水下装备航行过程中的流体动压对水下装备发热部件进行自适应冷却的设计思路。如授权公告号为cn 113823859 b的专利文献中公开了一种自适应航速的水下航行器电池模组冷却系统，其将冷却剂入口和出口上下布置，冷却剂海水依靠自身重力进入冷却管道，并在冷却剂入口处设置引流调节阀以随着航速自适应地调节冷却剂入口的开口大小，航速越大，冷却剂入口开口越大，航速越小，冷却剂入口开口越小，从而自适应地根据航速调节进入冷却系统中的海水流量，实现根据航速自适应调节冷却效果的目的。然而，由于该方案必须在水下航行器壳体外增设突出壳体外围的引流调节阀，势必会对水下装备的流体外形造成一定程度的影响，会导致水下装备外形阻力增大，同时流体噪声也会增大，不利于水下装备的静音隐身性。

4、2024年，ou huanyu等人在《applied thermal engineering》期刊第238卷第1期中题目为investigation of self-adjusting cooling system for the autonomousunderwater vehicle propulsion motor的文章中提出了一种自主水下航行器推进电机自调节冷却系统，该自调节冷却系统利用水下航行器自身鳍板处的压差将外界海水引入对推进电机进行冷却，由于航行器航速越大，其鳍板处的压差就越大，从而引入的海水流量就越大，冷却性能就越好，从而能够实现自适应冷却。该文献中还通过对冷却流道的结构参数对散热性能的影响规律进行研究，以获得最大的流道内的海水流量。然而，我们发现，引入的海水流量并非越大越好，当海水流量增加到一定程度，并没有再对冷却性能有较大地提升，从而导致虽然随着航速的增大冷却系统的冷却性能有所提升但仍可能存在水下装备在高航速工况的某些航速点下，冷却系统的冷却性能无法满足推进电机的冷却散热需求的情形，导致推进电机可靠性降低，进而导致水下装备的可靠性降低。

5、另外，根据能量守恒定律，将海水引入冷却流道，必然会消耗能量，且引入的海水流量越大，冷却系统消耗的能量越大。因此，仅定性考虑冷却效果并按照最大流量设计的自适应冷却系统不利于实现水下装备的远航程、长航时的总体目标。

技术实现思路

1、为了解决现有的自适应冷却方案在水下装备高航速工况的某些航速点下，冷却系统的冷却性能无法满足推进电机的冷却散热需求的情形而导致水下装备的可靠性降低，以及解决仅定性考虑自适应冷却不利于实现水下装备的远航程、长航时的目标的技术问题，本发明提供了一种具有自适应冷却功能的水下装备。

2、为解决上述问题，本发明采用的技术方案是：

3、一种具有自适应冷却功能的自主水下装备，包括水下装备壳体；所述水下装备壳体外壁上具有鳍板或凸起；

4、其特殊之处在于：

5、所述自主水下装备还包括推进电机和自适应冷却系统；

6、所述自适应冷却系统包括电机冷却流道、流道入口、入口管道、流道出口和出口管道；

7、电机冷却流道设置在所述推进电机的电机壳体上；

8、流道入口设置在所述鳍板或凸起的迎流面上，通过所述入口管道与电机冷却流道连通；流道出口设置在水下装备壳体上，通过所述出口管道与电机冷却流道连通；

9、所述自适应冷却系统的结构参数采用仿真优化确定，以使所述自适应冷却系统能实现引入最少的海水达到最大的冷却散热能力，并避免出现部分航速下冷却效果无法满足要求的情况。

10、进一步地，还包括设置在所述流道入口与入口管道之间的压力阀；所述压力阀依靠流体动压开启，开启阈值利用下述方法确定：

11、首先，基于自适应冷却系统的结构参数，计算进入电机冷却流道的海水流量qi＝0的条件下，不同航速vi下的水下装备壳体外的流场和推进电机内部的温度场，得到对应的电机冷却流道出入口压差δpi和推进电机中主要发热部件的最高温度ti；

12、然后，根据推进电机的绝缘等级并考虑安全系数确定推进电机要求的安全温度[t]，比较上一步得到的不同航速vi下的推进电机中主要发热部件的最高温度ti与要求的安全温度[t]，压力阀的开启阈值则为最高温度ti小于或者等于安全温度[t]时对应航速工况下电机冷却流道出入口的压差δpi。

13、进一步地，所述压力阀的开启阈值为最高温度ti小于且最接近安全温度[t]时对应航速工况下电机冷却流道出入口的压差δpi。

14、进一步地，所述自适应冷却系统的结构参数具体利用下述优化设计方法确定：

15、步骤1：根据推进电机的各零部件结构参数，确定自适应冷却系统的结构参数取值范围，包括电机冷却流道结构参数、流道入口结构参数和流道出口参数，并设定自适应冷却系统的结构参数选取步长；

16、步骤2：基于所述自适应冷却系统的结构参数选取步长，从步骤1确定的结构参数取值范围内选取一组结构参数初始值；

17、步骤3：基于选取的结构参数初始值，以设定航速步长分别耦合计算不同航速vi的工况下的流场和温度场，进而得到不同航速vi下流入电机冷却流道的海水流量qi和推进电机中发热部件的最高温度ti；

18、步骤4：判断在不同航速vi下推进电机中发热部件的最高温度ti是否满足电机设计要求，若否，则在步骤1确定的结构参数取值范围内微调结构参数并返回步骤3；若是，则进入步骤5；

19、步骤5：计算所有关心的航速工况下的权重平均海水流量qavg，并保存当前自适应冷却系统的结构参数及对应的权重平均海水流量qavg作为一个设计样本点；

20、步骤6：判断是否已遍历步骤1确定的自适应冷却系统的结构参数取值范围，若否，返回步骤2，继续采集设计样本点；若是，设计样本点采集完成，进入步骤7；

21、步骤7：采用代理模型对设计样本点进行近似，并采用优化算法以最小权重平均海水流量qavg为优化目标，进行优化参数寻优，直至迭代收敛后得到最优的自适应冷却系统的结构参数。

22、进一步地，所述电机冷却流道为螺旋型或者轴向z型冷却流道。

23、进一步地，步骤7中所述的代理模型包括径向基函数或者kriging。

24、进一步地，步骤7中所述的优化算法包括神经网络优化算法或者粒子群优化算法。

25、进一步地，所述压力阀为安全阀或者减压阀。

26、本发明的有益效果是：

27、1.本发明在水下装备壳体上鳍板/凸起的迎流面上开设流道入口，利用鳍板/凸起处的流体动压将海水引入电机冷却流道进行冷却。由于本发明无需在流道入口处增设额外的引流调节阀，没有破坏水下装备的整体流体外形，不会对其流体性能有任何影响，从而不会削减水下装备的阻力性能和隐身性，与现有的自适应冷却方案相比具有更佳的阻力性能和静音效果。

28、并且，航速越高，鳍板/凸起上的流体动压越大，流入冷却流道的海水越多，冷却效果越好，因而能够实现被动自适应冷却。

29、与此同时，本发明中的自适应冷却系统的结构参数采用仿真优化确定，能够使本发明中的自适应冷却系统能实现引入最少的海水达到最大的冷却散热能力，并避免出现部分航速下冷却效果无法满足要求的情况，有利于提升水下装备的可靠性，以及有利于实现水下装备的远航程和长航时目标。

30、2.我们发现在低功率输出时，电机仅靠空气冷却即可满足散热要求的条件下，抽取海水无疑是消耗能量的无用功。因此，本发明在流道入口与入口管道之间增设了一个压力阀，在水下装备低航速下推进电机无需冷却时，由于其鳍板上流体动压较小，未达到压力阀的开启阈值，此时压力阀关闭，海水不能流入冷却流道，可以避免水下装备由于引入海水而消耗能量，有助于进一步提升水下装备的航程和航时。当航速增大，推进电机输出功率越大，鳍板上的流体动压增大到足以打开压力阀的开启阈值时，压力阀自动打开，使得海水在流体动压的作用下自动地流入冷却流道对推进电机进行冷却，保证推进电机可靠工作。

31、3.本发明还提供了一种自适应冷却流道的优化设计方法，通过该方法对冷却流道优化设计后，能实现在各个航速下冷却系统都能满足电机的降温散热要求，避免出现部分航速下冷却效果无法满足要求的情况，提高了水下装备的可靠性；同时，该优化设计方法确定的自适应冷却系统能够实现引入最少得海水达到最大的冷却散热能力，避免自适应冷却系统消耗不必要的能耗。

32、4.本发明具有比较好的通用性，适用于鱼雷、水下潜航器、auv和uuv等且壳体上自身具有鳍板或者凸起的水下装备。

33、5.本发明实施成本低但效果显著，通过对现有具有鳍板的水下装备进行低成本改进即可兼顾冷却效果、能耗和静音的综合性能，满足水下装备高航速、远航程、长航时以及静音隐身性的技术指标要求。