噴水推進(jìn)技術(shù)在水面艦船聲隱身方面的應(yīng)用研究

傅 華，范井峰

（海軍駐上海地區(qū)艦艇設(shè)計(jì)研究軍代表室，上海 200011）

0 引 言

隨著噴水推進(jìn)技術(shù)研究的深入，噴水推進(jìn)技術(shù)逐漸在高性能船舶上取代螺旋槳，并將這一技術(shù)延伸到水面艦艇領(lǐng)域。經(jīng)理論研究并已得到實(shí)踐驗(yàn)證，噴水推進(jìn)在高性能水面艦艇上應(yīng)用具有以下的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)[1～4]：

1) 噴水推進(jìn)裝置在較高的航速狀態(tài)下抗空化能力優(yōu)于螺旋槳，因?yàn)橥七M(jìn)器的槳葉更小，轉(zhuǎn)速更高，更適合與轉(zhuǎn)速較高的大功率燃?xì)廨啓C(jī)匹配使用，而且噴水推進(jìn)在高速下還可以減小艦艇阻力，并隨著航速的提高其推進(jìn)效率高的優(yōu)勢(shì)更加得到體現(xiàn)；

2) 噴水推進(jìn)技術(shù)大大提高艦艇的操縱性能，采用操舵倒航裝置不僅使艦艇能在高速航行中轉(zhuǎn)過(guò)急彎，而且在減小轉(zhuǎn)向半徑、縮短倒航時(shí)間和急停距離等方面都優(yōu)于螺旋槳，尤其是在配備雙操舵倒航裝置的情況下能夠保證艦艇獨(dú)立完成側(cè)向移動(dòng)；

3) 噴水推進(jìn)裝置不但能利用來(lái)流沖壓提高抗空化能力，降低空化噪聲，而且轉(zhuǎn)槳在封閉管道中運(yùn)行，水流更均勻，振動(dòng)和噪聲遠(yuǎn)小于螺旋槳，具有較低的水下噪聲。因此，噴水推進(jìn)方式是提高艦艇隱身性能的重要方式之一；

4) 與螺旋槳相比，噴水推進(jìn)裝置吸收相同功率時(shí)轉(zhuǎn)速更高，尺寸較小，更容易布置在淺吃水艦艇上。因此可降低艦艇對(duì)吃水的要求，提高艦艇在近海的機(jī)動(dòng)性能。

5) 噴水推進(jìn)裝置傳動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，泵葉輪在管道系統(tǒng)中運(yùn)轉(zhuǎn)，增加了設(shè)備的可靠性。

噴水推進(jìn)在各國(guó)海軍的水面艦艇上得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，如高速水面戰(zhàn)斗艦艇、高速運(yùn)輸補(bǔ)給艦、登陸艇、水雷戰(zhàn)、反潛戰(zhàn)艦艇等。噴水推進(jìn)技術(shù)還在隱身艦艇上一展所長(zhǎng)，近年來(lái)，隱身艦艇成為各國(guó)海軍的研制熱點(diǎn)，噪聲對(duì)艦艇的隱身會(huì)帶來(lái)極為不利的影響，而傳統(tǒng)的螺旋槳推進(jìn)系統(tǒng)是主要噪聲源，采用噴水推進(jìn)技術(shù)對(duì)于抑止空泡、降低艦艇的聲學(xué)信號(hào)特征有良好的效果，由于噴水推進(jìn)的低噪音特性，今后隱身艦艇采用噴水推進(jìn)將是一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。

1 噴水推進(jìn)在聲隱身性方面的優(yōu)勢(shì)及應(yīng)用現(xiàn)狀[5,6]

全面的隱身性是21世紀(jì)新型軍用艦艇的一個(gè)重要特征，水下輻射噪聲是其中的一項(xiàng)重要指標(biāo)，它主要由推進(jìn)噪聲、機(jī)械噪聲、流體噪聲等幾部分組成。隨著浮筏減振技術(shù)的不斷成熟、提升，艇上的主機(jī)和各種輔機(jī)被安裝到了筏型減振基座上，機(jī)械噪聲正逐步下降，推進(jìn)噪聲在整個(gè)噪聲頻譜中處于越來(lái)越重要的地位。世界各國(guó)均在進(jìn)行螺旋槳推進(jìn)系統(tǒng)降噪研究后將研究重點(diǎn)瞄準(zhǔn)噴水推進(jìn)。由于具有良好的抗空泡性能，水動(dòng)力噪聲低，且推進(jìn)器外殼可以屏蔽葉輪噪聲輻射，從而大大提高艦艇的聲隱身性。美國(guó)、瑞典進(jìn)行的對(duì)比試驗(yàn)表明：與螺旋槳推進(jìn)方式相比，高速時(shí)在同一航速下，采用噴水推進(jìn)系統(tǒng)的艦艇其平均水下輻射噪聲可降低10dB，并明顯降低艦艇的空氣噪聲和振動(dòng)，從而增強(qiáng)艦艇的聲隱身性能，改善艇員的生活環(huán)境。

近年來(lái)，世界各海軍強(qiáng)國(guó)均在大力研究艦艇減振降噪的綜合治理措施。噴水推進(jìn)技術(shù)作為減振降噪，提高艦艇聲隱身性的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，逐步投入到了實(shí)船應(yīng)用階段。以瑞典“維斯比（Visby）”級(jí)輕型護(hù)衛(wèi)艦和挪威“盾牌”級(jí)導(dǎo)彈艇的水面艦艇最具代表性?！熬S斯比”隱形輕型護(hù)衛(wèi)艦被稱為“超級(jí)隱身”戰(zhàn)艦，其良好的隱身能力能應(yīng)付尖端的雷達(dá)、聲納和紅外等監(jiān)視探測(cè)裝備?！岸芘啤奔?jí)導(dǎo)彈艇在與“肯尼迪”航母戰(zhàn)斗群的一次對(duì)抗演習(xí)中，是唯一生存下來(lái)并成功發(fā)射自身攜帶武器的反艦導(dǎo)彈發(fā)射平臺(tái)。在“維斯比（Visby）”級(jí)輕型護(hù)衛(wèi)艦項(xiàng)目中，在SSPA（瑞典國(guó)家船模試驗(yàn)水池）進(jìn)行了有關(guān)噴水推進(jìn)器動(dòng)葉輪葉片數(shù)、葉片形狀和傳聲途徑等方面的研究，為進(jìn)一步降低其噪聲參數(shù)，經(jīng)過(guò)聲學(xué)優(yōu)化采用了七葉葉輪。和螺旋槳相比，噴水推進(jìn)在同一航速下可使該艦的水下輻射噪聲降低約10dB。

綜上所述，噴水推進(jìn)與螺旋槳相比，在聲隱身方面具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，但噴水推進(jìn)裝置作為一種推進(jìn)用的水動(dòng)力旋轉(zhuǎn)機(jī)械裝置，動(dòng)葉輪、導(dǎo)葉體等關(guān)鍵的水動(dòng)力部件，與工作介質(zhì)——來(lái)流間存在相互作用，故存在水動(dòng)力的脈動(dòng)或流態(tài)改變所產(chǎn)生的噪聲，以及裝置本身可能誘發(fā)空泡而帶來(lái)的噪聲，這些都對(duì)噴水推進(jìn)裝置的噪聲性能產(chǎn)生影響，因此有必要從噴水推進(jìn)裝置自身著手，重點(diǎn)對(duì)其噪聲組成及機(jī)理、降噪途經(jīng)等方面展開(kāi)有針對(duì)性的研究。

2 噴水推進(jìn)裝置噪聲的機(jī)理及降噪措施

噴水推進(jìn)裝置產(chǎn)生的噪聲信號(hào)可分為兩類：離散噪聲和寬頻噪聲。從產(chǎn)生機(jī)理上劃分，離散噪聲是由周期性的脈動(dòng)引起的，寬頻噪聲則是由隨機(jī)脈動(dòng)引起的。產(chǎn)生這兩類噪聲的主要原因有：空泡在動(dòng)葉輪葉片頻率的諧波處的離散噪聲；動(dòng)葉輪前端的不均勻伴流引發(fā)的離散噪聲；動(dòng)葉輪和導(dǎo)葉體之間相互干涉引發(fā)的離散噪聲；葉輪進(jìn)口湍流引起的后寬頻噪聲；葉片隨邊的邊界層湍流引起的后寬頻噪聲；噴射流沖擊引發(fā)的寬頻噪聲等。對(duì)于以上噪聲產(chǎn)生的機(jī)理，按不同水動(dòng)力現(xiàn)象可分為空泡噪聲、旋轉(zhuǎn)脈動(dòng)噪聲、旋渦噪聲、邊界層流噪聲和湍流噪聲。

噪聲從產(chǎn)生到被監(jiān)聽(tīng)經(jīng)歷了一個(gè)由振蕩產(chǎn)生波、在水中輻射及通過(guò)其他介質(zhì)傳遞的過(guò)程。應(yīng)對(duì)全過(guò)程綜合治理，在減少振蕩強(qiáng)度、降低輻射效率、增加傳遞損失等每個(gè)環(huán)節(jié)上抓住主要矛盾，才能最大限度地降低噪聲。

對(duì)噴水推進(jìn)裝置，振蕩主要為機(jī)械振動(dòng)及與來(lái)流干擾有關(guān)的振動(dòng)，這是無(wú)法完全避免的，但可通過(guò)一些措施來(lái)減少振蕩強(qiáng)度。如：合理選取整流器與動(dòng)葉輪的葉片數(shù)，以及兩者間的間距，減少經(jīng)由動(dòng)葉輪后的高壓流進(jìn)入整流器葉片時(shí)所產(chǎn)生的干擾；采用前置導(dǎo)葉設(shè)計(jì)方案，將較紊亂的來(lái)流，預(yù)先進(jìn)行整流，可有效減少來(lái)流的周向不均勻性，降低來(lái)流的脈動(dòng)；減少或合理分布葉片單位面積上的負(fù)荷，能更有效地發(fā)揮葉片各部位的作功能力；合理設(shè)計(jì)噴水推進(jìn)裝置結(jié)構(gòu)，特別是推進(jìn)泵軸系結(jié)構(gòu)，可有效避免產(chǎn)生共振現(xiàn)象；采用高標(biāo)準(zhǔn)的公差及動(dòng)平衡要求，提高設(shè)備的表面粗糙度，使產(chǎn)品葉片的型值精度和動(dòng)平衡得到保證，避免加工不到位所致的各種噪聲；采用高阻尼材料，減少對(duì)激勵(lì)的響應(yīng)等。

水中聲源的輻射效率取決于聲源多極子的階次和馬赫數(shù)。階次越高，馬赫數(shù)越低，則輻射的聲功率越小，輻射效率越低。對(duì)噴水推進(jìn)裝置要盡可能降低馬赫數(shù)，單極型的空泡及偶極型的旋渦是主要矛盾，要予以削弱?？刹扇〉拇胧┯校汉侠磉x擇流量系數(shù)和揚(yáng)程系數(shù)，得到最佳匹配的推進(jìn)裝置；合理選擇動(dòng)葉輪葉片徑向負(fù)荷分布；采用負(fù)荷均勻的翼型，仔細(xì)校核翼型壓力分布，避免空泡；減少葉梢間隙，減少間隙旋渦和梢渦；校核葉片與葉片間的流動(dòng)，防止出現(xiàn)流體分離；充分回收尾流中的旋轉(zhuǎn)能量，提高尾流靜壓力，減少尾流旋渦；設(shè)置導(dǎo)流片，削弱進(jìn)水管道中的局部旋渦；降低轉(zhuǎn)速。

通過(guò)增加傳遞損失的方法也可有效降低噪聲，如精心設(shè)計(jì)泵殼及整流器的結(jié)構(gòu)，來(lái)提高隔聲能力，減少或避免聲橋；采用高阻尼吸聲材料；設(shè)備間采取隔聲措施。

3 結(jié) 語(yǔ)

由于噴水推進(jìn)對(duì)于普通螺旋槳推進(jìn)具有一系列的優(yōu)越性，因此在世界各國(guó)海軍的水面艦艇上得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，其低噪音特性，也已成為隱身艦艇一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。為使噴水推進(jìn)技術(shù)得到進(jìn)一步的發(fā)展，有必要對(duì)噴水推進(jìn)裝置自身著手，重點(diǎn)對(duì)其噪聲組成及機(jī)理展開(kāi)有針對(duì)性的研究，提出更加合理有效的降噪途經(jīng)。

[1] The Committee on Waterjet[R]. Final Report and Recommendations to the 21st-23ndITTC.

[2] The Specialist Committee on Validation of Waterjet Test Procedures[R]. Final Report and Recommendations to the 24thITTC.

[3] Hoyt III, J.G. (Chairman). Report of the Specialist Committee on Waterjet[R]. 22ndITTC, Seoul/Shanghai. 1999.

[4] van Terwisga, T.J.C. (Chairman). Report of the Specialist Committee on Validation of Waterjet Test Procedures[R]. 23rdITTC,Vol II, Venice. 2002.

[5] Altosole, M., Benvenuto, G., Figari, M. and Compora, U., Performance Prediction of a Waterjet Propelled Craft by Dynamic Numerical Simulation[R]. International Conference on Waterjet Propulsion 4, RINA, London, UK, 2004. 75-84.

[6] Kim, M.C., Chun, H.H. and Park, W.G., Design of an Waterjet Propulsion System for an Amphibious Tracked Vehicle[ R].International Conference on Fast Sea Transportation, Ischia, 2003. Italy, 35-40.