美國(guó)核潛艇推進(jìn)系統(tǒng)減振降噪技術(shù)發(fā)展分析

王漢剛

(海軍991工程辦公室，北京 100841)

1 概述

反應(yīng)堆主循環(huán)泵、減速齒輪裝置、汽輪機(jī)、軸系、推進(jìn)器等是核潛艇推進(jìn)系統(tǒng)的主要噪聲源。

表1 核潛艇推進(jìn)系統(tǒng)噪聲產(chǎn)生機(jī)理Tab.1 Principle of nuclear submarine propulsion system noise production

針對(duì)上述噪聲源，美國(guó)海軍采取了多種措施，如:發(fā)展自然循環(huán)壓水堆，中低航速時(shí)主泵不工作;對(duì)減速齒輪采用隔振技術(shù);降低汽輪機(jī)蒸汽流速，在汽輪機(jī)蒸汽管路、閥門等連接部位使用隔振裝置;用泵噴推進(jìn)器取代5葉大側(cè)斜螺旋槳等。

2 降噪技術(shù)發(fā)展

1)推進(jìn)器技術(shù)

為解決推進(jìn)器噪聲問題，美海軍發(fā)展了多種推進(jìn)器。20世紀(jì)50年代曾試圖通過采用對(duì)轉(zhuǎn)螺旋槳來降低推進(jìn)器的噪聲，雖然有一定的降噪效果，但由于這種推進(jìn)器本身存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、軸間密封困難等工程問題，并沒有推廣使用。其后，將研究重點(diǎn)投向7葉大側(cè)斜螺旋槳，這種推進(jìn)器在“長(zhǎng)尾鯊”級(jí)攻擊型核潛艇上首次使用后，發(fā)現(xiàn)其對(duì)降噪效果很好。在以后的30年里，7葉大側(cè)斜螺旋槳又推廣到“鱘魚”級(jí)和“洛杉磯”級(jí)等攻擊型核潛艇上使用。直至20世紀(jì)90年發(fā)展“海狼”級(jí)攻擊型核潛艇時(shí)，發(fā)現(xiàn)7葉大側(cè)斜螺旋槳的降噪效果已到極限，沒有進(jìn)一步挖掘的潛力。為了提高“海狼”級(jí)潛艇的隱身性能，開始研制降噪效果更好的泵噴推進(jìn)器，并在最后幾艘“洛杉磯”級(jí)，以及“海狼”級(jí)和“弗吉尼亞”級(jí)攻擊型核潛艇上使用。美國(guó)核潛艇低噪聲推進(jìn)器的發(fā)展大致可分為3個(gè)階段。

第一階段，發(fā)展對(duì)轉(zhuǎn)螺旋槳和低速7葉大側(cè)斜螺旋槳。1956年開始設(shè)計(jì)“長(zhǎng)尾鯊”級(jí)攻擊型核潛艇，設(shè)計(jì)的重點(diǎn)之一就是降低螺旋槳的推進(jìn)噪聲。經(jīng)過各種試驗(yàn)與研究，最終提出2種解決方案。一是采用泵噴推進(jìn)技術(shù)，二是采用對(duì)轉(zhuǎn)螺旋槳。經(jīng)專家論證后認(rèn)為當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件下泵噴推進(jìn)技術(shù)尚不成熟，因此決定采用對(duì)轉(zhuǎn)螺旋槳。美海軍第7艘“長(zhǎng)尾鯊”級(jí)SSN 605“小梭魚”號(hào)試驗(yàn)性地采用對(duì)轉(zhuǎn)螺旋槳，取得一定的降噪效果。但這種螺旋槳結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，軸間密封困難。因此，“小梭魚”號(hào)以后的7艘“長(zhǎng)尾鯊”級(jí)核潛艇上再未采用對(duì)轉(zhuǎn)螺旋槳。

其后，又開始為“長(zhǎng)尾鯊”級(jí)攻擊型核潛艇研制噪聲更低的7葉大側(cè)斜螺旋槳。對(duì)于在非均勻伴流場(chǎng)工作的螺旋槳，采用7葉大側(cè)斜螺旋槳可取得非常顯著的降噪效果。在“長(zhǎng)尾鯊”級(jí)之后，“鱘魚”級(jí)以及大部分“洛杉磯”級(jí)均采用7葉大側(cè)斜螺旋槳。

第二階段，發(fā)展泵噴推進(jìn)器。隨著泵噴推進(jìn)技術(shù)的逐漸成熟，加上7葉大側(cè)斜螺旋槳已不能滿足“海狼”級(jí)攻擊型核潛艇減振降噪的需要，美海軍又重新開始研制噪聲小、空泡少、推力大的泵噴推進(jìn)器，并首先在最后幾艘“洛杉磯”級(jí)上試驗(yàn)性的采用。

泵噴推進(jìn)器由魚雷使用的泵噴推進(jìn)器移植而來，外部有1個(gè)導(dǎo)管，內(nèi)有固定導(dǎo)流葉片和動(dòng)葉片。圖1為泵噴推進(jìn)器的外形圖。泵噴推進(jìn)器的主要優(yōu)點(diǎn)是在高航速時(shí)，有利于增加導(dǎo)管升力，使動(dòng)葉片高速旋轉(zhuǎn)時(shí)不產(chǎn)生空泡。

第三階段，發(fā)展輪緣推進(jìn)器。針對(duì)全電力推進(jìn)的下一代攻擊型核潛艇的需求，美海軍于2005年委托DRS技術(shù)公司研制輪緣推進(jìn)器。輪緣推進(jìn)器是一種螺旋槳葉尖直接焊接在永磁電機(jī)的環(huán)形轉(zhuǎn)子上，通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)槳葉旋轉(zhuǎn)，是一種用電能傳遞推進(jìn)功率，取消傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)軸傳遞機(jī)械功率的推進(jìn)方式。輪緣推進(jìn)器在核潛艇上使用后推進(jìn)噪聲比泵噴推進(jìn)器小，可進(jìn)一步提高核潛艇隱身能力。圖2為輪緣推進(jìn)器外形圖。

圖1 核潛艇泵噴推進(jìn)器外形圖Fig.1 Diagram of nuclear submarine pump-jet propulsor

圖2 輪緣推進(jìn)器外形圖Fig.2 Diagram of rim propulsor

圖3為美海軍下一代攻擊型核潛艇雙輪緣推進(jìn)器的布置圖，下一代攻擊型潛艇使用2臺(tái)輪緣推進(jìn)器，它們對(duì)稱地布置在艇尾。

圖3 美海軍核潛艇雙輪緣推進(jìn)器布置圖Fig.3 Arrangement diagrams of US nuclear submarine double rim propulsor

2)浮筏減振技術(shù)

浮筏減振裝置是把艇內(nèi)機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備安裝在剛性平臺(tái)上，剛性平臺(tái)下面是撓性支撐系統(tǒng)，從而將振動(dòng)噪聲隔離，使其無法向艇外傳播。浮筏減振裝置可起到很好的隔振效果，但使用浮筏減振裝置后，會(huì)增大潛艇的排水量，并帶來一些工程問題。如:“長(zhǎng)尾鯊”級(jí)使用分散式浮筏裝置后，與同樣采用S5W的“鰹魚”級(jí)相比，艇體的長(zhǎng)度和排水量均有所增大，相應(yīng)的最高航速有所下降。此外，采用浮筏減振還會(huì)增加潛艇建造費(fèi)用，一部分原因是尺寸增大，建造和原材料費(fèi)用增大;另一部分原因是使用浮筏減振裝置帶來的一些工程技術(shù)問題需要解決。比如:某些管路需穿過浮筏裝置，產(chǎn)生的管路走向設(shè)計(jì)問題。美國(guó)核潛艇浮筏減振技術(shù)經(jīng)歷了2個(gè)階段。

第一階段，采用分散式浮筏減振裝置。浮筏減振裝置首先是在“長(zhǎng)尾鯊”級(jí)潛艇的全部或大部分旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備上使用，但這些浮筏是分散式的，也就是主汽輪機(jī)、齒輪箱、冷凝器和汽輪發(fā)電機(jī)組的浮筏彼此間相互獨(dú)立。

第二階段，采用整體式雙層浮筏減振裝置。“海狼”級(jí)和“弗吉尼亞”級(jí)核潛艇上開始采用整體式雙層浮筏減振裝置，將主汽輪機(jī)、齒輪箱、冷凝器和汽輪發(fā)電機(jī)組裝在1個(gè)浮筏式整體基座上。相對(duì)分散式減振浮筏，整體式浮筏隔振降噪效果更好，但浮筏的設(shè)計(jì)和施工難度也更大。

3)自然循環(huán)壓水堆技術(shù)

自然循環(huán)壓水堆利用冷卻劑在一回路中的溫升造成的密度差作為動(dòng)力，而不使用循環(huán)泵作動(dòng)力進(jìn)行強(qiáng)制循環(huán)。自然循環(huán)壓水堆既可保證在任何情況下都能帶走反應(yīng)堆的熱量，又可在中、低速工況時(shí)不使用主泵，從而在保證安全性的前提下消除中、低速工況下主泵的工作噪聲。美國(guó)從1959年開始研制S5G自然循環(huán)壓水堆，該堆于1965年12月9日達(dá)到臨界，隨后裝備于SSN－671“一角鯨”號(hào)。其后又研制了S6G和S9G自然循環(huán)壓水堆，S6G用于“洛杉磯”級(jí)，S9G用于“弗吉尼亞”級(jí)。

此外，由于現(xiàn)在“弗吉尼亞”級(jí)潛艇上使用的S9G自然循環(huán)壓水堆具有很好的降噪效果，因此美海軍在下一代攻擊型核潛艇上可能會(huì)仍采用S9G反應(yīng)堆，只是將現(xiàn)在S9G的堆芯改成轉(zhuǎn)型技術(shù)堆芯。

轉(zhuǎn)型技術(shù)堆芯 (transformational technology core，TTC)直接采用核武器上卸下的富集度為93%的鈾燃料，使用先進(jìn)堆芯材料，在堆芯尺寸和重量不增加的情況下，可使堆芯能量密度顯著提高，2004財(cái)年開始設(shè)計(jì)，首個(gè)轉(zhuǎn)型技術(shù)堆芯將在2014財(cái)年交付。

4)電力推進(jìn)技術(shù)

美海軍在20世紀(jì)50－60年代曾試圖通過電力推進(jìn)的方式徹底取消齒輪箱，從而完全消除齒輪箱的噪聲。但由于受當(dāng)時(shí)技術(shù)條件的限制，電力推進(jìn)的總體效果并不好，因此美國(guó)并沒有推廣這種技術(shù)。隨著推進(jìn)電機(jī)技術(shù)和電力電子器件技術(shù)的飛速發(fā)展，21世紀(jì)初美海軍又提出要發(fā)展電力推進(jìn)的下一代攻擊型核潛艇。與半個(gè)世紀(jì)前發(fā)展的電力推進(jìn)攻擊型核潛艇不同，這種核潛艇要實(shí)現(xiàn)全電化，不僅推進(jìn)要使用電力，而且在操舵等系統(tǒng)也實(shí)現(xiàn)電氣化。

核潛艇電力推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展上，美國(guó)分2個(gè)階段，從20世紀(jì)50－60年代試驗(yàn)性地在2艘核潛艇上采用，到21世紀(jì)準(zhǔn)備在下一代攻擊型核潛艇上重新使用。

第一階段，試驗(yàn)性地采用電力推進(jìn)。1958年建造了采用小型反應(yīng)堆的“白魚”號(hào)電力推進(jìn)攻擊型核潛艇，其水上排水量?jī)H有2138 t，主推進(jìn)電機(jī)的功率僅為1.84 MW。由于該艇排水量和推進(jìn)功率較小，在美國(guó)發(fā)展的電力推進(jìn)攻擊型核潛艇中并不具有代表性，因此本文對(duì)其不作重點(diǎn)研究。

20世紀(jì)60年代又在“白魚”號(hào)核潛艇的基礎(chǔ)上，研制電力推進(jìn)的“格萊納德·利普斯科姆”號(hào)試驗(yàn)性攻擊型核潛艇。該潛艇水上排水量5813 t，采用1座S5W型壓水堆，2臺(tái)蒸汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組。1臺(tái)汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組所產(chǎn)生的電能全部用于驅(qū)動(dòng)推進(jìn)電機(jī)，另1臺(tái)汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組所產(chǎn)生的電能全部用于指控、照明、探測(cè)等日用系統(tǒng)。

當(dāng)時(shí)“格萊納德·利普斯科姆”號(hào)潛艇的推進(jìn)電機(jī)可選擇直流電機(jī)也可選擇交流電機(jī)。與直流推進(jìn)電機(jī)相比，交流推進(jìn)電機(jī)需要使用許多電力電子變換設(shè)備實(shí)現(xiàn)推進(jìn)電機(jī)的調(diào)速和控制。但由于當(dāng)時(shí)電力電子變換技術(shù)并不成熟，其體積和重量很大，根本無法在核潛艇上布置。最終在“格萊納德·利普斯科姆”號(hào)潛艇上采用直流推進(jìn)電機(jī)，這樣就可省去使用電力電子變換器。但就當(dāng)時(shí)推進(jìn)電機(jī)技術(shù)而言，直流推進(jìn)電機(jī)本身的體積和重量也很大，致使“格萊納德·利普斯科姆”號(hào)核潛艇比采用同型反應(yīng)堆的機(jī)械推進(jìn)的“鱘魚”級(jí)核潛艇水下排水量增加約1800 t，長(zhǎng)度增大約12 m。由于推進(jìn)功率并沒有增大，還小2.94 MW，因此盡管“格萊納德·利普斯科姆”號(hào)潛艇利用電力推進(jìn)消除了齒輪箱噪聲，但總體性能不理想，尤其是航速偏低，不能滿足潛艇作戰(zhàn)使用的要求，還是于1989年作退役處理。

“格萊納德·利普斯科姆”號(hào)核潛艇退役標(biāo)志著當(dāng)時(shí)采用電力推進(jìn)是不可行的，不成功的原因主要是當(dāng)時(shí)電力電子器件和推進(jìn)電機(jī)技術(shù)并不成熟。

第二階段，下一代攻擊型核潛艇采用全電力推進(jìn) (即綜合電力系統(tǒng))。20世紀(jì)80年代后，隨著電力電子器件和推進(jìn)電機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展和不斷成熟，美國(guó)海軍認(rèn)為妨礙攻擊型核潛艇采用電力推進(jìn)的技術(shù)瓶頸已經(jīng)可以跨越，于是在21世紀(jì)初又重新提出要在下一代攻擊型核潛艇上采用電力推進(jìn)。

2004年美海軍提出了針對(duì)下一代攻擊型核潛艇的“瓶頸技術(shù)” (Tango Bravo)計(jì)劃，其中一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)就是無軸推進(jìn)技術(shù)，其實(shí)質(zhì)就是在下一代核潛艇上采用全電力推進(jìn)。其方案是采用1座壓水堆，2臺(tái)蒸汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組，2臺(tái)輪緣推進(jìn)器。2個(gè)發(fā)電機(jī)組所發(fā)出的電能供推進(jìn)電機(jī)和日用電系統(tǒng)共同使用，兩者間可相互調(diào)配使用。圖4為美國(guó)下一代攻擊型核潛艇的動(dòng)力和推進(jìn)系統(tǒng)示意圖。圖5為“格萊納德·利普斯科姆”號(hào)攻擊型核潛艇的動(dòng)力和推進(jìn)系統(tǒng)示意圖。從圖4和圖5中可以看出，兩者配電系統(tǒng)間的最大不同是，下一代攻擊型核潛艇的推進(jìn)用電和日用電可以相互調(diào)配使用，而“格萊納德·利普斯科姆”號(hào)核潛艇推進(jìn)用電和日用電相互獨(dú)立。

圖4 美國(guó)海軍下一代核潛艇全電力推進(jìn)系統(tǒng)示意圖Fig.4 Diagrammatic sketch of US next generation nuclear submarine full electric propulsion system

圖5 “格萊納德·利普斯科姆”號(hào)核潛艇電力推進(jìn)系統(tǒng)示意圖Fig.5 Diagrammatic sketch of Leonard Lipscombe nuclear submarine electric propulsion system

全電力推進(jìn)的優(yōu)點(diǎn)是利用電力推進(jìn)器完全取代傳統(tǒng)的機(jī)械推進(jìn)器，這樣不僅取消減速齒輪、推進(jìn)軸系，而且還可極大地節(jié)省了艇尾空間 (包括耐壓艇殼內(nèi)部和外部)。此外，采用這種推進(jìn)方案，還可在不對(duì)潛艇航速產(chǎn)生顯著影響的情況下，提供大量的電能供非推進(jìn)系統(tǒng)使用，如未來的高能武器等。

5)小結(jié)

通過對(duì)推進(jìn)器技術(shù)、浮筏減振技術(shù)、自然循環(huán)壓水堆技術(shù)、電力推進(jìn)技術(shù)等核潛艇推進(jìn)系統(tǒng)減振降噪技術(shù)的梳理，可歸納出海軍核潛艇推進(jìn)系統(tǒng)減振降噪技術(shù)的發(fā)展歷程 (見表2)和減振降噪效果 (見圖6)。

表2 美海軍核潛艇推進(jìn)系統(tǒng)減振降噪技術(shù)發(fā)展簡(jiǎn)表Tab.2 Development of vibration isolation and noise reduction technology on US nuclear submarine propulsion system

圖6 美海軍核潛艇推進(jìn)系統(tǒng)減振降噪技術(shù)應(yīng)用情況和降噪效果圖Fig.6 Applications and effects of vibration isolation and noise reduction technology on US nuclear submarine propulsion system

3 啟示

1)核潛艇推進(jìn)系統(tǒng)的減振降噪是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，涉及反應(yīng)堆、推進(jìn)器和傳動(dòng)裝置等設(shè)備本身，還涉及全艇的總體設(shè)計(jì)、系統(tǒng)管路降噪等，研發(fā)難度大，周期長(zhǎng)。因此，在推進(jìn)系統(tǒng)的減振降噪技術(shù)研發(fā)和科研管理上需要全面統(tǒng)籌和超前安排，才能真正解決核潛艇推進(jìn)系統(tǒng)的減振降噪問題。

2)減振降噪技術(shù)的研發(fā)需要持之以恒，對(duì)于有應(yīng)用潛力的技術(shù)需要不斷地投入。從美國(guó)電力推進(jìn)技術(shù)和泵噴推進(jìn)技術(shù)的研究上可以看出，起初不成熟的技術(shù)，經(jīng)過持續(xù)多年的研究最終卻成為核潛艇隱身降噪的利器。

3)推進(jìn)系統(tǒng)減振降噪技術(shù)的發(fā)展是永無止境的，核潛艇推進(jìn)系統(tǒng)減振降噪技術(shù)的發(fā)展隨著對(duì)推進(jìn)系統(tǒng)噪聲特點(diǎn)和機(jī)理的不斷認(rèn)識(shí)而發(fā)展。未來，隨著聲吶探測(cè)技術(shù)的發(fā)展和對(duì)推進(jìn)噪聲的不斷認(rèn)識(shí)，必然還會(huì)誕生新的減振降噪技術(shù)。

4)采用全電力推進(jìn)不僅會(huì)顯著降低潛艇推進(jìn)系統(tǒng)的噪聲，還會(huì)對(duì)潛艇的設(shè)計(jì)、布置、人員配置產(chǎn)生重大影響。全電力推進(jìn)技術(shù)將成為核潛艇技術(shù)發(fā)展的里程碑。

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［3］Norman Friedman，U.S.SUBMARINES SINCE 1945.［M］

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