泵噴推進器在某水下航行器降噪方面的應用

李星升，關靜巖

（汾西重工有限責任公司，山西 太原030027）

0 引言

近年來，隨著我國國家實力的不斷提升，海洋戰(zhàn)略越來越受到重視，對在近海甚至遠洋保衛(wèi)中國國家利益的需求陡然增加，水下航行器憑借其強隱蔽性與突發(fā)攻擊能力在國防事業(yè)中發(fā)揮了其不可或缺的重要作用。然而隨著技術的發(fā)展，各種水下探測技術給水下航行器的生存帶來了巨大挑戰(zhàn)，對水下航行器的聲隱身性能提出了新的要求。

所謂聲隱身性能就是航行器通過控制自身聲物理場輻射強度，從而使對方聲吶的探測效率降低，減小被發(fā)現概率。而要達到這一要求主要表現在2個方面：1）增強航行器的聲防護能力，也就是降低其聲反射強度從而降低敵主動聲吶探測效能；2）盡可能降低航行器自身噪聲輻射強度，從而降低敵被動聲吶探測到的概率。本文研究重點將集中在第2方面，即降低航行器的自噪聲、輻射噪聲，并且重點研究泵噴推進器在此方面的應用。

1 某航行器水下噪聲特點及降噪方法現狀

圖1為某水下航行器推進系統機械機構圖，從圖中可以看出其采用對轉螺旋槳作為推進機構，電機與安裝架剛性連接，輸出軸與支撐架剛性連接，外殼為薄壁殼體，鰭板、舵板等采用薄板結構。

圖1 某水下航行器推進系統機械機構圖Fig.1 Mechanical structure diagram of propulsion system of an underwater vehicle

從圖1可以看出，此水下航行器的輻射噪聲主要來源于3大方面：機械噪聲、流噪聲以及螺旋槳運動引起的噪聲。其中機械噪聲主要由電機運轉產生，通過安裝架、聯軸器、支撐架傳遞到外殼，是主要噪聲源之一；流噪聲主要為湍流產生的噪聲和空化產生的噪聲，由于此種噪聲在較低航速中對總體噪聲貢獻較小，在高航速時也不如螺旋槳噪聲大，因此不是主要噪聲源；而對于螺旋槳運動引起噪聲，有資料表明，水下航行器在水下靠電機航行時，螺旋槳運動引起的噪聲無論在低航速還是高航速都有可能成為主要噪聲源，且在一定航速下螺旋槳運動引起的系統振動通過軸系傳遞到殼體引起的間接振動的輻射噪聲遠高于螺旋槳直接輻射噪聲。因此，機械噪聲和螺旋槳噪聲是某水下航行器主要噪聲源[1-2]。

針對機械噪聲，現階段已經采取的降噪措施主要包括：增加殼體剛度和增加鰭板厚度；將電機剛性支撐改為柔性支撐；更換噪聲較低的軸承；殼體內部涂覆減振材料；提高零部件加工精度和裝配工藝；提高主推電機、尾軸和殼體的加工精度等。通過采取以上措施已極大地降低了航行器的噪聲，但還達不到聲隱身技術的要求，并且對螺旋槳噪聲沒有降噪作用。為了進一步提高降噪幅度，增強航行器聲隱身性能，針對螺旋槳噪聲進行降噪研究，優(yōu)化推進方式勢在必行，而事實證明泵噴推進器在降低螺旋槳噪聲方面具有較大優(yōu)勢。

2 泵噴推進器簡介及應用現狀

泵噴推進器以其具有優(yōu)良噪聲性能而日益受到設計師們的青睞，且由于其具有減速型導管，可設計為無任一類型空泡現象的低噪聲推進器，因而在現有的新型高速水下航行器中已經開始得到采用[3]。

相對于對轉螺旋槳推進器，泵噴推進器的主要特點如下：

1）泵噴推進器的轉子在導管內部，導管可起到屏蔽和吸聲的作用，另外，位于前方的定子可以使轉子進流場更均勻，從而減少轉子的脈動力，降低推進器的線譜輻射噪聲。

2）泵噴推進器旋轉葉輪（轉子）的直徑一般小于螺旋槳，在相同轉速下，泵噴推進器槳葉的旋轉線速度較低，可以降低推進器的旋轉噪聲。國內外研究和應用的結果表明：低航速下，泵噴推進器的低頻線譜噪聲比七葉大側斜螺旋槳小15 dB以上，寬帶譜聲級總噪聲下降10 dB以上；高航速下，泵噴推進器的降噪效果更為明顯。

3）臨界航速高。臨界航速是指航行器在一定航行深度下推進器不產生空泡的航速。泵噴推進器采用減速導管和前置定子，使轉子葉片處的進流場速度相對較低且更均勻，從而有效推遲了葉片梢渦空泡和槳葉空泡的產生，提高了航行器的低噪聲航速?；谝陨咸攸c，泵噴推進器開始在國內外航行器上得到應用。20世紀80年代，英國在“特拉法爾加”（Trafalgar）級攻擊型核潛艇上率先裝備了一種新型的泵噴推進器。這種推進方式可以有效降低潛艇的輻射噪聲，因而倍受世界各海軍強國的關注。隨后，英國在“前衛(wèi)”（Vanguard）級以及“機敏”（Astute）級核潛艇上，法國在“凱旋”（LeTriomphant）級核潛艇上，美國在“海狼”（Seawolf）級、“弗吉尼亞”（Virginia） 級核潛艇上，紛紛采用泵噴推進器取代已被廣泛應用的七葉大側斜螺旋槳。據不完全統計，至今世界上以泵噴推進器作為推進方式的核動力潛艇已達幾十艘之多。采用泵噴推進的航行器與采用大側斜螺旋槳推進的航行器相比，最大的優(yōu)點是可以大幅度降低航行器推進器的輻射噪聲、提高航行器的低噪聲航速。目前在國內已有某些型號水下航行器應用泵噴推進器作為推進裝置，且在低噪聲方面已取得了一定的成果。

3 采用泵噴推進器的降噪研究

3.1 相關裝置設計及降噪效果預估

由于泵噴具有減速型導管，使雷尾導管入口處流速降低，因而將明顯影響位于雷尾處的鰭舵效率，同時，泵噴的導管安裝需若干附體，這些附體亦構成水動力部件，需精心設計，再加上導管自身又是一個水動力部件，因此，為保證新型水下航行器有良好的機動性和運動穩(wěn)定性，同時亦確保泵噴具有良好的進流條件，使泵噴具有良好的空泡性能，必須將水下航行器的殼體線型、鰭舵方案和泵噴推進器設計綜合考慮，進行一體化設計[3]。

本文根據目前泵噴推進器在各型水下航行器中的應用現狀，對本產品各相關裝置改進設計提出設想，并對其降噪效果進行預估。

1）推進電機和傳動軸。

本產品采用對轉螺旋槳作為推進器，并采用對轉軸系結構，因而振動噪聲較大。而據研究資料表明，采用單軸結構，可以有效降低軸系噪聲。同時研究資料還說明推進系統噪聲大小與電機轉速存在較大關系。

由于在進速系數不變的情況下，推進器推力與轉速的平方成正比，與推進器直徑的四次方成正比。因此在推力大小不變的條件下，增加較少的直徑可以獲得較大的轉速降低量，可以使推進器葉梢線速度降低，從而降低推進器的輻射噪聲，同時電機額定轉速的降低又有利于軸系機械噪聲的降低。

鑒于本產品若降低轉速會導致電機重量增加，給配重帶來困難。因而可以將5 kn航速時螺旋槳轉速設定為400 r／min左右，同時采用單軸推進方式，可望使總噪聲降低1 dB。

2）舵、鰭和其他附體。

本產品與大多航行器一樣，均采用舵、鰭結構用于航行導向。從圖1中可以看出，本產品中舵尾緣離推進器距離很近，舵和槳葉之間必定會產生較強的非定常相互作用。因而推進器表面的壓力脈動幅值和激振力均會變大，導致推進器的直發(fā)聲和激振力引起的結構振動噪聲較大；本產品鰭的尾緣為斷面，不僅導致鰭阻力明顯增大，而且會產生較強的分離渦，是推進器進流不均勻性的重要因素；本產品殼體外部有較多附體，這些結構在產品航行過程中都將產生不同程度的噪聲。

綜上所述，可以將舵的位置前移，使舵尾緣的位置與推進器的距離增大至0.5 D以上（D為推進器直徑），并對舵、鰭和附體裝置的外形進行優(yōu)化設計，取消不必要的附體，降低推進器的直發(fā)聲和推進器激振力引起的結構振動噪聲，降低航行阻力，有望使總噪聲降低1 dB左右。

3）推進器防護罩。

本產品推進系統采用對轉槳方案，為了防止纜繩纏繞推進器，在推進器外安裝了防護罩，如圖1所示。但是在航行過程中，螺旋槳尾流對防護罩存在較強的沖擊作用，這不僅會增加阻力，還會產生很強的渦系，使防護罩產生振顫，增大輻射噪聲。而采用泵噴推進器后，避免了纜繩纏繞推進器的可能，因此可取消防護罩，使總噪聲再降低1 dB左右。

4）推進器。

本產品采用對轉螺旋槳作為推進器，其在推進效率方面具有較大優(yōu)勢，但在低噪聲方面卻存在較多不易解決的問題。對轉槳前后槳非定常干擾大，流場紊亂，前后槳槳葉表面的壓力脈動大，螺旋槳直發(fā)聲高，螺旋槳激振力大，這些因素都將使振動噪聲加大，使對轉槳推進器在低噪聲推進方面受到應用限制。

采用泵噴推進器后，不存在前后槳葉的強非定常相互作用，定子還可以對航行器附體引起的非均勻流場起到整流作用，轉子流場得到明顯改善，不僅推進器的直發(fā)聲會降低，推進器激振力引起的結構振動噪聲也會降低。

3.2 泵噴推進器初步方案

根據上述對泵噴推進器相關裝置的改進分析，并結合本產品對水下衡重配平及航行的要求（要求泵噴推進器與原對轉螺旋槳相比，水中重量和推進效率相近），對本產品泵噴推進系統進行初步方案設計。

其中，泵噴推進器導管采用復合材料，水中重量近似為0，極大地減輕了推進器在水中的重量，滿足了原產品的水下衡重及配平要求；同時為降低泵噴推進器的流體阻力和推進效率，導管線型根據艉段殼體線型進行流體設計，最大限度地降低了泵噴推進器的流體阻力，提高了推進效率。通過各項性能參數對比，所設計的泵噴推進器效率在相同條件下略小于或近似等于對轉螺旋槳，且滿足產品航行要求。表1為泵噴推進器初步方案主要參數，其結構圖如圖2。

表1 泵噴推進器初步方案主要參數Table 1 Primary parameters of preliminary proposal of pump-jet propulsor

圖2 泵噴推進器初步方案結構圖Fig.2 Structure diagram of preliminary proposal of pump-jet propulsor

如圖3所示為采用泵噴推進器后的水下航行器推進系統圖。

圖3 泵噴推進系統圖Fig.3 Diagram of pump-jet propulsion system

3.3 泵噴推進系統降噪效果分析[4-6]

根據對水下航行器推進系統的噪聲分析，以下主要對改進前后推進系統振動噪聲和流噪聲進行分析計算。其中由于螺旋槳流噪聲復雜，精確計算較為困難，因此本次分析計算中流噪聲主要包括殼體流噪聲和殼體流激振動噪聲，利用Lighthill聲類比法對其分別進行計算，然后將各項噪聲計算結果同一場點聲壓進行復數疊加，同時參考資料中關于泵噴推進器相對于對轉螺旋槳在降噪方面的效果，對泵噴推進系統降噪效果進行估計。

1）Lighthill聲類比法[7]。

Lighthill聲類比理論由流體力學基本N-S方程導出。由于方程的非線性和流動與聲場的耦合性使方程不易求解，將聲場分為近場和遠場。近場為聲源區(qū)，遠場為輻射區(qū)，假定輻射區(qū)的流動對聲場沒有影響。在該假定下通過連續(xù)方程和動量方程簡化得到Lighthill聲類比方程：

式中：c等熵條件下的聲速值；ρ′＝ρ－ρ0，ρ與ρ′分別為擾動與未擾動時的流體密度；T′ij為Lighthill應力張量，定義為。

2）噪聲仿真計算。

按照以下流程對殼體流噪聲和殼體流激振動噪聲進行分析計算[8]。

圖4 噪聲計算流程圖Fig.4 Calculation process diagram of noise

圖5 原推進系統計算結果Fig.5 Calculation results of original propulsion system

圖6 泵噴推進系統計算結果Fig.6 Calculation results of pump-jet propulsion system

將振動噪聲、流噪聲計算結果同一場點聲壓進行復數疊加，并在改進前后的推進系統聲場中取3個點，查看其頻率響應曲線。結果如圖5和圖6所示。

根據分析結果計算推進系統前后總聲壓級分別為 116.7 dB，114.4 dB，同時考慮到轉速對噪聲的影響（將5 kn航速時螺旋槳轉速設定為400 r／min左右，同時采用單軸推進方式，可望使總噪聲降低1 dB），則改進前后總聲壓級相差可達3.3 dB。此外計算中忽略了泵噴推進器相對于對轉螺旋槳推進方式在降噪方面的效果（見第2章節(jié)），因此根據以上分析，預計泵噴推進系統相對于對轉螺旋槳推進系統總聲壓級可降低4～5 dB[9-10]。

4 結束語

綜合以上分析可以看出，采用泵噴推進器后原產品噪聲確有下降空間。只要采取合適的思路和方法對殼體線型、鰭舵方案和泵噴推進器進行一體化設計，可望使該產品的總噪聲級大約降低4～5 dB。同時對泵噴推進器導管采用復合材料，減小推進器在水中重量，可以滿足產品整體水下配平及航行要求，使采用泵噴推進器降低噪聲具有可行性。