美国核潜艇推进系统减振降噪技术发展分析

王汉刚

(海军991工程办公室，北京 100841)

1 概述

反应堆主循环泵、减速齿轮装置、汽轮机、轴系、推进器等是核潜艇推进系统的主要噪声源。

表1 核潜艇推进系统噪声产生机理Tab.1 Principle of nuclear submarine propulsion system noise production

针对上述噪声源，美国海军采取了多种措施，如:发展自然循环压水堆，中低航速时主泵不工作;对减速齿轮采用隔振技术;降低汽轮机蒸汽流速，在汽轮机蒸汽管路、阀门等连接部位使用隔振装置;用泵喷推进器取代5叶大侧斜螺旋桨等。

2 降噪技术发展

1)推进器技术

为解决推进器噪声问题，美海军发展了多种推进器。20世纪50年代曾试图通过采用对转螺旋桨来降低推进器的噪声，虽然有一定的降噪效果，但由于这种推进器本身存在结构复杂、轴间密封困难等工程问题，并没有推广使用。其后，将研究重点投向7叶大侧斜螺旋桨，这种推进器在“长尾鲨”级攻击型核潜艇上首次使用后，发现其对降噪效果很好。在以后的30年里，7叶大侧斜螺旋桨又推广到“鲟鱼”级和“洛杉矶”级等攻击型核潜艇上使用。直至20世纪90年发展“海狼”级攻击型核潜艇时，发现7叶大侧斜螺旋桨的降噪效果已到极限，没有进一步挖掘的潜力。为了提高“海狼”级潜艇的隐身性能，开始研制降噪效果更好的泵喷推进器，并在最后几艘“洛杉矶”级，以及“海狼”级和“弗吉尼亚”级攻击型核潜艇上使用。美国核潜艇低噪声推进器的发展大致可分为3个阶段。

第一阶段，发展对转螺旋桨和低速7叶大侧斜螺旋桨。1956年开始设计“长尾鲨”级攻击型核潜艇，设计的重点之一就是降低螺旋桨的推进噪声。经过各种试验与研究，最终提出2种解决方案。一是采用泵喷推进技术，二是采用对转螺旋桨。经专家论证后认为当时的技术条件下泵喷推进技术尚不成熟，因此决定采用对转螺旋桨。美海军第7艘“长尾鲨”级SSN 605“小梭鱼”号试验性地采用对转螺旋桨，取得一定的降噪效果。但这种螺旋桨结构过于复杂，轴间密封困难。因此，“小梭鱼”号以后的7艘“长尾鲨”级核潜艇上再未采用对转螺旋桨。

其后，又开始为“长尾鲨”级攻击型核潜艇研制噪声更低的7叶大侧斜螺旋桨。对于在非均匀伴流场工作的螺旋桨，采用7叶大侧斜螺旋桨可取得非常显著的降噪效果。在“长尾鲨”级之后，“鲟鱼”级以及大部分“洛杉矶”级均采用7叶大侧斜螺旋桨。

第二阶段，发展泵喷推进器。随着泵喷推进技术的逐渐成熟，加上7叶大侧斜螺旋桨已不能满足“海狼”级攻击型核潜艇减振降噪的需要，美海军又重新开始研制噪声小、空泡少、推力大的泵喷推进器，并首先在最后几艘“洛杉矶”级上试验性的采用。

泵喷推进器由鱼雷使用的泵喷推进器移植而来，外部有1个导管，内有固定导流叶片和动叶片。图1为泵喷推进器的外形图。泵喷推进器的主要优点是在高航速时，有利于增加导管升力，使动叶片高速旋转时不产生空泡。

第三阶段，发展轮缘推进器。针对全电力推进的下一代攻击型核潜艇的需求，美海军于2005年委托DRS技术公司研制轮缘推进器。轮缘推进器是一种螺旋桨叶尖直接焊接在永磁电机的环形转子上，通过电机驱动桨叶旋转，是一种用电能传递推进功率，取消传统的旋转轴传递机械功率的推进方式。轮缘推进器在核潜艇上使用后推进噪声比泵喷推进器小，可进一步提高核潜艇隐身能力。图2为轮缘推进器外形图。

图1 核潜艇泵喷推进器外形图Fig.1 Diagram of nuclear submarine pump-jet propulsor

图2 轮缘推进器外形图Fig.2 Diagram of rim propulsor

图3为美海军下一代攻击型核潜艇双轮缘推进器的布置图，下一代攻击型潜艇使用2台轮缘推进器，它们对称地布置在艇尾。

图3 美海军核潜艇双轮缘推进器布置图Fig.3 Arrangement diagrams of US nuclear submarine double rim propulsor

2)浮筏减振技术

浮筏减振装置是把艇内机械转动设备安装在刚性平台上，刚性平台下面是挠性支撑系统，从而将振动噪声隔离，使其无法向艇外传播。浮筏减振装置可起到很好的隔振效果，但使用浮筏减振装置后，会增大潜艇的排水量，并带来一些工程问题。如:“长尾鲨”级使用分散式浮筏装置后，与同样采用S5W的“鲣鱼”级相比，艇体的长度和排水量均有所增大，相应的最高航速有所下降。此外，采用浮筏减振还会增加潜艇建造费用，一部分原因是尺寸增大，建造和原材料费用增大;另一部分原因是使用浮筏减振装置带来的一些工程技术问题需要解决。比如:某些管路需穿过浮筏装置，产生的管路走向设计问题。美国核潜艇浮筏减振技术经历了2个阶段。

第一阶段，采用分散式浮筏减振装置。浮筏减振装置首先是在“长尾鲨”级潜艇的全部或大部分旋转机械设备上使用，但这些浮筏是分散式的，也就是主汽轮机、齿轮箱、冷凝器和汽轮发电机组的浮筏彼此间相互独立。

第二阶段，采用整体式双层浮筏减振装置。“海狼”级和“弗吉尼亚”级核潜艇上开始采用整体式双层浮筏减振装置，将主汽轮机、齿轮箱、冷凝器和汽轮发电机组装在1个浮筏式整体基座上。相对分散式减振浮筏，整体式浮筏隔振降噪效果更好，但浮筏的设计和施工难度也更大。

3)自然循环压水堆技术

自然循环压水堆利用冷却剂在一回路中的温升造成的密度差作为动力，而不使用循环泵作动力进行强制循环。自然循环压水堆既可保证在任何情况下都能带走反应堆的热量，又可在中、低速工况时不使用主泵，从而在保证安全性的前提下消除中、低速工况下主泵的工作噪声。美国从1959年开始研制S5G自然循环压水堆，该堆于1965年12月9日达到临界，随后装备于SSN－671“一角鲸”号。其后又研制了S6G和S9G自然循环压水堆，S6G用于“洛杉矶”级，S9G用于“弗吉尼亚”级。

此外，由于现在“弗吉尼亚”级潜艇上使用的S9G自然循环压水堆具有很好的降噪效果，因此美海军在下一代攻击型核潜艇上可能会仍采用S9G反应堆，只是将现在S9G的堆芯改成转型技术堆芯。

转型技术堆芯 (transformational technology core，TTC)直接采用核武器上卸下的富集度为93%的铀燃料，使用先进堆芯材料，在堆芯尺寸和重量不增加的情况下，可使堆芯能量密度显著提高，2004财年开始设计，首个转型技术堆芯将在2014财年交付。

4)电力推进技术

美海军在20世纪50－60年代曾试图通过电力推进的方式彻底取消齿轮箱，从而完全消除齿轮箱的噪声。但由于受当时技术条件的限制，电力推进的总体效果并不好，因此美国并没有推广这种技术。随着推进电机技术和电力电子器件技术的飞速发展，21世纪初美海军又提出要发展电力推进的下一代攻击型核潜艇。与半个世纪前发展的电力推进攻击型核潜艇不同，这种核潜艇要实现全电化，不仅推进要使用电力，而且在操舵等系统也实现电气化。

核潜艇电力推进技术的发展上，美国分2个阶段，从20世纪50－60年代试验性地在2艘核潜艇上采用，到21世纪准备在下一代攻击型核潜艇上重新使用。

第一阶段，试验性地采用电力推进。1958年建造了采用小型反应堆的“白鱼”号电力推进攻击型核潜艇，其水上排水量仅有2138 t，主推进电机的功率仅为1.84 MW。由于该艇排水量和推进功率较小，在美国发展的电力推进攻击型核潜艇中并不具有代表性，因此本文对其不作重点研究。

20世纪60年代又在“白鱼”号核潜艇的基础上，研制电力推进的“格莱纳德·利普斯科姆”号试验性攻击型核潜艇。该潜艇水上排水量5813 t，采用1座S5W型压水堆，2台蒸汽轮机发电机组。1台汽轮机发电机组所产生的电能全部用于驱动推进电机，另1台汽轮机发电机组所产生的电能全部用于指控、照明、探测等日用系统。

当时“格莱纳德·利普斯科姆”号潜艇的推进电机可选择直流电机也可选择交流电机。与直流推进电机相比，交流推进电机需要使用许多电力电子变换设备实现推进电机的调速和控制。但由于当时电力电子变换技术并不成熟，其体积和重量很大，根本无法在核潜艇上布置。最终在“格莱纳德·利普斯科姆”号潜艇上采用直流推进电机，这样就可省去使用电力电子变换器。但就当时推进电机技术而言，直流推进电机本身的体积和重量也很大，致使“格莱纳德·利普斯科姆”号核潜艇比采用同型反应堆的机械推进的“鲟鱼”级核潜艇水下排水量增加约1800 t，长度增大约12 m。由于推进功率并没有增大，还小2.94 MW，因此尽管“格莱纳德·利普斯科姆”号潜艇利用电力推进消除了齿轮箱噪声，但总体性能不理想，尤其是航速偏低，不能满足潜艇作战使用的要求，还是于1989年作退役处理。

“格莱纳德·利普斯科姆”号核潜艇退役标志着当时采用电力推进是不可行的，不成功的原因主要是当时电力电子器件和推进电机技术并不成熟。

第二阶段，下一代攻击型核潜艇采用全电力推进 (即综合电力系统)。20世纪80年代后，随着电力电子器件和推进电机技术的高速发展和不断成熟，美国海军认为妨碍攻击型核潜艇采用电力推进的技术瓶颈已经可以跨越，于是在21世纪初又重新提出要在下一代攻击型核潜艇上采用电力推进。

2004年美海军提出了针对下一代攻击型核潜艇的“瓶颈技术” (Tango Bravo)计划，其中一项关键技术就是无轴推进技术，其实质就是在下一代核潜艇上采用全电力推进。其方案是采用1座压水堆，2台蒸汽轮机发电机组，2台轮缘推进器。2个发电机组所发出的电能供推进电机和日用电系统共同使用，两者间可相互调配使用。图4为美国下一代攻击型核潜艇的动力和推进系统示意图。图5为“格莱纳德·利普斯科姆”号攻击型核潜艇的动力和推进系统示意图。从图4和图5中可以看出，两者配电系统间的最大不同是，下一代攻击型核潜艇的推进用电和日用电可以相互调配使用，而“格莱纳德·利普斯科姆”号核潜艇推进用电和日用电相互独立。

图4 美国海军下一代核潜艇全电力推进系统示意图Fig.4 Diagrammatic sketch of US next generation nuclear submarine full electric propulsion system

图5 “格莱纳德·利普斯科姆”号核潜艇电力推进系统示意图Fig.5 Diagrammatic sketch of Leonard Lipscombe nuclear submarine electric propulsion system

全电力推进的优点是利用电力推进器完全取代传统的机械推进器，这样不仅取消减速齿轮、推进轴系，而且还可极大地节省了艇尾空间 (包括耐压艇壳内部和外部)。此外，采用这种推进方案，还可在不对潜艇航速产生显著影响的情况下，提供大量的电能供非推进系统使用，如未来的高能武器等。

5)小结

通过对推进器技术、浮筏减振技术、自然循环压水堆技术、电力推进技术等核潜艇推进系统减振降噪技术的梳理，可归纳出海军核潜艇推进系统减振降噪技术的发展历程 (见表2)和减振降噪效果 (见图6)。

表2 美海军核潜艇推进系统减振降噪技术发展简表Tab.2 Development of vibration isolation and noise reduction technology on US nuclear submarine propulsion system

图6 美海军核潜艇推进系统减振降噪技术应用情况和降噪效果图Fig.6 Applications and effects of vibration isolation and noise reduction technology on US nuclear submarine propulsion system

3 启示

1)核潜艇推进系统的减振降噪是一项系统工程，涉及反应堆、推进器和传动装置等设备本身，还涉及全艇的总体设计、系统管路降噪等，研发难度大，周期长。因此，在推进系统的减振降噪技术研发和科研管理上需要全面统筹和超前安排，才能真正解决核潜艇推进系统的减振降噪问题。

2)减振降噪技术的研发需要持之以恒，对于有应用潜力的技术需要不断地投入。从美国电力推进技术和泵喷推进技术的研究上可以看出，起初不成熟的技术，经过持续多年的研究最终却成为核潜艇隐身降噪的利器。

3)推进系统减振降噪技术的发展是永无止境的，核潜艇推进系统减振降噪技术的发展随着对推进系统噪声特点和机理的不断认识而发展。未来，随着声呐探测技术的发展和对推进噪声的不断认识，必然还会诞生新的减振降噪技术。

4)采用全电力推进不仅会显著降低潜艇推进系统的噪声，还会对潜艇的设计、布置、人员配置产生重大影响。全电力推进技术将成为核潜艇技术发展的里程碑。

［1］GERKEN T J.A survey of conventional and unconventional submarine propulsion systems［M］.

［2］Department of Energy.FY 2006 Congressional Budget Request［Z］

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

［4］赵经芳.《国外核潜艇低噪声推进装置的发展》［R］，舰船情报研究报告，1993.ZHAO Jing-fang.Development on low noise propulsion device in foreign nuclear powered submarines［R］.Reports on ship information，1993.

［5］BURROUGHS J K.Tango bravo-removing the technology barriers to a more affordable design［Z］.