泵喷推进器在某水下航行器降噪方面的应用

李星升，关静岩

（汾西重工有限责任公司，山西 太原030027）

0 引言

近年来，随着我国国家实力的不断提升，海洋战略越来越受到重视，对在近海甚至远洋保卫中国国家利益的需求陡然增加，水下航行器凭借其强隐蔽性与突发攻击能力在国防事业中发挥了其不可或缺的重要作用。然而随着技术的发展，各种水下探测技术给水下航行器的生存带来了巨大挑战，对水下航行器的声隐身性能提出了新的要求。

所谓声隐身性能就是航行器通过控制自身声物理场辐射强度，从而使对方声呐的探测效率降低，减小被发现概率。而要达到这一要求主要表现在2个方面：1）增强航行器的声防护能力，也就是降低其声反射强度从而降低敌主动声呐探测效能；2）尽可能降低航行器自身噪声辐射强度，从而降低敌被动声呐探测到的概率。本文研究重点将集中在第2方面，即降低航行器的自噪声、辐射噪声，并且重点研究泵喷推进器在此方面的应用。

1 某航行器水下噪声特点及降噪方法现状

图1为某水下航行器推进系统机械机构图，从图中可以看出其采用对转螺旋桨作为推进机构，电机与安装架刚性连接，输出轴与支撑架刚性连接，外壳为薄壁壳体，鳍板、舵板等采用薄板结构。

图1 某水下航行器推进系统机械机构图Fig.1 Mechanical structure diagram of propulsion system of an underwater vehicle

从图1可以看出，此水下航行器的辐射噪声主要来源于3大方面：机械噪声、流噪声以及螺旋桨运动引起的噪声。其中机械噪声主要由电机运转产生，通过安装架、联轴器、支撑架传递到外壳，是主要噪声源之一；流噪声主要为湍流产生的噪声和空化产生的噪声，由于此种噪声在较低航速中对总体噪声贡献较小，在高航速时也不如螺旋桨噪声大，因此不是主要噪声源；而对于螺旋桨运动引起噪声，有资料表明，水下航行器在水下靠电机航行时，螺旋桨运动引起的噪声无论在低航速还是高航速都有可能成为主要噪声源，且在一定航速下螺旋桨运动引起的系统振动通过轴系传递到壳体引起的间接振动的辐射噪声远高于螺旋桨直接辐射噪声。因此，机械噪声和螺旋桨噪声是某水下航行器主要噪声源[1-2]。

针对机械噪声，现阶段已经采取的降噪措施主要包括：增加壳体刚度和增加鳍板厚度；将电机刚性支撑改为柔性支撑；更换噪声较低的轴承；壳体内部涂覆减振材料；提高零部件加工精度和装配工艺；提高主推电机、尾轴和壳体的加工精度等。通过采取以上措施已极大地降低了航行器的噪声，但还达不到声隐身技术的要求，并且对螺旋桨噪声没有降噪作用。为了进一步提高降噪幅度，增强航行器声隐身性能，针对螺旋桨噪声进行降噪研究，优化推进方式势在必行，而事实证明泵喷推进器在降低螺旋桨噪声方面具有较大优势。

2 泵喷推进器简介及应用现状

泵喷推进器以其具有优良噪声性能而日益受到设计师们的青睐，且由于其具有减速型导管，可设计为无任一类型空泡现象的低噪声推进器，因而在现有的新型高速水下航行器中已经开始得到采用[3]。

相对于对转螺旋桨推进器，泵喷推进器的主要特点如下：

1）泵喷推进器的转子在导管内部，导管可起到屏蔽和吸声的作用，另外，位于前方的定子可以使转子进流场更均匀，从而减少转子的脉动力，降低推进器的线谱辐射噪声。

2）泵喷推进器旋转叶轮（转子）的直径一般小于螺旋桨，在相同转速下，泵喷推进器桨叶的旋转线速度较低，可以降低推进器的旋转噪声。国内外研究和应用的结果表明：低航速下，泵喷推进器的低频线谱噪声比七叶大侧斜螺旋桨小15 dB以上，宽带谱声级总噪声下降10 dB以上；高航速下，泵喷推进器的降噪效果更为明显。

3）临界航速高。临界航速是指航行器在一定航行深度下推进器不产生空泡的航速。泵喷推进器采用减速导管和前置定子，使转子叶片处的进流场速度相对较低且更均匀，从而有效推迟了叶片梢涡空泡和桨叶空泡的产生，提高了航行器的低噪声航速。基于以上特点，泵喷推进器开始在国内外航行器上得到应用。20世纪80年代，英国在“特拉法尔加”（Trafalgar）级攻击型核潜艇上率先装备了一种新型的泵喷推进器。这种推进方式可以有效降低潜艇的辐射噪声，因而倍受世界各海军强国的关注。随后，英国在“前卫”（Vanguard）级以及“机敏”（Astute）级核潜艇上，法国在“凯旋”（LeTriomphant）级核潜艇上，美国在“海狼”（Seawolf）级、“弗吉尼亚”（Virginia） 级核潜艇上，纷纷采用泵喷推进器取代已被广泛应用的七叶大侧斜螺旋桨。据不完全统计，至今世界上以泵喷推进器作为推进方式的核动力潜艇已达几十艘之多。采用泵喷推进的航行器与采用大侧斜螺旋桨推进的航行器相比，最大的优点是可以大幅度降低航行器推进器的辐射噪声、提高航行器的低噪声航速。目前在国内已有某些型号水下航行器应用泵喷推进器作为推进装置，且在低噪声方面已取得了一定的成果。

3 采用泵喷推进器的降噪研究

3.1 相关装置设计及降噪效果预估

由于泵喷具有减速型导管，使雷尾导管入口处流速降低，因而将明显影响位于雷尾处的鳍舵效率，同时，泵喷的导管安装需若干附体，这些附体亦构成水动力部件，需精心设计，再加上导管自身又是一个水动力部件，因此，为保证新型水下航行器有良好的机动性和运动稳定性，同时亦确保泵喷具有良好的进流条件，使泵喷具有良好的空泡性能，必须将水下航行器的壳体线型、鳍舵方案和泵喷推进器设计综合考虑，进行一体化设计[3]。

本文根据目前泵喷推进器在各型水下航行器中的应用现状，对本产品各相关装置改进设计提出设想，并对其降噪效果进行预估。

1）推进电机和传动轴。

本产品采用对转螺旋桨作为推进器，并采用对转轴系结构，因而振动噪声较大。而据研究资料表明，采用单轴结构，可以有效降低轴系噪声。同时研究资料还说明推进系统噪声大小与电机转速存在较大关系。

由于在进速系数不变的情况下，推进器推力与转速的平方成正比，与推进器直径的四次方成正比。因此在推力大小不变的条件下，增加较少的直径可以获得较大的转速降低量，可以使推进器叶梢线速度降低，从而降低推进器的辐射噪声，同时电机额定转速的降低又有利于轴系机械噪声的降低。

鉴于本产品若降低转速会导致电机重量增加，给配重带来困难。因而可以将5 kn航速时螺旋桨转速设定为400 r／min左右，同时采用单轴推进方式，可望使总噪声降低1 dB。

2）舵、鳍和其他附体。

本产品与大多航行器一样，均采用舵、鳍结构用于航行导向。从图1中可以看出，本产品中舵尾缘离推进器距离很近，舵和桨叶之间必定会产生较强的非定常相互作用。因而推进器表面的压力脉动幅值和激振力均会变大，导致推进器的直发声和激振力引起的结构振动噪声较大；本产品鳍的尾缘为断面，不仅导致鳍阻力明显增大，而且会产生较强的分离涡，是推进器进流不均匀性的重要因素；本产品壳体外部有较多附体，这些结构在产品航行过程中都将产生不同程度的噪声。

综上所述，可以将舵的位置前移，使舵尾缘的位置与推进器的距离增大至0.5 D以上（D为推进器直径），并对舵、鳍和附体装置的外形进行优化设计，取消不必要的附体，降低推进器的直发声和推进器激振力引起的结构振动噪声，降低航行阻力，有望使总噪声降低1 dB左右。

3）推进器防护罩。

本产品推进系统采用对转桨方案，为了防止缆绳缠绕推进器，在推进器外安装了防护罩，如图1所示。但是在航行过程中，螺旋桨尾流对防护罩存在较强的冲击作用，这不仅会增加阻力，还会产生很强的涡系，使防护罩产生振颤，增大辐射噪声。而采用泵喷推进器后，避免了缆绳缠绕推进器的可能，因此可取消防护罩，使总噪声再降低1 dB左右。

4）推进器。

本产品采用对转螺旋桨作为推进器，其在推进效率方面具有较大优势，但在低噪声方面却存在较多不易解决的问题。对转桨前后桨非定常干扰大，流场紊乱，前后桨桨叶表面的压力脉动大，螺旋桨直发声高，螺旋桨激振力大，这些因素都将使振动噪声加大，使对转桨推进器在低噪声推进方面受到应用限制。

采用泵喷推进器后，不存在前后桨叶的强非定常相互作用，定子还可以对航行器附体引起的非均匀流场起到整流作用，转子流场得到明显改善，不仅推进器的直发声会降低，推进器激振力引起的结构振动噪声也会降低。

3.2 泵喷推进器初步方案

根据上述对泵喷推进器相关装置的改进分析，并结合本产品对水下衡重配平及航行的要求（要求泵喷推进器与原对转螺旋桨相比，水中重量和推进效率相近），对本产品泵喷推进系统进行初步方案设计。

其中，泵喷推进器导管采用复合材料，水中重量近似为0，极大地减轻了推进器在水中的重量，满足了原产品的水下衡重及配平要求；同时为降低泵喷推进器的流体阻力和推进效率，导管线型根据艉段壳体线型进行流体设计，最大限度地降低了泵喷推进器的流体阻力，提高了推进效率。通过各项性能参数对比，所设计的泵喷推进器效率在相同条件下略小于或近似等于对转螺旋桨，且满足产品航行要求。表1为泵喷推进器初步方案主要参数，其结构图如图2。

表1 泵喷推进器初步方案主要参数Table 1 Primary parameters of preliminary proposal of pump-jet propulsor

图2 泵喷推进器初步方案结构图Fig.2 Structure diagram of preliminary proposal of pump-jet propulsor

如图3所示为采用泵喷推进器后的水下航行器推进系统图。

图3 泵喷推进系统图Fig.3 Diagram of pump-jet propulsion system

3.3 泵喷推进系统降噪效果分析[4-6]

根据对水下航行器推进系统的噪声分析，以下主要对改进前后推进系统振动噪声和流噪声进行分析计算。其中由于螺旋桨流噪声复杂，精确计算较为困难，因此本次分析计算中流噪声主要包括壳体流噪声和壳体流激振动噪声，利用Lighthill声类比法对其分别进行计算，然后将各项噪声计算结果同一场点声压进行复数叠加，同时参考资料中关于泵喷推进器相对于对转螺旋桨在降噪方面的效果，对泵喷推进系统降噪效果进行估计。

1）Lighthill声类比法[7]。

Lighthill声类比理论由流体力学基本N-S方程导出。由于方程的非线性和流动与声场的耦合性使方程不易求解，将声场分为近场和远场。近场为声源区，远场为辐射区，假定辐射区的流动对声场没有影响。在该假定下通过连续方程和动量方程简化得到Lighthill声类比方程：

式中：c等熵条件下的声速值；ρ′＝ρ－ρ0，ρ与ρ′分别为扰动与未扰动时的流体密度；T′ij为Lighthill应力张量，定义为。

2）噪声仿真计算。

按照以下流程对壳体流噪声和壳体流激振动噪声进行分析计算[8]。

图4 噪声计算流程图Fig.4 Calculation process diagram of noise

图5 原推进系统计算结果Fig.5 Calculation results of original propulsion system

图6 泵喷推进系统计算结果Fig.6 Calculation results of pump-jet propulsion system

将振动噪声、流噪声计算结果同一场点声压进行复数叠加，并在改进前后的推进系统声场中取3个点，查看其频率响应曲线。结果如图5和图6所示。

根据分析结果计算推进系统前后总声压级分别为 116.7 dB，114.4 dB，同时考虑到转速对噪声的影响（将5 kn航速时螺旋桨转速设定为400 r／min左右，同时采用单轴推进方式，可望使总噪声降低1 dB），则改进前后总声压级相差可达3.3 dB。此外计算中忽略了泵喷推进器相对于对转螺旋桨推进方式在降噪方面的效果（见第2章节），因此根据以上分析，预计泵喷推进系统相对于对转螺旋桨推进系统总声压级可降低4～5 dB[9-10]。

4 结束语

综合以上分析可以看出，采用泵喷推进器后原产品噪声确有下降空间。只要采取合适的思路和方法对壳体线型、鳍舵方案和泵喷推进器进行一体化设计，可望使该产品的总噪声级大约降低4～5 dB。同时对泵喷推进器导管采用复合材料，减小推进器在水中重量，可以满足产品整体水下配平及航行要求，使采用泵喷推进器降低噪声具有可行性。