李星升，關(guān)靜巖

（汾西重工有限責(zé)任公司，山西 太原030027）

0 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)國(guó)家實(shí)力的不斷提升，海洋戰(zhàn)略越來(lái)越受到重視，對(duì)在近海甚至遠(yuǎn)洋保衛(wèi)中國(guó)國(guó)家利益的需求陡然增加，水下航行器憑借其強(qiáng)隱蔽性與突發(fā)攻擊能力在國(guó)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(shù)的發(fā)展，各種水下探測(cè)技術(shù)給水下航行器的生存帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)，對(duì)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(guò)控制自身聲物理場(chǎng)輻射強(qiáng)度，從而使對(duì)方聲吶的探測(cè)效率降低，減小被發(fā)現(xiàn)概率。而要達(dá)到這一要求主要表現(xiàn)在2個(gè)方面：1）增強(qiáng)航行器的聲防護(hù)能力，也就是降低其聲反射強(qiáng)度從而降低敵主動(dòng)聲吶探測(cè)效能；2）盡可能降低航行器自身噪聲輻射強(qiáng)度，從而降低敵被動(dòng)聲吶探測(cè)到的概率。本文研究重點(diǎn)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(diǎn)研究泵噴推進(jìn)器在此方面的應(yīng)用。

1 某航行器水下噪聲特點(diǎn)及降噪方法現(xiàn)狀

圖1為某水下航行器推進(jìn)系統(tǒng)機(jī)械機(jī)構(gòu)圖，從圖中可以看出其采用對(duì)轉(zhuǎn)螺旋槳作為推進(jìn)機(jī)構(gòu)，電機(jī)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(jié)構(gòu)。

圖1 某水下航行器推進(jìn)系統(tǒng)機(jī)械機(jī)構(gòu)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(lái)源于3大方面：機(jī)械噪聲、流噪聲以及螺旋槳運(yùn)動(dòng)引起的噪聲。其中機(jī)械噪聲主要由電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生，通過(guò)安裝架、聯(lián)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(chǎn)生的噪聲和空化產(chǎn)生的噪聲，由于此種噪聲在較低航速中對(duì)總體噪聲貢獻(xiàn)較小，在高航速時(shí)也不如螺旋槳噪聲大，因此不是主要噪聲源；而對(duì)于螺旋槳運(yùn)動(dòng)引起噪聲，有資料表明，水下航行器在水下靠電機(jī)航行時(shí)，螺旋槳運(yùn)動(dòng)引起的噪聲無(wú)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(yùn)動(dòng)引起的系統(tǒng)振動(dòng)通過(guò)軸系傳遞到殼體引起的間接振動(dòng)的輻射噪聲遠(yuǎn)高于螺旋槳直接輻射噪聲。因此，機(jī)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(duì)機(jī)械噪聲，現(xiàn)階段已經(jīng)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(jī)剛性支撐改為柔性支撐；更換噪聲較低的軸承；殼體內(nèi)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(jī)、尾軸和殼體的加工精度等。通過(guò)采取以上措施已極大地降低了航行器的噪聲，但還達(dá)不到聲隱身技術(shù)的要求，并且對(duì)螺旋槳噪聲沒(méi)有降噪作用。為了進(jìn)一步提高降噪幅度，增強(qiáng)航行器聲隱身性能，針對(duì)螺旋槳噪聲進(jìn)行降噪研究，優(yōu)化推進(jìn)方式勢(shì)在必行，而事實(shí)證明泵噴推進(jìn)器在降低螺旋槳噪聲方面具有較大優(yōu)勢(shì)。

2 泵噴推進(jìn)器簡(jiǎn)介及應(yīng)用現(xiàn)狀

泵噴推進(jìn)器以其具有優(yōu)良噪聲性能而日益受到設(shè)計(jì)師們的青睞，且由于其具有減速型導(dǎo)管，可設(shè)計(jì)為無(wú)任一類型空泡現(xiàn)象的低噪聲推進(jìn)器，因而在現(xiàn)有的新型高速水下航行器中已經(jīng)開始得到采用[3]。

相對(duì)于對(duì)轉(zhuǎn)螺旋槳推進(jìn)器，泵噴推進(jìn)器的主要特點(diǎn)如下：

1）泵噴推進(jìn)器的轉(zhuǎn)子在導(dǎo)管內(nèi)部，導(dǎo)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(zhuǎn)子進(jìn)流場(chǎng)更均勻，從而減少轉(zhuǎn)子的脈動(dòng)力，降低推進(jìn)器的線譜輻射噪聲。

2）泵噴推進(jìn)器旋轉(zhuǎn)葉輪（轉(zhuǎn)子）的直徑一般小于螺旋槳，在相同轉(zhuǎn)速下，泵噴推進(jìn)器槳葉的旋轉(zhuǎn)線速度較低，可以降低推進(jìn)器的旋轉(zhuǎn)噪聲。國(guó)內(nèi)外研究和應(yīng)用的結(jié)果表明：低航速下，泵噴推進(jìn)器的低頻線譜噪聲比七葉大側(cè)斜螺旋槳小15 dB以上，寬帶譜聲級(jí)總噪聲下降10 dB以上；高航速下，泵噴推進(jìn)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(jìn)器不產(chǎn)生空泡的航速。泵噴推進(jìn)器采用減速導(dǎo)管和前置定子，使轉(zhuǎn)子葉片處的進(jìn)流場(chǎng)速度相對(duì)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(chǎn)生，提高了航行器的低噪聲航速。基于以上特點(diǎn)，泵噴推進(jìn)器開始在國(guó)內(nèi)外航行器上得到應(yīng)用。20世紀(jì)80年代，英國(guó)在“特拉法爾加”（Trafalgar）級(jí)攻擊型核潛艇上率先裝備了一種新型的泵噴推進(jìn)器。這種推進(jìn)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(qiáng)國(guó)的關(guān)注。隨后，英國(guó)在“前衛(wèi)”（Vanguard）級(jí)以及“機(jī)敏”（Astute）級(jí)核潛艇上，法國(guó)在“凱旋”（LeTriomphant）級(jí)核潛艇上，美國(guó)在“海狼”（Seawolf）級(jí)、“弗吉尼亞”（Virginia） 級(jí)核潛艇上，紛紛采用泵噴推進(jìn)器取代已被廣泛應(yīng)用的七葉大側(cè)斜螺旋槳。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，至今世界上以泵噴推進(jìn)器作為推進(jìn)方式的核動(dòng)力潛艇已達(dá)幾十艘之多。采用泵噴推進(jìn)的航行器與采用大側(cè)斜螺旋槳推進(jìn)的航行器相比，最大的優(yōu)點(diǎn)是可以大幅度降低航行器推進(jìn)器的輻射噪聲、提高航行器的低噪聲航速。目前在國(guó)內(nèi)已有某些型號(hào)水下航行器應(yīng)用泵噴推進(jìn)器作為推進(jìn)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(jìn)器的降噪研究

3.1 相關(guān)裝置設(shè)計(jì)及降噪效果預(yù)估

由于泵噴具有減速型導(dǎo)管，使雷尾導(dǎo)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(shí)，泵噴的導(dǎo)管安裝需若干附體，這些附體亦構(gòu)成水動(dòng)力部件，需精心設(shè)計(jì)，再加上導(dǎo)管自身又是一個(gè)水動(dòng)力部件，因此，為保證新型水下航行器有良好的機(jī)動(dòng)性和運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性，同時(shí)亦確保泵噴具有良好的進(jìn)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(jìn)器設(shè)計(jì)綜合考慮，進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)[3]。

本文根據(jù)目前泵噴推進(jìn)器在各型水下航行器中的應(yīng)用現(xiàn)狀，對(duì)本產(chǎn)品各相關(guān)裝置改進(jìn)設(shè)計(jì)提出設(shè)想，并對(duì)其降噪效果進(jìn)行預(yù)估。

1）推進(jìn)電機(jī)和傳動(dòng)軸。

本產(chǎn)品采用對(duì)轉(zhuǎn)螺旋槳作為推進(jìn)器，并采用對(duì)轉(zhuǎn)軸系結(jié)構(gòu)，因而振動(dòng)噪聲較大。而據(jù)研究資料表明，采用單軸結(jié)構(gòu)，可以有效降低軸系噪聲。同時(shí)研究資料還說(shuō)明推進(jìn)系統(tǒng)噪聲大小與電機(jī)轉(zhuǎn)速存在較大關(guān)系。

由于在進(jìn)速系數(shù)不變的情況下，推進(jìn)器推力與轉(zhuǎn)速的平方成正比，與推進(jìn)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(zhuǎn)速降低量，可以使推進(jìn)器葉梢線速度降低，從而降低推進(jìn)器的輻射噪聲，同時(shí)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速的降低又有利于軸系機(jī)械噪聲的降低。

鑒于本產(chǎn)品若降低轉(zhuǎn)速會(huì)導(dǎo)致電機(jī)重量增加，給配重帶來(lái)困難。因而可以將5 kn航速時(shí)螺旋槳轉(zhuǎn)速設(shè)定為400 r／min左右，同時(shí)采用單軸推進(jìn)方式，可望使總噪聲降低1 dB。

2）舵、鰭和其他附體。

本產(chǎn)品與大多航行器一樣，均采用舵、鰭結(jié)構(gòu)用于航行導(dǎo)向。從圖1中可以看出，本產(chǎn)品中舵尾緣離推進(jìn)器距離很近，舵和槳葉之間必定會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的非定常相互作用。因而推進(jìn)器表面的壓力脈動(dòng)幅值和激振力均會(huì)變大，導(dǎo)致推進(jìn)器的直發(fā)聲和激振力引起的結(jié)構(gòu)振動(dòng)噪聲較大；本產(chǎn)品鰭的尾緣為斷面，不僅導(dǎo)致鰭阻力明顯增大，而且會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的分離渦，是推進(jìn)器進(jìn)流不均勻性的重要因素；本產(chǎn)品殼體外部有較多附體，這些結(jié)構(gòu)在產(chǎn)品航行過(guò)程中都將產(chǎn)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(jìn)器的距離增大至0.5 D以上（D為推進(jìn)器直徑），并對(duì)舵、鰭和附體裝置的外形進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，取消不必要的附體，降低推進(jìn)器的直發(fā)聲和推進(jìn)器激振力引起的結(jié)構(gòu)振動(dòng)噪聲，降低航行阻力，有望使總噪聲降低1 dB左右。

3）推進(jìn)器防護(hù)罩。

本產(chǎn)品推進(jìn)系統(tǒng)采用對(duì)轉(zhuǎn)槳方案，為了防止纜繩纏繞推進(jìn)器，在推進(jìn)器外安裝了防護(hù)罩，如圖1所示。但是在航行過(guò)程中，螺旋槳尾流對(duì)防護(hù)罩存在較強(qiáng)的沖擊作用，這不僅會(huì)增加阻力，還會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的渦系，使防護(hù)罩產(chǎn)生振顫，增大輻射噪聲。而采用泵噴推進(jìn)器后，避免了纜繩纏繞推進(jìn)器的可能，因此可取消防護(hù)罩，使總噪聲再降低1 dB左右。

4）推進(jìn)器。

本產(chǎn)品采用對(duì)轉(zhuǎn)螺旋槳作為推進(jìn)器，其在推進(jìn)效率方面具有較大優(yōu)勢(shì)，但在低噪聲方面卻存在較多不易解決的問(wèn)題。對(duì)轉(zhuǎn)槳前后槳非定常干擾大，流場(chǎng)紊亂，前后槳槳葉表面的壓力脈動(dòng)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(dòng)噪聲加大，使對(duì)轉(zhuǎn)槳推進(jìn)器在低噪聲推進(jìn)方面受到應(yīng)用限制。

采用泵噴推進(jìn)器后，不存在前后槳葉的強(qiáng)非定常相互作用，定子還可以對(duì)航行器附體引起的非均勻流場(chǎng)起到整流作用，轉(zhuǎn)子流場(chǎng)得到明顯改善，不僅推進(jìn)器的直發(fā)聲會(huì)降低，推進(jìn)器激振力引起的結(jié)構(gòu)振動(dòng)噪聲也會(huì)降低。

3.2 泵噴推進(jìn)器初步方案

根據(jù)上述對(duì)泵噴推進(jìn)器相關(guān)裝置的改進(jìn)分析，并結(jié)合本產(chǎn)品對(duì)水下衡重配平及航行的要求（要求泵噴推進(jìn)器與原對(duì)轉(zhuǎn)螺旋槳相比，水中重量和推進(jìn)效率相近），對(duì)本產(chǎn)品泵噴推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行初步方案設(shè)計(jì)。

其中，泵噴推進(jìn)器導(dǎo)管采用復(fù)合材料，水中重量近似為0，極大地減輕了推進(jìn)器在水中的重量，滿足了原產(chǎn)品的水下衡重及配平要求；同時(shí)為降低泵噴推進(jìn)器的流體阻力和推進(jìn)效率，導(dǎo)管線型根據(jù)艉段殼體線型進(jìn)行流體設(shè)計(jì)，最大限度地降低了泵噴推進(jìn)器的流體阻力，提高了推進(jìn)效率。通過(guò)各項(xiàng)性能參數(shù)對(duì)比，所設(shè)計(jì)的泵噴推進(jìn)器效率在相同條件下略小于或近似等于對(duì)轉(zhuǎn)螺旋槳，且滿足產(chǎn)品航行要求。表1為泵噴推進(jìn)器初步方案主要參數(shù)，其結(jié)構(gòu)圖如圖2。

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

圖2 泵噴推進(jìn)器初步方案結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of preliminary proposal of pump-jet propulsor

如圖3所示為采用泵噴推進(jìn)器后的水下航行器推進(jìn)系統(tǒng)圖。

圖3 泵噴推進(jìn)系統(tǒng)圖Fig.3 Diagram of pump-jet propulsion system

3.3 泵噴推進(jìn)系統(tǒng)降噪效果分析[4-6]

根據(jù)對(duì)水下航行器推進(jìn)系統(tǒng)的噪聲分析，以下主要對(duì)改進(jìn)前后推進(jìn)系統(tǒng)振動(dòng)噪聲和流噪聲進(jìn)行分析計(jì)算。其中由于螺旋槳流噪聲復(fù)雜，精確計(jì)算較為困難，因此本次分析計(jì)算中流噪聲主要包括殼體流噪聲和殼體流激振動(dòng)噪聲，利用Lighthill聲類比法對(duì)其分別進(jìn)行計(jì)算，然后將各項(xiàng)噪聲計(jì)算結(jié)果同一場(chǎng)點(diǎn)聲壓進(jìn)行復(fù)數(shù)疊加，同時(shí)參考資料中關(guān)于泵噴推進(jìn)器相對(duì)于對(duì)轉(zhuǎn)螺旋槳在降噪方面的效果，對(duì)泵噴推進(jìn)系統(tǒng)降噪效果進(jìn)行估計(jì)。

1）Lighthill聲類比法[7]。

Lighthill聲類比理論由流體力學(xué)基本N-S方程導(dǎo)出。由于方程的非線性和流動(dòng)與聲場(chǎng)的耦合性使方程不易求解，將聲場(chǎng)分為近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)。近場(chǎng)為聲源區(qū)，遠(yuǎn)場(chǎng)為輻射區(qū)，假定輻射區(qū)的流動(dòng)對(duì)聲場(chǎng)沒(méi)有影響。在該假定下通過(guò)連續(xù)方程和動(dòng)量方程簡(jiǎn)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(dòng)與未擾動(dòng)時(shí)的流體密度；T′ij為L(zhǎng)ighthill應(yīng)力張量，定義為。

2）噪聲仿真計(jì)算。

按照以下流程對(duì)殼體流噪聲和殼體流激振動(dòng)噪聲進(jìn)行分析計(jì)算[8]。

圖4 噪聲計(jì)算流程圖Fig.4 Calculation process diagram of noise

圖5 原推進(jìn)系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果Fig.5 Calculation results of original propulsion system

圖6 泵噴推進(jìn)系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果Fig.6 Calculation results of pump-jet propulsion system

將振動(dòng)噪聲、流噪聲計(jì)算結(jié)果同一場(chǎng)點(diǎn)聲壓進(jìn)行復(fù)數(shù)疊加，并在改進(jìn)前后的推進(jìn)系統(tǒng)聲場(chǎng)中取3個(gè)點(diǎn)，查看其頻率響應(yīng)曲線。結(jié)果如圖5和圖6所示。

根據(jù)分析結(jié)果計(jì)算推進(jìn)系統(tǒng)前后總聲壓級(jí)分別為 116.7 dB，114.4 dB，同時(shí)考慮到轉(zhuǎn)速對(duì)噪聲的影響（將5 kn航速時(shí)螺旋槳轉(zhuǎn)速設(shè)定為400 r／min左右，同時(shí)采用單軸推進(jìn)方式，可望使總噪聲降低1 dB），則改進(jìn)前后總聲壓級(jí)相差可達(dá)3.3 dB。此外計(jì)算中忽略了泵噴推進(jìn)器相對(duì)于對(duì)轉(zhuǎn)螺旋槳推進(jìn)方式在降噪方面的效果（見(jiàn)第2章節(jié)），因此根據(jù)以上分析，預(yù)計(jì)泵噴推進(jìn)系統(tǒng)相對(duì)于對(duì)轉(zhuǎn)螺旋槳推進(jìn)系統(tǒng)總聲壓級(jí)可降低4～5 dB[9-10]。

4 結(jié)束語(yǔ)

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