噴水推進技術(shù)在水面艦船聲隱身方面的應用研究

傅 華，范井峰

（海軍駐上海地區(qū)艦艇設(shè)計研究軍代表室，上海 200011）

0 引 言

隨著噴水推進技術(shù)研究的深入，噴水推進技術(shù)逐漸在高性能船舶上取代螺旋槳，并將這一技術(shù)延伸到水面艦艇領(lǐng)域。經(jīng)理論研究并已得到實踐驗證，噴水推進在高性能水面艦艇上應用具有以下的優(yōu)勢和特點[1～4]：

1) 噴水推進裝置在較高的航速狀態(tài)下抗空化能力優(yōu)于螺旋槳，因為推進器的槳葉更小，轉(zhuǎn)速更高，更適合與轉(zhuǎn)速較高的大功率燃氣輪機匹配使用，而且噴水推進在高速下還可以減小艦艇阻力，并隨著航速的提高其推進效率高的優(yōu)勢更加得到體現(xiàn)；

2) 噴水推進技術(shù)大大提高艦艇的操縱性能，采用操舵倒航裝置不僅使艦艇能在高速航行中轉(zhuǎn)過急彎，而且在減小轉(zhuǎn)向半徑、縮短倒航時間和急停距離等方面都優(yōu)于螺旋槳，尤其是在配備雙操舵倒航裝置的情況下能夠保證艦艇獨立完成側(cè)向移動；

3) 噴水推進裝置不但能利用來流沖壓提高抗空化能力，降低空化噪聲，而且轉(zhuǎn)槳在封閉管道中運行，水流更均勻，振動和噪聲遠小于螺旋槳，具有較低的水下噪聲。因此，噴水推進方式是提高艦艇隱身性能的重要方式之一；

4) 與螺旋槳相比，噴水推進裝置吸收相同功率時轉(zhuǎn)速更高，尺寸較小，更容易布置在淺吃水艦艇上。因此可降低艦艇對吃水的要求，提高艦艇在近海的機動性能。

5) 噴水推進裝置傳動機構(gòu)簡單，泵葉輪在管道系統(tǒng)中運轉(zhuǎn)，增加了設(shè)備的可靠性。

噴水推進在各國海軍的水面艦艇上得到越來越廣泛的應用，如高速水面戰(zhàn)斗艦艇、高速運輸補給艦、登陸艇、水雷戰(zhàn)、反潛戰(zhàn)艦艇等。噴水推進技術(shù)還在隱身艦艇上一展所長，近年來，隱身艦艇成為各國海軍的研制熱點，噪聲對艦艇的隱身會帶來極為不利的影響，而傳統(tǒng)的螺旋槳推進系統(tǒng)是主要噪聲源，采用噴水推進技術(shù)對于抑止空泡、降低艦艇的聲學信號特征有良好的效果，由于噴水推進的低噪音特性，今后隱身艦艇采用噴水推進將是一個發(fā)展趨勢。

1 噴水推進在聲隱身性方面的優(yōu)勢及應用現(xiàn)狀[5,6]

全面的隱身性是21世紀新型軍用艦艇的一個重要特征，水下輻射噪聲是其中的一項重要指標，它主要由推進噪聲、機械噪聲、流體噪聲等幾部分組成。隨著浮筏減振技術(shù)的不斷成熟、提升，艇上的主機和各種輔機被安裝到了筏型減振基座上，機械噪聲正逐步下降，推進噪聲在整個噪聲頻譜中處于越來越重要的地位。世界各國均在進行螺旋槳推進系統(tǒng)降噪研究后將研究重點瞄準噴水推進。由于具有良好的抗空泡性能，水動力噪聲低，且推進器外殼可以屏蔽葉輪噪聲輻射，從而大大提高艦艇的聲隱身性。美國、瑞典進行的對比試驗表明：與螺旋槳推進方式相比，高速時在同一航速下，采用噴水推進系統(tǒng)的艦艇其平均水下輻射噪聲可降低10dB，并明顯降低艦艇的空氣噪聲和振動，從而增強艦艇的聲隱身性能，改善艇員的生活環(huán)境。

近年來，世界各海軍強國均在大力研究艦艇減振降噪的綜合治理措施。噴水推進技術(shù)作為減振降噪，提高艦艇聲隱身性的一項關(guān)鍵技術(shù)，逐步投入到了實船應用階段。以瑞典“維斯比（Visby）”級輕型護衛(wèi)艦和挪威“盾牌”級導彈艇的水面艦艇最具代表性。“維斯比”隱形輕型護衛(wèi)艦被稱為“超級隱身”戰(zhàn)艦，其良好的隱身能力能應付尖端的雷達、聲納和紅外等監(jiān)視探測裝備。“盾牌”級導彈艇在與“肯尼迪”航母戰(zhàn)斗群的一次對抗演習中，是唯一生存下來并成功發(fā)射自身攜帶武器的反艦導彈發(fā)射平臺。在“維斯比（Visby）”級輕型護衛(wèi)艦項目中，在SSPA（瑞典國家船模試驗水池）進行了有關(guān)噴水推進器動葉輪葉片數(shù)、葉片形狀和傳聲途徑等方面的研究，為進一步降低其噪聲參數(shù)，經(jīng)過聲學優(yōu)化采用了七葉葉輪。和螺旋槳相比，噴水推進在同一航速下可使該艦的水下輻射噪聲降低約10dB。

綜上所述，噴水推進與螺旋槳相比，在聲隱身方面具有無可比擬的優(yōu)勢，但噴水推進裝置作為一種推進用的水動力旋轉(zhuǎn)機械裝置，動葉輪、導葉體等關(guān)鍵的水動力部件，與工作介質(zhì)——來流間存在相互作用，故存在水動力的脈動或流態(tài)改變所產(chǎn)生的噪聲，以及裝置本身可能誘發(fā)空泡而帶來的噪聲，這些都對噴水推進裝置的噪聲性能產(chǎn)生影響，因此有必要從噴水推進裝置自身著手，重點對其噪聲組成及機理、降噪途經(jīng)等方面展開有針對性的研究。

2 噴水推進裝置噪聲的機理及降噪措施

噴水推進裝置產(chǎn)生的噪聲信號可分為兩類：離散噪聲和寬頻噪聲。從產(chǎn)生機理上劃分，離散噪聲是由周期性的脈動引起的，寬頻噪聲則是由隨機脈動引起的。產(chǎn)生這兩類噪聲的主要原因有：空泡在動葉輪葉片頻率的諧波處的離散噪聲；動葉輪前端的不均勻伴流引發(fā)的離散噪聲；動葉輪和導葉體之間相互干涉引發(fā)的離散噪聲；葉輪進口湍流引起的后寬頻噪聲；葉片隨邊的邊界層湍流引起的后寬頻噪聲；噴射流沖擊引發(fā)的寬頻噪聲等。對于以上噪聲產(chǎn)生的機理，按不同水動力現(xiàn)象可分為空泡噪聲、旋轉(zhuǎn)脈動噪聲、旋渦噪聲、邊界層流噪聲和湍流噪聲。

噪聲從產(chǎn)生到被監(jiān)聽經(jīng)歷了一個由振蕩產(chǎn)生波、在水中輻射及通過其他介質(zhì)傳遞的過程。應對全過程綜合治理，在減少振蕩強度、降低輻射效率、增加傳遞損失等每個環(huán)節(jié)上抓住主要矛盾，才能最大限度地降低噪聲。

對噴水推進裝置，振蕩主要為機械振動及與來流干擾有關(guān)的振動，這是無法完全避免的，但可通過一些措施來減少振蕩強度。如：合理選取整流器與動葉輪的葉片數(shù)，以及兩者間的間距，減少經(jīng)由動葉輪后的高壓流進入整流器葉片時所產(chǎn)生的干擾；采用前置導葉設(shè)計方案，將較紊亂的來流，預先進行整流，可有效減少來流的周向不均勻性，降低來流的脈動；減少或合理分布葉片單位面積上的負荷，能更有效地發(fā)揮葉片各部位的作功能力；合理設(shè)計噴水推進裝置結(jié)構(gòu)，特別是推進泵軸系結(jié)構(gòu)，可有效避免產(chǎn)生共振現(xiàn)象；采用高標準的公差及動平衡要求，提高設(shè)備的表面粗糙度，使產(chǎn)品葉片的型值精度和動平衡得到保證，避免加工不到位所致的各種噪聲；采用高阻尼材料，減少對激勵的響應等。

水中聲源的輻射效率取決于聲源多極子的階次和馬赫數(shù)。階次越高，馬赫數(shù)越低，則輻射的聲功率越小，輻射效率越低。對噴水推進裝置要盡可能降低馬赫數(shù)，單極型的空泡及偶極型的旋渦是主要矛盾，要予以削弱。可采取的措施有：合理選擇流量系數(shù)和揚程系數(shù)，得到最佳匹配的推進裝置；合理選擇動葉輪葉片徑向負荷分布；采用負荷均勻的翼型，仔細校核翼型壓力分布，避免空泡；減少葉梢間隙，減少間隙旋渦和梢渦；校核葉片與葉片間的流動，防止出現(xiàn)流體分離；充分回收尾流中的旋轉(zhuǎn)能量，提高尾流靜壓力，減少尾流旋渦；設(shè)置導流片，削弱進水管道中的局部旋渦；降低轉(zhuǎn)速。

通過增加傳遞損失的方法也可有效降低噪聲，如精心設(shè)計泵殼及整流器的結(jié)構(gòu)，來提高隔聲能力，減少或避免聲橋；采用高阻尼吸聲材料；設(shè)備間采取隔聲措施。

3 結(jié) 語

由于噴水推進對于普通螺旋槳推進具有一系列的優(yōu)越性，因此在世界各國海軍的水面艦艇上得到越來越廣泛的應用，其低噪音特性，也已成為隱身艦艇一個發(fā)展趨勢。為使噴水推進技術(shù)得到進一步的發(fā)展，有必要對噴水推進裝置自身著手，重點對其噪聲組成及機理展開有針對性的研究，提出更加合理有效的降噪途經(jīng)。

[1] The Committee on Waterjet[R]. Final Report and Recommendations to the 21st-23ndITTC.

[2] The Specialist Committee on Validation of Waterjet Test Procedures[R]. Final Report and Recommendations to the 24thITTC.

[3] Hoyt III, J.G. (Chairman). Report of the Specialist Committee on Waterjet[R]. 22ndITTC, Seoul/Shanghai. 1999.

[4] van Terwisga, T.J.C. (Chairman). Report of the Specialist Committee on Validation of Waterjet Test Procedures[R]. 23rdITTC,Vol II, Venice. 2002.

[5] Altosole, M., Benvenuto, G., Figari, M. and Compora, U., Performance Prediction of a Waterjet Propelled Craft by Dynamic Numerical Simulation[R]. International Conference on Waterjet Propulsion 4, RINA, London, UK, 2004. 75-84.

[6] Kim, M.C., Chun, H.H. and Park, W.G., Design of an Waterjet Propulsion System for an Amphibious Tracked Vehicle[ R].International Conference on Fast Sea Transportation, Ischia, 2003. Italy, 35-40.