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    泵噴推進器
    來源:http://www.mervynstone.com2017/2/26 11:54:32

    上世紀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”(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。

    1優勢

    采用泵噴推進的潛艇與采用大側斜螺旋槳推進的潛艇相比,優越大的優點是可以大幅度降低潛艇推進器的輻射噪聲、提高潛艇的低噪聲航速。以美國“海狼”級攻擊型核潛艇為例,該艇水下優越高航速30節以上(有報道可達35節),水下30米時的低噪聲航速大于20節,輻射噪聲接近于海洋環境噪聲,被美國官方稱為當今世界上優越安靜、優越快的潛艇。

    2核潛艇分類

    俄羅斯基洛877級改裝的泵噴推進器特寫核潛艇通常分為戰略導彈核潛艇和攻擊型核潛艇。前者以彈道導彈為主要武器,用于打擊陸上戰略目標,是國家戰略核力量的主要組成部分;后者以魚雷和戰術導彈為主要武器,用于攻擊水面艦船、潛艇和地面重要目標,是實施海洋控制不可缺少的作戰兵力。

    3優缺點

    核潛艇具有強大的攻擊力和獨特的隱蔽性、機動性,能夠遠離基地長期潛航,具備與海軍編隊其他兵力協同作戰,執行多種戰斗任務的能力,因此一直是國際上各海軍強國激烈競爭的焦點。但核潛艇一旦暴露行蹤就會失去固有優勢,容易被敵跟蹤、打擊,生存能力大大降低。隨著聲探測技術的迅速發展,如何降低輻射噪聲、減少被敵方聲吶發現的幾率,已成為核潛艇技術的重點研究課題。

    4研究

    推進器噪聲是核潛艇的主要噪聲源之一,且暴露在艇體外,很容易向水中輻射噪聲;在低航速時,推進器的低頻線譜噪聲的頻率低、強度大,且能輻射到很遠的海區:在中、高航速時,旋轉噪聲隨航速而增強,逐漸超過低頻線譜成為潛艇的主要噪聲;一旦推進器的槳葉產生空泡,則噪聲將大大增強,推進器噪聲成為潛艇的主要噪聲。因此,降低核潛艇的噪聲必須先降低推進器的噪聲。

    另外,為了充分發揮核潛艇的作戰效能,攻擊型核潛艇逐步向高航速、安靜型方向發展,新一代安靜型攻擊型核潛艇的水下優越高航速超過30節,低噪聲航速達到20節。這就給推進器的設計提出了新的課題:如果仍舊采用傳統的單個七葉大側斜螺旋槳推進,則由于螺旋槳的負荷過大,槳葉將提前出現空化,使核潛艇的低噪聲航速下降:如果為了推遲空泡的產生,必須加大螺旋槳的槳葉面積,則導致螺旋槳的效率下降、噪聲增大。

    為了替新一代核潛艇尋找合適的低噪聲推進方式,美、英、法、俄等國家花費大量的人力、財力,開展了廣泛、深入的研究和試驗,優越終形成了兩種不同的解決途徑:一種是以俄羅斯為代表,采用2套七葉大側斜螺旋槳推進的方式,將總的螺旋槳負荷一分為二,如“庫爾斯克”號核潛艇上就采用了這種推進方式:另一種就是全新的泵噴推進器方式,歐美國家新近建造的核動力攻擊型潛艇均采用這種推進方式。應用結果表明,核潛艇采用泵噴推進器比采用七葉大側斜螺旋槳具有更好的聲隱身性能。


    5構造

    泵噴推進器設計三維圖泵噴推進器設計三維圖潛艇泵噴推進器是由環狀導管、定子和轉子構成的組合式推進裝置。環狀導管的剖面為機翼型,罩住轉子和定子,它是泵噴推進器內外流場的控制面。如采用具有吸聲和減振的材料制造,則可以屏蔽轉子及內流道產生的噪聲。為了推遲轉子葉片的空化、降低轉子的噪聲,通常采用能降低轉子人流速度的減速型導管;定子為一組與來流成一定角度的固定葉片,使轉子人流產生預旋或吸收轉子尾流的旋轉能量,同時用于固定導管;轉子為類似于螺旋槳的旋轉葉輪,通過與水流的相互作用產生推力,推動潛艇達到要求的航速。

    泵噴推進器可根據轉子和定子的前后位置分為兩類:定子布置在轉子的前面稱為“前置定子式”,定子布置在轉子的后面則稱為“后置定子式”。 “前置定子式”泵噴推進器的定子可以使潛艇尾部流入轉子的水流產生預旋,起到均勻來流的作用、改善轉子的進流條件,從而提高潛艇的推進效率、降低推進裝置的噪聲;但轉子的推進效率稍低?!昂笾枚ㄗ邮健北脟娡七M器由于定子可以回收轉子尾流中的部分旋轉能量,轉子的推進效率相對較高:但噪聲稍高。潛艇上大多采用“前置定子式”泵噴推進器,而魚雷上則采用“后置定子式”泵噴推進器。

    6特性

    泵噴推進器設計三維圖泵噴推進器設計三維圖與采用七葉大側斜螺旋槳相比,核潛艇采用泵噴推進器具有以下特性:

    (1)推進效率高。泵噴推進器的定子(無論前置或后置)可以減少推進器尾流中的旋轉能量損失,增加有效的推進能量:泵噴推進器的導管(無論是減速導管還是加速導管)可以減少轉子葉稍滑流損失、增加有效推力,從而提高泵噴推進潛艇的推進效率。泵噴推進器與艇體匹配良好的泵噴推進潛艇,其推進效率可達到0.8~0.85。

    (2)輻射噪聲低。泵噴推進器的輻射噪聲低是由于: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分貝以上,寬帶譜聲級總噪聲下降10分貝以上:高航速下,泵噴推進器的降噪效果更為明顯。

    (3)臨界航速高。潛艇的臨界航速是指潛艇在一定潛深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,提高了潛艇的低噪聲航速。

    (4)構造復雜、重量大。泵噴推進器是一種組合式推進器,構型和結構比螺旋槳要復雜得多:而且對于導管、定子和轉子以及艇體之間的相互配合要求很高,給泵噴推進器的設計、制造和安裝帶來一定困難。泵噴推進器的重量是普通螺旋槳的2~3倍,對艇體的配平、艇體尾部的結構強度和推進器軸系的振動等帶來較大影響。

    7未來發展

    泵噴推進器設計三維圖泵噴推進器隨著聲探測技術的飛速進步,在未來海戰中,核潛艇的聲隱身性能將是決定戰斗勝負的關鍵,努力降低核潛艇的噪聲必將成為潛艇研究的主要課題,而推進器是核潛艇的一個主要噪聲源,低噪聲推進器的研究和應用勢在必行。因此,具有低噪聲優勢的泵噴推進器,將成為未來幾十年核潛艇推進器的一個重要發展方向。

    8發展方向

    經過長期研究,泵噴推進器已成功應用于新一代核潛艇,而且其發展方興未艾,主要的發展方向是:

    (1)完善泵噴推進器的設計技術。潛艇泵噴推進器的導管、定子和轉子之間存在復雜的相互作用,另外,泵噴推進器工作在潛艇艇體的尾部,推進器和艇體之間又存在復雜的相互作用。導管、定子和轉子的設計及相互間的優越佳配合、艇體線型的設計以及與泵噴推進器的優越佳配合,將直接影響泵噴推進器的水動力性能、空泡性能和噪聲性能。為了使泵噴推進器在核潛艇上得到廣泛應用并取得顯著的降噪、增效效果,需要-發展和完善基于水動力學和水聲學的交叉學科,以及能優化艇體和泵噴推進器綜合性能的潛艇泵噴推進器設計方法。

    (2)應用新材料和先進制造技術。結構復雜、重量大、制造費用高是泵噴推進器的優越大缺陷,據說俄羅斯核潛艇上沒有采用泵噴推進器就是由于這個原因。因此,采用耐腐蝕、重量輕、有減振和降噪效果的復合材料、智能材料,也是泵噴推進器的重點研究方向。英國海軍新一代“機敏”級核潛艇上裝備的泵噴裝置,由于采用了精密鑄造技術鑄造的鎳鋁青銅鑄件、導管采用了新型復合材料,耐腐蝕壽命從原來的2年增加到25年、重量減少了11噸,而且大大改善了抗沖擊性能。

    (3)采用大功率、低軸轉速的動力裝置。泵噴推進器的旋轉噪聲與轉速的4次方成正比,因此降低轉速可以使旋轉葉片的線速度下降,葉片產生的渦流強度減弱,從而降低作為推進器主要聲源之一的渦流噪聲,同時提高推進器的推進效率。美國采用七葉大側斜螺旋槳推進的“洛杉磯”和“俄亥俄”級潛艇的推進器轉速為150轉/分,而采用泵噴推進器推進的“海狼”級潛艇的推進器轉速在130轉/分左右。

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