学术专著《泵喷推进器的低噪声设计机理与设计应用》阐述了泵喷与螺旋桨在水动力性能方面所表现出的“径向环量分布规律不同、敞水效率曲线规律不同、轴向进流速度分布不同以及出流速度分量的能量头占比不同”等差异[1],分析了后置定子式泵喷与典型艉板式喷泵在结构和外形上所具有的差异,但并未系统呈现出泵类推进器作为特种推进器相比于螺旋桨所具有的共性和特性,对于深入理解泵推进与桨推进在“形”和“神”上的差异尚且不够,也不利于从顶层把握最优推进器的选择和设计优化,因此,需要更加全面、深入地梳理从螺旋桨到喷泵再到泵喷的发展脉络,总结其在命名、结构组成、外形、流动特征以及性能特点上的内在关联和外在差异,从而真正把握舰艇推进器设计的本质内涵。
舰艇推进系统设计的核心在于推进器定型。推进器的本质任务是在指定功率限制条件下产生足够的推力,并且尽可能延迟空化产生、控制脉动压力、降低辐射噪声。从功能层次来看,推进器设计又可以细分为四个层次:水动力设计、抗空化设计、低噪声设计和声学设计。水动力设计是在给定航速和转速条件下产生尽可能大的推力、消耗尽可能小的轴功率,同时使无空化运转范围尽可能大,主要考核指标是效率;抗空化设计除了满足效率指标外,主要考核空化性能,尤其是关注延迟空化初生的设计要素应用以及抗空化裕度;低噪声设计通常将主要关注点集中于空化性能和非定常力性能,包括空化初生点、推力突降点(thrust breakdown)、空蚀强度、空化诱导的脉动压力幅值,以及轴向和侧向非定常力幅值,主要考核指标是临界空化数(或称空化斗曲线)、脉动压力和非定常力幅值;声学设计除了满足尽可能高效、尽可能延迟空化初生、尽量减小脉动压力以及推力和力矩脉动幅值外,还需要评估无空化和空化状态下低频线谱噪声谱源级以及宽带声压级的大小,以实现船体总体的声学指标目标分配。对于现代推进器设计来说,水动力设计、抗空化设计和低噪声设计三者通常交融在一起,并且当前舰艇推进器设计往往直接给定总噪声指标,使得设计本身在试凑费效比方面难度剧增、对母型设计样本的依赖剧增、对设计理论的指导及其边值问题的认识需求剧增,需要系统梳理相关设计知识。在当前水下大侧斜7叶桨设计难题仍未完全攻克以及泵喷设计仍聚焦于克服叶梢泄漏涡空化初生的现状下,直接实现声学设计仍有较长的路要走。
专著《泵喷推进器的低噪声设计机理与设计应用》在比较泵喷与7叶桨的差异时,阐述了“推进效率可以略高、辐射噪声更低、设计难度更大、操纵性能评估更复杂”[1],已经从总体上给出了泵喷性能特征的形象。但是,对于不太熟悉船舶推进的学者而言,该描述仍显得过于笼统,需要进一步细化。
当前,水面船主要采用5叶大侧斜调距桨。大侧斜调距桨的螺距可调,使得一个螺旋桨相当于多个定距桨,将单桨的单个高效点扩展为一段高效区的同时,正、负螺距的转换使得在原动机转向不变且无倒车齿轮的条件下可以实现从正车到倒车的转变。调距的根本目的是在不同航态下保证原动机与螺旋桨之间的最佳匹配,如同一航速可以由大螺距、低转速或者是小螺距、高转速来实现,变螺距等于改变螺旋桨的做功能力或者说是需求功率,从而最大限度地发挥主机的做功能力。但是,尽管螺距可调,但车令表中正常工作制显示的调距桨通常仍用作定距桨,除了考虑桨毂中液压调距机构的安全外,更重要的是桨叶偏离设计螺距后,无论是低频线谱噪声还是宽带谱噪声都会显著增加,如图1.2中实测某驱逐舰辐射噪声随调距桨螺距变化的曲线所示。因此,应用调距作为推进器降噪措施显然是不可取的,无论是对于螺旋桨还是泵类推进器来说均是如此。
图1.2 某驱逐舰螺旋桨调距过程中辐射噪声
从结构外形上看,螺旋桨可以视为简化轴流叶轮,比转速(用于描述泵类型的参数)非常大,可以根据流动控制的需求增加前置定子、后置定子、前后定子、翼型导管、肥厚型导管,甚至是非对称前置定子或诱导轮等结构部件。随着设计与加工制造技术的发展,当前国际推进器市场中水面船舶、无人潜器、水中兵器以及潜艇的主流推进器主要集中于螺旋桨、喷泵和泵喷三类,喷泵和泵喷又可以统称为泵类推进器。典型螺旋桨仅有单个转子部件,泵类推进器通常包含导管或轮缘、转子和定子部件。螺旋桨和泵类推进器可以联用,称为泵桨混合推进系统,如图1.3中南非海军MEKO A200护卫舰采用的5叶调距桨-喷泵以及某船模采用吊舱式螺旋桨-喷泵所示。
图1.3 水面船舶泵桨混合推进系统
(a)MEKO A200护卫舰5叶桨-喷泵;(b)某船模吊舱式螺旋桨-喷泵
喷泵的性能特点由其结构组成和工作原理所决定。典型的艉板式喷泵由进水流道、推进泵、喷口和操舵倒航机构(也称为转向倒车装置)组成,如图1.4所示,国际推进器市场中著名的Ka MeWa S系列喷泵即采用了该布置结构。推进泵是喷泵中的核心部件,直接影响着喷泵的水动力和声学性能,由叶轮和导叶体组成。现代船用推进泵主要为单级混流泵或者是比转速更高的轴流泵。其中,喷口因与导叶体整体铸造,通常指定推进泵时也将喷口包含在内。进水流道为推进泵叶轮提供进流,可以在一定程度上改善进流的均匀性,也是船体外部绕流与推进泵叶栅内部流动之间的桥梁。转向倒车装置的作用是转向和倒车,通常在分析喷泵直航推进性能时不予考虑。从设计原理来看,喷泵是一种产生的推力等于通过其水流动量差的推进器,选型设计时尤其适合于动量定理。推进泵中,叶轮、导叶体和喷口三者配合设计后,可以保证喷泵具有高速、高效以及优越的抗空化性能。若与常见的单个5叶螺旋桨部件相比,喷泵的显著性能优势在于中高航速下效率高、抗空化能力强、辐射噪声低。首先,对于抗空化性能而言,除叶轮产生轴向推力外,导叶体和喷口也会分担推力载荷,一定程度上减小了旋转叶片承受的负载,再加上叶轮叶片数通常不少于6叶,综合表现为可以有效延迟旋转叶片的空泡产生,如设计航速为40 kn时,如图1.4所示的喷泵仍远离空化区,推进泵的水力效率约为89%。其次,对于低噪声性能来说,一方面,在进水流道的整流作用下,推进泵的进流不均匀度比桨叶小,同时,在导叶体和喷口的回收周向速度分量作用下,喷泵出流的不均匀度也显著比桨的小,产生的湍流噪声更小。另一方面,在喷泵轮缘的周向屏蔽作用以及艉板式喷泵喷口射流位于空气中的自然屏蔽作用的影响下,其直接辐射的噪声主要沿进水流道反向向船底下方辐射,较螺旋桨向水中任意方向辐射的噪声传递路径更少。此外,喷泵周向轮缘与船体结构固连,质量刚度远比单个桨叶更大,使得叶片流固耦合二次辐射噪声也显著比桨的小,上述因素共同使得喷泵辐射的噪声明显低于螺旋桨的。如图1.5所示的瑞典Akustikbyran水声研究所针对同一条船、同一主机、同一转速测试得到的喷泵与螺旋桨辐射噪声曲线比较结果,可知整个频率范围内喷泵声压级都要比螺旋桨推进约小10 dB。此外,对于叶型设计本身来说,近十年内见著报道的最为先进的轴流外形混流式大功率密度喷泵如图1.6所示[2],可视为最先进的设计样本之一。该推进泵具有轴流泵的外形和混流泵的性能特点,是紧凑式大功率密度喷泵的代表,被美国海军研究署(Office of Naval Research,ONR)命名为Ax WJ,意为先进轴流外形混流式喷泵,当前已先后应用于航速为50 kn的高速水面舰船JHSS上,可以在短期内引领喷泵技术的发展方向。
图1.4 典型艉板式喷水推进器结构
1—进水流道;2—喷水推进泵;3—喷口;4—操舵倒航机构。
图1.5 喷水推进与螺旋桨噪声实船测试结果比较
(a)主机1 500 r/min时的声压;(b)主机1 700 r/min时的声压
图1.6 先进轴流外形混流式喷泵
此外,若仅从外形上直观来看,泵喷类似于导管桨,但却是同时带有定子和转子叶栅的导管推进器。根据当前泵喷已经成功应用于重型鱼雷(如MK48鱼雷)、核潜艇(如“弗吉尼亚”级、“机敏”级和“北风之神”级核艇)和常规潜艇(俄B-871常规潜艇)主推以及核潜艇辅推(“弗吉尼亚”级核潜艇)的实际,泵喷的技术发展和工程应用的基调已经较为明确。若再结合泵喷曾经在反潜驱逐舰上的应用(见图1.7)、泵喷出现在美国军方近水面潜艇战斗部[SSLW(X)项目,2003年]的设计方案中(见图1.8)以及泵喷拟用于多型水下无人潜器、蛙人运载器等部分案例,可知泵喷推进技术已经成为一项共性技术,其应用领域甚至可以覆盖整个船舶与海洋工程专业中的推进平台。
图1.7 水面舰艇驱护舰泵喷推进应用
(a)美国驱逐舰USS Witek(DD-848,排水量3 400余吨,设计航速36.8 kn);(b)美国反潜护卫舰USS Glover(FF-1098,设计航速27.5 kn)
图1.8 近水面潜艇战斗部双无轴泵喷推进[SSLW(X)、设计航速12 kn]
根据设计需求的差异,可从总体上将泵喷设计归为四大类,分别为无人水下航行器(unmanned underwater vehicle,UUV)泵喷、自主水下航行器(autonomous underwater vehicle,AUV)泵喷、鱼雷泵喷、潜艇泵喷和驱护舰泵喷。四类泵喷的考核指标权重各不相同,与之对应的关键设计要素也需要进行适应性调整。潜器泵喷的核心指标是效率和轻量化设计,通常严格限定尺寸、推力和功率,设计航速一般不超过15 kn;鱼雷泵喷核心指标是效率和抗空化性能,并因原动机和减速比限制,通常需要限定较高的转速,且设计航速一般高于30 kn;潜艇泵喷核心指标是辐射噪声,同时包含线谱噪声和总噪声,设计难度最大;驱护舰泵喷的核心指标是效率和中高航速下无空化,设计航速多为25~30 kn,甚至有可能实现全航速范围内无空化产生。
当前,鱼雷和潜艇采用的传动泵喷(简称机械式泵喷)主推进器代表了泵喷叶型设计技术的极致方向,临界航速高和辐射噪声低是其显著性能特征。同时,潜艇无轴驱动式集成电机泵喷(简称无轴泵喷)辅推进器代表了泵喷水力模型与环状集成电机融合的发展方向,该集成技术甚至可以辐射到无轴喷泵方面进而应用至水面舰船。从工程实现上看,长期浸泡于海水中的可反转集成电机,因受限于体积、重量、绝缘密封、泥沙吹除等适装性和可靠性方面的技术障碍,短期内兆瓦级功率取得突破性进展的难度巨大,但上述局限性并不能限制百千瓦级以下中小功率等级的无轴泵喷在多样化平台上的推广应用。经过近二十年的应用经验积累,美国集成电机无轴泵喷正逐步向主推进器发展,并且很有可能直接作为下一代“俄亥俄”级改进型战略导弹核潜艇的主推进器,我国还有较长的自主设计之路要走。总的来看,无论是机械式泵喷还是无轴泵喷,两者在与艇尾构型的匹配方面都具有一定的灵活度,既可以外置于艇尾,也可以内置于艇尾,具体取决于艇体总体结构布置。泵喷内置后,无论是流场还是声场性能上的匹配,泵喷均与尾翼附体在流场和声场上解耦,但也会随之带来维修管理不便的问题,需要综合考虑。
将喷泵与泵喷两者聚焦泵类推进器后,综合结构组成、工作原理与应用特点来看,喷泵与泵喷两者之间既联系紧密,形、神皆相似,但又存在一定的差异,无论是在方案选型设计还是在具体技术设计过程中都应区别对待,以达到最佳推进系统设计的目的。例如,在相似性方面,两者都是由定子和转子叶栅结构构成的组合式推进器,都适用于涡轮机械理论,都由流经叶栅通道的流体动量差来决定推进力大小,实现推进器功能时都需要满足快速性指标、抗空化和控制辐射噪声的要求。此外,两者应用都常安装于推进载体尾部,无论是水动力还是结构方面,都与载体尾部几何存在强烈的相互作用,需要进行匹配设计。再者,两者设计叶型时都可以采用桨叶设计时用到的升力线理论/涡格升力线理论、升力面理论,或者是泵叶片设计时采用的一元升力法设计理论、S1/S2流面二元设计理论、准三元/全三元设计理论来实现。并且,叶型设计完成后,都可以引入侧斜、增加叶片数、增加定转子之间的轴向距离、控制叶顶间隙、改变几何进流角等措施,来达到降噪优化设计的目的。而在差异性方面,已得到大量学者研究关注的,如艉板式喷泵在一定航速范围内推力减额系数为正值,与螺旋桨差异明显;再如,“海狼”级和“弗吉尼亚”级泵喷推进潜艇均采用木字形艇尾,法国“凯旋”级泵喷推进潜艇采用工字形艇尾,某型潜艇采用米字形艇尾,船坞中“弗吉尼亚”级潜艇SSN-789尾锥段的小端与大端直径比大于0.35,明显区别于国内7叶桨推进的常规艇典型艇体尾锥段及尾翼结构配置方案。在此基础上,两者之间更多的共性与特性分析尚有待深入挖掘。结合已有工程应用和现有认识,可从应用场合、结构部件、叶型差异以及设计细节四个层面,对喷泵与泵喷两种推进器进行更为细致、准确的刻画,归纳如下:(www.xing528.com)
(1)应用场合的不同直接决定了设计理念的不同。喷泵的突出优势集中在高速高效、抗空化,如美军采用的4套喷泵的濒海战斗舰单体船的设计航速47 kn、三体船的设计航速44 kn均远离空化区,采用4套喷泵的TSV-1X支援舰设计航速48 kn、HSV-2高速多用途舰设计航速45 kn同样无空化,甚至采用6套喷泵的超高速海上补给三体船VHSST设计航速60 kn也无空化产生,这些例子将喷泵水动力效率显著高于螺旋桨的特点体现得淋漓尽致。此时,喷泵实现高效率、大功率密度以保证高速状态下的快速性指标是第一位的,对其辐射噪声大小的限制降为其次。此外,泵喷当前主要应用于鱼雷和核潜艇推进,尽管鱼雷设计航速通常大于45 kn,但其有效功率较小,使得泵喷的功率密度并不大;并且,即使核潜艇设计航速维持在20~25 kn,但其80%的巡弋航速介于10~16 kn,辐射噪声考核航速甚至仅有6~8 kn,使得泵喷在推进应用方面的焦点由高速、高效地满足快速性转变为满足辐射噪声性能。因此,喷泵设计的第一原则是高效和抗空化,其次是低噪声;而泵喷的设计原则主次排序是低噪声、抗空化,最后才是高效,甚至可通过适当地降低效率来优化其声学性能。当然,因实际应用中通常设计任务书给出的几项指标都必须同时达到才能满足要求,无法进行主次取舍,也不能绝对地说“喷泵就一定效率高,泵喷就一定噪声低”,显然还与使命任务、使用环境、结构布局等限制因素有关,那么该区分的主要意义更多在于推进系统水力参数选型设计时关键参数的倾向性赋值不同,如推力减额系数、伴流系数、喷口能量损失系数、喷口射流轴向抬升高度、泵水力效率、喷速比等取值差异,从而更好地完成设计。
(2)喷泵通常包括精细化设计的进水流道和喷口,无论是内部嵌入的典型艉板式喷泵还是外挂集成的先进浸没式喷泵,均是如此。其中,进水流道的核心作用是维持泵所需的体积流量、改善推进泵的进流品质。进水流道的效率直接影响喷泵水动力效率,对其流动性能的认识不足以及设计效果不佳正是导致喷水推进器在很长一段时间内应用发展缓慢的主要原因。喷口是出口面积可调、能够用于喷泵功率系列化产品的收缩截面,通常与导叶体轮缘集成在一起,共同用于增加轴向推进力。此外,泵喷外挂于艇体尾部时通常要取消进水流道和喷口。原因是艇体尾锥段能够实现自然进流,并且泵喷出流喷速比需要进行控制,以抑制泵喷出口射流噪声大小;当泵喷内嵌入艇体尾部时,需要为推进泵配置专门的进水流道和出流管道(见图1.9),此时,该概念图中的进流管道设计要求与喷水推进器进水流道类似,但出流管道设计要比喷水推进器中喷口截面设计更加简单,可以视为等截面喷口。因此,无法简单地用是否包含进水流道和喷口几何部件来区分喷泵和泵喷,还应结合应用需求来看。
图1.9 两流道内置式泵喷概念图及流经泵喷的速度流线
此外,喷水推进器结构部件中通常包含操舵倒航机构,属于舵桨合一推进器,并且操舵倒航机构可以获得转向、调整倒车力的大小以及发挥操纵性能,相对于推进泵来说比较独立,设计结构时仅仅体现为推进泵的总体尺寸约束着操舵倒航机构的空间尺寸(见图1.10)。因此,通常可以先完成推进泵设计,再考虑操舵倒航机构的设计。但是,泵喷推进器结构中无操舵倒航机构,无论是常见的鱼雷泵喷还是艇用泵喷,其操纵和机动性能保障都由艇体舵翼结构完成。因艇尾外置泵喷进流通常位于舵翼结构的尾流场中,舵翼线型以及结构位置布局均会直接影响泵喷水动力和噪声性能,因此设计时应该考虑呈螺旋迭代递进,而不能将这些因素完全割裂开来,例如,弗吉尼亚理工大学在设计新型弹道导弹核潜艇SSBMD的过程中,评估采用7叶导管桨能够获得的快速性指标后,即分析围壳舵/类星形尾翼组合结构能够获得的机动和操纵性能,并且针对舵翼尾流产生的桨叶非均匀进流对导管桨推进性能的影响进行了修正[3]。可以说,喷泵中推进泵与操舵倒航机构两者是解耦的,推进泵可以单独用作加速时的助推器而不含操舵倒航机构;但艇尾外置式泵喷推进系统中推进泵的水动力和噪声性能直接受舵翼结构、线型以及空间布局的影响,评估泵喷推进和噪声性能时需要综合考虑,或适当考虑修正量。
图1.10 喷泵转向和倒车操纵原理图
(a)喷泵左舵转向原理;(b)喷泵倒车原理
(3)转子叶型差异明显。喷泵叶轮叶片通常表现为轴向“长”叶片,而泵喷转子叶片一般为“短”叶片。具体表现如下:泵喷转子轴向长度与桨相当,明显小于喷泵叶轮,使得泵喷转子叶片的径向与轴向长度之比明显大于喷泵叶轮叶片,或者说泵喷转子叶片的叶栅稠密度明显要小、叶片扭曲程度更小。原因是,一方面,泵喷转子叶片数通常多于喷泵叶轮的,且转子叶片数通常大于7叶,一般为9叶,而叶轮叶片数通常不大于6叶,如Ka MeWa S系列喷泵第二代和第三代的叶轮叶片数均为6叶,先进喷泵AxWJ-2的叶轮叶片数也为6叶。另一方面,在严格限制径向尺寸的情况下,为了有效增加叶片承载面积,充分发挥高速、大功率密度时的抗空化性能,喷泵叶轮叶片在扭转程度适中的情况下可以尽情地向轴向扩展,而泵喷转子叶片无论是径向还是轴向长度都会受到严格约束,如图1.11所示。换句话说:泵喷转子在轴向长度尺寸上的约束更严,而喷泵叶轮在径向安装尺寸上的约束更严。特别是对于艇尾外置式泵喷来说,应严格控制泵喷轴向长度,以减小纵向弯曲力矩、减轻配重难度以及对总体操纵性能的影响。因此,从设计经验来看,泵喷轴向长度通常取为泵喷最大直径的85%~100%。而对于艉板式喷泵来说,其径向安装法兰直径将直接决定船体尾部线型以及能够安装喷泵的台套数,进而影响喷水推进系统的总体设计参数。例如,CDI船舶公司系统研发部通过统计得出的结论[4]是,在相同直径和相同推力单元下,喷水推进混流泵安装法兰直径约为泵进口直径的1.7~1.8倍,而轴流泵法兰直径仅为泵进口直径的1.2~1.25倍,比混流泵的小约30%,如图1.12中所示。也就是说,在相同船体尾板安装条件和泵进口直径下,安装3台轴流泵比安装2台混流泵能够多提供约50%的推力,更能适应当前高速化和大型化瘦长型船体在艉板面积有限时对喷泵的安装要求,为喷泵的紧凑型应用指明了方向。
图1.11 喷泵叶轮和泵喷转子叶型比较
(a)Ka MeWa 71SII型喷水推进泵叶轮;(b)印度海军研究所设计的鱼雷泵喷转子
图1.12 轴流式和混流式喷泵尺寸比较(D:直径)
(4)转子、定子叶片设计细节有所差异。一方面,为了最大限度地弱化动-静叶相互作用噪声,泵喷中转子与定子叶片之间的轴向距离明显要大于喷泵中叶轮和导叶间距离。例如,“机敏”级潜艇泵喷制造商Rolls-Royce公司2012年发布的潜艇泵喷专利[5]中,定子与转子之间的轴向距离甚至达到了与定子轴向长度相当的地步(见图1.13)。另一方面,为了使得降噪效果最大化,泵喷叶栅在侧斜要素上的设计较喷泵更加多样化和精细化,如定子与转子叶片可以采用反向侧斜设计技术(见图1.14)。但对于喷泵来说,因叶轮和导叶叶片均表现为“长矮”叶片,大侧斜设计要素一般较少引入,叶轮与导叶叶片反向侧斜设计就更为少见了。
图1.13 Rolls-Royce公司发布的潜艇泵喷专利结构图
图1.14 泵喷定子与转子叶片反向侧斜设计
在上述总结喷泵与泵喷两者相似和差异的基础上,还需要陈述两者在命名称谓以及概念描述时易出现混淆的地方,以更好地做到知其然且知其所以然。
(1)泵喷并非绝对采用减速型导管。导管的存在使得流经泵喷的流体流动被分为叶栅通道内流体和导管外部流体两部分。典型导管翼型截面内外表面存在一定的压差,会产生轴向分力。控制翼型截面形状和进流攻角可以控制在设计点附近的导管承受阻力、产生推力或使轴向受力为零。当导管产生正推力时,能够增加泵喷做功能力,有利于提升推进效率,但缺点是导管内壁面压力过低,泵喷抗空化性能减弱;当导管承受阻力时,类似于设计导管桨时采用的减速型导管能够在适当降低推进效率的条件下改善转子空化性能。基于此,根据抗空化性能的需求差异,泵喷选型设计时通常可将泵喷导管分为推力型导管、阻力型导管和零推力导管三类。当然,导管受力会随着运行工况、转子叶片推力载荷分布、转子叶片轴向位置等要素的改变而改变,并非固定不变。而且,无轴泵喷肥厚型导管受力还受到集成电机气隙大小以及截面形状的影响,合理的转子叶片设计也可以抵消一部分推力型导管带来的空化性能下降的负面作用,因此,导管受力仅仅是作为一个子部件设计的结果,而不适宜成为设计时的一个约束参数。从理论上讲,设计优良的泵喷通常会使设计点附近的导管轴向受力为零或产生小推力,以兼顾快速性和抗空化性能的要求。
(2)不宜简单地用水面推进或水下推进应用来区分喷泵和泵喷。艉板式喷泵通常用于水面推进,浸没式喷泵也可以用于水下推进。泵喷常见于水下潜器推进,但也可以用于水面驱护舰推进。
(3)不能简单地用内、外流场来区分喷泵和泵喷。艉板式喷泵仅有内流场,但浸没式喷泵也同时包含内、外流场。此外,无论是艇尾外置式泵喷,还是两侧悬挂式泵喷,均同时包含内、外流场,仅当泵喷完全内置于艇体尾部成为内置式泵喷推进系统时才只有内流场。
(4)不宜直接根据叶片数来区分喷泵和泵喷。虽然当前国际主流的喷泵叶轮叶片数为6叶或者更少,而现役泵喷的转子叶片数通常至少为7叶,但并不能由此说明喷泵叶轮的叶片数就一定比泵喷转子的少。当喷泵用作扫雷舰艇推进器时,除了对机动和操纵性能要求严格外,对其低噪声性能的要求同样严格。此时,就可以考虑增加叶片数这一技术途径,如将喷泵叶轮叶片数增加为8叶甚至更多。
(5)不宜将泵喷归属于螺旋桨。尽管泵喷在“形”和“神”上都从属于泵类推进器,但桨叶设计过程中引入的大侧斜、尾纵倾、叶根和叶梢截面降载等设计要素同样可以在泵喷转子叶片上采用,即便是更加复杂的可调螺距桨叶设计技术、复合材料桨叶设计技术、长短叶片设计技术、仿生叶片前缘和尾缘设计等技术途径,同样可以移植使用,不会使得泵喷渐变为螺旋桨。如果仅将泵喷看作为特殊的导管桨,叶型和叶片设计仍然沿用螺旋桨设计理论,则在当前缺乏叶片几何参数、水动力负载、空化初生和辐射噪声相互内在关联机制的条件下,短期内泵喷设计难以取得显著突破,依然将处于难点众多、顾此失彼的局面。
综上所述,以喷泵和泵喷为代表的泵类推进器发展至今,其具体结构形式和应用场合已十分多样:既有内流场,也有内外流场;既有定子在前、转子在后,也有转子在前、定子在后;既可以包含进水流道,也可以无进水流道;既有外置式,也有内置式;既有空气中喷射,也有水下喷射;既可用于水面舰船推进,也可用于鱼雷和潜艇推进,还可用于水下航行器推进。在选型设计和推进应用时应做到摸清边界、量体裁衣、精准施为,以便充分发挥喷泵与泵喷各自的优势,满足推进系统设计的最佳需求。泵类推进器可以视为螺旋桨为了发挥出特定优势性能而在结构和型值上产生的演变和发展的产物,和桨同属于船舶推进器大家族,在效率、空化和噪声等共性性能需求下,不仅不会排斥大侧斜、长短叶片、精细载荷控制、仿生前缘和尾翼、叶梢纵向折转、复合材料利用等前沿技术,反而会不遗余力地吸收上述精细设计要素,而且因本身具有多结构部件,反而具有更大的发挥空间。因此泵推进和桨推进不仅不能独立甚至对立,反而应从推进系统总体层面出发,顶层把握、聚焦核心、精准施为,以全面促进船舶推进系统的理论发展,提高工程应用水平。
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