泵类推进器振动噪声控制的输入参数和设计需求

推进系统是机电系统的核心分支，从属于舰船总体。随着船体吨位与航速需求的增加，以及以组合式推进器为代表的多种新型推进方式的引入和集成，推进系统在总体设计中所占的权重以及推进系统与总体螺旋迭代递进的设计需求日益突出，特别是当临界航速（推进器空化初生时的航速）和水下辐射噪声成为决定设计成败的顶层技术指标后，推进系统已经成为决定整个动力装置从属类别、布置方式、结构特点以及核心技术指标的关键。当作战单元从机电扩展到单舰甚至整个编队后，推进，尤其是其航速、振动和噪声性能，甚至成了影响指控系统集成以及多舰协同发挥的瓶颈性问题，需要从技术革新的角度加快推进模式的转变，并快速推广其工程应用。

国内现有主战驱护舰及潜艇全部采用螺旋桨推进方式。依据环量定理，当建立升力与几何参数之间的关联后，螺旋桨叶片设计的着力点就在于建立满足给定推力条件下的桨叶表面径向和弦长方向的环量分布，然后确定满足需求环量分布的桨叶表面形状。伴随这一过程的通常是螺旋桨全局参数选型设计，包括叶片数Z、直径D和转速N三者的最佳组合及其能够达到的理论最大敞水效率。麻省理工学院的Epps教授采用Lerbs非最优螺旋桨理论和Coney最佳环量分布理论，编制完成了开源程序OpenProp，在完成螺旋桨全局参数优化以及选型设计的基础上，将螺旋桨涡格升力线方法由初始设计应用扩展到了设计与非设计工况下的敞水性能预报以及需求推进功率预报，为螺旋桨推进应用提供了极大的便利。如图2.1所示为典型叶片数时，螺旋桨敞水效率随直径和转速的变化关系。确定叶片数和直径上限后，可择优选择不同直径与转速的最优组合，兼顾尺寸限制和噪声控制的设计需求。

图2.1　典型螺旋桨设计参数组合结果

（a）z=4；（b）z=5；（c）z=6

以喷泵和泵喷为代表的泵类推进器与螺旋桨的显著差异在于从外流为主转变为以内流为主。当存在进水流道时，泵转速与船体航速之间的解耦更是将泵类推进器优越的机动性和操纵性发挥得淋漓尽致。但也正因如此，泵工作点从对速度敏感转变为对流量敏感，泵内流动性能与其推进性能之间的对应关系以及泵与船体之间的相互作用，都不再像螺旋桨那样直接、熟悉，分析理论也各自有所侧重，选型设计需要考虑的约束条件更多，可选样本更少，系统性更强，实施时需要更加仔细、谨慎。

与现代螺旋桨设计类同，泵类推进系统应用时典型的几类设计需求如下：

（1）给定裸船阻力曲线、设计航速、额定功率，直接限制泵直径几何尺寸或者安装尺寸，要求设计泵类推进系统，考核总推进效率，同时期望辐射噪声尽可能低。

（2）给定设计航速下需求推力、额定功率，直接限制泵转速，要求设计泵类推进系统，考核总推进效率和临界航速（水下推进时给定最小水深），同时期望辐射噪声尽可能低。

（3）给定需求推力及推力裕度，给定功率上限，要求设计泵类推进系统，考核低航速工况（通常为4 kn或6 kn）辐射噪声总声级及线谱噪声谱源级，同时期望临界航速尽可能高。(www.xing528.com)

（4）给定船体线型、设计航速，给定功率上限，要求设计泵类推进系统，考核临界航速达到设计航速，甚至实现全航速范围无空化产生。

上述四类设计需求课题组均已遇到。从设计经验来看，它们在性能参数的设计权重各有所偏重，直接决定了选型设计时方案总体以及局部细节有所不同。其中，第一类的核心指标是效率和轻量化设计，在效率寻优时功率密度成为最主要的约束参数，空化和噪声无定量要求，通常对应为水下航行器（UUV、AUV）的泵喷推进系统，并且可以作为单泵或者双泵推进方案，既可以是外置式泵喷推进，也可以是内置式泵喷推进，设计航速通常不超过15 kn。第二类的核心指标是效率和抗空化性能，并且因原动机和减速比的限制直接对转速上限提出了要求，该需求下设计航速通常较高，如36 kn速制和50 kn速制，典型例子为鱼雷推进用的泵喷推进系统一般为单泵推进方案。需求阻力曲线可近似满足二次方曲线关系，由设计航速下需求推力求取。第三类的核心指标要求最高，其直接量化考核低转速工况的辐射噪声，并且同时针对线谱噪声和总噪声。因推进器未定型之前，艇总体方案，特别是艇尾局部线型可能需要迭代修改，故需要在需求推力的基础上考虑一定的推力裕度。该需求通常对应为潜艇主推泵喷推进系统，推进电机通过轴系驱动泵喷，电机的额定功率限制了泵喷能够收到的功率上限。一般采用单泵推进方案，需求阻力曲线同样可近似满足二次方曲线关系，但设计航速（通常为18～25 kn）下需求推力值需要包括推力裕度，并且若总体给出的推力需求没有包括附体阻力，则选型设计时输入的需求推力还应该加上约30%的附体阻力成分。临界航速核算时通常对应为最小水深25～30 m，与海试测量时一致。参照螺旋桨辐射噪声考核的国军标要求，线谱噪声预报时限定在低频段200 Hz以内，总声级预报时考虑5 k Hz以内频带宽度，可以大大减少计算声学工作量。第四类的核心指标是效率和中高航速下无空化，通常对应为驱护舰喷水推进系统或者是泵喷推进系统。泵喷推进时多为双泵推进方案，直接在螺旋桨部位原位换装（见图2.2），对轴系附体进行适应性修改即可，设计航速多为28～30 kn。喷泵推进时多为双泵或者是四泵推进方案，典型设置为外侧两小泵巡航推进，带转向倒车装置，中间两大泵仅用作加速推进，无转向倒车机构（见图2.3），中高航速时四泵同时推进，设计航速多为30～40 kn。从上述分析可知，泵类推进系统的急切应用需求当前已经涵盖主战舰艇和多用途辅助舰艇，充分做好泵类推进系统选型设计时的共性和个性化定制，对于充分挖掘泵类推进系统的性能优势、最小化研制费效比、最大化作战效能意义重大，值得重点关注。

图2.2　美国驱逐舰（试验舰）USS Witek（DD-848）泵喷推进

图2.3　典型驱逐舰四泵推进方案

根据性能需求的侧重点的不同，定性分析四类设计需求可知，第一类设计的转子叶片推力密度相对较小，第三类设计的转子叶片非定常力幅值的控制要求最高，均首选前置定子式泵喷推进方案。两者的差异在于，第一类设计的定子叶片弦长相对较小，定、转子叶片之间的轴向距离适当即可；第三类设计时定子叶片的进出流角要仔细调整、严格控制，以适应不同艇尾附体的伴流特点，如木字形翼、X形翼和星形翼，存在局部差异，并且定、转子叶片之间的轴向距离要尽可能大，通常不小于转子叶片叶梢截面弦长的80%；第二类设计因航速需求高，第四类设计因推力载荷控制严，均首选后置定子式泵喷推进方案。当允许船尾线型做出大的调整时，第四类设计也可采用喷泵推进方案，叶轮在前、导叶在后，叶轮进流由进水流道提供。后置定子式泵喷与喷泵推进方案的共同点在于均把快速性和抗空化性能作为第一考核指标，对脉动力的控制则是其次，因此转子或叶轮的叶片数不宜过多，转子叶片数多为7叶，至多9叶，叶轮叶片数多为6叶。此外，泵喷通常在其轴向方向的几何尺寸约束更严，而喷泵通常在其径向方向的安装尺寸约束更多，因此两者在设置轴面轮廓投影曲线时应有所区别。其中，泵喷多采用小角度锥形轴流式轴面投影轮廓，以匹配水滴形艇尾线型；而喷泵多采用混流式轴面投影轮廓，或是直接采用最新型的轴流外形混流式轴面投影轮廓，以减小安装法兰直径。

综上所述，应用泵类推进器时尽管其核心部件推进泵单元在叶片成型、叶面载荷控制、叶顶间隙布置、随边尾涡控制、动静叶片数配合、运行工作点调节、相似设计以及模型试验验证等方面具有共性，但更多的由于外部工作环境、考核要求、约束条件甚至是研发周期的不同，导致泵类推进系统更多地表现为个性，加上国内当前有效样本数寥寥无几，进一步加剧了泵类推进系统神秘、复杂的印象，使得其快速研发雪上加霜，无形中增加了较多障碍。但无论最终选择的是喷泵还是泵喷推进方案，设计者和使用者都期望其具有比螺旋桨推进更为优越的性能，以更好地佐证和推动其工程应用。