泵类推进器振动和噪声控制的机理一角

当前，世界海军范围内水面舰艇主要采用5叶大侧斜调距桨和喷泵，常规潜艇主要采用7叶大侧斜定距桨，核潜艇主要采用7叶大侧斜定距桨和机械式泵喷，鱼雷主要采用对转桨（前桨和后桨叶片数通常大于7叶）和机械式泵喷。20世纪90年代，7叶桨不仅是低噪声潜艇的代名词，也是一个国家机械设计和工程加工制造水平的综合体现，无论是厂房内潜艇总体装配、新艇下水仪式，还是坞内修理期间，7叶桨都被厚厚的帆布包裹，始终具有神秘性。当时，7叶桨甚至发展成为决定潜艇水下声隐身性和攻防实战能力的战略性要素，如苏联于20世纪80年代从日本东芝机械公司成功引进大型数控7轴联动机床后，显著提升了其潜艇7叶桨的加工制造精度和降噪水平，使得该国潜艇一度能够自由出入美国领海，让美国几十年苦心经营的声呐探测系统全部失灵。当前，随着以“海狼级”“弗吉尼亚级”“机敏级”和“北风之神级”核潜艇为代表的新型低噪声潜艇成功装备机械式泵喷主推进器，7叶桨的神秘面纱终于被揭开。例如，2015年底，最新型的“基洛级”636.3型常规潜艇“克拉斯诺达尔”号（B-265）在俄罗斯圣彼得堡船厂下水时，其7叶桨就是以真面目示人，如图5.16所示。鉴于“基洛级”潜艇优异的水下隐蔽性（关键是声隐身性），该型潜艇一直被西方国家称为“大洋黑洞”，甚至一度成了俄罗斯海军出口舰艇装备系列中的抢手货。毫不夸张地说，“基洛级”潜艇的7叶桨代表了当今世界7叶桨声学设计与研制的巅峰水平。

图5.16　“基洛级”636.3型常规潜艇“克拉斯诺达尔”号（B-265）下水

为了深入挖掘“基洛级”潜艇7叶桨背后所蕴含的科学价值，并且借鉴前文军辅船7叶桨的设计经验，纵览一段时间跨度内的7叶桨典型设计与应用案例，包括麻省理工学院为概念型潜艇Sirenian所设计的DTMB4567A 7叶桨（型值公开，1997年）、意大利船级社INSEAN针对标模SUBOFF潜艇推进所设计的E1619 7叶桨（图片和主要设计参数公开，2009年）、20世纪80年代曾作为美国海军潜艇降噪效果代表的“洛杉矶级”攻击型核潜艇的7叶桨（照片公开）以及636.3型常规潜艇的7叶桨（照片公开），如图5.17所示，可以看出，虽然上述7叶桨都是用于潜艇推进，桨叶叶型都由弦长、螺距、侧斜、纵倾、厚度和拱度6个几何参数唯一确定，都以空化初生临界航速高、辐射噪声低、推进效率适中为设计目标，636型系列潜艇7叶桨甚至实现了100 m水深时全航速范围内无空化产生的优异设计效果，但几个7叶桨的叶型差异却非常显著，如表现为瘦长形叶片、丰满形叶片、极大侧斜叶片等。那么，自然会问：如636型系列潜艇这般优秀的7叶桨，其叶型几何参数取值究竟该如何确定，或者说前文得出的侧斜对性能的影响规律能否直接应用，又或者说其中的关键参数应该控制在什么范围之内，才能最大限度地保证7叶桨在实艇装备应用后的抗空化和减振降噪效果？如果期望最大程度吸收借鉴636型系列潜艇7叶桨的成功设计经验，应该由什么性能参数来描述桨叶的相对载荷大小比较合理，能否由此类推其他相当载荷7叶桨的几何参数设计？

图5.17　典型潜艇和水面舰艇用7叶桨

此外，从水面舰艇主要应用的5叶大侧斜桨，到水面军辅船特殊需求的低振动7叶桨，再到潜艇装备的水下低噪声7叶桨，桨叶几何型值的变化范围能否趋于收敛，或者说某些几何参数是否存在特定的变化规律，有助于延迟空化初生和降噪？这些问题尚需要进行回归分析梳理，以更好地服务于现代高性能推进器设计。换句话说，要想真正自主复现636型系列潜艇7叶桨的优秀设计样本，甚至是超越其设计成效，必须要从叶型几何参数控制以及摸清几何参数与流动特征或与具体应用场合之间的关联机制底层着手，这也正是当前国内舰艇螺旋桨较为缺乏原创应用需要正视的问题之一。

在传统桨叶设计应用的基础上，MAN Diesel＆Turbo公司针对海军舰艇螺旋桨高效、低噪声的特定需求，于21世纪创新性地推出了Kappel螺旋桨设计方案，理论上不仅能够在不牺牲推进效率的条件下尽可能减小叶梢载荷，延迟空化初生，而且可以显著减小轴向非定常力所诱导的离散线谱噪声。例如，文献［29］报道的“某潜艇7叶桨增加桨叶数到8叶并且引入Kappel桨设计技术后，其一阶叶频处推力脉动诱导的线谱噪声减小量甚至大于10 dB（2009年）”，令人震惊，也值得探索。Kappel桨的核心设计思想是叶梢几何形状主动引入纵倾特征，使得桨叶有效直径减小，如图5.18所示，从而减小叶梢流动载荷，延迟空化初生。随着对Kappel桨设计技术的深入试验研究，其技术优势除了敞水效率略有提高之外，一定程度上还能够抑制梢涡空化，显著减小桨叶诱导的脉动压力幅值，进而减小船体振动。从降噪设计的角度来看，也值得将Kappel桨设计技术与636型潜艇7叶桨的优秀设计经验有机结合起来，最大化7叶桨的延迟空化初生和降噪设计水平。

图5.18　Kappel桨叶梢几何形态

回归分析时，水面舰艇螺旋桨样本包括美国海军驱逐舰用桨模DTMB 5168 5叶桨（桨叶型值、敞水性能曲线和空化性能试验结果均公开）、已通过海试测量验证的低噪声渔政船FRV 40 5叶桨（型值几何参数和敞水性能曲线均公开）、某护卫舰5叶桨和某驱逐舰5叶桨（型值几何参数均为内部数据），这四个应用案例中螺旋桨均同时兼顾推进效率和抗空化性能需求，代表性较强。7叶桨样本除了DTMB4567A 7叶桨和军辅船低振动7叶桨外，还包括某试验用A型7叶桨和试验用B型7叶桨（型值几何参数均为内部数据），均重点强调提高空化初生临界航速和降低振动噪声的工程设计效果，应用针对性较强。

上述8个螺旋桨的桨叶弦长、侧斜、纵倾沿径向分布规律的统计分析结果如图5.19所示。从弦长分布曲线的回归结果可以看出，水面舰艇5叶桨的叶截面弦长沿径向分布呈反向抛物线变化规律，最大弦长位于0.6R～0.9R区间；水面船7叶桨的叶截面弦长沿径向分布也呈反向抛物线变化规律，但最大弦长峰值区间前移至0.4R～0.6R，且最大弦长幅值相对于水面舰艇5叶桨明显减小；潜艇7叶桨的叶截面弦长沿径向分布近似呈物体自由落体运动轨迹，无明显最大弦长峰值区间，最大弦长幅值相对于水面船7叶桨再次减小。从侧斜角分布曲线的回归结果可以看出，水面舰艇5叶桨的叶截面侧斜角沿径向分布呈明显的抛物线变化规律，最大前侧斜角位于0.5R～0.7R区间，最大后侧斜角位于桨叶叶梢；无论是水面船7叶桨还是潜艇7叶桨，0.4R至叶梢区间的侧斜角沿径向近似呈线性增加，最大后侧斜角位于桨叶叶梢；某护卫舰5叶桨和某驱逐舰5叶桨的侧斜角分布几乎相同，DTMB 5168 5叶桨和FRV 40 5叶桨的侧斜角分布也几乎重合，表明无论是5叶桨还是7叶桨，追求低噪声性能时桨叶侧斜角分布规律还是存在一定的收敛区间的，新样本设计时可以直接在该区间范围内取值进行尝试。借助上述设计参数的回归分析结果，引入叶梢非连续纵倾值后，新设计7叶桨三维几何模型如图5.20所示，桨叶外形已逼近于636型艇7叶桨。为了进一步控制桨叶的相对载荷也相近，引入描述桨叶相对载荷大小的功率系数变量(www.xing528.com)

图5.19　典型5叶桨和7叶桨型值几何参数统计分析

（a）弦长分布；（b）侧斜分布；（c）纵倾分布

图5.20　新设计7叶桨三维几何模型

（a）叶梢纵倾连续；（b）叶梢纵倾不连续

式中，P为螺旋桨功率，单位为kW；n为螺旋桨转速，单位为r/s；D为桨叶直径，单位为m。功率系数越小，意味着桨叶相对载荷越小，其空化初生和振动噪声越容易控制。636型潜艇7叶桨设计参数如下：转速为250 r/min，功率为4 100 kW，直径为3.1 m，则功率系数为0.198；军辅船低振动7叶桨设计参数：转速为100 r/min，功率为13 458 kW，直径为6.4 m，则功率系数为0.271，承受载荷明显重于636型潜艇7叶桨，与水面和水下应用场合不同对应。此外，试验用B型7叶桨的设计参数如下：转速为200 r/min，功率为3 500 kW，直径为3.15 m，则功率系数为0.305，相对载荷甚至大于上述低振动7叶桨。该桨在试验后并未装备应用的关键问题之一也正是其振动噪声偏高，还有较大的改善空间。新设计7叶桨的设计参数如下：转速为240 r/min，功率为3 793 kW，直径为3.1 m，则功率系数为0.207，虽然相对载荷略微大于636型潜艇7叶桨，但直径相同、转速更低，理论上可以控制辐射噪声相当甚至略微更低。直接采用涡格升力线方法预报得到的新设计7叶桨的敞水性能曲线如图5.21所示。由图5.21可知，敞水效率约为0.7，具有通过牺牲效率来抑制非定常力进而降噪的空间，可以选取作为一个基础7叶桨。

图5.21　新设计7叶桨敞水性能曲线预报值

从上述侧斜对螺旋桨水动力、空化和非定常力性能的影响机理以及典型5叶桨和7叶桨主要设计参数的回归分析可知，桨叶设计是一个多性能兼顾的复杂系统，较多依赖于优秀的母型设计样本，大侧斜对叶形和空化以及非定常力均有直接影响，但最佳侧斜度存在临界值这一现象使得桨叶设计更加复杂化，必须融入螺旋迭代设计流程。可以由此大胆推论，当泵喷定子与转子两组叶片替代单个桨叶后，定子叶片前侧斜、定子叶片后侧斜、转子叶片前侧斜、转子叶片后侧斜之间的配合使用，将会使得侧斜对推进器性能的有益贡献更大化，也必将使得叶型设计本身更加复杂，这从根本上印证了当今世界海军强国新型主战潜艇均采用泵喷这一事实的发展趋向性和不可逆转性。