喷水推进技术在水面舰船声隐身方面的应用研究

傅 华，范井峰

（海军驻上海地区舰艇设计研究军代表室，上海 200011）

0 引 言

随着喷水推进技术研究的深入，喷水推进技术逐渐在高性能船舶上取代螺旋桨，并将这一技术延伸到水面舰艇领域。经理论研究并已得到实践验证，喷水推进在高性能水面舰艇上应用具有以下的优势和特点[1～4]：

1) 喷水推进装置在较高的航速状态下抗空化能力优于螺旋桨，因为推进器的桨叶更小，转速更高，更适合与转速较高的大功率燃气轮机匹配使用，而且喷水推进在高速下还可以减小舰艇阻力，并随着航速的提高其推进效率高的优势更加得到体现；

2) 喷水推进技术大大提高舰艇的操纵性能，采用操舵倒航装置不仅使舰艇能在高速航行中转过急弯，而且在减小转向半径、缩短倒航时间和急停距离等方面都优于螺旋桨，尤其是在配备双操舵倒航装置的情况下能够保证舰艇独立完成侧向移动；

3) 喷水推进装置不但能利用来流冲压提高抗空化能力，降低空化噪声，而且转桨在封闭管道中运行，水流更均匀，振动和噪声远小于螺旋桨，具有较低的水下噪声。因此，喷水推进方式是提高舰艇隐身性能的重要方式之一；

4) 与螺旋桨相比，喷水推进装置吸收相同功率时转速更高，尺寸较小，更容易布置在浅吃水舰艇上。因此可降低舰艇对吃水的要求，提高舰艇在近海的机动性能。

5) 喷水推进装置传动机构简单，泵叶轮在管道系统中运转，增加了设备的可靠性。

喷水推进在各国海军的水面舰艇上得到越来越广泛的应用，如高速水面战斗舰艇、高速运输补给舰、登陆艇、水雷战、反潜战舰艇等。喷水推进技术还在隐身舰艇上一展所长，近年来，隐身舰艇成为各国海军的研制热点，噪声对舰艇的隐身会带来极为不利的影响，而传统的螺旋桨推进系统是主要噪声源，采用喷水推进技术对于抑止空泡、降低舰艇的声学信号特征有良好的效果，由于喷水推进的低噪音特性，今后隐身舰艇采用喷水推进将是一个发展趋势。

1 喷水推进在声隐身性方面的优势及应用现状[5,6]

全面的隐身性是21世纪新型军用舰艇的一个重要特征，水下辐射噪声是其中的一项重要指标，它主要由推进噪声、机械噪声、流体噪声等几部分组成。随着浮筏减振技术的不断成熟、提升，艇上的主机和各种辅机被安装到了筏型减振基座上，机械噪声正逐步下降，推进噪声在整个噪声频谱中处于越来越重要的地位。世界各国均在进行螺旋桨推进系统降噪研究后将研究重点瞄准喷水推进。由于具有良好的抗空泡性能，水动力噪声低，且推进器外壳可以屏蔽叶轮噪声辐射，从而大大提高舰艇的声隐身性。美国、瑞典进行的对比试验表明：与螺旋桨推进方式相比，高速时在同一航速下，采用喷水推进系统的舰艇其平均水下辐射噪声可降低10dB，并明显降低舰艇的空气噪声和振动，从而增强舰艇的声隐身性能，改善艇员的生活环境。

近年来，世界各海军强国均在大力研究舰艇减振降噪的综合治理措施。喷水推进技术作为减振降噪，提高舰艇声隐身性的一项关键技术，逐步投入到了实船应用阶段。以瑞典“维斯比（Visby）”级轻型护卫舰和挪威“盾牌”级导弹艇的水面舰艇最具代表性。“维斯比”隐形轻型护卫舰被称为“超级隐身”战舰，其良好的隐身能力能应付尖端的雷达、声纳和红外等监视探测装备。“盾牌”级导弹艇在与“肯尼迪”航母战斗群的一次对抗演习中，是唯一生存下来并成功发射自身携带武器的反舰导弹发射平台。在“维斯比（Visby）”级轻型护卫舰项目中，在SSPA（瑞典国家船模试验水池）进行了有关喷水推进器动叶轮叶片数、叶片形状和传声途径等方面的研究，为进一步降低其噪声参数，经过声学优化采用了七叶叶轮。和螺旋桨相比，喷水推进在同一航速下可使该舰的水下辐射噪声降低约10dB。

综上所述，喷水推进与螺旋桨相比，在声隐身方面具有无可比拟的优势，但喷水推进装置作为一种推进用的水动力旋转机械装置，动叶轮、导叶体等关键的水动力部件，与工作介质——来流间存在相互作用，故存在水动力的脉动或流态改变所产生的噪声，以及装置本身可能诱发空泡而带来的噪声，这些都对喷水推进装置的噪声性能产生影响，因此有必要从喷水推进装置自身着手，重点对其噪声组成及机理、降噪途经等方面展开有针对性的研究。

2 喷水推进装置噪声的机理及降噪措施

喷水推进装置产生的噪声信号可分为两类：离散噪声和宽频噪声。从产生机理上划分，离散噪声是由周期性的脉动引起的，宽频噪声则是由随机脉动引起的。产生这两类噪声的主要原因有：空泡在动叶轮叶片频率的谐波处的离散噪声；动叶轮前端的不均匀伴流引发的离散噪声；动叶轮和导叶体之间相互干涉引发的离散噪声；叶轮进口湍流引起的后宽频噪声；叶片随边的边界层湍流引起的后宽频噪声；喷射流冲击引发的宽频噪声等。对于以上噪声产生的机理，按不同水动力现象可分为空泡噪声、旋转脉动噪声、旋涡噪声、边界层流噪声和湍流噪声。

噪声从产生到被监听经历了一个由振荡产生波、在水中辐射及通过其他介质传递的过程。应对全过程综合治理，在减少振荡强度、降低辐射效率、增加传递损失等每个环节上抓住主要矛盾，才能最大限度地降低噪声。

对喷水推进装置，振荡主要为机械振动及与来流干扰有关的振动，这是无法完全避免的，但可通过一些措施来减少振荡强度。如：合理选取整流器与动叶轮的叶片数，以及两者间的间距，减少经由动叶轮后的高压流进入整流器叶片时所产生的干扰；采用前置导叶设计方案，将较紊乱的来流，预先进行整流，可有效减少来流的周向不均匀性，降低来流的脉动；减少或合理分布叶片单位面积上的负荷，能更有效地发挥叶片各部位的作功能力；合理设计喷水推进装置结构，特别是推进泵轴系结构，可有效避免产生共振现象；采用高标准的公差及动平衡要求，提高设备的表面粗糙度，使产品叶片的型值精度和动平衡得到保证，避免加工不到位所致的各种噪声；采用高阻尼材料，减少对激励的响应等。

水中声源的辐射效率取决于声源多极子的阶次和马赫数。阶次越高，马赫数越低，则辐射的声功率越小，辐射效率越低。对喷水推进装置要尽可能降低马赫数，单极型的空泡及偶极型的旋涡是主要矛盾，要予以削弱。可采取的措施有：合理选择流量系数和扬程系数，得到最佳匹配的推进装置；合理选择动叶轮叶片径向负荷分布；采用负荷均匀的翼型，仔细校核翼型压力分布，避免空泡；减少叶梢间隙，减少间隙旋涡和梢涡；校核叶片与叶片间的流动，防止出现流体分离；充分回收尾流中的旋转能量，提高尾流静压力，减少尾流旋涡；设置导流片，削弱进水管道中的局部旋涡；降低转速。

通过增加传递损失的方法也可有效降低噪声，如精心设计泵壳及整流器的结构，来提高隔声能力，减少或避免声桥；采用高阻尼吸声材料；设备间采取隔声措施。

3 结 语

由于喷水推进对于普通螺旋桨推进具有一系列的优越性，因此在世界各国海军的水面舰艇上得到越来越广泛的应用，其低噪音特性，也已成为隐身舰艇一个发展趋势。为使喷水推进技术得到进一步的发展，有必要对喷水推进装置自身着手，重点对其噪声组成及机理展开有针对性的研究，提出更加合理有效的降噪途经。

[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.