基于集成式推进系统的水下航行体减振降噪研究方向探讨

方 石，王梦璇



基于集成式推进系统的水下航行体减振降噪研究方向探讨

方 石1，王梦璇2

（1.海军装备部 ，北京 100001，2.第 710研究所，湖北宜昌443003）

对水下航行体集成式推进系统特点进行了阐述。探讨了针对降噪设计应开展的低噪声水密永磁电机研究、低噪声推进器研究、螺旋桨伴流场优化、艇体通道特性研究等具体方向。以控制航行体噪声技术状态为目的，提出了状态评价方法的若干研究思路。

水下航行体 降噪 永磁电机 推进器

0 引言

水下航行体集成式推进系统使用电力作为直接能源，推进电机采用直流永磁电机，推进器为泵喷推进器或螺旋桨。其结构特征有三点：1.推进电机自身水密耐压，与海水直接接触；2.电机出轴直接连接推进器；3.推进机构与航行体主壳体仅存在静态的机械接口。该种推进系统相比传统舰艇推进系统有如下优点：

1）推进轴系简化。轴系长度短，降低了轴系与主壳体及支撑轴承、泵喷转子与导管的对中不良带来的振动噪声影响，同时轴承数量可由原来的5-6个减少为2-3个，减少了轴承噪声源。

2）更加模块化。推进系统与主壳体之间的物理位置界面清晰，降低了结构之间的耦合环节，利于识别噪声源，并采取针对性措施（如在主壳体与电机之间设置隔振器，其柔度几乎不影响轴系对中），同时，推进系统的布置位置更加灵活，可布置在航行体主体两侧。

3）利于电机散热。水与电机直接接触，可迅速将热量带走，消除了电机冷却机构发出的噪声。尤其对于由高比能电池组供电的航行体，舱内热源减少、温度降低，可提高电池组使用安全性。

在减振降噪设计与研究方面，现代的大型AUV与潜艇具有极大的相似性。潜艇未来的发展方向也包含了集成艉部结构、永磁推进电机、泵喷推进器等技术。通过对基于集成式推进系统的无人水下航行体减振降噪的研究，不仅可解决部分军用无人水下航行体对减振降噪的迫切需求，更重要的是可预先在潜艇模型尺度上验证一些新理论、新技术、新方案、新方法的效果，然后逐步大型化，实现潜艇实尺度上的工程应用，从而服务于常规潜艇、核潜艇的减振降噪设计，降低大型武器装备的研制周期、研制经费和研制风险。以下分别在设计和技术状态评价方法两方面，探讨若干研究方向。

1 减振降噪设计的研究方向

1.1低噪声水密永磁电机的研究

与传统的舰船推进用电机相比，永磁电机具有重量轻、尺寸小、效率高等诸多优点，同时结构简单、可靠性高、维护简便。目前，许多国家正在开发或已经开发了永磁电力推进系统，其中德国、法国已装备潜艇，俄罗斯也有永磁推进电机研制的报道[1]。

永磁推进电机的振动噪声控制是涉及机、电、磁、系统耦合的新型边缘科学。永磁电机振动和噪声主要为电磁振动噪声、机械振动噪声和空气动力振动噪声。需要开展永磁推进电机振动噪声机理分析，主要包括机械和电磁耦合动力特性分析、电磁力波和脉动扭矩关系的研究、壳体振动模态与声辐射的研究等。

根据现有AUV产品的研究经验，永磁电机的电磁场分析、电磁设计、磁极结构、变流调速控制方法、轴系及轴承支撑设计、充油形式等是影响航行体系统振动噪声的关键因素，且其与负载的耦合特性明显。因此，永磁电机减振降噪设计的主要研究方向可概括为三方面，即电磁方案设计、机械方案设计和与螺旋桨的耦合设计。

1.1.1电磁方案

电磁方案设计对航行体系统的航行辐射噪声影响达10 dB以上。某AUV试验中，电机A与电机B的机械结构设计基本一致，电磁方案上采用了不同的极槽配合与控制方式，与同一推进器配合安装于同一航行体，经航行辐射噪声测试试验，安装电机B时，系统航行辐射噪声较安装电机A时大约10 dB。频谱分析显示，噪声主要来源为频率为偶数倍电机基频的线谱。后续需继续开展对其发声机理、抑制方法的研究。

对电机A的变流调速控制方法调整后进行对比试验，系统水下辐射噪声测试结果相差约4dB。试验表明，最优控制方法的选取与负载特性存在很大关联，如何与负载特性匹配设计是下一步研究的关键。

永磁电机电磁方案设计对系统总体航行辐射噪声贡献较大，需结合频谱特征深入研究其振动噪声发生机理，寻找的有效降噪措施将能显著降低系统的航行辐射噪声。由于电磁方案更改对电机效率有一定影响，因此从总体设计上也应作相应权衡。

1.1.2机械方案

AUV试验反映，轴系纵向振动引起的发声占辐射噪声成分较大，该纵振与轴系模态具有关联性，受到轴系刚度的直接影响。而轴承的刚度显然影响整个轴系的刚度，试验用电机选用的轴承为滚珠轴承，滚珠轴承的刚度可借轴承预紧来获得很大程度的提高，预紧的实质在于消除间隙和使滚动体产生初始压应变，该种措施能较大的提高滚动体的刚度，从而影响轴系。但预紧力对轴承寿命有一定影响，其大小的选取还需进一步比较其减振降噪收益加以确认。

试验还选用了不同品牌、同一型号、同一精度等级的轴承安装于电机A，系统水下辐射噪声测试结果相差约3dB。据此，需对轴承差异开展精细检测，研究以抑制其振动噪声为目的的轴承选型、检测方法。

为适应电机的水下耐压要求，电机A有充油与非充油方案，试验显示，同一电机采取充油措施后，系统水下辐射噪声降低约4dB。可能与电机内部气隙噪声、介质的粘性或声阻抗相关。充油对电机噪声的影响仍需分析机理，在工程应用层面，亦可开展充油占据空间比例、油品牌号、粘度等影响的研究。

1.1.3与螺旋桨的耦合

螺旋桨是一种将旋转力转化为纵向力的装置，其工作在航行体主体后方非均匀的伴流场中，极易将受到的扭转扰动转化为纵向振动，且桨叶本身沿艇体纵向的刚度较弱，容易产生纵振。当其与推进电机直接连接时，和电机轴系产生的振动耦合不容忽视。

试验显示，当推进电机带螺旋桨与不带螺旋桨等转速运转时，系统水下辐射噪声相差8 dB～-10 dB，频谱中未见明显的螺旋桨叶频或倍叶频噪声，而电机的振动噪声特征和螺旋桨叶片的固有频率成分较明显。调整电机变流调速控制方法后，螺旋桨叶片的固有频率成分下降。这一方面说明电机带载后自身噪声增大，另一方面说明两者发生了某种程度的振动耦合。

因此，需开展针对永磁电机直接带动螺旋桨形式负载耦合作用的研究，特别是与轴系纵振相关的耦合振动。

1.2低噪声推进器的研究

为得到一个性能良好、噪声低的推进器，必须结合艉部结构与流场进行精心设计、精心试验、精心施工，最终通过实航验证，在各种航速、各种潜深和机动等情况下测量噪声，并在分析的基础上合理地研究声学设计中所采取措施的有效性及推进器引起的对航行体水下辐射噪声的贡献，并将这些结果用于查明在设计阶段未考虑到影响这些噪声分量的因素，以便修正设计计算方法并积累后续航行体的设计经验，以求不断改进。

推进器设计的研究可分为两个方面：一是理论设计方向的研究，得出哪些措施可降低推进器噪声；二是与推进器制造加工相关的设计研究，以保证实物与理论设计的符合性。

1.2.1理论设计方向研究

现有的设计手段已能较好的满足推进器在全工况无空泡的需求，卡门涡街引起的螺旋桨唱音也能在工程上通过随边削边解决，在此主要分析抑制推进器非空泡噪声的一些设计方向。

上世纪50年代，美国海军曾试图采用对转螺旋桨降低核潜艇上的螺旋桨噪声，虽有一定降噪效果，但因一些工程难题并未推广试用。尔后30年，研究重点投向7叶大侧斜螺旋桨[2]。目前，7叶大侧斜螺旋桨的应用已较普遍，其降噪效果已接近极限，进一步挖潜空间有限。从90年代开始，新型的泵喷推进器逐步在国外得到应用，据报道，13叶泵喷推进器比常规桨噪声小20 dB。英国的所有潜艇，美国的“海狼”级等新型潜艇，以及法国的新型潜艇均采用了这种技术。俄罗斯开展了潜艇泵喷推进器的模型试验研究，并已通过白鲸级试验艇的实艇试验。在我国，泵喷推进器的应用还不多，在AUV上的试验显示，泵喷推进系统相比对转螺旋桨推进系统的航行辐射噪声低约11dB。由于工程应用经验有限，泵喷推进器的一些技术细节还未充分认知，技术潜力待深入发掘。

现有的推进器模型试验指出，泵喷推进器易产生较多的低频激振力，其低噪声性能有可能不如设计优良的7叶大侧斜桨。由于推进器模型试验存在一定局限，在循环水槽内难以对低频噪声进行直接测量，测出的低频激振力是否为总体辐射声的主要成分还未可知，因此泵喷推进器与7叶大侧斜桨的低噪声性能，仍需通过实尺度航行体的航行辐射噪声测试进一步对比确认。

泵喷推进器运转过程中，转子叶梢与导管间的梢隙会形成梢涡或不稳定流动。上海交大钱晓南教授认为：由于梢涡等的存在，在桨叶梢部出现肉眼可见的空泡之前，已经形成了“声学”空泡，有时会产生频率单调的“汽笛声”[3]。该种梢涡或梢隙涡目前还难以采用理论方法进行预报，需要通过试验研究深入分析。俄罗斯的潜艇螺旋桨一般采用比较明显的叶梢卸载，以避免此类噪声的发声。对于泵喷推进器，由于有导管的存在，可适当减小转子的梢部卸载，学习飞机发动机的方法，在导管内壁梢隙区域，开一定数量的导流槽，阻止梢隙形成稳定的梢隙涡，从而抑制其产生的噪声。同时，梢隙大小的设计也需仔细研究。

传统观点分析认为，前置定子能整理转子的伴流场，其低噪声性能应优于后置定子形式。现在有声音反映，后置定子的低噪声性能可能优于前置定子。因此，前置定子与后置定子形式的低噪声性能仍需进一步试验验证。

在转子毂帽上设置一定数量的毂帽鳍，抑制毂涡噪声的效果，也需经过航行测噪试验进行验证。

导管采用加速型还是减速型，其对泵喷噪声的影响同样需要验证。传统观点认为减速型导管对噪声有利，加速性导管对推进器效率有利。某AUV试验中，对比了两种形式的泵喷推进器，泵喷A采用加速型导管，泵喷B采用非加速非减速型导管，而安装泵喷A的系统航行辐射噪声低4-8dB。需要说明的是，两组泵喷定子、转子设计存在较大差异，该试验结果并不能直接说明导管的影响，仅能提示出减速导管的低噪声性能并不绝对，导管的加减速形式对噪声的影响仍需深入对比分析。

转子、定子、导管选取的加工材料也需开展分析、研究、验证工作。由于泵喷推进器的重量较7叶大侧斜桨显著增加，为航行体总体衡重带来较大负担，难以全部采用实体金属材料制造。当需要选用金属空腔结构或复合材料结构制造时，材料和结构形式对噪声的影响就需要重新考核评判。某AUV航行测噪试验中，比较了碳纤维复合材料转子与铜转子的噪声性能，未见碳纤维转子低噪声性能上的明显优势。保证对比试验的航行体配置相同，更换转子配置进行多次对比试验。结果显示，碳纤维转子与铜转子噪声相差 ±2dB。这说明该形式推进系统中，复合材料转子固有频率特征的影响大于材料阻尼率增大的影响。

1.2.2制造加工相关的设计研究

泵喷推进器的定子、导管、转子表面均为复杂的三维曲面结构，加工难度高。根据产品研制经验，即使采用德国进口的五轴联动数控加工中心制造，螺旋桨也不易满足GB 12916《船用金属螺旋桨技术条件》规定的S级精度要求，需配合一定的人工打磨工艺。这为螺旋桨的技术状态固化带来了一定风险。

试验显示，适当放宽加工精度要求，对螺旋桨的水动力性能并未构成可见影响。但针对螺旋桨的噪声性能指标，加工精度能容忍到何种程度则需进一步探究，目的是找准推进器技术状态控制的重点，减少盲目追求加工精度对产品研制进度、经费带来的不利影响。

传统的螺旋桨检测方法（GB 12916《船用金属螺旋桨技术条件》），检测的主要指标为桨叶的螺距、厚度等参数，关注的重点为水动力性能。当需要对其噪声性能技术状态进行控制时，老国标评价能力是否仍然满足要求值得研究。可研究出台新的螺旋桨3D型值坐标检测标准，重点关注对桨噪声性能技术状态的控制。

复合材料螺旋桨加工存在一些新的问题。由于复合材料桨依靠模具质量保证外形加工质量，目前阶段其加工质量往往不如金属桨，可能引起对其低噪声性能的误判。复合材料桨脱模后，随着应力释放，会出现变形，二次加工会损伤其纤维结构，通常不推荐采用。这就需在模具设计过程中，对模具型值做一定量的预置反变形设计，反变形量的选取仍需进一步研究。同时，复合材料桨长时间存放后，产生的蠕变量及力学性能衰减，也应通过相关试验进行考核。复合材料桨纤维铺层形式（平面层叠、三维编织等方式）对其噪声性能、力学性能的影响也有待进一步研究。

1.3螺旋桨伴流场的优化研究

由于水下航行器附体及操纵面对其绕流场的干扰，位于艉部的螺旋桨工作的伴流场是十分不均匀的。螺旋桨在这种不均匀的伴流场中作周期性的旋转运动，桨叶与水流发生着复杂的、非定常的力学相互作用，这种相互作用同时造成了桨叶和水介质的受力变化，引起了结构振动、漩涡发放、空泡产生与溃灭等一系列发声效应。与此同时，伴流场的不均匀性还是螺旋桨激振力产生的根本原因。除了针对螺旋桨采取措施（增大侧斜、增加叶数等）使其适应这种不均匀工作流场外，改善螺旋桨的工作环境，降低螺旋桨伴流场的不均匀程度，无论对降低螺旋桨自身辐射噪声还是对降低螺旋桨激振力诱发的机械振动噪声而言，都是一种极其必要的手段。

通过对整流附体展开相关研究，可寻求一种降噪效果最佳的整流附体形式。整流手段包括设置附体填角、升翼面、附体喷流、消涡整流片等技术措施。目前，附体填角形式已在美国“海狼”级潜艇、俄罗斯“北德文斯克”级潜艇和我国潜艇上得到广泛应用。某AUV航行辐射噪声测试显示，设置艉翼填角后，噪声下降约4dB。可见，优化伴流场的减振降噪效果良好。

俄罗斯开展了舵面到螺旋桨距离设置的相关研究，结果显示其对噪声存在一定影响。该点值得借鉴，开展应用型研究。

对新式推进系统总体布置形式展开试验研究。螺旋桨伴流场的不均匀性来自于前方航行体对水的扰动，可尝试改变推进系统总体布置，将推进器与推进电机组合成的吊舱推进系统布置在航行体两侧，其中推进器在电机前方。如此以来，推进器的进流为几乎完全均匀的敞水进流，应对推进器的噪声和激振力有明显改善。

1.4艇体振动传播通道特性的研究

无论何时，抑制振动噪声的发生源头是减振降噪的首要选择，上述三点皆是出于这种考量。当振动噪声源头无法进一步削弱时，阻断其传播辐射路径也不失为一种好的手段。

艇体通道需针对特定的航行体目标进行设计，按照激励源特性配合设计总体形式，尽量使系统各部件的阻抗失配以抑制结构噪声的传递。可通过改变环筋布置形式、改变设备质量分布、设置刚性阻振结构、设置隔振器、敷设阻尼材料等措施达到设计目的。

某AUV航行辐射噪声测量试验中，测试了在推进电机与航行体之间设置隔振器的降噪效果。采用了泵喷A与泵喷C两种推进器进行对比试验，两者仅转子存在差异。当不安装隔振器时，泵喷A噪声较泵喷C小约3dB；当安装隔振器后，泵喷A噪声无变化，泵喷C噪声减小约3dB。该

试验说明，艇体通道需要根据激励源进行匹配设计。总体布置上，还可基于集成式推进系统进行大机械阻抗隔舱壁设计，并开展试验研究，进一步验证潜艇集成艉部结构的降噪效果。该种隔舱壁设计已在德国潜艇上得到应用。

2 振动噪声技术状态评价方法的研究方向

水下航行体噪声控制技术的发展在很大程度上以航行体实尺度信息为基础，以系统实际降噪效果为依据。但若仅在系统层面考核振动噪声技术状态、解决减振降噪问题，不仅会因振动噪声耦合成分过多，难以精确定位识别噪声源并采取针对性措施，而且耗资大、耗时长。尤其对于潜艇，若其船台建造过程已完成才发现问题，对其大型设备进行更换或改装是十分困难的。因此，亟需对航行体各降噪相关部件建立一种可行的振动噪声技术状态评价方法。

该种评价方法的总体思路是，能在实验室考核的技术状态，不等到外场系统试验中考核；能在外场系统试验岸上考核的技术状态，不等到水下试验中考核；能在水下系桩考核的技术状态，不等到航行试验中考核。目的在于及早发现并解决问题，提高研制效率，降低装备批量生产时的状态偏移风险。

为了建立一种可靠的评价方法，需要进行大量的振动噪声测试试验及相关数据分析。拟通过水下航行试验、水下系桩试验、岸上系统试验、实验室部组件试验数据的比对分析，将噪声成分逐步分解，明确哪些成分可通过简化的试验条件模拟，然后逐项评价。摸索出来的方法，还能进一步指导各部组件的针对性优化设计。

2.1推进电机技术状态考核

目前，电机的振动噪声技术状态考核，是以空载运行工况作为考核条件。由于其空载与带载时的振动噪声差异较大，现有的考核方式并不能充分反映电机的振动噪声技术状态。而当前的测功机振动噪声很大，若带测功机考核电机，电机的振动噪声特征将被淹没，无法识别。

在此背景下，可考虑设计一种模拟螺旋桨负载的耗功设备，尽量采用非接触方式模拟螺旋桨的推力、扭矩、质量、转动惯量等参数，以此来考核电机带载时的振动噪声性能。

2.2推进器技术状态考核

可考虑建立一种着眼噪声性能的推进器加工精度检测标准，制定一套测试螺旋桨干模态、湿模态的标准测试方法。同样，考虑采用一型标准电机驱动推进器，直接考核实尺度推进器在水下某些方面的噪声性能。

2.3岸上系统试验考核

在航行体系统组装的各个时段直到下水前，摸索一套阶段性的低噪声技术状态检测方法，可包括运转振动测试、模态测试、安装精度测试、空气中噪声测试等。所有测试在先期形成数据积累，以航行辐射噪声性能为最终考核标尺，通过对比分析逐步得出过程中的技术状态考核、控制关键点。

2.4 水下系桩试验考核

以航行辐射噪声为依据，摸索在水下系桩状态下能够考核的振动、噪声成分，以及考核方法，比如水中不带桨工况考核轴系运转噪声、水中带桨工况考核动力系统等功率或等转速运转噪声、水下推进轴系模态测试等。以在水域环境等试验条件受限的情况下，将噪声技术状态考核的关口前移。

3 结语

本文分析了水下航行体集成式推进系统的优点。探讨了从设计方面开展低噪声水密永磁电机、低噪声推进器、螺旋桨伴流场优化、艇体振动传播通道特性等若干研究方向及相关子方向。同时，以低噪声技术状态控制关口前移为目的，讨论了样机技术状态评价方法的一些研究方向。

[1] 马运义,许建. 现代潜艇设计原理与技术[M]. 哈尔滨: 哈尔滨工程大学出版社, 2012.

[2] 王汉刚. 美国核潜艇推进系统减振降噪技术发展分析[J]. 舰船科学技术, 2013, 35(7): 149-153.

[3] 钱晓南. 舰船螺旋桨噪声[M]. 上海: 上海交通大学出版社, 2011.

Research Directions of Vibration and Noise Reduction of Underwater Vehicle with Integrated Propulsion System

Fang Shi1, Wang Mengxuan2

(1.Naval Armament Department，Bejing 100001, China; 2.the 710th institute, Yichang 443003, Hubei, China)

U661.3

A

1003-4862（2016）05-0063-05

2015-10-09

方石(1984-)，男，工程师。研究方向：集成式电力推进系统。