美國核潛艇推進系統(tǒng)減振降噪技術(shù)發(fā)展分析

王漢剛

(海軍991工程辦公室，北京 100841)

1 概述

反應堆主循環(huán)泵、減速齒輪裝置、汽輪機、軸系、推進器等是核潛艇推進系統(tǒng)的主要噪聲源。

表1 核潛艇推進系統(tǒng)噪聲產(chǎn)生機理Tab.1 Principle of nuclear submarine propulsion system noise production

針對上述噪聲源，美國海軍采取了多種措施，如:發(fā)展自然循環(huán)壓水堆，中低航速時主泵不工作;對減速齒輪采用隔振技術(shù);降低汽輪機蒸汽流速，在汽輪機蒸汽管路、閥門等連接部位使用隔振裝置;用泵噴推進器取代5葉大側(cè)斜螺旋槳等。

2 降噪技術(shù)發(fā)展

1)推進器技術(shù)

為解決推進器噪聲問題，美海軍發(fā)展了多種推進器。20世紀50年代曾試圖通過采用對轉(zhuǎn)螺旋槳來降低推進器的噪聲，雖然有一定的降噪效果，但由于這種推進器本身存在結(jié)構(gòu)復雜、軸間密封困難等工程問題，并沒有推廣使用。其后，將研究重點投向7葉大側(cè)斜螺旋槳，這種推進器在“長尾鯊”級攻擊型核潛艇上首次使用后，發(fā)現(xiàn)其對降噪效果很好。在以后的30年里，7葉大側(cè)斜螺旋槳又推廣到“鱘魚”級和“洛杉磯”級等攻擊型核潛艇上使用。直至20世紀90年發(fā)展“海狼”級攻擊型核潛艇時，發(fā)現(xiàn)7葉大側(cè)斜螺旋槳的降噪效果已到極限，沒有進一步挖掘的潛力。為了提高“海狼”級潛艇的隱身性能，開始研制降噪效果更好的泵噴推進器，并在最后幾艘“洛杉磯”級，以及“海狼”級和“弗吉尼亞”級攻擊型核潛艇上使用。美國核潛艇低噪聲推進器的發(fā)展大致可分為3個階段。

第一階段，發(fā)展對轉(zhuǎn)螺旋槳和低速7葉大側(cè)斜螺旋槳。1956年開始設(shè)計“長尾鯊”級攻擊型核潛艇，設(shè)計的重點之一就是降低螺旋槳的推進噪聲。經(jīng)過各種試驗與研究，最終提出2種解決方案。一是采用泵噴推進技術(shù)，二是采用對轉(zhuǎn)螺旋槳。經(jīng)專家論證后認為當時的技術(shù)條件下泵噴推進技術(shù)尚不成熟，因此決定采用對轉(zhuǎn)螺旋槳。美海軍第7艘“長尾鯊”級SSN 605“小梭魚”號試驗性地采用對轉(zhuǎn)螺旋槳，取得一定的降噪效果。但這種螺旋槳結(jié)構(gòu)過于復雜，軸間密封困難。因此，“小梭魚”號以后的7艘“長尾鯊”級核潛艇上再未采用對轉(zhuǎn)螺旋槳。

其后，又開始為“長尾鯊”級攻擊型核潛艇研制噪聲更低的7葉大側(cè)斜螺旋槳。對于在非均勻伴流場工作的螺旋槳，采用7葉大側(cè)斜螺旋槳可取得非常顯著的降噪效果。在“長尾鯊”級之后，“鱘魚”級以及大部分“洛杉磯”級均采用7葉大側(cè)斜螺旋槳。

第二階段，發(fā)展泵噴推進器。隨著泵噴推進技術(shù)的逐漸成熟，加上7葉大側(cè)斜螺旋槳已不能滿足“海狼”級攻擊型核潛艇減振降噪的需要，美海軍又重新開始研制噪聲小、空泡少、推力大的泵噴推進器，并首先在最后幾艘“洛杉磯”級上試驗性的采用。

泵噴推進器由魚雷使用的泵噴推進器移植而來，外部有1個導管，內(nèi)有固定導流葉片和動葉片。圖1為泵噴推進器的外形圖。泵噴推進器的主要優(yōu)點是在高航速時，有利于增加導管升力，使動葉片高速旋轉(zhuǎn)時不產(chǎn)生空泡。

第三階段，發(fā)展輪緣推進器。針對全電力推進的下一代攻擊型核潛艇的需求，美海軍于2005年委托DRS技術(shù)公司研制輪緣推進器。輪緣推進器是一種螺旋槳葉尖直接焊接在永磁電機的環(huán)形轉(zhuǎn)子上，通過電機驅(qū)動槳葉旋轉(zhuǎn)，是一種用電能傳遞推進功率，取消傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)軸傳遞機械功率的推進方式。輪緣推進器在核潛艇上使用后推進噪聲比泵噴推進器小，可進一步提高核潛艇隱身能力。圖2為輪緣推進器外形圖。

圖1 核潛艇泵噴推進器外形圖Fig.1 Diagram of nuclear submarine pump-jet propulsor

圖2 輪緣推進器外形圖Fig.2 Diagram of rim propulsor

圖3為美海軍下一代攻擊型核潛艇雙輪緣推進器的布置圖，下一代攻擊型潛艇使用2臺輪緣推進器，它們對稱地布置在艇尾。

圖3 美海軍核潛艇雙輪緣推進器布置圖Fig.3 Arrangement diagrams of US nuclear submarine double rim propulsor

2)浮筏減振技術(shù)

浮筏減振裝置是把艇內(nèi)機械轉(zhuǎn)動設(shè)備安裝在剛性平臺上，剛性平臺下面是撓性支撐系統(tǒng)，從而將振動噪聲隔離，使其無法向艇外傳播。浮筏減振裝置可起到很好的隔振效果，但使用浮筏減振裝置后，會增大潛艇的排水量，并帶來一些工程問題。如:“長尾鯊”級使用分散式浮筏裝置后，與同樣采用S5W的“鰹魚”級相比，艇體的長度和排水量均有所增大，相應的最高航速有所下降。此外，采用浮筏減振還會增加潛艇建造費用，一部分原因是尺寸增大，建造和原材料費用增大;另一部分原因是使用浮筏減振裝置帶來的一些工程技術(shù)問題需要解決。比如:某些管路需穿過浮筏裝置，產(chǎn)生的管路走向設(shè)計問題。美國核潛艇浮筏減振技術(shù)經(jīng)歷了2個階段。

第一階段，采用分散式浮筏減振裝置。浮筏減振裝置首先是在“長尾鯊”級潛艇的全部或大部分旋轉(zhuǎn)機械設(shè)備上使用，但這些浮筏是分散式的，也就是主汽輪機、齒輪箱、冷凝器和汽輪發(fā)電機組的浮筏彼此間相互獨立。

第二階段，采用整體式雙層浮筏減振裝置。“海狼”級和“弗吉尼亞”級核潛艇上開始采用整體式雙層浮筏減振裝置，將主汽輪機、齒輪箱、冷凝器和汽輪發(fā)電機組裝在1個浮筏式整體基座上。相對分散式減振浮筏，整體式浮筏隔振降噪效果更好，但浮筏的設(shè)計和施工難度也更大。

3)自然循環(huán)壓水堆技術(shù)

自然循環(huán)壓水堆利用冷卻劑在一回路中的溫升造成的密度差作為動力，而不使用循環(huán)泵作動力進行強制循環(huán)。自然循環(huán)壓水堆既可保證在任何情況下都能帶走反應堆的熱量，又可在中、低速工況時不使用主泵，從而在保證安全性的前提下消除中、低速工況下主泵的工作噪聲。美國從1959年開始研制S5G自然循環(huán)壓水堆，該堆于1965年12月9日達到臨界，隨后裝備于SSN－671“一角鯨”號。其后又研制了S6G和S9G自然循環(huán)壓水堆，S6G用于“洛杉磯”級，S9G用于“弗吉尼亞”級。

此外，由于現(xiàn)在“弗吉尼亞”級潛艇上使用的S9G自然循環(huán)壓水堆具有很好的降噪效果，因此美海軍在下一代攻擊型核潛艇上可能會仍采用S9G反應堆，只是將現(xiàn)在S9G的堆芯改成轉(zhuǎn)型技術(shù)堆芯。

轉(zhuǎn)型技術(shù)堆芯 (transformational technology core，TTC)直接采用核武器上卸下的富集度為93%的鈾燃料，使用先進堆芯材料，在堆芯尺寸和重量不增加的情況下，可使堆芯能量密度顯著提高，2004財年開始設(shè)計，首個轉(zhuǎn)型技術(shù)堆芯將在2014財年交付。

4)電力推進技術(shù)

美海軍在20世紀50－60年代曾試圖通過電力推進的方式徹底取消齒輪箱，從而完全消除齒輪箱的噪聲。但由于受當時技術(shù)條件的限制，電力推進的總體效果并不好，因此美國并沒有推廣這種技術(shù)。隨著推進電機技術(shù)和電力電子器件技術(shù)的飛速發(fā)展，21世紀初美海軍又提出要發(fā)展電力推進的下一代攻擊型核潛艇。與半個世紀前發(fā)展的電力推進攻擊型核潛艇不同，這種核潛艇要實現(xiàn)全電化，不僅推進要使用電力，而且在操舵等系統(tǒng)也實現(xiàn)電氣化。

核潛艇電力推進技術(shù)的發(fā)展上，美國分2個階段，從20世紀50－60年代試驗性地在2艘核潛艇上采用，到21世紀準備在下一代攻擊型核潛艇上重新使用。

第一階段，試驗性地采用電力推進。1958年建造了采用小型反應堆的“白魚”號電力推進攻擊型核潛艇，其水上排水量僅有2138 t，主推進電機的功率僅為1.84 MW。由于該艇排水量和推進功率較小，在美國發(fā)展的電力推進攻擊型核潛艇中并不具有代表性，因此本文對其不作重點研究。

20世紀60年代又在“白魚”號核潛艇的基礎(chǔ)上，研制電力推進的“格萊納德·利普斯科姆”號試驗性攻擊型核潛艇。該潛艇水上排水量5813 t，采用1座S5W型壓水堆，2臺蒸汽輪機發(fā)電機組。1臺汽輪機發(fā)電機組所產(chǎn)生的電能全部用于驅(qū)動推進電機，另1臺汽輪機發(fā)電機組所產(chǎn)生的電能全部用于指控、照明、探測等日用系統(tǒng)。

當時“格萊納德·利普斯科姆”號潛艇的推進電機可選擇直流電機也可選擇交流電機。與直流推進電機相比，交流推進電機需要使用許多電力電子變換設(shè)備實現(xiàn)推進電機的調(diào)速和控制。但由于當時電力電子變換技術(shù)并不成熟，其體積和重量很大，根本無法在核潛艇上布置。最終在“格萊納德·利普斯科姆”號潛艇上采用直流推進電機，這樣就可省去使用電力電子變換器。但就當時推進電機技術(shù)而言，直流推進電機本身的體積和重量也很大，致使“格萊納德·利普斯科姆”號核潛艇比采用同型反應堆的機械推進的“鱘魚”級核潛艇水下排水量增加約1800 t，長度增大約12 m。由于推進功率并沒有增大，還小2.94 MW，因此盡管“格萊納德·利普斯科姆”號潛艇利用電力推進消除了齒輪箱噪聲，但總體性能不理想，尤其是航速偏低，不能滿足潛艇作戰(zhàn)使用的要求，還是于1989年作退役處理。

“格萊納德·利普斯科姆”號核潛艇退役標志著當時采用電力推進是不可行的，不成功的原因主要是當時電力電子器件和推進電機技術(shù)并不成熟。

第二階段，下一代攻擊型核潛艇采用全電力推進 (即綜合電力系統(tǒng))。20世紀80年代后，隨著電力電子器件和推進電機技術(shù)的高速發(fā)展和不斷成熟，美國海軍認為妨礙攻擊型核潛艇采用電力推進的技術(shù)瓶頸已經(jīng)可以跨越，于是在21世紀初又重新提出要在下一代攻擊型核潛艇上采用電力推進。

2004年美海軍提出了針對下一代攻擊型核潛艇的“瓶頸技術(shù)” (Tango Bravo)計劃，其中一項關(guān)鍵技術(shù)就是無軸推進技術(shù)，其實質(zhì)就是在下一代核潛艇上采用全電力推進。其方案是采用1座壓水堆，2臺蒸汽輪機發(fā)電機組，2臺輪緣推進器。2個發(fā)電機組所發(fā)出的電能供推進電機和日用電系統(tǒng)共同使用，兩者間可相互調(diào)配使用。圖4為美國下一代攻擊型核潛艇的動力和推進系統(tǒng)示意圖。圖5為“格萊納德·利普斯科姆”號攻擊型核潛艇的動力和推進系統(tǒng)示意圖。從圖4和圖5中可以看出，兩者配電系統(tǒng)間的最大不同是，下一代攻擊型核潛艇的推進用電和日用電可以相互調(diào)配使用，而“格萊納德·利普斯科姆”號核潛艇推進用電和日用電相互獨立。

圖4 美國海軍下一代核潛艇全電力推進系統(tǒng)示意圖Fig.4 Diagrammatic sketch of US next generation nuclear submarine full electric propulsion system

圖5 “格萊納德·利普斯科姆”號核潛艇電力推進系統(tǒng)示意圖Fig.5 Diagrammatic sketch of Leonard Lipscombe nuclear submarine electric propulsion system

全電力推進的優(yōu)點是利用電力推進器完全取代傳統(tǒng)的機械推進器，這樣不僅取消減速齒輪、推進軸系，而且還可極大地節(jié)省了艇尾空間 (包括耐壓艇殼內(nèi)部和外部)。此外，采用這種推進方案，還可在不對潛艇航速產(chǎn)生顯著影響的情況下，提供大量的電能供非推進系統(tǒng)使用，如未來的高能武器等。

5)小結(jié)

通過對推進器技術(shù)、浮筏減振技術(shù)、自然循環(huán)壓水堆技術(shù)、電力推進技術(shù)等核潛艇推進系統(tǒng)減振降噪技術(shù)的梳理，可歸納出海軍核潛艇推進系統(tǒng)減振降噪技術(shù)的發(fā)展歷程 (見表2)和減振降噪效果 (見圖6)。

表2 美海軍核潛艇推進系統(tǒng)減振降噪技術(shù)發(fā)展簡表Tab.2 Development of vibration isolation and noise reduction technology on US nuclear submarine propulsion system

圖6 美海軍核潛艇推進系統(tǒng)減振降噪技術(shù)應用情況和降噪效果圖Fig.6 Applications and effects of vibration isolation and noise reduction technology on US nuclear submarine propulsion system

3 啟示

1)核潛艇推進系統(tǒng)的減振降噪是一項系統(tǒng)工程，涉及反應堆、推進器和傳動裝置等設(shè)備本身，還涉及全艇的總體設(shè)計、系統(tǒng)管路降噪等，研發(fā)難度大，周期長。因此，在推進系統(tǒng)的減振降噪技術(shù)研發(fā)和科研管理上需要全面統(tǒng)籌和超前安排，才能真正解決核潛艇推進系統(tǒng)的減振降噪問題。

2)減振降噪技術(shù)的研發(fā)需要持之以恒，對于有應用潛力的技術(shù)需要不斷地投入。從美國電力推進技術(shù)和泵噴推進技術(shù)的研究上可以看出，起初不成熟的技術(shù)，經(jīng)過持續(xù)多年的研究最終卻成為核潛艇隱身降噪的利器。

3)推進系統(tǒng)減振降噪技術(shù)的發(fā)展是永無止境的，核潛艇推進系統(tǒng)減振降噪技術(shù)的發(fā)展隨著對推進系統(tǒng)噪聲特點和機理的不斷認識而發(fā)展。未來，隨著聲吶探測技術(shù)的發(fā)展和對推進噪聲的不斷認識，必然還會誕生新的減振降噪技術(shù)。

4)采用全電力推進不僅會顯著降低潛艇推進系統(tǒng)的噪聲，還會對潛艇的設(shè)計、布置、人員配置產(chǎn)生重大影響。全電力推進技術(shù)將成為核潛艇技術(shù)發(fā)展的里程碑。

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