水下航行器螺旋槳降噪技術研究進展

華麗嫻，吳英友，周復濤，陳家聰，鄧小疊

（廣東海洋大學海洋工程學院，湛江 524088）

1 前言

水下航行器推進系統(tǒng)噪聲的主要特點是噪音來源多、功率較大等。噪聲會對航行器殼體造成危害，還會阻礙艇內機械設備的正常運轉，機械設備在運轉時產生的振動、螺旋槳轉動引起的噪聲以及水動力噪聲等都是其噪聲的來源，水下航行器的水下輻射噪聲則是影響其各項性能的重要因素之一。螺旋槳噪聲是水下航行器在中、高速航行時的主要噪聲源，即使在低速航行時也是水下航行器噪聲的重要來源之一。因此，研究螺旋槳降噪技術對水下航行器隱蔽性以及航行器內機械設備的穩(wěn)定性具有重要的意義。

2 螺旋槳外部設計

2.1 螺旋槳材料

通常在制作螺旋槳時采用具有高阻尼性能的材料，其作用是將機械振動和聲振動的能量轉變?yōu)闊崮芟⒌簦梢杂行У販p緩槳葉振動，降低輻射噪聲。Joshi J等人[1]對鋁合金、不銹鋼、鈦合金等材料的振動頻率進行了比較，得出鋁合金材料的特征頻率值最高，是螺旋槳降噪設計的理想材料；近年來發(fā)展的主流方向為復合材料，復合材料葉片由多層編織纖維和泡沫芯體組成，具有重量輕、無腐蝕、振動和噪音小等特點，利用復合材料制造螺旋槳具有更大的靈活性，可提高水動力效率。復合材料的組成主要有：碳纖維、凱夫拉合成纖維、玻璃纖維、環(huán)氧樹脂。采用復合材料制造的螺旋槳重量較輕，通過使用水彈性優(yōu)化推進效率可降低螺旋槳噪聲。

2.2 螺旋槳表面涂層

在水下運轉的螺旋槳會隨著使用時間的增加，使海洋生物附著形成生物污垢，從而增加了螺旋槳的粗糙度，導致螺旋槳的推力減小和影響水動力性能；此外，隨著氣泡破滅會引起材料的空蝕，嚴重損壞螺旋槳葉片；使用涂料可以使螺旋槳改善水動力性能，緩解空化現(xiàn)象。Atlar 等人通過研究表明，具有拋光良好涂層的螺旋槳與沒有涂層的相同螺旋槳相比，帶涂層的螺旋槳可以增加高達6%的效率增益；此外，通過控制涂料的材料、密度等，可以改變螺旋槳的粗糙度；Asnaghi 等人在2020 年[2]，研究了應用不同的粗糙度的涂層來緩解尖端渦流空化的情況。結果表明，應用恰當粗糙度的涂料可以防止螺旋槳性能下降，并且與完全光滑條件相比，可以使葉尖渦流空化現(xiàn)象減少約33%；從空化的角度來看，葉片粗糙度和污垢可能會產生氣泡停留位置，從而降低水的空化強度。涂層的存在可以在空化氣泡的破裂產生沖擊波時，作為阻尼器吸收空化噪聲的能量，從而降低噪音水平。

2.3 槳轂的改造

在螺旋槳槳轂上安裝螺旋槳輪轂蓋鰭（PBCF）能有效提高螺旋槳的性能。PBCF 的主要功能，是改善螺旋槳的性能特點，最大限度地減少輪轂渦和由此產生的舵空泡。當前，PBCF 已被作為減小氣穴現(xiàn)象、降低水下噪聲的一種技術，它還可以幫助減少樞紐渦流；PBCF 由一系列的鰭組成(鰭的數(shù)量通常等于螺旋槳葉片的數(shù)量)，這些鰭安裝在輪轂蓋上，PBCF 作為后渦流附加物，通過減少輪轂渦提高螺旋槳效率；Kurt Mizzi 等人[3]通過分析120 種不同的 PBCF 設計后，采用準隨機批處理方法和優(yōu)化算法，確定了一種特定的PBCF 設計，其與沒有 PBCF 的螺旋槳相比，敞水效率提高了1.3%。然而，這并不意味著這種特殊的設計對所有情況都是最佳的，每種船型和螺旋槳都會導致不同的船流模式，因此需要量身定制最佳模型，具體情況具體分析。

2.4 導管螺旋槳

將套筒導管裝在螺旋槳的外圈上，機翼型的導管縱切面安裝在船尾下面，將其與殼體形成一個統(tǒng)一的流線型體，這種形式稱為導管螺旋槳。導管分為兩類：加速導管和減速導管。加速導管本身產生推力，使螺旋槳附近周圍的水流加速，加快水下航行器的前進速度；減速導管會產生推延螺旋槳的空泡極限，從而降低螺旋槳周圍的水流速度，并降低葉梢所產生的噪音，多用于軍用艦艇上。

Stefano Gaggero[4]等人利用商用RANS 解算器結合Schnerr-Sauer 空化模型，分別預測常規(guī)螺旋槳和雙導管螺旋槳葉尖和葉尖泄漏渦空化的能力，將常規(guī)螺旋槳與導管螺旋槳進行對比，結果表明導管螺旋槳的前緣空泡的空泡尖渦表現(xiàn)比常規(guī)螺旋槳穩(wěn)定，減噪效果更明顯；張力為[5]利用STAR-CCM+軟件，通過建模模擬導管螺旋槳的敞水性能，基于RANS、扇聲源法和脈沖球形氣泡理論，將導管螺旋槳中無空化負載噪聲和空化負載噪聲進行對比，發(fā)現(xiàn)前者比后者噪聲小，可見發(fā)生空化后空化輻射噪聲成為導管螺旋槳的主要噪聲源。在此基礎上，將大渦模擬方法與空化模型相結合，研究螺旋槳在六種不同類型的管道中工作時所產生的噪聲和推力的變化規(guī)律，可得出最佳的降噪效果的導管組合。

3 螺旋槳幾何結構設計

3.1 螺旋槳葉片

（1）葉片數(shù)

目前較多國家采用的是七葉大側斜的螺旋槳。學者們通過研究發(fā)現(xiàn)，增加螺旋槳葉片的數(shù)量可以使水下葉片上的推力減少，從而延緩空泡的產生，達到降噪的目的。

（2）盤面比

合理的螺旋槳盤面比，能有效的處理空泡和振動問題。常規(guī)高效的螺旋槳，一般具有較小的盤面比和較少的葉片數(shù)，但這些螺旋槳不能很好地處理空泡、尾部振動和噪聲問題；提高盤面比，可以降低葉片表面單位面積載荷，有利于減小空化；增加葉片數(shù)，可以減小螺旋槳對殼體表面的誘導壓力，有利于船尾振動和降低噪聲輻射。然而，葉片數(shù)和盤面比的增加，會使相鄰葉片之間的相互作用增強，流體通過螺旋槳盤面的能力減弱，這可能導致在一定程度上降低效率。因此，為了減少葉片間相互作用對效率的影響，姚等人[6]提出將原來分布在一個平面上的葉片放置在兩個不同的平面上，從而大大減少了每個平面上的盤面積和葉片數(shù)，這樣既可以提高效率，又保留了傳統(tǒng)螺旋槳葉片多、盤比大的優(yōu)點，這種結構被稱為串聯(lián)螺旋槳。與傳統(tǒng)螺旋槳相比，串聯(lián)式螺旋槳雖然存在軸長、結構重、制造成本高等缺點，但它能減少由螺旋槳感應壓力引起的嚴重的尾部結構振動；新型鴨式串聯(lián)螺旋槳，在綜合處理效率、空泡、振動和噪聲等方面比傳統(tǒng)的盤比大、葉片數(shù)多的螺旋槳具有更大的優(yōu)勢；學者們通過進行大量的數(shù)值模擬，研究了直徑比、葉片相位角和軸向距離對串列螺旋槳敞水性能的影響，并對新型鴨式串列螺旋槳(d/D =0.9，θ=60°)和傳統(tǒng)串列螺旋槳的性能進行了比較，發(fā)現(xiàn)使用鴨式串聯(lián)螺旋槳，在螺旋槳與尾柱之間較大距離時能有效減小螺旋槳對殼體表面的誘導壓力，串列螺旋槳在綜合處理效率、空泡、振動和噪聲等方面比傳統(tǒng)的盤比大、葉片數(shù)多的螺旋槳具有更大的優(yōu)勢和潛力。

3.2 螺旋槳的偏斜角

螺旋槳的水下輻射噪聲，可分為非空化噪聲和空化噪聲兩部分。通過改變螺旋槳的偏斜角度，可以改變螺旋槳尖端渦旋結構，改變葉片間的干擾，從而改變螺旋槳的空化。Ramakrishna V 等人[7]通過研究在一定航速下改變螺旋槳傾斜角度，利用計算流體力學(CFD)分析方法研究大渦模擬(LES)的渦粘性模型，發(fā)現(xiàn)傾斜角度為+15°的螺旋槳空化噪聲最小；此外，學者們利用混合計算水聲法（CHA）定量評估了兩個分別為17°和38°的偏斜螺旋槳對槳葉尖渦流空化（TVC）現(xiàn)象和噪聲的影響，其數(shù)值計算和實驗結果表明，具有較高傾斜角的螺旋槳會引起較弱的TVC，從而產生較少的流動噪聲；胡等人[8]進一步減小網(wǎng)格尺寸以準確捕獲尖端渦流區(qū)域，通過研究尖端渦旋卷起和折返射流，發(fā)現(xiàn)隨著偏斜角的增加，螺旋槳的空化尖端渦旋的卷起將加強，并且在進速系數(shù)J=0.71 和0.77 下，增加的偏斜角度改善空化現(xiàn)象后會導致前沿附近出現(xiàn)無氣穴區(qū)，表明較大的偏斜角有利于減小螺旋槳整體空化現(xiàn)象，達到降噪的目的；當空化量較小時，增加螺旋槳的偏斜角不會改善螺旋槳的性能，因此螺旋槳的偏斜量需要與其他參數(shù)相適應，才會達到最佳降噪效果。

3.3 螺旋槳的翼型

改變螺旋槳的翼型可以減少梢渦，達到降低噪聲的目的。華等人[9]運用渦動力學原理對翼型的鋸齒狀葉梢螺旋槳開展了減振去噪等特性的研究，并發(fā)現(xiàn)在高負荷時鋸齒狀葉梢螺旋槳能減少周期性簡諧振動和噪音，提高轉動效率；舒等人[10]在研究利用扭轉葉片改善螺旋槳翼型，以改善螺旋槳在水下旋轉時流體流經(jīng)槳葉的運動狀況，結果得出在某一角度區(qū)域內水的動力特性較好，若在此區(qū)域內適當降低角度，通過進行精確的數(shù)值模擬，就有機會得出較理想的螺旋槳翼形；此外，國外學者提出三維流動分離模型，將平板法應用于后緣鈍化的螺旋槳，通過測試三種不同類型的襟翼運動，在葉片尾緣增加襟翼改善福伊特-施奈德驅動系統(tǒng)的水動力性能等例子，表現(xiàn)出翼型在螺旋槳優(yōu)化設計上的潛力。

4 總結

螺旋槳降噪技術研究和實驗開展較多，很多技術已日趨成熟并應用于實踐上。但由于聲波技術的快速發(fā)展，對螺旋槳降噪技術提出了更高要求，且很多降噪技術僅實現(xiàn)在建模分析上，具體能否應用于實踐無法得知。最近幾年國家對于海洋軍事的重視讓人們看到了希望，螺旋槳降噪技術作為船舶行業(yè)重點關注的領域之一，已得到較多應用，國外理論設計和實踐應用基本成熟，而國內尚處于起步階段，在水下航行器降噪方面研究的技術和應用較少。

基于上述考慮，今后螺旋槳降噪技術研究工作，大致可分為以下3 個方面：

（1） 將國內降噪技術理念系統(tǒng)化、規(guī)范化;

（2） 開發(fā)實用的噪聲預報評估手段;

（3） 加大創(chuàng)新力度，繼續(xù)發(fā)展和完善降噪技術研究。