水下航行器螺旋桨降噪技术研究进展

华丽娴，吴英友，周复涛，陈家聪，邓小叠

（广东海洋大学海洋工程学院，湛江 524088）

1 前言

水下航行器推进系统噪声的主要特点是噪音来源多、功率较大等。噪声会对航行器壳体造成危害，还会阻碍艇内机械设备的正常运转，机械设备在运转时产生的振动、螺旋桨转动引起的噪声以及水动力噪声等都是其噪声的来源，水下航行器的水下辐射噪声则是影响其各项性能的重要因素之一。螺旋桨噪声是水下航行器在中、高速航行时的主要噪声源，即使在低速航行时也是水下航行器噪声的重要来源之一。因此，研究螺旋桨降噪技术对水下航行器隐蔽性以及航行器内机械设备的稳定性具有重要的意义。

2 螺旋桨外部设计

2.1 螺旋桨材料

通常在制作螺旋桨时采用具有高阻尼性能的材料，其作用是将机械振动和声振动的能量转变为热能消散掉，可以有效地减缓桨叶振动，降低辐射噪声。Joshi J等人[1]对铝合金、不锈钢、钛合金等材料的振动频率进行了比较，得出铝合金材料的特征频率值最高，是螺旋桨降噪设计的理想材料；近年来发展的主流方向为复合材料，复合材料叶片由多层编织纤维和泡沫芯体组成，具有重量轻、无腐蚀、振动和噪音小等特点，利用复合材料制造螺旋桨具有更大的灵活性，可提高水动力效率。复合材料的组成主要有：碳纤维、凯夫拉合成纤维、玻璃纤维、环氧树脂。采用复合材料制造的螺旋桨重量较轻，通过使用水弹性优化推进效率可降低螺旋桨噪声。

2.2 螺旋桨表面涂层

在水下运转的螺旋桨会随着使用时间的增加，使海洋生物附着形成生物污垢，从而增加了螺旋桨的粗糙度，导致螺旋桨的推力减小和影响水动力性能；此外，随着气泡破灭会引起材料的空蚀，严重损坏螺旋桨叶片；使用涂料可以使螺旋桨改善水动力性能，缓解空化现象。Atlar 等人通过研究表明，具有抛光良好涂层的螺旋桨与没有涂层的相同螺旋桨相比，带涂层的螺旋桨可以增加高达6%的效率增益；此外，通过控制涂料的材料、密度等，可以改变螺旋桨的粗糙度；Asnaghi 等人在2020 年[2]，研究了应用不同的粗糙度的涂层来缓解尖端涡流空化的情况。结果表明，应用恰当粗糙度的涂料可以防止螺旋桨性能下降，并且与完全光滑条件相比，可以使叶尖涡流空化现象减少约33%；从空化的角度来看，叶片粗糙度和污垢可能会产生气泡停留位置，从而降低水的空化强度。涂层的存在可以在空化气泡的破裂产生冲击波时，作为阻尼器吸收空化噪声的能量，从而降低噪音水平。

2.3 桨毂的改造

在螺旋桨桨毂上安装螺旋桨轮毂盖鳍（PBCF）能有效提高螺旋桨的性能。PBCF 的主要功能，是改善螺旋桨的性能特点，最大限度地减少轮毂涡和由此产生的舵空泡。当前，PBCF 已被作为减小气穴现象、降低水下噪声的一种技术，它还可以帮助减少枢纽涡流；PBCF 由一系列的鳍组成(鳍的数量通常等于螺旋桨叶片的数量)，这些鳍安装在轮毂盖上，PBCF 作为后涡流附加物，通过减少轮毂涡提高螺旋桨效率；Kurt Mizzi 等人[3]通过分析120 种不同的 PBCF 设计后，采用准随机批处理方法和优化算法，确定了一种特定的PBCF 设计，其与没有 PBCF 的螺旋桨相比，敞水效率提高了1.3%。然而，这并不意味着这种特殊的设计对所有情况都是最佳的，每种船型和螺旋桨都会导致不同的船流模式，因此需要量身定制最佳模型，具体情况具体分析。

2.4 导管螺旋桨

将套筒导管装在螺旋桨的外圈上，机翼型的导管纵切面安装在船尾下面，将其与壳体形成一个统一的流线型体，这种形式称为导管螺旋桨。导管分为两类：加速导管和减速导管。加速导管本身产生推力，使螺旋桨附近周围的水流加速，加快水下航行器的前进速度；减速导管会产生推延螺旋桨的空泡极限，从而降低螺旋桨周围的水流速度，并降低叶梢所产生的噪音，多用于军用舰艇上。

Stefano Gaggero[4]等人利用商用RANS 解算器结合Schnerr-Sauer 空化模型，分别预测常规螺旋桨和双导管螺旋桨叶尖和叶尖泄漏涡空化的能力，将常规螺旋桨与导管螺旋桨进行对比，结果表明导管螺旋桨的前缘空泡的空泡尖涡表现比常规螺旋桨稳定，减噪效果更明显；张力为[5]利用STAR-CCM+软件，通过建模模拟导管螺旋桨的敞水性能，基于RANS、扇声源法和脉冲球形气泡理论，将导管螺旋桨中无空化负载噪声和空化负载噪声进行对比，发现前者比后者噪声小，可见发生空化后空化辐射噪声成为导管螺旋桨的主要噪声源。在此基础上，将大涡模拟方法与空化模型相结合，研究螺旋桨在六种不同类型的管道中工作时所产生的噪声和推力的变化规律，可得出最佳的降噪效果的导管组合。

3 螺旋桨几何结构设计

3.1 螺旋桨叶片

（1）叶片数

目前较多国家采用的是七叶大侧斜的螺旋桨。学者们通过研究发现，增加螺旋桨叶片的数量可以使水下叶片上的推力减少，从而延缓空泡的产生，达到降噪的目的。

（2）盘面比

合理的螺旋桨盘面比，能有效的处理空泡和振动问题。常规高效的螺旋桨，一般具有较小的盘面比和较少的叶片数，但这些螺旋桨不能很好地处理空泡、尾部振动和噪声问题；提高盘面比，可以降低叶片表面单位面积载荷，有利于减小空化；增加叶片数，可以减小螺旋桨对壳体表面的诱导压力，有利于船尾振动和降低噪声辐射。然而，叶片数和盘面比的增加，会使相邻叶片之间的相互作用增强，流体通过螺旋桨盘面的能力减弱，这可能导致在一定程度上降低效率。因此，为了减少叶片间相互作用对效率的影响，姚等人[6]提出将原来分布在一个平面上的叶片放置在两个不同的平面上，从而大大减少了每个平面上的盘面积和叶片数，这样既可以提高效率，又保留了传统螺旋桨叶片多、盘比大的优点，这种结构被称为串联螺旋桨。与传统螺旋桨相比，串联式螺旋桨虽然存在轴长、结构重、制造成本高等缺点，但它能减少由螺旋桨感应压力引起的严重的尾部结构振动；新型鸭式串联螺旋桨，在综合处理效率、空泡、振动和噪声等方面比传统的盘比大、叶片数多的螺旋桨具有更大的优势；学者们通过进行大量的数值模拟，研究了直径比、叶片相位角和轴向距离对串列螺旋桨敞水性能的影响，并对新型鸭式串列螺旋桨(d/D =0.9，θ=60°)和传统串列螺旋桨的性能进行了比较，发现使用鸭式串联螺旋桨，在螺旋桨与尾柱之间较大距离时能有效减小螺旋桨对壳体表面的诱导压力，串列螺旋桨在综合处理效率、空泡、振动和噪声等方面比传统的盘比大、叶片数多的螺旋桨具有更大的优势和潜力。

3.2 螺旋桨的偏斜角

螺旋桨的水下辐射噪声，可分为非空化噪声和空化噪声两部分。通过改变螺旋桨的偏斜角度，可以改变螺旋桨尖端涡旋结构，改变叶片间的干扰，从而改变螺旋桨的空化。Ramakrishna V 等人[7]通过研究在一定航速下改变螺旋桨倾斜角度，利用计算流体力学(CFD)分析方法研究大涡模拟(LES)的涡粘性模型，发现倾斜角度为+15°的螺旋桨空化噪声最小；此外，学者们利用混合计算水声法（CHA）定量评估了两个分别为17°和38°的偏斜螺旋桨对桨叶尖涡流空化（TVC）现象和噪声的影响，其数值计算和实验结果表明，具有较高倾斜角的螺旋桨会引起较弱的TVC，从而产生较少的流动噪声；胡等人[8]进一步减小网格尺寸以准确捕获尖端涡流区域，通过研究尖端涡旋卷起和折返射流，发现随着偏斜角的增加，螺旋桨的空化尖端涡旋的卷起将加强，并且在进速系数J=0.71 和0.77 下，增加的偏斜角度改善空化现象后会导致前沿附近出现无气穴区，表明较大的偏斜角有利于减小螺旋桨整体空化现象，达到降噪的目的；当空化量较小时，增加螺旋桨的偏斜角不会改善螺旋桨的性能，因此螺旋桨的偏斜量需要与其他参数相适应，才会达到最佳降噪效果。

3.3 螺旋桨的翼型

改变螺旋桨的翼型可以减少梢涡，达到降低噪声的目的。华等人[9]运用涡动力学原理对翼型的锯齿状叶梢螺旋桨开展了减振去噪等特性的研究，并发现在高负荷时锯齿状叶梢螺旋桨能减少周期性简谐振动和噪音，提高转动效率；舒等人[10]在研究利用扭转叶片改善螺旋桨翼型，以改善螺旋桨在水下旋转时流体流经桨叶的运动状况，结果得出在某一角度区域内水的动力特性较好，若在此区域内适当降低角度，通过进行精确的数值模拟，就有机会得出较理想的螺旋桨翼形；此外，国外学者提出三维流动分离模型，将平板法应用于后缘钝化的螺旋桨，通过测试三种不同类型的襟翼运动，在叶片尾缘增加襟翼改善福伊特-施奈德驱动系统的水动力性能等例子，表现出翼型在螺旋桨优化设计上的潜力。

4 总结

螺旋桨降噪技术研究和实验开展较多，很多技术已日趋成熟并应用于实践上。但由于声波技术的快速发展，对螺旋桨降噪技术提出了更高要求，且很多降噪技术仅实现在建模分析上，具体能否应用于实践无法得知。最近几年国家对于海洋军事的重视让人们看到了希望，螺旋桨降噪技术作为船舶行业重点关注的领域之一，已得到较多应用，国外理论设计和实践应用基本成熟，而国内尚处于起步阶段，在水下航行器降噪方面研究的技术和应用较少。

基于上述考虑，今后螺旋桨降噪技术研究工作，大致可分为以下3 个方面：

（1） 将国内降噪技术理念系统化、规范化;

（2） 开发实用的噪声预报评估手段;

（3） 加大创新力度，继续发展和完善降噪技术研究。