文/水下噪声研究室 李娜

传统的螺旋桨推进器是舰船的主要辐射噪声源之一。但是在低航速时，螺旋桨的线谱噪声频率低、强度大，可以向较远的海区辐射；在高航速时，抗空化性能差，噪声辐射严重。随着各国水声探测技术、红外探测技术的突破，在保证动力性能的前提下，对舰船水下辐射噪声的控制要求越来越高，传统的七叶大侧斜桨难以满足要求。泵喷推进器较螺旋桨，抗空化性能好、振动与噪声小、转动灵活且高速航行时转动效率高。20世纪80年代中期，以美国为代表的海上各强国将泵喷推进器应用在水下潜艇上，“海狼”级、“弗吉尼亚”级、“前卫”级核潜艇的辐射噪声级均低于螺旋桨噪声。

泵喷推进器是一种组合式水动力推进器，由轴对称环形导管以及导管内的旋转叶栅（转子）和静止叶栅（定子）组成。导管内流体均匀，压力较大，不易产生空化，其辐射噪声较低。按照转子和定子的相对位置，可将泵喷推进器分为前置和后置定子式泵喷推进器。“前置定子式”泵喷推进器的定子可以使潜艇尾部流入转子的水流产生预旋，起到均匀来流、改善转子的进流条件的作用，从而提高潜艇的推进效率、降低推进器装置的噪声。“后置式定子”泵喷推进器由于定子可以回收转子尾流中的部分旋转能量，提高转子的推进效率。目前，前置定子式推进器主要用于核潜艇推进，后置定子式推进器主要用于鱼雷推进。图1为潜艇用前置定子式泵喷推进器，图2为美国Mark50鱼雷用后置定子式泵喷推进器。

图1潜艇用前置定子式泵喷推进器图2 Mark50鱼雷用泵喷推进器

泵喷推进器展现出的快速、高效、低噪等优点，使得其受到多个国家海军的青睐。但是泵喷推进器本身结构复杂，发声部件之间存在耦合，因此对其噪声的评估难度增大。水下噪声研究室通过计算流体力学（CFD）和计算声学（CAE）相结合的方法，预报了泵喷推进器的辐射噪声空间特性。

由于现有的泵喷推进器模型数据鲜有公开，暂时无法分析真实的模型，因此利用三维建模软件创建了前置定子式泵喷推进器的简易模型，如图3所示，定子叶片数11，转子叶片数9，进口直径238mm，桨毂长度309mm。

图3 泵喷推进器的三维模型

基于CFD和CAE相结合的算法，首先要计算得到泵喷推进器在非定常流场中的时域压力脉动，在泵的内部，转子部件与静止部件之间的动静干涉会引起不规则的流动，由此产生的压力脉动将引起泵体结构的振动从而产生噪声，它是推进器水中辐射噪声的主要声源。其次，声场计算采用边界元法，由于泵喷推进器的转子、定子以及导管的运动状态不同，故声场计算时将泵喷推进器的动静两部分分开计算，声学边界元网格需满足以下条件：

其中为水中的声速，为声场中最大分析频率。

图4为声场计算示意图，以转子/静止部件体中心为原点，1m为半径建立球型声场网格，在距离转子/静止部件轴向1m处等间距布置36个监测点，测量转子/静止部件辐射声场的指向性。

图4声场计算示意图

图5和图6分别为转子和静止部件在1倍叶片通过频率（BPF）和3倍叶片通过频率处的空间指向性图。从图中可以看出，转子和静止部件的声指向性在不同频率下都呈“8”字形。不同的是，转子部件轴向方向的噪声显著大于径向方向，与螺旋桨无空化噪声分析时表现出的负载噪声特征一致。而静止部件的声场指向性在径向方向辐射强、轴向方向辐射弱，这是因为转子叶片和导管内壁面在小间隙流场内相互作用剧烈，壁面脉动力主要在径向方向。无论是转子部件还是静止部件，辐射噪声强度都随频率的增加而减小。

（a）转子（b）静止部件

图5 BPF处的空间指向性

（a）转子（b）静止部件

图6 3BPF处的空间指向性

通过对简易泵喷推进器模型进行声场计算，分析了推进器辐射声场的空间指向性特点，其变化规律与实际模型一致。建模时未考虑桨叶的参数化设计、导管剖面的形状以及叶顶间隙等参数，下一步将分析推进器各部件参数对辐射声场的影响。