泵喷非定常力对推进器的影响因素分析

声学抑制设计与振动噪声控制是声学工程应用的两个层面。前期设计经验表明：泵喷叶型低噪声设计要素的选取与排序、导管型值的优化设计以及泵喷与艇尾结构的配合设计均会显著影响泵喷非定常力和辐射噪声性能。从工程设计的角度来看，泵喷与艇尾结构的配合设计属于系统层面，修改时约束条件较多，而导管型值直接受总体尺寸的限制，调整余地也较小，如图8.63所示，故下文在前文已确定星形尾翼伴流场的条件下，主要讨论伴流分布以及泵喷叶型设计要素对非定常力和低频线谱噪声的影响，如尾翼结构、航速差异、定转子叶片数配合、定转子叶片侧斜、定转子叶片厚度、定转子叶片轴向间隔距离等。

图8.63　泵喷低噪声设计的核心要素

前述优化设计星形尾翼时，比较对象是十字形翼和木字形翼，主要参量是阻力、桨盘面伴流不均匀度、轴向速度分布云图和湍流速度脉动量以及涡量分布，从总体上判断得出了星形翼要相对优于木字形翼。对于泵喷设计来说，进流速度分布除了应关注整个二维平面的总体分布外，某半径截面处速度分量沿周向分布以及不同半径截面处的径向速度梯度同样重要。其中，速度分量沿周向分布直接影响前置定子叶截面的进流角，进而影响定转子叶片的反向侧斜度引入，最终影响到非定常力和噪声［68-69］。径向速度梯度与艇尾外壁面和导管内壁面的两次边界层流作用对应，取值恰当时可以在一定程度上抑制叶栅通道内的径向二次流动损失，同样有利于减小非定常力。因此，首先补充分析星形翼艇尾桨盘面特定半径处的速度分量分布与十字形翼和木字形翼的差异，以进一步论证尾翼布局优化的重要性。

星形翼和木字形翼艇尾桨盘面特征半径的位置如图8.64所示，三个半径分别对应为0.25R、0.5R和0.75R（R为艇体最大半径）。可知，尾翼涡量场在桨盘面处集聚明显，0.25R半径位于涡量集聚区，速度分量分布最能反映尾翼差异对伴流速度分布的影响。计算得到0.25R和0.5R半径处的轴向、垂向和横向速度分量沿周向分布如图8.65和图8.66所示，可知，星形翼艇尾伴流的脉动峰值既小于十字形翼也小于木字形翼，尤其是水平辅翼对速度峰值的“削波”作用比木字形翼辅翼效果更为显著，与涡量抑制效果对应。

图8.64　SUBOFF潜艇典型尾翼桨盘面处特征半径

（a）星形翼；（b）木字形翼

图8.65　SUBOFF潜艇典型尾翼桨盘面0.25R半径处速度分量沿周向分布

（a）轴向速度分量；（b）垂向速度分量；（c）横向速度分量

图8.66　SUBOFF潜艇典型尾翼桨盘面0.5R半径处速度分量沿周向分布(www.xing528.com)

（a）轴向速度分量；（b）垂向速度分量；（c）横向速度分量

由此，在确定星形尾翼几何布局后，首先分析水平辅翼周向对称与非对称分布对泵喷进流和非定常力的影响，其次分析航速改变引起艇体边界层流厚度变化进而对泵喷进流和非定常力的影响，随后讨论尾翼几何形状一定、航速/转速运动参数一定时，泵喷定、转子叶片数的不同组合对泵喷非定常力和低频噪声的影响，从而确定泵喷噪声控制的全局参数。三种条件下，分析比较对象的三维几何形状如图8.67所示。其中，图8.67（a）与图8.67（c）为同一母型几何体，艇体边界层流厚度改变由泵喷进口处的垂向与横向的轴向速度分量沿径向分布差异体现。

图8.67　SUBOFF潜艇泵喷全局设计参数比较用几何形状

（a）水平辅翼对称分布；（b）定子13叶-转子9叶组合；（c）水平辅翼非对称分布；（d）定子9叶-转子7叶组合

在此基础上，关键考虑泵喷叶型低噪声设计要素对非定常力和线谱噪声的定量影响，落脚点包括转子叶片大侧斜的影响、定子叶片单向侧斜增加的影响、定子反向侧斜的影响、定转子叶片反向侧斜度增加的影响以及定转子叶片轴向间距增加的影响，从而确定泵喷叶栅通道的局部设计要素。典型局部设计要素对应的泵喷三维几何形状如图8.68所示，为便于梳理比较结果，将各拟比较的泵喷设计要素汇总如表8.10所示。

图8.68　SUBOFF潜艇泵喷局部设计参数比较用几何形状

（a）方案1：转子大侧斜、定子无侧斜；（b）方案2：转子大侧斜、定子大侧斜；（c）方案3：转子大侧斜、定子小侧斜；（d）方案4：转子无侧斜、定子小侧斜；（e）方案5：转子无侧斜、定子大侧斜

表8.10　泵喷叶栅局部设计要素比较对象

通过上述三种全局参数的比较和六组局部设计要素的定量讨论，可为艇尾泵喷推进系统的低噪声设计明确设计要素排序，奠定设计方案基础，完成除结构功能在外的动力系统设计，再结合下文即将阐述的模型试验测量验证，即可形成能够用于指导工程设计的技术类文件，如设计说明书。