[发明专利]一种新型低噪声大侧斜导管螺旋桨

说明书

技术领域：

本发明专利涉及一种用于水下航行器(包括无人水下航行器(UUV)、海上自主航行器(AUV)和遥控的水下航行器(ROV)等)的低噪声推进器，称为低噪声大侧斜导管螺旋桨，亦可用于需要在低噪声状态下航行的潜艇或鱼雷。 

背景技术：

水下航行器是承担海洋调查、海洋勘探与开发、水下探测、导航、通信、危险条件下作业、应急救生与打捞等多种任务的，并可以反复使用的航行器，具有很大的实用性和灵活性。 

推进器作为水下航行器的重要组成部分，对其性能有重要影响。随着对水下航行器流体动力性能、噪声特性要求的提高，目前普遍采用的导管螺旋桨、普通螺旋桨等推进器已不能完全满足需要。特别是对水下噪声性能要求很高的水下航行器，推进器作为其主要噪声源之一，必须尽可能地降低。 

水下推进器产生的噪声包括三个部分：(a)螺旋桨工作在不均匀流场中叶片振动所产生的噪声(称为来流噪声)；(b)螺旋桨空化所引起的空泡噪声(称为空泡噪声)；(c)螺旋桨激振力所引起的水下航行器振动及其辐射的噪声(称为辐射噪声)。 

七叶大侧斜螺旋桨作为一种低噪声推进器，能够有效削弱以上三种噪声。在潜艇上已得到了广泛应用，如图1所示。七叶大侧斜螺旋桨能够降低振动和噪声的机理与其桨叶外形和叶片数目密切相关。由于潜艇尾部有不均匀的流场存在，螺旋桨叶片在不均匀流场中工作就会产生非定常的推力和转矩这样波动的载荷，这种载荷会引起桨叶、轴系的振动从而产生噪声。普通的对称型叶片 (10)的螺旋桨，在旋转过程中螺旋桨旋转方向为(11)，整个桨叶在径向会同时通过不均与来流(12)，推力和转矩波动所引起的桨叶振动会很大。而七叶大侧斜螺旋桨的桨叶叶片(13)采用了大侧斜形式，使叶片在径向不会同时到达不均匀流场的高压区或低压区(12)，即不会造成整个桨叶处在高压—低压—高压的循环状态，如图2(a)所示，这样就能有效抑制桨叶的振动，从而降低了螺旋桨的噪声。在图2(b)单个桨叶振动幅值F(t)随时间t变化的曲线中，大侧斜螺旋桨桨叶振动幅值曲线(14)的峰值比对称型桨叶振动幅值曲线(15)的峰值要小很多。另外，叶片数为七叶的七叶大侧斜螺旋桨，比常规的五叶螺旋桨的叶数多，使得整个螺旋桨上承受推力的叶片面积增大，因而每一叶上的推力减少了，能够减少螺旋桨的激振力。另外螺旋桨桨叶旋转时，桨叶上的压力降低，当压力低于了水的汽化压力，便会形成空泡，不稳定的空泡产生、溃灭，就会形成空泡噪声。七叶大侧斜螺旋桨的单个桨叶上的推力减小了，相对于同样推力的五叶螺旋桨单个桨叶上压力的降低要小一些，因此可以延迟空泡的产生，避免了空泡噪声。根据以上三个原因，七叶大侧斜螺旋桨能够达到降低振动和噪声的目的。 

对于水下航行器，由于其使用的特殊性，并不能直接采用潜艇上所用的七叶大侧斜螺旋桨。因为水下航行器在使用过程中常常要进行收放作业，为了保护螺旋桨在收放过程中不至于碰坏，常常需要在螺旋桨外部加装保护罩或者使用导管螺旋桨。另外由于水下航行器的推进器往往负载较重，也需要采用导管螺旋桨这种形式。 

导管螺旋桨(简称导管桨)是特种推进器的一种，主要是为了提高功率系数较高的高负荷螺旋桨的效率，如图3所示。它是在普通螺旋桨的外围装上一个导管，导管的纵剖面为机翼型或折角线型。按导管中流场不同可分为加速型 导管和减速型导管，如图4所示。加速导管螺旋桨具有效率高、推力大、在风浪中的性能较好等特点。对于功率系数较高的高负荷螺旋桨，采用它所能达到的效率，将超过常规螺旋桨，在推轮、拖船、渔船上得到广泛应用。对于减速导管，与加速导管相反，它产生负推力，增加了船舶阻力。但是导管中的流体流经盘面处时流线扩张，流速比普通螺旋桨低，压力则较高，对推迟或避免螺旋桨的空泡有好处，所以减速导管螺旋桨常用于易发生空泡的情况。导管桨不仅能应用于船舶推进，而且在水下航行器上也应用非常广泛。近年来，随着水下航行器的快速发展，针对其使用要求的导管桨也越来越受到重视。 

一些特殊用途的水下航行器，如扫雷器、猎雷器等，不仅螺旋桨的负荷较重，而且对螺旋桨的振动和噪声也有很高的要求。为满足这一要求，根据导管桨和七叶大侧斜螺旋桨各自的优点，提出了将导管螺旋桨与七叶大侧斜螺旋桨结合在一起的本发明的新型低噪声大侧斜导管螺旋桨设计。 

本发明不仅能提供水下航行器所需的推力，而且其噪声比常规导管桨有明显的降低。例如某型水下航行器，推进器分别采用常规导管桨与本发明，在380rpm时的声压级相比较，本发明能够降低噪声3～4dB。 

发明内容：