基洛级阿尔洛萨（Alrosa）号——唯一的泵式推进的基洛877V

维京老海盗

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俄罗斯海军黑海舰队基洛级潜艇B-871“阿里罗萨”号柴电潜艇于1988年5月7日在克拉斯诺耶索尔莫沃船厂铺设龙骨，该潜艇是在877V实验项目下建造的。


1 n! f" ?2 k* w5 \: V5 \1 x    1989年11月，这艘潜艇通过内河航道航行至黑海，2004年1月，该潜艇被命名为“阿尔罗萨”号。2009年11月20日，俄罗斯海军黑海舰队的“阿尔罗萨”号常规潜艇，在海上训练期间，因推进系统发生故障造成柴油机停机。
$ R: l" P. H. |, }1 C6 ~) H该潜艇基本参数为：
    尺寸：长76.2米，宽9.9米，高6.2米；
    排水量：2300吨（水面），3950吨（水下）；
/ }, \3 }0 b& Y# Y2 B4 S* h    最大速度：10节（水面），17节（水下）；
    运行深度：大于250米；
    艇员数：52名。
下面来看看其特殊的泵式推进结构，采用了前置转子后置定子的结构
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拆开细看结构
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闲云野鹤

介绍一下泵喷对比螺旋桨的优势吧。

维京老海盗

闲云野鹤 发表于 2013-1-7 20:31
9 R6 ]" E* R- E/ k5 a介绍一下泵喷对比螺旋桨的优势吧。

- g8 t* r: x: }7 O" T& O螺旋桨噪声一般是潜艇中高速航行时的主要噪声源，即使在较低速度航行时，螺旋桨噪声也是潜艇的主要噪声源。
2 Y  |( u3 m- O7 G泵式推进最大的好处是可以减少“超空泡效应”，从而降低了潜艇尾迹的可探测度以及空泡噪声。
要讲“超空泡效应”，先要了解伯努利原理：实质是流体的机械能守恒。即：动能+重力势能+压力势能=常数。其最为著名的推论为：等高流动时，流速大，压力就小。也就是说，当螺旋桨高速运动的时候，螺旋桨的附面层相对于周围的水是高速运动的，根据伯努利原理，这里会出现一个低压区，当压力低到一定程度时，水会汽化产生空泡，这就是超空泡效应的简单解释。在泵式推进出现之前，潜艇通常采用七叶大侧斜螺旋桨。
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* i" b' T7 T7 a) _俄罗斯最新的拉达（677）级依然采用了七叶大侧斜螺旋桨
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% ^# x' U7 ^# V0 M& T. b' e7 p6 T1 r德国从209，212到214都还是采用了七叶大侧斜螺旋桨
这里摘一段来说明：
* B3 G& M: \% Y' `$ Q# p       “与机械噪声不同，螺旋桨噪声产生在艇体外面，是由螺旋桨转动所引起的，即主要是由螺旋桨叶片振动和螺旋桨空泡产生的。众所周知，潜艇的尾部是有伴流场存在的，而且伴流场在周向是不均匀的，这样螺旋桨叶片在不均匀伴流场中工作就产生非定常的推力和转矩，这种载荷就引起螺旋桨叶、轴系的振动。螺旋桨的空泡噪声是潜艇辐射噪声高频部分的主要成分。空泡的产生除了与潜艇的下潜深度及螺旋桨转速有关外，还与尾部螺旋桨区域的伴流场是否均匀有关。
　　基于上述原因，降低螺旋桨噪音的最有效方法之一是采用七叶大侧斜螺旋桨，这在发达国家的潜艇中已经普遍采用。虽然七叶大侧斜螺旋桨比传统的五叶桨在效率上有所降低，但由于它的大侧斜，使叶片的叶根和叶梢不会同时到达伴流场的高压区或低压区，即不会造成整个桨处在高压——低压——高压的循环状态，因此有效地抑制了螺旋桨的振动，从而降低了螺旋桨的噪声；又因为它比五叶桨的叶数增加，使得承受推力的叶片面积增大，导致每一叶上的推力减少，从而延迟了空泡的产生，达到降低噪声的目的。”
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这里是摘的关于泵式推进的介绍：

( ]- ~% [: I# b- l! ]$ S        80年代，英国在“特拉法尔加”(Trafalgar)级攻击核潜艇上率先装备了一种新型的泵喷推进器(Pump Jet Thruster)。这种推进方式可以有效降低潜艇的辐射噪声，倍受世界各海军强国的关注。随后，英国在“前卫”(Vanguard)级以及“机敏”(Astute)级核潜艇上，法国在“凯旋”(Le Triomphant)级核潜艇上，美国在“海狼”(Seawolf)级、“弗吉尼亚”(Virginia)级核潜艇上，纷纷采用泵喷推进器取代广泛应用的七叶大侧斜螺旋桨。据不完全统计，至今世界上以泵喷推进器作为推进方式的核动力潜艇已达几十艘之多。（从这里可以看出，目前采用泵式推进器的还只有吨位比较大的核潜艇，常规动力潜艇暂时还没有开始正式采用。）
        采用泵喷推进的潜艇与采用大侧斜螺旋桨推进的潜艇相比，可以大幅度降低潜艇推进器的辐射噪声、提高潜艇的低噪声航速。以美国“海狼”级攻击型核潜艇为例，该艇水下最高航速30节以上(有报道可达35节)，水下30米时的低噪声航速大于20节，辐射噪声接近于海洋环境噪声，被美国官方称为当今世界上最安静、最快的潜艇。
        潜艇泵喷推进器是由环状导管、定子和转子构成的组合式推进装置。环状导管的剖面为机翼型，罩住转子和定子，它是泵喷推进器内外流场的控制面。如采用具有吸声和减振的材料制造，则可以屏蔽转子及内流道产生的噪声。为了推迟转子叶片的空化、降低转子的噪声，通常采用能降低转子人流速度的减速型导管；定子为一组与来流成一定角度的固定叶片，使转子人流产生预旋或吸收转子尾流的旋转能量，同时用于固定导管；转子为类似于螺旋桨的旋转叶轮，通过与水流的相互作用产生推力，推动潜艇达到要求的航速。
       泵喷推进器可根据转子和定子的前后位置分为两类：定子布置在转子的前面称为“前置定子式”，定子布置在转子的后面则称为“后置定子式”。“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，起到均匀来流的作用、改善转子的进流条件，从而提高潜艇的推进效率、降低推进装置的噪声；但转子的推进效率稍低。“后置定子式”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，转子的推进效率相对较高：但噪声稍高。潜艇上大多采用“前置定子式”泵喷推进器，而鱼雷上则采用“后置定子式”泵喷推进器。
泵喷推进器 - 与采用七叶大侧斜螺旋桨相比，核潜艇采用泵喷推进器具有以下特性：
3 b% Q& R$ i  e* \' F(1)推进效率高。泵喷推进器的定子(无论前置或后置)可以减少推进器尾流中的旋转能量损失，增加有效的推进能量：泵喷推进器的导管(无论是减速导管还是加速导管)可以减少转子叶稍滑流损失、增加有效推力，从而提高泵喷推进潜艇的推进效率。泵喷推进器与艇体匹配良好的泵喷推进潜艇，其推进效率可达到0．8～0．85。
3 G" G4 w- _& G& a(2)辐射噪声低。泵喷推进器的辐射噪声低是由于：①泵喷推进器的转子在导管内部，导管可起到屏蔽和吸声的作用，另外，位于前方的定子可以使转子进流场更均匀，从而减少转子的脉动力，降低推进器的线谱辐射噪声，②泵喷推进器旋转叶轮(转子)的直径一般小于螺旋桨，在相同转速下，泵喷推进器桨叶的旋转线速度较低，可以降低推进器的旋转噪声。国内外研究和应用的结果表明：低航速下，泵喷推进器的低频线谱噪声比七叶大侧斜螺旋桨小15分贝以上，宽带谱声级总噪声下降10分贝以上：高航速下，泵喷推进器的降噪效果更为明显。
(3)临界航速高。潜艇的临界航速是指潜艇在一定潜深下推进器不产生空泡的航速。泵喷推进器采用减速导管和前置定子，使转子叶片处的进流场速度相对较低且更均匀，从而有效推迟了叶片梢涡空泡和桨叶空泡的产生，提高了潜艇的低噪声航速。
(4)构造复杂、重量大。泵喷推进器是一种组合式推进器，构型和结构比螺旋桨要复杂得多：而且对于导管、定子和转子以及艇体之间的相互配合要求很高，给泵喷推进器的设计、制造和安装带来一定困难。泵喷推进器的重量是普通螺旋桨的2～3倍，对艇体的配平、艇体尾部的结构强度和推进器轴系的振动等带来较大影响。（估计这才是常规动力潜艇基本不采用的原因，另外常规动力潜艇受制于动力问题，对高速的要求并不大，更需要的是安静）

泵喷推进器的未来发展
4 t- T. P4 c- G, e随着声探测技术的飞速进步，在未来海战中，核潜艇的声隐身性能将是决定战斗胜负的关键，努力降低核潜艇的噪声必将成为潜艇研究的主要课题，而推进器是核潜艇的一个主要噪声源，低噪声推进器的研究和应用势在必行。因此，具有低噪声优势的泵喷推进器，将成为未来几十年核潜艇推进器的一个重要发展方向。
5 `- e, F; O4 x( f( \; M  w* [; F2 s经过长期研究，泵喷推进器已成功应用于新一代核潜艇，而且其发展方兴未艾，主要的发展方向是：
, A, M8 R5 w3 H! o7 X: F( t7 f(1)完善泵喷推进器的设计技术。潜艇泵喷推进器的导管、定子和转子之间存在复杂的相互作用，另外，泵喷推进器工作在潜艇艇体的尾部，推进器和艇体之间又存在复杂的相互作用。导管、定子和转子的设计及相互间的最佳配合、艇体线型的设计以及与泵喷推进器的最佳配合，将直接影响泵喷推进器的水动力性能、空泡性能和噪声性能。为了使泵喷推进器在核潜艇上得到广泛应用并取得显著的降噪、增效效果，需要-发展和完善基于水动力学和水声学的交叉学科，以及能优化艇体和泵喷推进器综合性能的潜艇泵喷推进器设计方法。
' X! m% S" C4 B2 o! J, t! z(2)应用新材料和先进制造技术。结构复杂、重量大、制造费用高是泵喷推进器的最大缺陷，据说俄罗斯核潜艇上没有采用泵喷推进器就是由于这个原因。因此，采用耐腐蚀、重量轻、有减振和降噪效果的复合材料、智能材料，也是泵喷推进器的重点研究方向。英国海军新一代“机敏”级核潜艇上装备的泵喷装置，由于采用了精密铸造技术铸造的镍铝青铜铸件、导管采用了新型复合材料，耐腐蚀寿命从原来的2年增加到25年、重量减少了11吨，而且大大改善了抗冲击性能。
. A9 Z0 H/ N3 e; w& X! R(3)采用大功率、低轴转速的动力装置。泵喷推进器的旋转噪声与转速的4次方成正比，因此降低转速可以使旋转叶片的线速度下降，叶片产生的涡流强度减弱，从而降低作为推进器主要声源之一的涡流噪声，同时提高推进器的推进效率。美国采用七叶大侧斜螺旋桨推进的“洛杉矶”和“俄亥俄”级潜艇的推进器转速为150转／分，而采用泵喷推进器推进的“海狼”级潜艇的推进器转速在130转／分左右。

liuqing098

维京老海盗 发表于 2013-1-7 20:53
/ _' h$ n' r% k6 X1 B螺旋桨噪声一般是潜艇中高速航行时的主要噪声源，即使在较低速度航行时，螺旋桨噪声也是潜艇的主要噪声源 ...

真专业啊，献花！

TopGun

维京老海盗 发表于 2013-1-7 07:53
螺旋桨噪声一般是潜艇中高速航行时的主要噪声源，即使在较低速度航行时，螺旋桨噪声也是潜艇的主要噪声源 ...

; y5 S# k" E3 y: S1 l看来楼主老Viking的名字不是白叫的。

这么说泵射推进只有单轴推进没有共轴反转双转子推进了？

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东湖珞珈

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第一次看到这么清晰的图，这种推进方式看起来就很牛啊。
我现在那个小船上面的发动机就是带动的三叶片的螺旋桨，噪音太大了。要是能搞到7叶片的我已经非常高兴了。要是能喷水推进那就是最最理想的了，那简直就是钓鱼的利器啊，无声无息的就过来了。

维京老海盗

TopGun 发表于 2013-1-8 00:40
看来楼主老Viking的名字不是白叫的。

这么说泵射推进只有单轴推进没有共轴反转双转子推进了？

( ~! b. |% v4 P# }3 S我可不比得坛子里有几位是正经的NAVY出身的。咱这ID一看就知道，最多也就跟当年拿着女王私掠证混口饭吃的海盗一个档次。
: M7 c$ p( F$ R9 c! [0 y: p( s看到你的ID，再一看你说共轴反转我心里就乐，你肯定想到卡系列直升机和韦斯特兰的Wyvern等一堆奇形怪状的家伙了吧？
4 p! N- |4 }+ k! W; O很遗憾告诉你，目前还没人这么弄。为保证潜艇在水下航行的阻力最小，狭长的艇尾导致空间过于狭小，这样的结构目前来说装不下。另外，我个人分析，共轴的优点貌似对潜艇来说没啥用？比如，螺旋桨旋转的那点扭矩完全靠艉舵和围壳去平衡就足够了。七叶大侧斜转子也能产生足够的推力，不比共轴的差，结构还更简单。这个有点像现在的C-130J和A400M运输机的螺旋桨设计一样。

TopGun

维京老海盗 发表于 2013-1-7 12:06
我可不比得坛子里有几位是正经的NAVY出身的。咱这ID一看就知道，最多也就跟当年拿着女王私掠证混口饭吃的 ...

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+ v  Q4 n2 B( Q. j3 F" s

看到你的ID，再一看你说共轴反转我心里就乐，你肯定想到卡系列直升机和韦斯特兰的Wyvern等一堆奇形怪状的家伙了吧？

; V# }4 R* c* v9 V) c+ V2 c* s
哈哈，同乐同乐！知我者，老Viking也。
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维京老海盗

东湖珞珈 发表于 2013-1-8 00:53
第一次看到这么清晰的图，这种推进方式看起来就很牛啊。
我现在那个小船上面的发动机就是带动的2叶片的螺旋 ...

2 ?( l5 Q/ Q$ \# A* n$ F6 J5 [2 w9 H东湖兄的小船是用的舷外挂机吧？我感觉那种发动机本身的噪声就抑制不下来啊？

东湖珞珈

维京老海盗 发表于 2013-1-8 01:25
东湖兄的小船是用的舷外挂机吧？我感觉那种发动机本身的噪声就抑制不下来啊？ ...

是，就是外挂的马达，小日本造的，在同类产品里面算是安静的了。
我现在就特别理解全电的推进是多么的理想！用个充气浮筏把发电机垫着，用电力驱动电马达要安静太多了。

雨楼

维京老海盗 发表于 2013-1-7 07:53
螺旋桨噪声一般是潜艇中高速航行时的主要噪声源，即使在较低速度航行时，螺旋桨噪声也是潜艇的主要噪声源 ...

毛熊是怎么了，七叶桨照片随便发?

维京老海盗

雨楼 发表于 2013-1-8 02:17
& R, v  [  Q" R* `+ i毛熊是怎么了，七叶桨照片随便发?

估摸着毛熊压根就对这货没上心。网上你可以找到猴子的636的七叶大侧斜螺旋桨局部的照片。还有阿三的早期877的五叶桨的照片。

雨楼

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丫丫一下哈，二张不同角度的照片>三维建模＞计算机模拟＞水声特性＞战场上被点名。

隧道

东湖珞珈 发表于 2013-1-8 00:53
: }+ w$ \, o+ [1 {! F3 H6 `第一次看到这么清晰的图，这种推进方式看起来就很牛啊。
我现在那个小船上面的发动机就是带动的2叶片的螺旋 ...

舷外机5叶片的都少见，最多3叶片的。真的有7叶片的吗？
" ?2 G6 t% ^  Y  O我朋友的喷水的船也挺吵得，不知道是因为年代太老还是马达case密封不好。
反正开起来就不用说话了，震耳欲聋，jet的有个好处倒是吃水浅。

隧道

东湖珞珈 发表于 2013-1-8 00:53
第一次看到这么清晰的图，这种推进方式看起来就很牛啊。
1 m0 ]( X9 x5 _9 Z1 b我现在那个小船上面的发动机就是带动的2叶片的螺旋 ...

7 C5 B! @+ y$ x$ K: u' N! i才想起来，船上的噪音，主要来源以马达的震动。 和马达噪音相比，螺旋桨的可以忽略不计了。
内置马达的有个罩子能好点，但是维修麻烦。而且一般马力到比较大。

ddww111

前置定子和后置定子改成进口导叶和出口导叶更专业些。另外，定子应该称为叶轮。看图上应该是斜流泵的叶轮。

潮起潮落

ddww111 发表于 2013-1-8 13:42
前置定子和后置定子改成进口导叶和出口导叶更专业些。另外，定子应该称为叶轮。看图上应该是斜流泵的叶轮。 ...

2 f9 S' M3 L7 A+ v2 Q
; ]$ E, Y3 U% Y7 ^( O0 {请教几个问题：

4 n( g( A) E  p5 E/ ]1、一些潜艇采用导管桨，是否出于降噪与保护桨叶考虑？

0 M4 A9 Z2 I  _4 Z2 t7 c2、为何采用大侧斜桨的潜艇没采用导管桨？

3、现代潜艇已广泛采用拖线阵，从保护桨叶看，若是采用导管桨，可以避免线阵缠上桨叶（例如俄罗斯的941型就采用了导管桨）。但西方国家潜艇推进器的防护措施基本没采用导管方式，可否介绍一下他们出于什么考虑么？
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这些问题一直没搞明白，特此请教。

谢谢！

ddww111

潮起潮落 发表于 2013-1-8 15:45
1 J% O4 G) a* {1 b  ^7 P( y+ ^8 |请教几个问题：
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1、一些潜艇采用导管桨，是否出于降噪与保护桨叶考虑？

2和3不懂。试着分析一下第一个问题。
螺旋桨加导管，第一可以提高效率，也就是原动机输出功率不变的情况下推力可以增加。
! O! v! s8 x7 I: X第二可以改善气蚀性能，流动诱导的振动和噪声可以降低。
第三确实可以保护桨叶。

ddww111

TopGun 发表于 2013-1-8 00:40
8 c) U' }6 C5 n% u看来楼主老Viking的名字不是白叫的。
3 B+ m* ]- \0 B, C  s
& F, a5 D- B; j& P. e) e9 n6 W0 V* O这么说泵射推进只有单轴推进没有共轴反转双转子推进了？

5 @1 u0 G/ j! B8 y泵喷用不着共轴反浆，出口导叶（倒数第二张图）的作用就是消除环量，把速度能转换成压力能。通俗的说，液体从叶轮出来的时候是有旋转的，经过导叶以后，这部分旋转的能量就变成了推力。喷出去的液体基本上是直线运动了。

潮起潮落

ddww111 发表于 2013-1-9 11:13
泵喷用不着共轴反浆，出口导叶（倒数第二张图）的作用就是消除环量，把速度能转换成压力能。通俗的说，液 ...

经过导叶后旋转能量有一部分变成了推力，还有相当一部分能量就损耗掉了吧？可以不可以这样理解：就像一个皮球落地，着地时损耗了一部分能量，反弹的能量有所降低？