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“自古以来”,潜艇就用螺旋桨推进,现在的主流泵推可以看做套上涵管的螺旋桨。螺旋桨转速越高,出力越大,但空泡噪声越大。套上涵管后,噪声受到很大的抑制,主要传导方向局限在正前方和正后方,侧向噪声大大降低。但螺旋桨的直径、转速和噪声的关系没有本质改变。
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) Y% |7 p" L6 E9 A- q现代潜艇常用大直径7叶大弯度螺旋桨。叶数越多,螺旋桨每转动一圈,出力越大,桨叶的“啪嗒”声越均匀,缺乏明显节奏的噪声容易融入海洋环境的背景噪声。直径越大,同样每转动一圈的出力越大,但在同样转速下叶尖速度越高,空泡噪声越大,所以需要降低转速。大弯度桨叶的弯度是三维的,不仅前后缘弯度增加,呈弯刀形,还从根部向叶尖沿径向逐步减小扭转。这是为了在接近轴心的部位增加桨叶出力,在接近叶尖的部位降低出力,尽量使得出力和噪声均匀化,减少“局部热点”,增大全局效力。1 A% E; z/ @5 O6 q: w ]& U
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但单个螺旋桨还是有叶尖的空泡速度限制,还是有免不了的“啪嗒”声。
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泵推不进给螺旋桨套上涵道,还提供了新的可能性。现有泵推还是推进电机内置在艇内,通过大轴驱动艇尾的桨叶。无轴泵推取消了大轴。5 t3 L4 t' h& k0 m
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无轴泵推取消大轴后,一般采用外挂短舱,螺旋桨的进水条件更好,可转动短舱还起转向作用,对于港内低速靠泊机动尤其有用。! f% |: I8 [5 p0 R; t# x" o! t4 g
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% [! J4 ~+ E! p; i" P短舱泵推可以用轴心电机和环形电机。轴心电机比较常规,在涵道内用支架固定驱动电机,电机直接驱动螺旋桨。这到底算有轴泵推还是无轴泵推也可以争议。
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真正的无轴泵推采用环形电机,涵道的固定外壁结构本身就是定子,转动内壁是转子,桨叶“生根”在转动内壁上,叶尖反而在圆心。
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5 E/ d- E9 j& c# x, A无轴泵推可以是开放叶尖的
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3 _: Q( A" R: m/ u# T( W开放叶尖的好处是不可能被外物缠绕,渔网、绳缆直接就从中心的开口“吐”出去了。缺点是桨叶的出力和受力是反的,靠近圆心处受力条件差,但线速度低,需要加强出力;靠近环壁处受力条件好,但线速度高,需要降低出力。没有这样的均衡化的话,桨叶出力沿径向向圆心递减可能在圆心造成回流阻力。0 a9 F7 ?( `; P4 R; s _% w
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/ W: G6 s# W. k. q- {' S. D3 K- u也可以是带更加常规的叶尖整流装置 _& L/ |, j) g0 h
) w- R! }; P5 @; q( k) b' c这样可以避免圆心的回流阻力,但可能有缠绕问题,也牺牲了一些桨叶扫过面积。( K7 d O! _6 y9 O
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不管是哪一种,无轴泵推有利于分布式推进,用多个推进器代替单一推进器。除了可靠性上的好处外,分布式推进还降低噪声。一个全直径的螺旋桨和4个半直径的螺旋桨具有相同的扫过面积,在转速相同的情况下,可大致看作具有相同的推进作用。但全直径螺旋桨的叶尖速度2倍于半直径螺旋桨,这意味着前者噪声更大。如果空泡速度介于两者之间,噪声水平就是质变了。
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8 N! \3 O1 h0 H+ g4 I# S单个螺旋桨有富有特征的“啪嗒啪嗒”声。多个螺旋桨在协调相位后,可以大大降低明显的“啪嗒”声,驾车人开过三缸、四缸、V6、V8的话,容易感受到噪声特征的差别。含混而连贯的噪声更加容易融入环境噪声,如果有意地随机增减转速,更可以把推进噪声伪装为自然的环境噪声,当然,不断的加速减会使推进效率会有所损失。
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分布式推进还有可能拉动艇体表面的附面层,降低流体阻力。分布式推进更可以减小尾舵舵面面积,降低阻力和噪声。巡航速度下的精确操控用舵面更加成熟可靠,低速精确机动可以通过转动短舱来实现,高速、大幅度机动用短舱粗调、尾舵细调。$ c+ d; X9 C9 D- r6 X# @. l
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无轴泵推的缺点是电机“暴露”,噪声和磁场不容易屏蔽。 |
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