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為何先進(jìn)核潛艇和驅(qū)逐艦大多使用泵射推進(jìn)
2017-10-27 15:24:25

福特號航空母艦上的螺旋槳,重達(dá)30噸,請對比左下角那5人。

在我們印象中,船無非就是在尾部吊裝一個(gè)或幾個(gè)螺旋槳以進(jìn)行推進(jìn),如上圖福特號航母這般。

然而,不少非軍迷朋友所不了解的是,諸如美國海狼級核潛艇,英國機(jī)敏級等先進(jìn)核潛艇,卻是使用“泵射推進(jìn)”。

而像美國瀕海戰(zhàn)斗艦等這樣的高速艦使用的又是“噴水推進(jìn)”,咱們先說后者,因?yàn)閮烧邩O為類似。

何為噴水推進(jìn)?

上圖為美國瀕海戰(zhàn)斗艦獨(dú)立號,它使用的就是“噴水推進(jìn)”。

使用“噴水推進(jìn)”的艦船,我們?nèi)魏螘r(shí)候都甭想看到它的螺旋槳,最多只能看到上圖那4個(gè)裝置。

怎么運(yùn)作的?

運(yùn)作的大概原理就如上面的剖視動(dòng)圖。靜態(tài)圖如下:

推進(jìn)時(shí),就是下圖這樣子。

據(jù)一些資料上說,某大型船只上的噴水推進(jìn)裝置,其總流量非常驚人,相當(dāng)于美加邊界的尼亞加拉瀑布的平均水流量。

到這里,有的網(wǎng)友會(huì)有疑問,傳統(tǒng)的螺旋槳外露推進(jìn),可以方便轉(zhuǎn)向和倒車。而使用噴水推進(jìn)的船只又是如何實(shí)現(xiàn)拐彎和倒車的?

倒車很簡單,原理恰如上面的動(dòng)圖。

而轉(zhuǎn)向的原理,咱們來看看美國瀕海戰(zhàn)斗艦獨(dú)立號的變種姊妹艦,USS Tulsa (LCS-16) 塔爾薩號。

塔爾薩號安裝4個(gè)噴水推進(jìn),全功率推進(jìn)時(shí),每秒的水流量24000加侖,合每秒90噸水流量。

作為對比,我國黃果樹大瀑布水流量一般保持在每秒8至12噸,當(dāng)然,黃果樹片區(qū)普降大雨時(shí)例外(最大時(shí),黃果樹大瀑布水流量高達(dá)每秒690噸)。

瀕海戰(zhàn)斗艦上的每一個(gè)“噴水推進(jìn)”裝置都如此靈活,這讓瀕海戰(zhàn)斗艦相比于其他戰(zhàn)艦,操作更靈活。


泵射推進(jìn)


“泵射推進(jìn)”與“噴水推進(jìn)”原理是相似的,只不過,前者用在核潛艇上,后者多用在軍艦和民用船舶上。

一個(gè)在水面,一個(gè)潛行于水下,我們總不能期望它們的推進(jìn)裝置長相一樣,稱呼還一樣。

老式潛艇上的螺旋槳,圖片來自Weston Westmoreland。

而現(xiàn)代的先進(jìn)核潛艇是看不到螺旋槳的。

某些先進(jìn)核潛艇的泵射裝置如上圖,而實(shí)物圖如下:

圖片來自美國海軍研究所的Jeff Head。

上圖為造價(jià)23億美元的美國弗吉尼亞級攻擊型核潛艇,因?yàn)楹藵撏Ф际歉鞔髧暮诵臋C(jī)密,故這艘弗吉尼亞級攻擊型核潛艇上浮時(shí),其泵射裝置是用一塊布遮擋起來的,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)無法知曉。

因此,我們只能通過上面這張大概的參考圖來略知一二,而實(shí)際結(jié)構(gòu)可能會(huì)出入很大。

總之,我們只要知道,泵射推進(jìn)跟噴水推進(jìn)有一點(diǎn)是類似的,都是用“管子”將螺旋槳包起來。


泵射推進(jìn),有哪些優(yōu)勢?


核潛艇使用泵射推進(jìn),核心出發(fā)點(diǎn)就是為了靜音。螺旋槳外漏容易產(chǎn)生空泡噪音,這會(huì)讓核潛艇難以成為真正意義上的“大洋黑洞”。

上圖為螺旋槳在水中產(chǎn)生空泡的高速攝影圖??张莸漠a(chǎn)生跟壓力密切相關(guān),而用“管子”把槳葉包起來后,管子里的水流很急,槳葉受到的動(dòng)壓很大,空泡不容易產(chǎn)生。

美國海軍工程試驗(yàn)站為了對比泵射推進(jìn)和普通螺旋槳推進(jìn)時(shí)的噪音。他們上世紀(jì)曾經(jīng)做過對比實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明,泵射推進(jìn)比普通的螺旋槳推進(jìn)最高可低20分貝左右,差距非常大。

而在艦艇上使用噴水推進(jìn),最大的好處是操縱性和倒車性能優(yōu)越;艦體外的附件少,減少了阻力。

另外,跟外露螺旋槳相比,使用噴水推進(jìn)的船可在淺水活動(dòng),因?yàn)橹灰胨诒谎蜎]就行。還有就是,因?yàn)樾D(zhuǎn)部件是包裹起來的,所以里面的槳葉能得到很好的保護(hù),不會(huì)切割外面的礁石和魚兒。

鯨魚背上的累累疤痕,拜某條船的上的螺旋槳所賜。

也正因此,一些救生艇也使用噴水推進(jìn)。原因不難理解,我們得把人完完整整地救上船,而不是弄成幾塊后……


我國的潛艇用無軸泵噴推進(jìn)器


在核潛艇推進(jìn)裝置研發(fā)上,中國已取得領(lǐng)先美國的技術(shù)成果。由中國武漢海軍工程大學(xué)馬偉明院士團(tuán)隊(duì)研制的“潛艇用無軸泵噴推進(jìn)器”,將應(yīng)用在中國下一代核潛艇上!“無軸泵噴推進(jìn)器”,是世界各海軍強(qiáng)國競相開發(fā)的新型推進(jìn)裝置,它比“有軸泵噴推進(jìn)器”要先進(jìn)一代。目前,英美等國海軍最先進(jìn)的核潛艇上,配裝的均是“有軸泵噴推進(jìn)器”。

2017年5月30日,中國中央電視臺播發(fā)報(bào)道,稱中國工程院院士、中國武漢海軍工程大學(xué)馬偉明少將所在團(tuán)隊(duì)研制的“潛艇用無軸泵噴推進(jìn)器”,在技術(shù)領(lǐng)先美國十年。中國的下一代核潛艇上,將用上中國自主研發(fā)的“無軸泵噴推進(jìn)器”。

  圖注:英國“機(jī)敏”級核潛艇也使用泵噴推進(jìn)器,不過是有軸的

  圖注:美國“弗吉尼亞”級核潛艇,尾部的圓柱狀裝置就是泵噴推進(jìn)器


無軸泵噴則是把驅(qū)動(dòng)軸帶動(dòng)葉輪改成電機(jī)驅(qū)動(dòng),而且電動(dòng)機(jī)不是安裝到潛艇的中心軸線,而是布置在環(huán)狀導(dǎo)管內(nèi),不需要中心驅(qū)動(dòng)軸,螺旋槳(轉(zhuǎn)子)也不再是一體式的,而是由多個(gè)單獨(dú)的葉片組成,從中心驅(qū)動(dòng)變成了四周驅(qū)動(dòng),所以叫無軸泵噴。

  圖注:國外研制的無軸螺旋槳,能看出轉(zhuǎn)子不是一體式的,而是由多個(gè)單獨(dú)的葉片組成,從中心驅(qū)動(dòng)變成了四周驅(qū)動(dòng)


大家知道,潛艇按所用動(dòng)力裝置來分類,可分為常規(guī)動(dòng)力潛艇與核動(dòng)力潛艇兩大類。按所用推進(jìn)裝置來分,可分為螺旋槳推進(jìn)器潛艇與泵噴推進(jìn)器潛艇兩大類。

泵噴推進(jìn)器,是一種比螺旋槳推進(jìn)器運(yùn)行噪聲更小、推進(jìn)效率更高、技術(shù)上更先進(jìn)的推進(jìn)器。

潛艇用推進(jìn)螺旋槳在運(yùn)行時(shí),由于葉片振動(dòng)及空泡的存在,會(huì)產(chǎn)生很大噪聲。這種噪聲輻射到海水中后,容易被敵方反潛聲吶捕捉到。

為降低潛艇推進(jìn)螺旋槳的運(yùn)行噪聲,人們想了很多辦法。其中一種辦法就是給潛艇配備七葉大側(cè)斜螺旋槳。潛艇是否采用七葉大側(cè)斜推進(jìn)螺旋槳,曾是潛艇是否先進(jìn)的一個(gè)標(biāo)志。七葉大側(cè)斜螺旋槳,是一種噪聲較低的推進(jìn)裝置。

但七葉大側(cè)斜螺旋槳并不是一種完美的推進(jìn)裝置。

科學(xué)家與工程師經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),如果在螺旋槳外面罩上一個(gè)隔音隔振的導(dǎo)流罩,就可進(jìn)一步降低螺旋槳的運(yùn)行噪聲。

科學(xué)家與工程師繼續(xù)研究下去,就弄出了一種比螺旋槳推進(jìn)器更先進(jìn)的潛艇用推進(jìn)裝置——泵噴推進(jìn)器。與傳統(tǒng)的螺旋槳推進(jìn)器相比,泵噴推進(jìn)器在外觀上的最大特點(diǎn)是,它的推進(jìn)槳葉,被包裹在一個(gè)環(huán)形導(dǎo)流罩內(nèi)。

泵噴推進(jìn)器在大幅提高推進(jìn)效率的同時(shí),輻射出的噪聲比七葉大側(cè)斜螺旋槳還要低很多。

最早在潛艇上使用泵噴推進(jìn)器的國家,是英國。步英國后塵,美國人也為自己的核潛艇開發(fā)了泵噴推進(jìn)器。目前,英國的“特拉法爾加級”“機(jī)敏級”、與美國“海狼級”“弗吉尼亞級”等先進(jìn)攻擊核潛艇上,都采用了泵噴推進(jìn)器。美國正在規(guī)劃中的下一代戰(zhàn)略導(dǎo)彈核潛艇“哥倫比亞級”,也鐵定要使用泵噴推進(jìn)器。


因受時(shí)代與技術(shù)的限制,截至目前,歐美國家所有先進(jìn)核潛艇使用的“泵噴推進(jìn)器”,都是“有軸泵噴推進(jìn)器”。

“有軸泵噴推進(jìn)器”在結(jié)構(gòu)上,由固定不動(dòng)的環(huán)形導(dǎo)流罩與其內(nèi)的螺旋槳兩部分組成。螺旋槳的作用是驅(qū)動(dòng)海水從導(dǎo)流罩內(nèi)部流過,從而產(chǎn)生推力。但它的螺旋槳,仍是由一根來自潛艇耐壓殼內(nèi)的傳動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)的。這根傳動(dòng)軸,一頭連著潛艇艇內(nèi)的蒸汽輪機(jī)或電動(dòng)機(jī),一頭連著螺旋槳的中心軸。

采用“有軸泵噴推進(jìn)器”的潛艇,仍有貫穿艇體耐壓殼的傳動(dòng)軸系存在。因而,潛艇在航行時(shí),這個(gè)傳動(dòng)軸系與艇體、傳動(dòng)軸系與泵噴推進(jìn)器之間,會(huì)相互影響而產(chǎn)生可暴露潛艇行蹤的噪聲。

所有的電動(dòng)機(jī),都由定子與轉(zhuǎn)子兩大部分構(gòu)成;泵噴推進(jìn)器,也由外部的環(huán)形導(dǎo)流罩與罩內(nèi)的推進(jìn)槳葉兩部分組成。

在“無軸泵噴推進(jìn)器”中,電動(dòng)機(jī)的定子被集成在環(huán)形導(dǎo)流罩中,與環(huán)形導(dǎo)流罩合二為一了;電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子則與導(dǎo)流罩內(nèi)的推進(jìn)槳葉融為一體了。

或者說,在“無軸泵噴推進(jìn)器”中,其推進(jìn)槳葉,是直接由安裝在導(dǎo)流罩內(nèi)的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的,而不是由來自艇體內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)或電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)。

“有軸泵噴推進(jìn)器”推進(jìn)槳葉,由中心軸驅(qū)動(dòng)。而“無軸泵噴推進(jìn)器”的推進(jìn)槳葉,由導(dǎo)流罩內(nèi)的電動(dòng)機(jī)從四周驅(qū)動(dòng),根本就沒有中心軸。潛艇在配置“無軸泵噴推進(jìn)器”后,其推進(jìn)器與潛艇耐壓殼內(nèi)的汽輪機(jī)或電動(dòng)機(jī)之間,不再有復(fù)雜的機(jī)械軸系聯(lián)系。因?yàn)樵凇盁o軸泵噴推進(jìn)器”中,驅(qū)動(dòng)泵噴推進(jìn)器的電機(jī)、推進(jìn)槳葉、環(huán)形導(dǎo)流罩已被集成到一起了,或說一體化了。

“無軸泵噴推進(jìn)器”與艇體耐壓殼內(nèi)的動(dòng)力裝置,只存在電纜聯(lián)系。電纜負(fù)責(zé)將潛艇艇體內(nèi)的電力與控制信號,傳送到“無軸泵噴推進(jìn)器”上;“無軸泵噴推進(jìn)器”上配裝的各種監(jiān)控傳感器收集的數(shù)據(jù),也通過電纜回傳到潛艇艇內(nèi),供潛艇操作人員決策用。

(圖為中國094、093型核潛艇發(fā)射武器場面)

潛艇采用“無軸泵噴推進(jìn)器”的好處很多:

第一,因?yàn)闆]有“有軸泵噴推進(jìn)器”上那根來自潛艇艇體內(nèi)的主傳動(dòng)軸,所以它在運(yùn)行時(shí),就沒有了主傳動(dòng)軸系產(chǎn)生的噪聲。

第二,由于“無軸泵噴推進(jìn)器”是把電機(jī)布置在艇體外部的環(huán)形導(dǎo)管上,所以還能節(jié)省潛艇艇體艙內(nèi)的寶貴空間;

第三,“無軸泵噴推進(jìn)器”與艇體內(nèi)部只存在電纜聯(lián)系,所以它的布置非常靈活。它可以裝在潛艇尾部正中軸線上,也可裝在潛艇尾部兩側(cè),還能設(shè)在潛艇的各種舵上。甚至可設(shè)置在潛艇艇體內(nèi),與潛艇融為一體。在潛艇艇體前后各開一個(gè)口子,兩個(gè)口子之間的導(dǎo)流管內(nèi),就可放置“無軸泵噴推進(jìn)器”。

有人覺得“無軸泵噴推進(jìn)器”技術(shù)很神秘,這是一種誤解。實(shí)際上,艦船用“無軸泵噴推進(jìn)技術(shù)”,與民用電動(dòng)汽車及電瓶車上使用的“無軸驅(qū)動(dòng)技術(shù)”有很深淵源。

我們常見的電瓶車及某些電動(dòng)轎車中,就使用了“電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)車輪技術(shù)”?!半妱?dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)車輪技術(shù)”,就是一種“無軸驅(qū)動(dòng)技術(shù)”。因?yàn)槭褂眠@種驅(qū)動(dòng)技術(shù)的電動(dòng)轎車與電瓶車,驅(qū)動(dòng)車輪前進(jìn)的動(dòng)力,是由安裝在車輪上與車輪已合為一體的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的。裝在車輪上的電動(dòng)機(jī),與發(fā)動(dòng)機(jī)之間,只有電纜聯(lián)系。而在普通汽車上,其發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的動(dòng)力,需要通過變速箱與復(fù)雜的軸系作中介,才能傳遞到車輪上,以驅(qū)動(dòng)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)。

在“無軸泵噴推進(jìn)器”的研制方面,中國起步稍晚于美國,但進(jìn)步神速。從目前的研究情況來看,在該項(xiàng)技術(shù)的研發(fā)上,中國已超越美國而處于全球領(lǐng)跑者地位。

但“無軸泵噴推進(jìn)技術(shù)”要實(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)用,要成功應(yīng)用到潛艇上去,還需要解決一系列技術(shù)難題。

首先,需要解決艦船舶綜合電力技術(shù)實(shí)用化難題。因?yàn)闊o軸泵噴推進(jìn)器的轉(zhuǎn)子葉輪是使用大功率電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的。這些電動(dòng)機(jī)一方面是耗電大戶;另一方面因潛艇的航速變化范圍大,所以這些電動(dòng)機(jī)工作時(shí)對電力的需求,也是在隨時(shí)變化的。潛艇需采用綜合電力系統(tǒng),才能對發(fā)動(dòng)機(jī)提供的電力實(shí)施精確化調(diào)度,從而使“無軸泵噴推進(jìn)器”在得到足夠與持續(xù)的電力供應(yīng)時(shí),潛艇上其它設(shè)備與武器裝備的用電,也可得到滿足。

這一個(gè)難題,對中國來說,已不是難題。因?yàn)橹袊こ淘涸菏?、中國武漢海軍工程大學(xué)馬偉明少將領(lǐng)導(dǎo)的科研團(tuán)隊(duì),已完成第二代船舶綜合電力系統(tǒng)——中壓直流船舶綜合電力系統(tǒng)的研發(fā)工作,這是一種領(lǐng)先歐美一代的先進(jìn)技術(shù)。

英國45型驅(qū)逐艦、美國“福特級”航母上使用的是第一代船舶綜合電力系統(tǒng)技術(shù),即中壓交流船舶綜合其次,需研制出功率大、體積小、重量輕的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。排水量幾千甚至上萬噸的核潛艇,如果僅配裝一臺“無軸泵噴推進(jìn)器”的話,這臺推進(jìn)器的可用功率,就得達(dá)到幾萬馬力。這臺推進(jìn)器所用的電動(dòng)機(jī),在功率足夠大的同時(shí),還必須具備體積小、重量輕特點(diǎn)。否則,它根本裝不進(jìn)“無軸泵噴推進(jìn)器”的環(huán)形導(dǎo)流管內(nèi)。

三是“無軸泵噴推進(jìn)器”所用電動(dòng)機(jī),要能在高鹽高腐蝕性的環(huán)境中長期工作。“無軸泵噴推進(jìn)器”的內(nèi)置電機(jī),必須暴露在惡劣的水環(huán)境中,以讓海水流過電動(dòng)機(jī)定子和轉(zhuǎn)子之間的間隙,帶走電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的熱量,從而完成對電動(dòng)機(jī)的冷卻任務(wù)。所以,電動(dòng)機(jī)定子和轉(zhuǎn)子的外壁,都需要采用特殊的防護(hù)設(shè)計(jì)。“無軸泵噴推進(jìn)器”的導(dǎo)流罩對電動(dòng)機(jī)起到機(jī)械防護(hù)作用,也需要專門設(shè)計(jì)。據(jù)說中國武漢理工大學(xué)的科學(xué)家,已初步解決了“無軸泵噴推進(jìn)器”電動(dòng)機(jī)防護(hù)設(shè)計(jì)難題。


 


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