[發明專利]一種用于水下航行體降噪增效的扭曲舵及其設計方法

在審

• 申請號: 202210746987.6
• 申請日: 2022-06-29
• 公開（公告）號: CN114954872A
• 公開（公告）日: 2022-08-30
• 發明（設計）人: 葉金銘;鄭子涵;楊萬里;張迪;吳原潤;鄒笑宇;柯林
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍海軍工程大學
• 主分類號: B63G8/16
• 分類號: B63G8/16;B63G8/20;B63H25/38;B63B71/10
• 代理公司: 武漢強知知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 42303
• 代理人: 丁倩

本申請屬于潛航設備聲隱和推進優化技術領域，尤其涉及一種用于水下航行體降噪增效的扭曲舵及其設計方法。所述扭曲舵在不同展向位置扭曲，使得舵后艉流場中，不同半徑處高伴流區的相位不一致，且從內半徑到外半徑，高伴流區相位角的變化趨勢與螺旋槳側斜角的變化趨勢相反。設計方法包括如下步驟：建立艇體?舵?螺旋槳計算模型；自航試驗模擬；分析扭曲影響；選取優化結果；本申請的用于潛艇降噪增效的扭曲舵，能夠減小螺旋槳尾流中周向誘導速度引起的動能損失，提高螺旋槳推進效率，除此之外，由于是非對稱的形式，在潛艇航行時，舵上產生的水動力扭矩與螺旋槳的水動力扭矩方向相反，進而降低了潛艇整體的不平衡扭矩。

技術領域

本申請屬于潛航設備聲隱和推進優化技術領域，尤其涉及一種用于水下航行體降噪增效的扭曲舵及其設計方法。

背景技術

潛艇作為國家戰略性武器，低噪高效的推進性能是其戰略意義的重要體現，改善潛艇推進性能和聲隱身性能具有重大意義。目前潛艇的推進和操縱分別是通過布置在艇后的螺旋槳和艉舵來實現，且采用的是艉舵位于螺旋槳前方的布局方式，距離較近的兩者之間不可避免的存在相互干擾。

當潛艇在水下航行時，潛艇艉舵與周圍的水介質發生相對運動，產生造成流體粘性停滯和流動分離的“阻塞效應”，在潛艇艉部形成了復雜的尾流場。艇體艉部流場在螺旋槳盤面上周向分布的不均勻性會引起螺旋槳表面壓力的周期性變化，從而產生低頻線譜噪聲，而艇體艉部流場的湍流脈動會引起螺旋槳表面壓力的不規則脈動，從而產生低頻寬帶噪聲。除了螺旋槳的輻射噪聲外，螺旋槳在艇體艉部非均勻流場工作時，它產生的非定常軸承力會通過軸承作用到艇體上，從而引起艇體結構的振動產生振動噪聲。無論是螺旋槳低頻線譜噪聲、低頻寬帶噪聲還是螺旋槳軸承力引起的艇體結構振動噪聲都與螺旋槳盤面處流場的不均勻性密切相關。

傳統的螺旋槳布置在艉舵后，艉舵和指揮臺圍殼的疊加影響加劇了螺旋槳盤面處伴流的不均勻性，經過艉舵形成的不均勻來流是引起螺旋槳流動噪聲和艇體艉部結構振動噪聲的重要因素，所以通過優化潛艇艉舵來改善螺旋槳進流是一種直接有效的降低潛艇噪聲的途徑。

目前潛艇上采用的艉舵通常為對稱舵，經過對稱舵形成的不均勻來流到達螺旋槳盤面處時，在不同半徑剖面上，不均勻來流與槳葉旋轉到高伴流區域時形成的相位角趨于一致，導致螺旋槳葉片旋轉工作時形成較大的軸承力，雖然通過大側斜螺旋槳可以降低螺旋槳的軸承力，但由于強度問題的限制，螺旋槳的側斜角不能太大，導致螺旋槳旋轉工作時形成的軸承力仍然較大。

不考慮螺旋槳的作用時，對稱舵后方各半徑處流場周向速度分量的平均值幾乎為零，由于螺旋槳工作時葉片是旋轉的狀態，螺旋槳會使尾流產生軸向誘導速度和周向誘導速度，尾流中軸向誘導速度和周向誘導速度形成的動能是損失能量，而對稱舵的進流周向速度分量很小，導致螺旋槳尾流中的周向誘導速度較大，由周向誘導速度引起的動能損失也會較大，對螺旋槳的推進效率產生不利影響。除此之外，對稱舵對艇體在軸向產生的力矩相對于螺旋槳扭矩是小量，使得艇體上存在著較大的不平衡扭矩。

發明內容

本申請的目的在于，提供一種用于降低螺旋槳激振力和噪聲，減小螺旋槳尾流中周向誘導速度引起的動能損失，提高螺旋槳推進效率，降低潛艇整體的不平衡扭矩的水下航行體降噪增效的扭曲舵，并提供其設計優化方法。

為實現上述目的，本申請采用如下技術方案。

一種用于水下航行體降噪增效的扭曲舵，所述扭曲舵在不同展向位置扭曲，使得舵后艉流場中，不同半徑處高伴流區的相位不一致，且從內半徑到外半徑，高伴流區相位角的變化趨勢與螺旋槳側斜角的變化趨勢相反。

對前述用于水下航行體降噪增效的扭曲舵的進一步改進或者優選實施方案，所述扭曲舵基于水下航行體原有艉舵的基礎上根據螺旋槳旋向進行扭曲得到，扭曲的形狀使非均勻來流經過舵后形成與螺旋槳旋向相反的預旋狀態；具體而言：