CN114954872A - 一种用于水下航行体降噪增效的扭曲舵及其设计方法 - Google Patents

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CN114954872A CN202210746987.6A CN202210746987A CN114954872A CN 114954872 A CN114954872 A CN 114954872A CN 202210746987 A CN202210746987 A CN 202210746987A CN 114954872 A CN114954872 A CN 114954872A
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Abstract

本申请属于潜航设备声隐和推进优化技术领域，尤其涉及一种用于水下航行体降噪增效的扭曲舵及其设计方法。所述扭曲舵在不同展向位置扭曲，使得舵后艉流场中，不同半径处高伴流区的相位不一致，且从内半径到外半径，高伴流区相位角的变化趋势与螺旋桨侧斜角的变化趋势相反。设计方法包括如下步骤：建立艇体‑舵‑螺旋桨计算模型；自航试验模拟；分析扭曲影响；选取优化结果；本申请的用于潜艇降噪增效的扭曲舵，能够减小螺旋桨尾流中周向诱导速度引起的动能损失，提高螺旋桨推进效率，除此之外，由于是非对称的形式，在潜艇航行时，舵上产生的水动力扭矩与螺旋桨的水动力扭矩方向相反，进而降低了潜艇整体的不平衡扭矩。

Description

一种用于水下航行体降噪增效的扭曲舵及其设计方法
技术领域
本申请属于潜航设备声隐和推进优化技术领域，尤其涉及一种用于水下航行体降噪增效的扭曲舵及其设计方法。
背景技术
潜艇作为国家战略性武器，低噪高效的推进性能是其战略意义的重要体现，改善潜艇推进性能和声隐身性能具有重大意义。目前潜艇的推进和操纵分别是通过布置在艇后的螺旋桨和艉舵来实现，且采用的是艉舵位于螺旋桨前方的布局方式，距离较近的两者之间不可避免的存在相互干扰。
当潜艇在水下航行时，潜艇艉舵与周围的水介质发生相对运动，产生造成流体粘性停滞和流动分离的“阻塞效应”，在潜艇艉部形成了复杂的尾流场。艇体艉部流场在螺旋桨盘面上周向分布的不均匀性会引起螺旋桨表面压力的周期性变化，从而产生低频线谱噪声，而艇体艉部流场的湍流脉动会引起螺旋桨表面压力的不规则脉动，从而产生低频宽带噪声。除了螺旋桨的辐射噪声外，螺旋桨在艇体艉部非均匀流场工作时，它产生的非定常轴承力会通过轴承作用到艇体上，从而引起艇体结构的振动产生振动噪声。无论是螺旋桨低频线谱噪声、低频宽带噪声还是螺旋桨轴承力引起的艇体结构振动噪声都与螺旋桨盘面处流场的不均匀性密切相关。
传统的螺旋桨布置在艉舵后，艉舵和指挥台围壳的叠加影响加剧了螺旋桨盘面处伴流的不均匀性，经过艉舵形成的不均匀来流是引起螺旋桨流动噪声和艇体艉部结构振动噪声的重要因素，所以通过优化潜艇艉舵来改善螺旋桨进流是一种直接有效的降低潜艇噪声的途径。
目前潜艇上采用的艉舵通常为对称舵，经过对称舵形成的不均匀来流到达螺旋桨盘面处时，在不同半径剖面上，不均匀来流与桨叶旋转到高伴流区域时形成的相位角趋于一致，导致螺旋桨叶片旋转工作时形成较大的轴承力，虽然通过大侧斜螺旋桨可以降低螺旋桨的轴承力，但由于强度问题的限制，螺旋桨的侧斜角不能太大，导致螺旋桨旋转工作时形成的轴承力仍然较大。
不考虑螺旋桨的作用时，对称舵后方各半径处流场周向速度分量的平均值几乎为零，由于螺旋桨工作时叶片是旋转的状态，螺旋桨会使尾流产生轴向诱导速度和周向诱导速度，尾流中轴向诱导速度和周向诱导速度形成的动能是损失能量，而对称舵的进流周向速度分量很小，导致螺旋桨尾流中的周向诱导速度较大，由周向诱导速度引起的动能损失也会较大，对螺旋桨的推进效率产生不利影响。除此之外，对称舵对艇体在轴向产生的力矩相对于螺旋桨扭矩是小量，使得艇体上存在着较大的不平衡扭矩。
发明内容
本申请的目的在于，提供一种用于降低螺旋桨激振力和噪声，减小螺旋桨尾流中周向诱导速度引起的动能损失，提高螺旋桨推进效率，降低潜艇整体的不平衡扭矩的水下航行体降噪增效的扭曲舵，并提供其设计优化方法。
为实现上述目的，本申请采用如下技术方案。
一种用于水下航行体降噪增效的扭曲舵，所述扭曲舵在不同展向位置扭曲，使得舵后艉流场中，不同半径处高伴流区的相位不一致，且从内半径到外半径，高伴流区相位角的变化趋势与螺旋桨侧斜角的变化趋势相反。
对前述用于水下航行体降噪增效的扭曲舵的进一步改进或者优选实施方案，所述扭曲舵基于水下航行体原有艉舵的基础上根据螺旋桨旋向进行扭曲得到，扭曲的形状使非均匀来流经过舵后形成与螺旋桨旋向相反的预旋状态；具体而言：
根据自航状态时水下航行体艉舵到螺旋桨梢部的流线确定舵扭曲展向起始位置，以扭曲展向起始位置开始向内半径位置直到舵根部确定为扭曲范围；在发生扭曲的展向范围内，改变各剖面拱度或几何攻角使舵扭曲；
定义各展向位置上扭曲后剖面与原舵对应剖面在横向上的最大偏移量为该剖面处的扭曲幅度Δy；
舵叶剖面的横向偏移方向应使舵尾流形成与螺旋桨旋向相反的预旋状态；扭曲舵的扭曲幅度Δy从扭曲展向起始位置向内半径位置逐渐变大，至舵根部达到最大扭曲幅度Δymax，舵后尾流场中各半径处上高伴流区相位角的变化趋势与螺旋桨各半径处侧斜角的变化趋势相反。
对前述用于水下航行体降噪增效的扭曲舵的进一步改进或者优选实施方案，从发生扭曲的展向起始位置开始向外半径方向的舵叶剖面维持水下航行体原有艉舵形状不变，扭曲舵的舵轴位置、展长、侧投影形状与水下航行体原有艉舵保持一致。
对前述用于水下航行体降噪增效的扭曲舵的进一步改进或者优选实施方案，所述水下航行体原有艉舵是指全动舵、或上部转动舵下部稳定翼的组合舵、或前端稳定翼后端转动舵的组合舵。
本申请还提供一种水下航行体降噪增效的扭曲舵的设计方法，包括如下步骤：
(1)建立艇体-舵-螺旋桨计算模型，建立艇体-舵-螺旋桨计算模型，基于CFD方法确定潜艇达到自航点时螺旋桨的转速并得到螺旋桨-舵周围流场与流线，根据艉舵至螺旋桨最大半径处的流线先确定艉舵扭曲的展向范围；在确定好的扭曲展向范围内，在不同展向位置取若干个叶剖面，通过改变各叶剖面拱度或几何攻角的方式对舵进行扭曲设计，使各叶剖面弦向分布形式相同，保证各叶剖面在相应弦长位置的横向偏移量与各叶剖面扭曲幅度Δy的比值相同；
按照扭曲舵的扭曲幅度Δy从扭曲展向起始位置沿舵展长方向向内半径位置逐渐变大，至舵最根部达到最大扭曲幅度Δymax的规律，初步确定各展向位置的扭曲幅度Δy，形成扭曲舵的初步方案；
(2)基于CFD方法对常规舵潜艇与扭曲舵潜艇进行自航试验模拟，分别得到常规舵潜艇和扭曲舵潜艇在自航点时螺旋桨的推进效率、非定常力；
(3)基于CFD方法对常规舵潜艇与扭曲舵潜艇进行自航试验模拟，分别得到常规舵潜艇和扭曲舵潜艇在自航点时螺旋桨的推进效率、非定常力。分析扭曲舵对潜艇螺旋桨推进效率、非定常力的影响，初步得到安装扭曲舵后潜艇螺旋桨的推进效率η0和非定常力幅值
Figure BDA0003719737750000031
(4)以步骤(2)的扭曲舵为基础，保持各展向位置扭曲幅度Δy与最大扭曲幅度Δymax的比值不变，即扭曲幅度Δy的分布形式不变。改变扭曲舵最大扭曲幅度Δymax，重新对扭曲舵潜艇进行自航试验模拟，分析最大扭曲幅度Δymax对潜艇螺旋桨推进效率、非定常力的影响，得到最大扭曲幅度Δymax对潜艇螺旋桨推进效率、非定常力的影响规律，考虑螺旋桨推进效率的增量和非定常力幅值的减小量选取最合适的Δymax值作为优化结果；
(5)以步骤(3)的优化结果作为基础，改变各展向位置扭曲幅度Δy的分布形式，得到各展向位置扭曲幅度Δy的分布形式对潜艇螺旋桨推进效率、非定常力的影响规律，综合考虑潜艇螺旋桨推进效率增量与非定常力幅值减小量，选取最合适的扭曲幅度Δy分布形式作为优化结果；
(6)以步骤(4)的优化结果作为基础，改变叶剖面弦向分布形式，得到叶剖面弦向分布形式对潜艇推进效率、非定常力的影响规律，综合考虑潜艇螺旋桨推进效率增量与非定常力幅值减小量，选取最合适的叶剖面弦向分布形式作为优化结果。
对前述用于水下航行体降噪增效的扭曲舵的设计方法的进一步补充和完善，所述步骤(3)具体是指：保持保持各展向位置扭曲幅度Δy与最大扭曲幅度Δymax的比值不变，改变其最大扭曲幅度Δymax，重新对扭曲舵潜艇进行自航试验模拟，调整最大扭曲幅度Δymax，定义推进效率增量为Δη，非定常力幅值减小量为
Figure BDA0003719737750000041
确定最大扭曲幅度Δymax对推进效率增量Δη和非定常力幅值减小量
Figure BDA0003719737750000042
的影响规律，根据实际计算情况确定无因次化推进效率增量
Figure BDA0003719737750000043
和无因次化非定常力幅值减小量
Figure BDA0003719737750000044
对最大扭曲幅度优化结果的影响权重α1、α2，其中α2＞α1，当
Figure BDA0003719737750000045
达到最大值时，取此时的Δymax值作为该步骤的优化结果。
对前述用于水下航行体降噪增效的扭曲舵的设计方法的进一步补充和完善，所述步骤(4)具体是指：以步骤(3)的优化结果作为基础，改变各展向位置扭曲幅度Δy与最大扭曲幅度Δymax的比值，确定各展向位置扭曲幅度Δy的分布形式对潜艇螺旋桨推进效率、非定常力的影响规律，根据实际计算情况确定无因次化推进效率增量
Figure BDA0003719737750000046
和无因次化非定常力幅值减小量
Figure BDA0003719737750000047
对扭曲幅度分布形式优化结果的影响权重α3、α4，其中α4＞α3，当
Figure BDA0003719737750000048
达到最大值时，选取此时的分布形式作为该步骤的优化结果。
对前述用于水下航行体降噪增效的扭曲舵的设计方法的进一步补充和完善，所述步骤(5)具体是指：改变叶剖面弦向分布形式，确定得到叶剖面弦向分布形式对潜艇推进效率、非定常力的影响规律，根据实际计算情况确定无因次化推进效率增量
Figure BDA0003719737750000049
和无因次化非定常力幅值减小量
Figure BDA00037197377500000410
对叶剖面弦向分布形式优化结果的影响权重α5、α6，其中α6＞α5，当
Figure BDA00037197377500000411
达到最大值时，选取此时的叶剖面弦向分布形式作为该步骤的优化结果。
其有益效果在于：
本申请的用于潜艇降噪增效的扭曲舵，通过改变舵在不同展向位置的扭曲幅度，使得舵后尾流场中，不同半径处高伴流区的相位不一致，且从内半径到外半径，高伴流区相位角的变化趋势与螺旋桨侧斜角的变化趋势相反，等效于大幅增加了螺旋桨的侧斜角，可显著降低螺旋桨激振力和噪声，该扭曲舵还能使螺旋桨进流产生预旋，预旋流方向与螺旋桨旋转方向相反，从而减小螺旋桨尾流中周向诱导速度引起的动能损失，提高螺旋桨推进效率，除此之外，由于是非对称的形式，在潜艇航行时，舵上产生的水动力扭矩与螺旋桨的水动力扭矩方向相反，进而降低了潜艇整体的不平衡扭矩。
结合本申请的设计优化方法，使螺旋桨进流预旋，改变螺旋桨盘面处流场的空间分布，相当于增大螺旋桨的侧斜角，使舵后的螺旋桨盘面进流中各半径处高伴流区的相位角发生有利改变，降低螺旋桨结构振动噪声和流动噪声；同时使来流与螺旋桨形成的攻角增大，相对旋转速度增大，螺旋桨叶片负荷变大，克服旋转所形成的不平衡扭矩所做的功越大，因此原本流过螺旋桨工作区域的预旋流因为周向能量的占比增大，能够更好地被螺旋桨吸收利用，来流在被螺旋桨吸收后，周向诱导速度相应地减小，使得螺旋桨吸力面压力变小，压力面压力变大，两侧的压力差增加，螺旋桨的推力与扭矩相应地增大，使来流中原本损失掉的周向能量被重新利用起来，从而降低潜艇自航时螺旋桨所需的转速，减小螺旋桨主机功耗，提高螺旋桨推进效率，实现潜艇推进高效化。
附图说明
图1是常规舵侧视图；
图2是常规舵后视图；
图3是舵附近流线图；
图4是舵扭曲剖面划分；
图5是单个舵叶剖面扭曲幅度示意图；
图6是扭曲舵侧视图；
图7是扭曲舵后视图；
图8改变分布方式；
图9改变最大扭曲幅度；
图10扭曲剖面1；
图11扭曲剖面2；
图12无桨时常规舵潜艇桨盘面处周向速度分布云图；
图13无桨时扭曲舵潜艇桨盘面处周向速度分布云图；
图14无桨时常规舵潜艇桨盘面处轴向速度分布云图；
图15无桨时扭曲舵潜艇桨盘面处轴向速度分布云图；
图16自航时常规舵舵潜艇桨后X/L＝0.985盘面处周向速度分布云图；
图17自航时扭曲舵舵潜艇桨后X/L＝0.985盘面处周向速度分布云图；
图18自航时常规舵舵潜艇桨后X/L＝0.985盘面处轴向速度分布云图；
图19自航时扭曲舵舵潜艇桨后X/L＝0.985盘面处轴向速度分布云图；
图20不同尾舵潜艇桨后X/L＝0.985盘面各截面无因次周向速度(0.8R)；
图21不同尾舵潜艇桨后X/L＝0.985盘面各截面无因次轴向速度(0.8R)；
图22不同尾舵潜艇桨后X/L＝0.985盘面各截面无因次周向速度平均值；
图23不同尾舵潜艇桨后X/L＝0.985盘面各截面无因次轴向速度平均值；
图24不同尾舵潜艇螺旋桨的横向力对比；
图25不同尾舵潜艇螺旋桨横向力幅值频谱图；
图26不同尾舵潜艇螺旋桨声压脉动频谱图。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本申请作详细说明。
本实施例中以SUBOFF潜艇模型为事实验证，SUBOFF模型全长4.356m，最大直径为0.508m，艉舵采用十字全动舵，剖面翼型采用NACA0015翼型，其形状如图1、图2所示。计算螺旋桨采用某7叶大侧斜螺旋桨，安装在艇体桨盘面处x＝4.26m处，最大直径为0.207m。计算坐标系采用笛卡尔坐标系，遵循右手定则，以潜艇艏部顶点为坐标原点，x轴正方向由艇艏指向艇艉，y轴正方向指向艇体右舷，z轴以垂直向上为正。
来流经过SUBOFF潜艇模型对称式的艉舵后，形成不均匀来流，而来流与螺旋桨盘面各半径剖面形成的相位角趋于一致，使得螺旋桨产生较大的结构振动噪声和流动噪声，且由于来流与螺旋桨盘面形成的攻角过小，桨盘面处的流场周向速度分量占比较小，导致螺旋桨尾流中的周向诱导速度较大，损失了部分周向能量。
为解决上述问题，本发明提出一种潜艇扭曲舵。将SUBOFF潜艇模型常规舵部分剖面扭曲得到非对称式的扭曲舵，该设计使来流经过艉舵之后形成与螺旋桨旋向相反的预旋状态，预旋流的空间分布使得舵后尾流场中桨叶各半径剖面的高伴流区域相位角发生有利改变，有利于降低螺旋桨工作形成的轴承力，进而降低螺旋桨的结构振动噪声，同时由于相位角的变化，由桨叶压力脉动引起的流动噪声也会降低，以此提高潜艇声隐性能。
另外，当预旋流到达桨盘面时，流体的周向速度分量占比增大，能够更好地被螺旋桨吸收利用，来流中周向能量损失得以减小，螺旋桨能够提供更大的推力，潜艇自航时所需要的转速降低，螺旋桨推进效率得到提高。另外，扭曲舵非对称式的设计也可以与艇体形成一定的与螺旋桨水动力扭矩相反的扭矩，降低了潜艇整体上的不平衡扭矩，进一步提高螺旋桨的推进效率，达到增效的目的。
为了分析螺旋桨的推进性能，必须进行潜艇模型自航试验。本申请基于非定常方法对SUBOFF潜艇模型进行数值计算。建立艇体-舵-螺旋桨耦合模型，在给定来流速度VS＝3.0504m/s的工况下对潜艇模型进行自航试验模拟。艇体阻力与螺旋桨推力平衡时的工况即为潜艇自航状态，达到自航状态后选取其中一个舵附近的流线，形状如图3所示，以舵艉缘与舵至螺旋桨最大半径处流线交点为扭曲起始站点1，起始站点1以下部分即为扭曲的展向范围，将舵沿展长方向等分为11个剖面，如图4所示。再通过拟合插值的方法按一定的分布形式将11个剖面扭转一定角度，扭转过程中保证各个扭曲剖面形式一致，最后用多截面曲面功能将11个剖面连接成扭曲舵，如图5所示，其安装在潜艇艉部的示意如图6、图7、图8、图9所示。同样在来流速度VS＝3.0504m/s的工况下对安装扭曲舵的潜艇模型进行自航试验模拟，得到一系列数据后，同样取艇体阻力与螺旋桨推力平衡时的工况为艇体自航状态。除此之外，在计算推进效率前，还需要得到无桨时潜艇的拖航阻力，分别对带常规舵和带扭曲舵的SUBOFF潜艇模型进行拖航试验模拟，得到两种艉舵形式的潜艇模型拖航阻力。最后，将得到的数据汇总，如表1所示。
表1自航状态水下水动力参数对比
水动力参数 常规舵 扭曲舵
拖航阻力R<sub>0</sub>/N 104.558 105.502
艇体阻力R<sub>s</sub>/N 122.432 122.566
转速n/rps 16.842 16.208
扭矩Q/(N·m) 4.652 4.505
推力T/N 122.66 122.75
不带螺旋桨潜艇的拖航阻力记为R0，安装螺旋桨后的艇体阻力记为RS，当艇体阻力RS与螺旋桨推力T平衡时，可以用公式(1)来计算螺旋桨的推进效率η。
Figure BDA0003719737750000071
式中，n为螺旋桨转速，Q为螺旋桨的扭矩。
在CFD计算当中，艇体阻力RS和螺旋桨推力T不可避免地会存在一定的误差。虽然艇体阻力和螺旋桨推力存在些许差别，但此时常规舵潜艇艇体阻力与推力相差0.19％，扭曲舵潜艇相差0.15％，且推力均大于艇体阻力，数值差距不大，此时可以认为皆已达到自航状态。为了消除计算误差带来的影响，可以用公式(2)修正计算螺旋桨推进效率η。
Figure BDA0003719737750000072
下面是螺旋桨推力系数KT，扭矩系数KQ的计算公式：
Figure BDA0003719737750000073
Figure BDA0003719737750000081
其中ρ为水的密度，D为螺旋桨直径。表2为分别安装两种艉舵潜艇的螺旋桨推进效率成分对比。
表2推进效率成分对比
艉舵形式 K<sub>T</sub> K<sub>Q</sub> η
常规舵 0.236 0.043 0.649
扭曲舵 0.255 0.045 0.703
由表1和表2可以得出，安装扭曲舵的潜艇相对于安装常规舵的潜艇，航行达到自航点所需要的转速n减小，KT、KQ、h都有所增加，其中n减小了3.76％，KT增加了8.05％，KQ增加了4.56％，η增加了8.22％。
图9、图10是无桨SUBOFF潜艇模型分别安装扭曲舵和常规舵后在来流速度VS＝3.0504m/s拖航时的桨盘面处周向速度和轴向速度分布云图。可以从图中对比看出，相对于常规舵潜艇而言，安装扭曲舵后潜艇的桨盘面轴向速度在大小上没有太大变化，桨盘面周向速度大小则明显有所降低，在流场分布上呈旋转状态。
在对比不同艉舵潜艇尾流场特征时，需要保证潜艇达到自航状态并且螺旋桨旋转到同一位置。图12～图15是不同艉舵潜艇安装螺旋桨后在来流速度VS＝3.0504m/s时的桨后X/L＝0.985盘面处的周向速度和轴向速度分布云图。图16～图19是X/L＝0.985盘面处不同截面的无因次速度对比，其中R是螺旋桨的半径。由图11～图19得出结论，加装螺旋桨后的潜艇尾流场呈一定的周期性分布，扭曲舵对尾流场中轴向速度影响不大，但安装扭曲舵后潜艇尾流场中周向速度有明显的减小，且越靠近桨毂，周向速度越小，这说明扭曲舵有利于潜艇螺旋桨吸收潜艇尾流场中的周向能量，降低螺旋桨尾流中的周向诱导速度。
分别监测安装不同艉舵潜艇自航状态下螺旋桨的各方向非定常力。在模拟中，螺旋桨单位时间步内旋转1.2°，待计算稳定后，取螺旋桨一个旋转周期内的对比结果，如图20所示。
对上述计算结果进行傅里叶变换后得到一个旋转周期内的非定常力频域曲线，结果如图21所示，可以看到一个周期内螺旋桨的非定常力幅值皆在一阶叶频处达到最大值，具体幅值对比如下表3、4所示。
表3不同艉舵潜艇的螺旋桨非定常轴承力幅值对比
非定常力 频率 常规舵(N) 扭曲舵(N) 变化率
轴向力 一阶叶频 0.2265 0.1312 42.08％
横向力 一阶叶频 0.4199 0.1855 55.82％
垂向力 一阶叶频 0.2114 0.1818 14.00％
表4不同艉舵潜艇的螺旋桨非定常扭矩幅值对比
非定常扭矩 频率 常规舵(N·m) 扭曲舵(N·m) 变化率
轴向扭矩 一阶叶频 0.0069 0.0046 33.33％
横向扭矩 一阶叶频 0.0582 0.0250 57.04％
垂向扭矩 一阶叶频 0.0365 0.0113 69.04％
对比安装两种艉舵潜艇的螺旋桨非定常力幅值，发现相对于带常规舵潜艇而言，带扭曲舵潜艇的螺旋桨最大非定常轴承力幅值降低了55.82％，最大非定常扭矩幅值降低了69.04％。这说明潜艇安装扭曲舵后大幅度降低螺旋桨工作形成的轴承力，能够有效缓解螺旋桨工作时发出的结构振动噪声，提高潜艇的声隐性。
对不同艉舵潜艇螺旋桨的水动力噪声进行计算。待计算稳定后，将螺旋桨的压力脉动以相同的时间步间隔导出，计算中取4个周期内的压力脉动进行分析，然后导入STAR-CCM+中的气动声学模块，调用FW-H声类比方程进行水动力噪声计算，设置流体密度ρ为997.561kg/m3，声音传播速度c为1500m/s，在以桨盘面中心为圆心，半径为0.5R的圆周上分别取位于左右舷的2个点监测螺旋桨的声压脉动，监测点位置如表5所示。
表5声压脉动监测点位置
监测点编号 监测点位置
1 桨盘面圆心右舷方向10R
2 桨盘面圆心左舷方向10R
将数据导出后，通过傅里叶分析得到不同艉舵潜艇的2个监测点声压脉动频谱图18，由图可以看出声压脉动幅值呈明显的叶频特性，且前三阶叶频幅值较为突出，在此基础上采用公式(5)对声压脉动进行换算，得到不同艉舵潜艇各监测点的声压级，再采用总声压级计算公式(6)计算得到各监测点前三阶叶频总声压级，对比结果如表6所示。
SPL＝20log10(pr/p0) (5)
上式中，pr为监测点声压，p0为基准声压，在水声计算中一般取1×10-6Pa。
Figure BDA0003719737750000101
上式中，SPLfi为fi频率下的声压级。
表6不同艉舵潜艇各监测点前三阶叶频总声压级对比
监测点编号 常规舵潜艇(dB) 扭曲舵潜艇(dB)
1 91.306 82.611
2 91.982 84.096
从表中数据对比来看，扭曲舵潜艇两个监测点位置的前三阶叶频总声压级明显小于常规舵潜艇，说明扭曲舵可以有效缓解由于螺旋桨表面压力脉动引起的水动力噪声。
综上所述，由于非对称式的扭曲舵使螺旋桨进流预旋，改变了螺旋桨进流的空间分布，使桨盘面各半径剖面处高伴流区的相位角发生有利改变，提高了螺旋桨进流品质，使螺旋桨的激振力显著降低，减小了螺旋桨的结构振动噪声和水动力噪声，对提高现代潜艇的声隐作战能力具有重要意义，并且进流在预旋状态下可以更好地被螺旋桨吸收利用，预旋流经过螺旋桨后，周向诱导速度大幅减小，周向速度的动能损失占比降低，使得潜艇达到自航点螺旋桨所需的转速的减小，间接地降低潜艇螺旋桨主机功耗，提高螺旋桨的推进效率，为提高潜艇推进性能提供了新途径。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对本申请保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本申请作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本申请的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本申请技术方案的实质和范围。

Claims (8)

1.一种用于水下航行体降噪增效的扭曲舵，其特征在于，所述扭曲舵在不同展向位置扭曲，使得舵后艉流场中，不同半径处高伴流区的相位不一致，且从内半径到外半径，高伴流区相位角的变化趋势与螺旋桨侧斜角的变化趋势相反。
2.根据权利要求1所述的一种用于水下航行体降噪增效的扭曲舵，其特征在于，所述扭曲舵基于水下航行体原有艉舵的基础上根据螺旋桨旋向进行扭曲得到，扭曲的形状使非均匀来流经过舵后形成与螺旋桨旋向相反的预旋状态；具体而言：
根据自航状态时水下航行体艉舵到螺旋桨梢部的流线确定舵扭曲展向起始位置，以扭曲展向起始位置开始向内半径位置直到舵根部确定为扭曲范围；在发生扭曲的展向范围内，改变各剖面拱度或几何攻角使舵扭曲；
定义各展向位置上扭曲后剖面与原舵对应剖面在横向上的最大偏移量为该剖面处的扭曲幅度Δy；
舵叶剖面的横向偏移方向应使舵尾流形成与螺旋桨旋向相反的预旋状态；扭曲舵的扭曲幅度Δy从扭曲展向起始位置向内半径位置逐渐变大，至舵根部达到最大扭曲幅度Δymax，舵后尾流场中各半径处上高伴流区相位角的变化趋势与螺旋桨各半径处侧斜角的变化趋势相反。
3.根据权利要求2所述的一种用于水下航行体降噪增效的扭曲舵，其特征在于，从发生扭曲的展向起始位置开始向外半径方向的舵叶剖面维持水下航行体原有艉舵形状不变，扭曲舵的舵轴位置、展长、侧投影形状与水下航行体原有艉舵保持一致。
4.根据权利要求2所述的一种用于水下航行体降噪增效的扭曲舵，其特征在于，所述水下航行体原有艉舵是指全动舵、或上部转动舵下部稳定翼的组合舵、或前端稳定翼后端转动舵的组合舵。
5.一种用于权利要求1～4任意一项所述的用于水下航行体降噪增效的扭曲舵的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)建立艇体-舵-螺旋桨计算模型，建立艇体-舵-螺旋桨计算模型，基于CFD方法确定潜艇达到自航点时螺旋桨的转速并得到螺旋桨-舵周围流场与流线，根据艉舵至螺旋桨最大半径处的流线先确定艉舵扭曲的展向范围；在确定好的扭曲展向范围内，在不同展向位置取若干个叶剖面，通过改变各叶剖面拱度或几何攻角的方式对舵进行扭曲设计，使各叶剖面弦向分布形式相同，保证各叶剖面在相应弦长位置的横向偏移量与各叶剖面扭曲幅度Δy的比值相同；
按照扭曲舵的扭曲幅度Δy从扭曲展向起始位置沿舵展长方向向内半径位置逐渐变大，至舵最根部达到最大扭曲幅度Δymax的规律，初步确定各展向位置的扭曲幅度Δy，形成扭曲舵的初步方案；
(2)基于CFD方法对常规舵潜艇与扭曲舵潜艇进行自航试验模拟，分别得到常规舵潜艇和扭曲舵潜艇在自航点时螺旋桨的推进效率、非定常力；
(3)基于CFD方法对常规舵潜艇与扭曲舵潜艇进行自航试验模拟，分别得到常规舵潜艇和扭曲舵潜艇在自航点时螺旋桨的推进效率、非定常力。分析扭曲舵对潜艇螺旋桨推进效率、非定常力的影响，初步得到螺旋桨的推进效率η0和非定常力幅值
Figure FDA0003719737740000021
(4)以步骤(2)的扭曲舵为基础，保持各展向位置扭曲幅度Δy与最大扭曲幅度Δymax的比值不变，即扭曲幅度Δy的分布形式不变。改变扭曲舵最大扭曲幅度Δymax，重新对扭曲舵潜艇进行自航试验模拟，分析最大扭曲幅度Δymax对潜艇螺旋桨推进效率、非定常力的影响，得到最大扭曲幅度Δymax对潜艇螺旋桨推进效率、非定常力的影响规律，考虑螺旋桨推进效率的增量和非定常力幅值的减小量选取最合适的Δymax值作为优化结果；
(5)以步骤(3)的优化结果作为基础，改变各展向位置扭曲幅度Δy的分布形式，得到各展向位置扭曲幅度Δy的分布形式对潜艇螺旋桨推进效率、非定常力的影响规律，综合考虑潜艇螺旋桨推进效率增量与非定常力幅值减小量，选取最合适的扭曲幅度Δy分布形式作为优化结果；
(5)以步骤(4)的优化结果作为基础，改变叶剖面弦向分布形式，得到叶剖面弦向分布形式对潜艇推进效率、非定常力的影响规律，综合考虑潜艇螺旋桨推进效率增量与非定常力幅值减小量，选取最合适的叶剖面弦向分布形式作为优化结果。
6.根据权利要求5所述的一种用于水下航行体降噪增效的扭曲舵的设计方法，其特征在于，所述步骤(3)具体是指：保持保持各展向位置扭曲幅度Δy与最大扭曲幅度Δymax的比值不变，改变其最大扭曲幅度Δymax，重新对扭曲舵潜艇进行自航试验模拟，调整最大扭曲幅度Δymax，定义推进效率增量为Δη，非定常力幅值减小量为
Figure FDA0003719737740000022
确定最大扭曲幅度Δymax对推进效率增量Δη和非定常力幅值减小量
Figure FDA0003719737740000023
的影响规律，根据实际计算情况确定无因次化推进效率增量
Figure FDA0003719737740000031
和无因次化非定常力幅值减小量
Figure FDA0003719737740000032
对最大扭曲幅度优化结果的影响权重α1、α2，其中α2＞α1，当
Figure FDA0003719737740000033
达到最大值时，取此时的Δymax值作为该步骤的优化结果。
7.根据权利要求5所述的一种用于水下航行体降噪增效的扭曲舵的设计方法，其特征在于，所述步骤(4)具体是指：以步骤(3)的优化结果作为基础，改变各展向位置扭曲幅度Δy与最大扭曲幅度Δymax的比值，确定各展向位置扭曲幅度Δy的分布形式对潜艇螺旋桨推进效率、非定常力的影响规律，根据实际计算情况确定无因次化推进效率增量
Figure FDA0003719737740000034
和无因次化非定常力幅值减小量
Figure FDA0003719737740000035
对扭曲幅度分布形式优化结果的影响权重α3、α4，其中α4＞α3，当
Figure FDA0003719737740000036
达到最大值时，选取此时的分布形式作为该步骤的优化结果。
8.根据权利要求5所述的一种用于水下航行体降噪增效的扭曲舵的设计方法，其特征在于，所述步骤(5)具体是指：改变叶剖面弦向分布形式，确定得到叶剖面弦向分布形式对潜艇推进效率、非定常力的影响规律，根据实际计算情况确定无因次化推进效率增量
Figure FDA0003719737740000037
和无因次化非定常力幅值减小量
Figure FDA0003719737740000038
对叶剖面弦向分布形式优化结果的影响权重α5、α6，其中α6＞α5，当
Figure FDA0003719737740000039
达到最大值时，选取此时的叶剖面弦向分布形式作为该步骤的优化结果。
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Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5816996A (ja) * 1981-07-22 1983-01-31 Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd 舵
JPH06305487A (ja) * 1993-04-21 1994-11-01 Hitachi Zosen Corp 舵
CN101181930A (zh) * 2006-11-13 2008-05-21 贝克船舶系统有限及两合公司 船舵
CN101648596A (zh) * 2008-08-13 2010-02-17 贝克船舶系统有限及两合公司 包括一个降低空化的、扭曲型的特别是平衡舵的高速船用舵装置
KR101580403B1 (ko) * 2014-08-04 2015-12-24 현대중공업 주식회사 선박용 러더 및 이를 포함하는 선박

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5816996A (ja) * 1981-07-22 1983-01-31 Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd 舵
JPH06305487A (ja) * 1993-04-21 1994-11-01 Hitachi Zosen Corp 舵
CN101181930A (zh) * 2006-11-13 2008-05-21 贝克船舶系统有限及两合公司 船舵
CN101648596A (zh) * 2008-08-13 2010-02-17 贝克船舶系统有限及两合公司 包括一个降低空化的、扭曲型的特别是平衡舵的高速船用舵装置
KR101580403B1 (ko) * 2014-08-04 2015-12-24 현대중공업 주식회사 선박용 러더 및 이를 포함하는 선박

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
周轶美等: "高效翼型舵在潜艇上的应用", 中国舰船研究, vol. 12, no. 2, pages 71 - 77 *

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