先进的喷水推进器：推进器的性能及其对船舶设计的影响外文翻译资料
2022-08-22 15:18:20
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先进的喷水推进器：推进器的性能及其对船舶设计的影响
Will Giles，工程学士，理科硕士，注册工程师，皇家造船学会会员
Tom Dinham-Peren，理科学士，皇家造船学会会员
Shane Amaratunga，工学博士，注册工程师，机械工程师学会会员，BMT国防服务有限公司，英国
Arthur Vrijdag，理科硕士，工学博士，注册工程师，英国轮机工程、科学和技术学会会员
Richard Partridge，理科硕士，注册工程师，机械工程师学会会员，英国轮机工程、科学和技术学会会员，Rolls Royce军船中心，英国
copy; BMT国防服务有限公司
copy; Rolls Royce公司
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1 摘要
未来海军平台的购置将继续受到创新设计、性能和可购性(包括资金和寿命)的综合影响。螺旋桨推进的平台因具有效率高和系统成熟等优点，通常主导了大型水面舰船的设计。然而，现在浸没式喷水推进的发展为某些类型的舰艇提供了一种可行的选择。对于某些担任反潜作战角色、水下声学性能至关重要的船舶，这种推进方式特别具有吸引力。这种备选的推进系统的优点应基于总的船舶推进效率，而不是推进系统单独效率。
浸没式喷水推进器为推进系统重量和空间的节省提供了潜力，可以被认为是在较小平台上实现全电力推进(FEP)的关键。在总布置和机械布置方面的好处是可以考虑空间的其他用途，例如部署和回收船外系统。浸没式喷水推进系统的特性给了平台的水下声学特征更多优势。虽然有这些潜在的好处，但船体形状的整合和优化具有不确定性，与常规的螺旋桨设计相比，它将影响总推进效率。特别是，船体-推进器的相互作用是一个需要特别注意的领域。
在过去的几年里，Rolls-Royce公司已经开发了一种浸没式喷水推进器——先进的喷水推进器（AWJ-21trade;）。本文介绍了Rolls-Royce公司AWJ-21trade;的最新发展，以及浸没式喷水推进对平台设计的广泛影响。
Will Giles是BMT国防服务公司造船部门水面舰艇团队的高级造船工程师。
Tom Dinham-Peren是BMT国防服务有限公司的首席水动力学专家。
Shane Amaratunga是BMT国防服务公司造船部门的高级负责人。
Arthur Vrijdag是Rolls-Royce公司的推进系统工程师。
Richard Partridge是Rolls-Royce新项目的推进系统经理。
2 介绍
Rolls Royce公司军船部(RRNM)已经开发了一种先进的喷水推进器(AWJ-21trade;)，这是未来水面作战计划的候选系统。虽然RRNM在推进器的设计上已经有了相当大的发展，但是在探索将系统集成到船舶概念设计上的研究还很有限。
浸没式喷水推进技术的引入，如AWJ-21trade;，给整个船舶设计提出了一些重大挑战和机遇:
1)推进器本身在几何形状、产生的推力、营运速度和特征信号方面有不同的特点;
2)与护卫舰大小相近的水面舰船几乎都基于螺旋桨推进方案进行优化，因此，需要确定新型推进器对船型设计标准的影响，以有效地适配AWJ-21trade;的几何形状;
3) 喷水推进器和船体之间的流场相互作用与常规螺旋桨相比，存在较大差异;
4)推进器的选择影响整个推进系统;
5)以上都会影响船舶内部布局方面的限制。
为了探索对船型的影响，针对螺旋桨推进提出并优化了一个常规船型，同时，针对AWJ-21trade;推进器也设计了一个新的、初次迭代船型。每一个船体形状的流动特性通过计算流体动力学(CFD)分析来求取。得到了推进系数，并探索了这些系数的灵敏度。然后，分别结合AWJ21trade;和螺旋桨推进方案，利用每个船型的功率曲线来评估全电力推进架构，从而对船舶的总推进效率进行比较。最后，通过开发与常规船舶不同的船舶布局，研究了喷水推进对所需舷内空间的影响及其带来的机遇。
3 AWJ-21trade;的特性
3.1 几何
AWJ-21trade;是一种喷口完全浸没的电动常规喷水推进器。混流泵、喷口和相关的转向/倒车装置安装在一个被称为“吊舱”的水动力流线型舱内，并与进水流道相连，与船体集成为一体。进水流道的形状依据进流变形最小的目标来设计，而吊舱的形状依据“吊舱”阻力最小来设计。
集成在船体上的AWJ-21trade;的几何结构如图1所示，其布局示意图如图2所示。船尾的布置取决于AWJ-21trade;的类型(推进、推进倒车或转向/倒车)。用于转向和倒车的液压执行机构安装在船体内部。通过旋转喷口让喷出的水流向一侧偏转来实现船舶转向，因而不需要舵或大型常规舵机。执行机构和转向喷口之间的连接完全集成在吊舱内。倒车斗与吊舱底部出口挡板相结合，通过机械方式改变喷出水流的方向来实现倒车功能。
图1:采用AWJ-21trade;技术的先进电力演示船(AESD)
图2:AWJ-21trade;的布局示意图
AWJ-21trade;已经在缩比模型上进行了测试，还在美国海军“先进电力演示船”(AESD)上进行了评估。AESD全长133英尺(41米)，它要么通过一台小型柴油发电机组供电，要么通过电池供电。在安静工况和高速工况下测试，采用电池可除去柴油机这一噪声源。
3.2 推进器尺寸
AWJ-21trade;的相关尺寸、质量和营运速度列于表1，详细的几何形状见图3。
0SR-转向/倒车，B-推进，RB-倒车与推进
1根据需要自定义中间尺寸
2根据混流泵估算，采用轴流泵时要小10-15%
3超过安装功率的范围
4假设转向/倒车集成，仅推进功能时，布置可缩短30-40%
5典型的( /- 10%)实际长度可能更长/更短，这取决于集成
6包括泵组件，传动轴舷外转向/倒车机构-不包括进水流道，吊舱，或内部执行系统的重量
7包括泵组件，传动轴-不包括进水流道，吊舱，舷外转向/倒车机构或内部执行系统的重量
8假设为钢制，用铝或玻璃纤维/复合材料时更小
9进水流道和泵携带的、使吊舱浮力减少的海水
表1:AWJ-21trade;系列的详细情况
图3:长度定义
3.3 信号-水下噪音
水下噪声是舰船设计的一个重要考虑因素，尤其是在反舰和猎雷方面。空化是水声信号的主要贡献者;虽然出于保密的原因，这里没有给出完整的AWJ-21trade;水下噪声数据，但可以对水下噪声做一些定性的评价。
无论是螺旋桨推进还是喷水推进船舶，与机械装置（柴油机、齿轮箱）相关的低频特征信号都是占主导地位的。对于电力推进，由驱动器和电机产生的水声信号与这些特定子系统的特性密切相关。因此，无论采用什么推进器，这些频率的水下噪声取决于设备的种类与安装。
对于螺旋桨推进的船舶，在中高频范围内的空泡噪声强度级朝低频方向减小。随着船舶速度的增加，超过船舶的空化起始航速后，噪声谱高频区会产生一个明显的宽频带“驼峰”。这驼峰是由螺旋桨空化引起的，随着空化强度的增加，驼峰变得更加明显，并向低频方向移动。超出空化起始航速后，空化引起的噪声级很快就超过了机械噪声，因此可以说，螺旋桨空化几乎总是水下噪声特征的主要贡献者。
常规喷水推进产生噪声有多种来源:
1) 喷水推进器的进水流道——如果不仔细设计，进水流道唇部(进水流道开始的地方)会较早出现空化，但如果设计良好，空化可以延迟到44节才开始(文献1);
2)泵本身;
3)在水面的喷射。
采用浸没式喷水推进将对第1和第3方面产生显著影响。AWJ-21trade;泵的设计得益于Rolls-Royce公司在常规喷水推进器开发方面多年的经验以及由于水下位置而增加了水头这两个方面。基于这些考虑，相较螺旋桨推进或常规喷水推进的船舶， AWJ-21trade;很有可能可以改善船舶的水下声学特征。
4 船型开发和阻力估算
为了将AWJ-21trade;推进器与常规的螺旋桨进行公平的比较,船体与推进器之间的相互作用必须包含在内(参考文献2和3)。由于船体边界层的存在，船体会影响喷水推进器的进流,同时喷水推进器的存在也会影响船体的流场,影响船底流动的速度和压力分布(从而影响船舶阻力)。局部几何形状的变化和附体的差异也应纳入考虑之中。
基线概念设计针对一种常规排水型单体船，如表2所示，代表了一种典型的现代护卫舰大小的船舶。船
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