第３５卷第７期 ２０１３年７月 舰船科学技术 ＳＨＩＰ ＳＣＩＥＮＣＥ ＡＮＤ ＴＥＣＨＮ０Ｌ０ＧＹ Ｖｏ１．３５，Ｎｏ．７ Ｊｕ１．，２０１３
美国核潜艇推进系统减振降噪技术发展分析
王汉刚
（海军９９１工程办公室，北京１００８４１）
摘 要： 简要介绍潜艇中的噪声源，从推进器技术、浮筏减振技术、自然循环压水堆技术和电力推进技术４个 方面对美国核潜艇推进系统减振降噪技术进行梳理，得到减振降噪技术发展历程，并从中得到有益启示。
关键词： 美国；核潜艇；推进系统；减振降噪
中图分类号：ＴＰ３０１．６ 文献标识码：Ａ
文章编号：１６７２—７６４９（２０１３）０７—０１４９—０４ ｄｏｉ：１０．３４０４／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７２—７６４９．２０１３．０７．０３１
Ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｉｓｏｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｎｏｉｓｅ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｎ
ＵＳ ｎｕｃｌｅａｒ ｓｕｂｍａｒｉｎｅ ｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ
ＷＡＮＧ Ｈａｎ－ｇａｎｇ ’ （Ｎａｖｙ ９９１ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｏｆｆｉｃｅ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １００８４１，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｎｏｉｓｅ ｓｏｕｒｃｅ ｏｆ ｓｕｂｍａｒｉｎｅ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｉｓｏｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｎｏｉｓｅ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｎ ＵＳ ｎｕｃｌｅａｒ ｓｕｂｍａｒｉｎｅ ｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｓｔｕｄｉｅｄ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｐｒｏｐｕｌｓｏｒ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，
ｒａｆｔ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｉｓｏｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｎｏｉｓｅ ｒｅｄｕｃｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｎａｔｕｒａｌ ｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ ｐｒｅｓｓｕｒｉｚｅｄ－ｗａｔｅｒ ｒｅａｃｔｏｒ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
ａｎｄ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎｄｉｃａｔｅ ｔｈｅ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｉｓｏｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｎｏｉｓｅ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ ｈｉｓｔｏｒｙ，ａｎｄ ｇｅｔ ｓｏｍｅ ｇｏｏｄ ｓｕｇｇｅｓｔｉｏｎ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ＵＳ；ｎｕｃｌｅａｒ ｓｕｂｍａｒｉｎｅ；ｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ；ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｉｓｏｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｎｏｉｓｅ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ
１ 概 述
反应堆主循环泵、减速齿轮装置、汽轮机、
系、推进器等是核潜艇推进系统的主要噪声源。
表１ 核潜艇推进系统噪声产生机理 针对上述噪声源，美国海军采取了多种措施，
如：发展自然循环压水堆，中低航速时主泵不工作；
轴 对减速齿轮采用隔振技术；降低汽轮机蒸汽流速，
在汽轮机蒸汽管路、阀门等连接部位使用隔振装置；
用泵喷推进器取代５叶大侧斜螺旋桨等。
Ｔａｂ．１ Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｎｕｃｌｅａｒ ｓｕｂｍａｒｉｎｅ ｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎ ｓ￣ｔｅｍ ｎｏｉｓｅ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ 设备 机械装置噪声机理 流体噪声机理 转子偏心距，轴圆度不够， 稳定蒸汽流动，蒸汽与涡轮 轴承和转子之间的摩擦以 叶片间的相互影响，流体激 蒸汽轮机 及轴承上冲击力，轴颈轴 发谐振腔，相关设备中的蒸 承滑油膜不稳定，汽缸、轮 汽沸腾和凝结 齿和腹板谐振等 轴偏心距，轮齿的影响，轴 减速齿轮 承上摩擦及轮齿间摩擦， 齿啮合过程滑油流动 壳体谐振等
轴颈轴承和止推轴承摩 桨叶转动，桨叶压力场与艇 螺旋桨 擦，粘滑运动现象，桨叶和 体和附体的相互作用，不均 匀伴流导致的推力调整、空 轴的谐振等 泡、泄涡 ２ 降噪技术发展
１）推进器技术
为解决推进器噪声问题，美海军发展了多种推
进器。２０世纪５０年代曾试图通过采用对转螺旋桨
来降低推进器的噪声，虽然有一定的降噪效果，但
由于这种推进器本身存在结构复杂、轴间密封困难
等工程问题，并没有推广使用。其后，将研究重点
投向７叶大侧斜螺旋桨，这种推进器在“长尾鲨”
级攻击型核潜艇上首次使用后，发现其对降噪效果
收稿日期：２０１３—０５—１０ 作者简介：王汉刚（１９６０一），男，高级工程师，主要从事海军装备研制管理工作。
第７期 王汉刚：美国核潜艇推进系统减振降噪技术发展分析 ・１５１・
“长尾鲨”级使用分散式浮筏装置后，与同样采用
Ｓ５Ｗ的“鲣鱼”级相比，艇体的长度和排水量均有
所增大，相应的最高航速有所下降。此外，采用浮
筏减振还会增加潜艇建造费用，一部分原因是尺寸
增大，建造和原材料费用增大；另一部分原因是使
用浮筏减振装置带来的一些工程技术问题需要解决。
比如：某些管路需穿过浮筏装置，产生的管路走向
设计问题。美国核潜艇浮筏减振技术经历了２个
阶段。
第一阶段，采用分散式浮筏减振装置。浮筏减
振装置首先是在“长尾鲨”级潜艇的全部或大部分
旋转机械设备上使用，但这些浮筏是分散式的，也
就是主汽轮机、齿轮箱、冷凝器和汽轮发电机组的
浮筏彼此间相互独立。
第二阶段，采用整体式双层浮筏减振装置。
“海狼”级和“弗吉尼亚”级核潜艇上开始采用整
体式双层浮筏减振装置，将主汽轮机、齿轮箱、冷
凝器和汽轮发电机组装在１个浮筏式整体基座上。
相对分散式减振浮筏，整体式浮筏隔振降噪效果更
好，但浮筏的设计和施工难度也更大。
３）自然循环压水堆技术
自然循环压水堆利用冷却剂在一回路中的温升
造成的密度差作为动力，而不使用循环泵作动力进
行强制循环。自然循环压水堆既可保证在任何情况
下都能带走反应堆的热量，又可在中、低速工况时
不使用主泵，从而在保证安全性的前提下消除中、
低速工况下主泵的工作噪声。美国从１９５９年开始研
制Ｓ５Ｇ自然循环压水堆，该堆于１９６５年１２月９日 达到Ｉ临界，随后装备于ＳＳＮ一６７１“一角鲸”号。其
后又研制了Ｓ６Ｇ和Ｓ９Ｇ自然循环压水堆，Ｓ６Ｇ用于
“洛杉矶”级，Ｓ９Ｇ用于“弗吉尼亚”级。
此外，由于现在“弗吉尼亚”级潜艇上使用的
Ｓ９Ｇ自然循环压水堆具有很好的降噪效果，因此美 海军在下一代攻击型核潜艇上可能会仍采用Ｓ９Ｇ反
应堆，只是将现在Ｓ９Ｇ的堆芯改成转型技术堆芯。
转型技术堆芯（ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎａｌ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｃｏｒｅ，
ＴＴＣ）直接采用核武器上卸下的富集度为９３％的铀
燃料，使用先进堆芯材料，在堆芯尺寸和重量不增
加的情况下，可使堆芯能量密度显著提高，２００４财
年开始设计，首个转型技术堆芯将在２０１４财年 交付。 ４）电力推进技术
美海军在２０世纪５０—６０年代曾试图通过电力
推进的方式彻底取消齿轮箱，从而完全消除齿轮箱
的噪声。但由于受当时技术条件的限制，电力推进
的总体效果并不好，因此美国并没有推广这种技术。
随着推进电机技术和电力电子器件技术的飞速发展，
２１世纪初美海军又提出要发展电力推进的下一代攻
击型核潜艇。与半个世纪前发展的电力推进攻击型
核潜艇不同，这种核潜艇要实现全电化，不仅推进
要使用电力，而且在操舵等系统也实现电气化。
核潜艇电力推进技术的发展上，美国分２个阶
段，从２Ｏ世纪５Ｏ一６０年代试验性地在２艘核潜艇
上采用，到２１世纪准备在下一代攻击型核潜艇上重
新使用。
第一阶段，试验性地采用电力推进。１９５８年建
造了采用小型反应堆的“白鱼”号电力推进攻击型 核潜艇，其水上排水量仅有２ １３８ ｔ，主推进电机的
功率仅为１．８４ ＭＷ。由于该艇排水量和推进功率较
小，在美国发展的电力推进攻击型核潜艇中并不具
有代表性，因此本文对其不作重点研究。
２Ｏ世纪６０年代又在“白鱼”号核潜艇的基础
上，研制电力推进的“格莱纳德・利普斯科姆”号
试验性攻击型核潜艇。该潜艇水上排水量５ ８１３ ｔ，
采用１座Ｓ５Ｗ型压水堆，２台蒸汽轮机发电机组。１
台汽轮机发电机组所产生的电能全部用于驱动推进
电机，另１台汽轮机发电机组所产生的电能全部用
于指控、照明、探测等日用系统。
当时“格莱纳德・利普斯科姆”号潜艇的推进
电机可选择直流电机也可选择交流电机。与直流推
进电机相比，交流推进电机需要使用许多电力电子
变换设备实现推进电机的调速和控制。但由于当时
电力电子变换技术并不成熟，其体积和重量很大，
根本无法在核潜艇上布置。最终在“格莱纳德・利
普斯科姆”号潜艇上采用直流推进电机，这样就可
省去使用电力电子变换器。但就当时推进电机技术
而言，直流推进电机本身的体积和重量也很大，致
使“格莱纳德・利普斯科姆”号核潜艇比采用同型
反应堆的机械推进的“鲟鱼”级核潜艇水下排水量
增加约１ ８００ ｔ，长度增大约１２ ＩＴＩ。由于推进功率并
没有增大，还小２．９４ ＭＷ，因此尽管“格莱纳德・
利普斯科姆”号潜艇利用电力推进消除了齿轮箱噪 ・１５２・ 舰船科学技术 第３５卷
声，但总体性能不理想，尤其是航速偏低，不能满
足潜艇作战使用的要求，还是于１９８９年作退役
处理。 “格莱纳德・利普斯科姆”号核潜艇退役标志
着当时采用电力推进是不可行的，不成功的原因主
要是当时电力电子器件和推进电机技术并不成熟。
第二阶段，下一代攻击型核潜艇采用全电力推
进（即综合电力系统）。２０世纪８０年代后，随着电
力电子器件和推进电机技术的高速发展和不断成熟，
美国海军认为妨碍攻击型核潜艇采用电力推进的技
术瓶颈已经可以跨越，于是在２１世纪初又重新提出
要在下一代攻击型核潜艇上采用电力推进。 ２００４年美海军提出了针对下一代攻击型核潜艇
的“瓶颈技术”（Ｔａｎｇｏ Ｂｒａｖｏ）计划，其中一项关
键技术就是无轴推进技术，其实质就是在下一代核
潜艇上采用全电力推进。其方案是采用ｌ座压水堆，
２台蒸汽轮机发电机组，２台轮缘推进器。２个发电
机组所发出的电能供推进电机和日用电系统共同使
用，两者间可相互调配使用。图４为美国下一代攻
击型核潜艇的动力和推进系统示意图。图５为“格
莱纳德・利普斯科姆”号攻击型核潜艇的动力和推 进系统示意图。从图４和图５中可以看出，两者配
电系统间的最大不同是，下一代攻击型核潜艇的推
图４ 美国海军下一代核潜艇全电力推进系统示意图 Ｆｉｇ．４ Ｄｉａｇｒａｍｍａｔｉｃ ｓｋｅｔｃｈ ｏｆ ＵＳ ｎｅｘｔ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｎｕｃｌｅａｒ ｓｕｂｍａｒｉｎｅ ｆｕｌｌ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ
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图５ “格莱纳德・利普斯科姆”号核潜艇电力推进系统示意图 Ｆｉｇ．５ Ｄｉａｇｒａｍｍａｔｉｃ ｓｋｅｔｃｈ ｏｆ Ｌｅｏｎａｒｄ Ｌｉｐｓｃｏｍｂｅ ｎｕｃｌｅａｒ ｓｕｂｍａｒｉｎｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ 进用电和日用电可以相互调配使用，而“格莱纳德・ 利普斯科姆”号核潜艇推进用电和日用电相互
独立。
全电力推进的优点是利用电力推进器完全取代
传统的机械推进器，这样不仅取消减速齿轮、推进
轴系，而且还可极大地节省了艇尾空间（包括耐压
艇壳内部和外部）。此外，采用这种推进方案，还
可在不对潜艇航速产生显著影响的情况下，提供大
量的电能供非推进系统使用，如未来的高能武器等。
５）小结
通过对推进器技术、浮筏减振技术、自然循环压
水堆技术、电力推进技术等核潜艇推进系统减振降噪
技术的梳理，可归纳出海军核潜艇推进系统减振降噪
技术的发展历程（见表２）和减振降噪效果（见图６）。
表２ 美海军核潜艇推进系统减振降噪技术发展简表
ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｎ ＵＳ ｎｕｃｌｅａｒ ｓｕｂｍａｒｉｎｅ ｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ 代表性的攻击型 是否推广‘ 使用时间 核潜艇 使用
分散式浮筏 １９５７拄 “长尾鲨”号 是 减振装置 电力推进 １９５８正 “白鱼”号 否 对转螺旋桨 ｌ９５９年 “小梭鱼”号 否 ７叶大侧斜螺旋桨 １９６１正 “黑线鳕”号 是 自然循环压水堆 ｌ９６４年 “一角鲸”号 是
“格莱纳德・利普斯 电力推进 １９６８正 否 科姆”号
泵喷推进器 １９９２矩 “夏延”号 是 整体式双层浮筏 １９９８往 “弗吉尼亚”号 是 减振装置 ２０２５焦 下一代攻击型 全电力推进 是 左右 核潜艇
１９５５ １９６０ １９６５ １９７０ １９７５ １９８０ １９８５ １９９０ １９９５ ２０００ 注：①对转螺旋桨；《 叶大测斜螺旋桨；③分散式浮筏减振装置； ④自然循环压水堆；⑤泵喷推进器；⑥整体武双层浮筏减振装置
图６美海军核潜艇推进系统减振降噪技术应用 情况和降噪效果图 Ｆｉｇ．６ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ａｎｄ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｉｓｏｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｎｏｉｓｅ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｎ ＵＳ ｎｕｃｌｅａｒ ｓｕｂｍａｒｉｎｅ ｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ
舳加∞