泵喷推进型潜艇电场防护效果与阴极保护性能分析.pdf

第 卷 第 期国防科技大学学报 年 月 ：泵喷推进型潜艇电场防护效果与阴极保护性能分析柳懿，唐炜豪，王向军，汪石川，胡育诚（海军工程大学 电气工程学院，湖北 武汉 ）摘要：为探究泵喷推进型潜艇在电场防护和外加电流阴极保护这两种典型工作形态下的防护效果，采用边界元法建立了此型潜艇的腐蚀相关静电场模型，仿真分析了导流罩和导叶对电场防护与阴极保护效能的影响。结果表明：相较于传统推进方式，泵喷推进型潜艇在海水中电场峰峰值降低了约 ，且其仅需约 的电流值便能达到更优的电场防护效果。此外，不论阴极保护过程中整艇涂层是否完好，泵喷推进装置处的电场峰值均有一定程度的降低，这表明泵喷推进装置具有更好的电场隐身性能；然而在对泵喷推进型潜艇外加电流阴极保护的过程中，只能在船身和大轴处达到较好的保护效果，其导流罩内部的叶轮和导叶难以听语音聊科研与作者互动达到保护电位，处于欠保护状态，局部腐蚀防护仍需加强。关键词：泵喷推进；潜艇隐身；电场防护；阴极保护；边界元法中图分类号：文献标志码：开放科学（资源服务）标识码（）：文章编号：（），（，）：，：；现代潜艇为了更好地适应隐身性能的设计指标，广泛采用泵喷推进器作为驱动动力，这种推进器不同于传统的螺旋桨驱动，通过在旋转叶轮外侧加装导流罩改善进流条件，不仅使得流场更加均匀，而且屏蔽了叶轮旋转的噪声 ，其中的定子导叶还可以改变水流动的方向，在喷口处实现轴向的射流，进一步提高推进效率 。此外，由于导流罩的存在，泵喷推进下的旋转的叶轮并没有完全暴露在海水中，改变了舰船水下电场分布，目前，国内外关于泵喷推进下潜艇水下电场的研究鲜见报道。舰船处于海水环境时，由于其钢制的船壳和铜制的旋转叶轮之间存在电位差，再经由海水、大轴和舰船内部的一些器件及机械线路形成电气导通的状态，从而构成了一个宏观复杂的腐蚀电池 。这种电气导通状态很难从物理上完全隔绝，导流罩的存在使得腐蚀电流无法从潜艇侧面流入叶轮，改变了原有电场的强度和方向 。然而腐蚀电流仍然可以从导流罩前后开口流向叶轮；新型的无轴泵推系统由中心驱动变为了四周收稿日期：基金项目：国家自然科学基金面上资助项目（）作者简介：柳懿（），男，湖北武汉人，副教授，博士，硕士生导师，：国 防 科 技 大 学 学 报第 卷驱动 ，大轴的取消消除了舰船水下电场最主要的电气通路，能够大大地降低水下电场，但是腐蚀电流仍可以从导流罩固定处或者舰船其他机械线路找到通路。为了更严谨地研究潜艇水下电场，采用有轴泵推下的潜艇作为研究对象，通过边界元方法 重点研究导流罩和导叶的存在对潜艇水下电场的影响。潜艇边界元电场计算基本原理潜艇腐蚀电场的边界元数学模型可由以下拉普拉斯方程与边界条件 表示：?（）式中，表示求解域内的电位，、为三维空间中场点的坐标值，为整个海水域。（）（）（）（）（）（）式（）、式（）、式（）、式（）分别表示恒电位边界、恒电流边界、阳极极化边界和阴极极化边界的边界条件。其中：为恒电位边界上电位 的恒定值，为电位的法向导数，为边界外法线，为恒电流边界上 的恒定值，为海水电导率，和 分别为阳极和阴极的电流密度，（）和（）分别为阳极和阴极的极化方程。将区域边界离散化剖分，运用 定理构造边界积分方程组：（）式中，和 为系数矩阵。将边界条件代入式（）中，迭代求解得到边界上的电位和电流密度分布，进而根据式（）推广到海水域 内，可求解电场分布。泵喷推进下电场防护效果研究外加电流的电场防护方法是通过在船体上安装电场补偿装置，使补偿电流与腐蚀电流在海水中产生的电场方向相反，从而实现降低海水中腐蚀电场的目的 。传统螺旋桨推进方法的螺旋桨完全暴露在水域中，而泵喷推进的导流罩使得舰船产生的腐蚀电流通路减少，理论上泵喷推进具有更小的腐蚀电场。仿真设定为了研究泵喷推进与传统螺旋桨推进电场分布的不同之处，采用 仿真软件中电流分布（边界元）接口建立了潜艇腐蚀静电场模型，模型网格剖分如图 所示。图 潜艇三维网格剖分 由于潜艇在深海工作时整个船体均浸没在海水中，设置潜艇破损状态为船身全局破损，总破损率为 ，外加电流阴极保护（，）系统关闭，其求解域和边界条件设定如下：无限空区域为均匀海水，设定电导率 ；将铜合金的非线性极化曲线设置为旋转叶轮的边界条件；将 涂层破损的碳钢非线性极化曲线设定为整个船身与舵的边界条件；由于导流罩涂层的存在，设置导流罩边界条件为绝缘；受海水中含氧量和海水流速限制，设置潜艇船身和舵表面发生氧化还原反应的极限电流密度为 ；为了简化模型，忽略潜艇大轴电阻，叶轮与船体的电势都设置成零。以潜艇叶轮旋转中心为坐标原点，构建坐标系，其中 轴为潜艇大轴轴向方向，为了直观地分析潜艇水下腐蚀电场，设置四条电场测线分别位于潜艇正下方、正上方、正左方和正右方，命名为测线一、测线二、测线三、测线四，四条测线皆平行于 轴且距离 轴 ，其坐标位置见表。表 四条测线位置分布 单位：测线编号起点终点测线一（，）（，）测线二（，）（，）测线三（，）（，）测线四（，）（，）第 期柳懿，等：泵喷推进型潜艇电场防护效果与阴极保护性能分析 补偿阳极位置及电流选择为了对泵喷推进下电场补偿性能做出分析，需要确定补偿电流的位置。文献 仿真得出补偿阳极分布在距离螺旋桨中心 处时，电场模量的防护效果可以达到最小。本文在距螺旋桨中心轴向距离 处即 的尾舵位置中部设置补偿阳极，如图 （）所示，艉舵上的补偿阳极分别编号为，如图 （）所示。（）艉舵舵面（）（）四个艉舵阳极编号（）图 补偿阳极位置分布 根据补偿阳极布放的不同，设置三种补偿阳极的布放情况：一个补偿阳极，如图 所示；两个相对的补偿阳极，如图 所示；四个补偿阳极，如图 所示。为了找到最优补偿电流，在仿真过程中从零开始依次递增设置补偿电流值，观察四条测线上电场模值的变化情况，仿真设置所有参与外加电流补偿的阳极输出电流均相等，其中横轴补偿电流为补偿系统工作时所有补偿阳极的总电流，同时定义使得测线上电场模峰峰值最小的电流数值为最优补偿电流。图 一个补偿阳极工作 分析图 可知，当单个补偿阳极工作时，潜艇周围的电场分布并不均匀，四个方向上的电场最优补偿电流不一致，随着补偿电流的递增，最接近补偿阳极的测线一最先达到最优补偿电流值，图 两个相对的补偿阳极工作 图 四个补偿阳极工作 距离补偿阳极最远的正上方测线二在设定的补偿电流区间内未达到最优补偿电流。可见，单个补偿电极由于在潜艇各个方向上的电场防护效果不相同：距离补偿阳极近的方向电场防护效果好，仅需要较小的电流即可达到最优补偿电流。距离补偿阳极远的方向电场防护效果差，需要更大的电流才能达到最优补偿电流。实际工作时难以选取阳极电流使潜艇各个方向上电场防护效果都能达到最优。分析图 可知，当两个相对的补偿阳极工作时，相对的两条测线随着补偿电流的增大，电场模峰峰值变化趋势趋于一致，四条测线上电场模峰峰值都是先减小后增大，其中测线一、二先达到最优补偿电流，测线三、四随后达到最优的补偿电流。四条测线在图 中交于一点，即为图 中四条测线的箭头所指交点处，记此点对应的电流值为均匀补偿电流。由于补偿阳极的输出电流不能同时满足四条测线的最优补偿，而均匀补偿电流在四条测线最优补偿电流的最小值和最大值之间，是补偿电流 电场模峰峰值图中四条测线的交点，所以进国 防 科 技 大 学 学 报第 卷行均匀补偿是可实现的，并且可以使得各个测线上的电场防护效果保持一致。分析图 可知，当四个补偿阳极同时工作时，四条测线上的电场模峰峰值变化趋势一致，可见当补偿阳极在潜艇周向均匀分布时，潜艇四个方向上的电场分布同样均匀，此时易于选择各个方向上都满足最优补偿的补偿电流。电场补偿效果分析由于潜艇补偿阳极的安装调试较为复杂，成本较高，为了保证潜艇的持续作战能力，表 分析了仅使用两个补偿电极进行电场防护的可行性，在螺旋桨和泵喷两种推进方式下分析同一型号潜艇电场分布。将电场防护效果定义为：（）式中，表示电场防护效果，表示无电流补偿即自然腐蚀状态下测线上电场的峰峰值，表示外加电流补偿时测线电场峰峰值。分别计算各个测线上的最优补偿电流 和四条测线均匀补偿电流 对应的电场峰峰值 和，以 及 电 场 防 护 效 果 和，如表 所示，其中均匀补偿电流为图 中箭头指向的四条测线交点处电流。分析表 可知：）在无电流补偿状态下，各个测线的电场峰峰值几乎相同，可见电场的分布较为均匀，其中泵喷推进的四条测线电场峰峰值在 左右，螺旋桨推进的电场峰峰值在 左右，相较于螺旋桨推进，泵喷推进的电场峰峰值降低了约 。）针对各个测线的最优补偿，可以看出测线一、二仅需要较小的电流就能达到最优补偿，且二者最优补偿电流相同。由于测线三、四与补偿阳极的距离较远，需要更大的补偿电流，螺旋桨推进的测线三、四最优补偿电流是测线一、二的 倍，电场防护效果增加了约 ；泵喷推进的测线三、四最优补偿电流是测线一、二的约 倍，电场防护效果增大了约 。在测线一、二上，泵喷 推 进 最 优 补 偿 电 流 仅 为 螺 旋 桨 推 进 的 ，而电场防护效果增大了约 ；而在测线三、四上，泵喷推进最优补偿电流仅为螺旋桨推进的 ，其电场防护效果增大了约 。）螺旋桨推进的均匀补偿电场防护效果在 左右，而泵喷推进的均匀补偿电场防护效果在 左右。由于电场防护效果是相对于这两种推进方式各自自然腐蚀状态的，计算泵喷推进均匀补偿相对于螺旋桨推进的自然腐蚀状态的电场防护效果在 左右，可见泵喷推进 的 潜 艇 在 电 场 隐 身 方 面 有 着 显 著 的优势。四条测线上的电场分布如图 所示（测线三和测线四的电场分布存在微小差别，但此微小差别在电场分析时可忽略），电场峰峰值出现在螺旋桨对应的 轴坐标附近，即 的位置，这是由于螺旋桨或旋转叶轮在腐蚀反应里作为阴极产生的，且测线上的电场分布呈现由峰峰值处向两侧递减的趋势。）自然腐蚀状态下，由于整个船体均匀腐蚀，在整个船体即 处电场模值大小较为接近，远离船体后电场模值开始逐步递减，电场分布图呈现出如图 测线一、三、四中的自然腐蚀图像。同时由于潜艇水平舵的存在，使得正上方的测线二在自然腐蚀状态下出现了一个较小的峰值。）加入均匀补偿电流进行电场补偿后，可以表 两个相对的补偿阳极补偿电流的选择及其电场防护效果 测线编号（）（）（）螺旋桨测线一 螺旋桨测线二 螺旋桨测线三 螺旋桨测线四 泵喷测线一 泵喷测线二 泵喷测线三 泵喷测线四 第 期柳懿，等：泵喷推进型潜艇电场防护效果与阴极保护性能分析看到图中各个测线 位置处的电场峰峰值显著减小，各个测线上船体 处大小较为接近的电场分布消失不见，电场模值由 处的峰峰值向测线两端迅速递减，这是因为补偿电流抵消了潜艇腐蚀带来的腐蚀电场。由于电场模峰峰值在整条测线上极为明显，具有代表性，所以利用测线上的电场模峰峰值来评估电场防护效果是可行的。（）测线一（）（）测线二（）（）测线三（）（）测线四（）图 四条测线上的电场分布 泵喷推进下外加电流阴极保护研究外加电流阴极保护法的原理是由外部的直流电源直接向需要被保护的船体通以阴极电流，使之阴极极化，达到阴极保护的目的 。其核心参数是保护电位，通常需要在船体上安装参比电极判断船身是否受到足够的保护。泵喷推进导流罩的存在使得罩内大轴和导叶难以接受辅助阳极的极化电流，可能出现保护不完全的情况，本节对此种情况进行仿真分析。仿真设定在上一节讨论的电场防护仿真设定的基础上，开启 系统，此时潜艇船身受到充足保护，船身不再做腐蚀反应的阳极。结合实际情况，由于旋转叶轮和大轴未敷设涂层且具有不一样的电化学特性，易于发生电偶腐蚀 ，为了研究 系统的保护性能，在其余条件不变的情况下，将仿真边界条件更改如下：）船身和舵分两种情况讨论：涂层完好，边界条件设定为绝缘；涂层破损，边界条件设定为 涂层破损的碳钢非线性极化曲线。）将旋转叶轮或螺旋桨材料设置为镍铝青铜（，）合金。）大轴材料采用 不锈钢合金。两种材料的电化学参数参照文献 。）为了满足模型收敛性要求，将 情况中计算得出的边界电位结果设置为 情况中的迭代初始值。在艉舵两个相对的补偿阳极的基础上，于潜艇船身两侧 、处增设两对辅助阳极，分别记为、，同时