側(cè)向推進(jìn)器的靜音設(shè)計(jì)及試驗(yàn)驗(yàn)證

陳智同，趙廣偉，郝 璇，金之國(guó)

(1.江蘇科技大學(xué) 海洋裝備研究院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2.江蘇科技大學(xué) 船海學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003； 3.江蘇中智海洋工程裝備有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212000；4.鎮(zhèn)江南徐船舶機(jī)械有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212028)

側(cè)向推進(jìn)器的靜音設(shè)計(jì)及試驗(yàn)驗(yàn)證

陳智同1，3，趙廣偉2，郝 璇3，金之國(guó)4

(1.江蘇科技大學(xué) 海洋裝備研究院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2.江蘇科技大學(xué) 船海學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003； 3.江蘇中智海洋工程裝備有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212000；4.鎮(zhèn)江南徐船舶機(jī)械有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212028)

針對(duì)側(cè)向推進(jìn)器降噪需求，采用雙層隧道結(jié)構(gòu)、彈性緩沖連接、加裝吸音材料等技術(shù)，設(shè)計(jì)了一款靜音側(cè)推器；制作了原始樣機(jī)及靜音設(shè)計(jì)樣機(jī)，進(jìn)行了振動(dòng)和噪聲對(duì)比試驗(yàn)研究。結(jié)果表明：原始樣機(jī)在低轉(zhuǎn)速時(shí)電機(jī)是主要噪聲源，高轉(zhuǎn)速時(shí)螺旋槳和齒輪箱是主要噪聲源；采用靜音設(shè)計(jì)的側(cè)向推進(jìn)器振動(dòng)和噪聲均明顯改善，平均噪聲降低6.7 dB，靜音設(shè)計(jì)側(cè)向推進(jìn)器高轉(zhuǎn)速下主要噪聲源為驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

側(cè)向推進(jìn)器；靜音；減振；降噪；隔音罩

0 引言

側(cè)向推進(jìn)器[1-2]是產(chǎn)生船舶橫向推力(側(cè)推力)的特殊推進(jìn)裝置，裝在艏部或艉部水線(xiàn)下的橫向隧道中，又稱(chēng)隧道推進(jìn)器。大型船舶在離靠碼頭、進(jìn)出運(yùn)河與船閘等情況下，需要慢速改變航向，此時(shí)舵效較差，僅靠舵效改變航向不能滿(mǎn)足要求。因此，側(cè)推裝置在大型集裝箱船、滾裝船上廣泛應(yīng)用。深海工程船舶若要在惡劣海況中靈活操縱和動(dòng)態(tài)定位，側(cè)推裝置是必不可少的動(dòng)力設(shè)備。

大部分船舶的上層建筑布置在船艏，艏側(cè)推進(jìn)器運(yùn)行的振動(dòng)和噪聲對(duì)工作和生活區(qū)域產(chǎn)生很大影響[3-5]。工程船舶上通常裝備繁多的高精聲學(xué)設(shè)備，且大部分安裝在船舶底部，對(duì)側(cè)推裝置的振動(dòng)和噪聲要求較高。目前，國(guó)外側(cè)向推進(jìn)器技術(shù)領(lǐng)先，但價(jià)格昂貴，后期維護(hù)費(fèi)用大。國(guó)產(chǎn)側(cè)推產(chǎn)品振動(dòng)噪音大，產(chǎn)品壽命短，不能裝備高端船舶。因此，有必要研究靜音型側(cè)推裝置。

船舶在均勻流和浪流航行時(shí)會(huì)產(chǎn)生各種噪聲，就其分類(lèi)主要有3大噪聲源：結(jié)構(gòu)噪聲、水動(dòng)力噪聲和螺旋槳噪聲[6]。因此，側(cè)向推進(jìn)器的降噪技術(shù)可從結(jié)構(gòu)、水動(dòng)力、螺旋槳等幾個(gè)方面考慮。常采用的低噪聲設(shè)計(jì)的方法有隔聲罩、吸聲層等[6]。吳寅生[7]研究了側(cè)推筒體及封蓋的水動(dòng)力學(xué)性能。在降噪設(shè)計(jì)方面，蘭江華等[8]進(jìn)行了隔聲結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)方艙電站降噪研究。本文綜合采用雙層隧道結(jié)構(gòu)、彈性緩沖連接、加裝吸音材料等技術(shù)，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)靜音型船用側(cè)推裝置

1 側(cè)推裝置的靜音設(shè)計(jì)

側(cè)推裝置按布置位置可分為：艏側(cè)推、艉側(cè)推、舷內(nèi)式和舷外式；按產(chǎn)生推力分為：螺旋槳式和噴水式；按原動(dòng)機(jī)分為：電動(dòng)式、電液式和柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)式；按傳動(dòng)形式分為：L型和Z型傳動(dòng)。圖1a)為某型號(hào)艏側(cè)推裝置，采用電動(dòng)式螺旋槳推進(jìn)，L型布置。該側(cè)推器裝備船舶后，艙室噪聲達(dá)90 dB，不能滿(mǎn)足高端船舶的靜音需求。為此，制造企業(yè)采用了多種方法改進(jìn)噪音，包括改進(jìn)軸承、提高齒輪加工精度、改進(jìn)裝配工藝等，使成本增加，但噪音改善效果不明顯。本文在原有型號(hào)基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，NX180靜音側(cè)推器如圖1b)所示。

1.1 雙層隧道結(jié)構(gòu)

圖1a)所示的普通側(cè)推，只有一層隧道與電機(jī)直接焊接在一起。圖1b)所示的NX180靜音側(cè)推器采用雙層隧道的結(jié)構(gòu)，外隧道焊接在船體結(jié)構(gòu)上，內(nèi)隧道安裝在外隧道內(nèi)，連接齒輪箱、螺旋槳和變頻電機(jī)。這種雙層隧道結(jié)構(gòu)很好地阻隔船舶內(nèi)外噪聲的傳遞路徑，使得電機(jī)噪聲往水域的傳遞被部分阻隔，同時(shí)齒輪箱和螺旋槳噪聲往艙室的傳遞也部分阻隔。

1.2 彈性緩沖連接設(shè)計(jì)和吸音材料的使用

螺旋槳運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的氣穴會(huì)引起振動(dòng)和噪聲，齒輪箱結(jié)構(gòu)振動(dòng)會(huì)引起結(jié)構(gòu)噪聲。在雙層隧道之間，兩側(cè)水平方向通過(guò)彈性緩沖連接起到阻隔結(jié)構(gòu)噪聲的作用。在雙層隧道的頂部設(shè)置蝶形彈簧，可起到密封和減振作用。

螺旋槳和齒輪箱通過(guò)蝶形彈簧連接在內(nèi)隧道內(nèi)，螺旋槳產(chǎn)生的氣穴噪聲被雙層隧道結(jié)構(gòu)阻隔，齒輪箱的結(jié)構(gòu)噪聲被雙層隧道間的彈性緩沖阻隔。

吸聲材料具有較強(qiáng)的吸收聲能、減低噪聲的性能，經(jīng)常被用于設(shè)備減噪。在雙層隧道之間填充聚氨酯材料，起到吸聲和隔聲的作用。

1.3 隔音罩設(shè)計(jì)

電機(jī)噪聲是電動(dòng)側(cè)推器的主要噪聲源之一，如采用低噪聲的電機(jī)將大大增加成本。在靜音側(cè)推器的電機(jī)外圍設(shè)計(jì)一個(gè)隔音罩，主體用木材，中間夾有吸聲材料，很大程度地吸收了電機(jī)噪聲。

2 側(cè)推裝置靜音設(shè)計(jì)的試驗(yàn)驗(yàn)證

為了研究側(cè)推裝置的靜音設(shè)計(jì)的效果，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了相應(yīng)試驗(yàn)方案。

將側(cè)推裝置固定在焊接平臺(tái)的專(zhuān)用支架上，其機(jī)械、電氣部分全部安裝、調(diào)試完畢。在側(cè)推裝置周?chē)x擇9個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)試噪聲聲壓，分別位于螺旋槳(齒輪箱)高度和推進(jìn)電機(jī)高度，以及側(cè)推裝置的正上方。同時(shí)，在電機(jī)和殼體上布置了多個(gè)加速度傳感器，以便對(duì)照分析。

本文進(jìn)行了2種樣機(jī)的對(duì)比測(cè)試。原始樣機(jī)采用單層殼體結(jié)構(gòu)，電機(jī)座直接連接到殼體上。靜音設(shè)計(jì)樣機(jī)采用雙層殼體結(jié)構(gòu)，電機(jī)通過(guò)蝶形彈簧連接到外殼上，兩層之間采用彈性連接。

2.1 側(cè)推裝置的振動(dòng)和噪聲對(duì)比

側(cè)推裝置的齒輪箱傳動(dòng)比為2.06，選用電機(jī)最高轉(zhuǎn)速為900 r/min。通過(guò)電器控制柜調(diào)頻控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)測(cè)不同的電機(jī)轉(zhuǎn)速下的振動(dòng)和噪聲。為保證環(huán)境噪聲盡量低，試驗(yàn)安排晚上進(jìn)行，實(shí)測(cè)環(huán)境噪聲40 dB。

電機(jī)轉(zhuǎn)速300、600、900 r/min時(shí)，各測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)和噪聲分別見(jiàn)表1和表2。

表1 不同轉(zhuǎn)速下的測(cè)點(diǎn)振動(dòng)對(duì)比 g

表2 不同轉(zhuǎn)速下的測(cè)點(diǎn)噪聲對(duì)比 (dB，A計(jì)權(quán))

測(cè)點(diǎn)位置300r/min600r/min900r/min原始樣機(jī)靜音樣機(jī)原始樣機(jī)靜音樣機(jī)原始樣機(jī)靜音樣機(jī)電機(jī)左側(cè)1m76．8469．0379．5570．7482．2473．53電機(jī)后1m77．4870．9581．3573．1684．6676．26電機(jī)右側(cè)1m78．2072．0381．2473．5483．9875．66電機(jī)前1m72．9468．4876．6571．2380．6674．62螺旋槳前1m73．3369．6377．4274．5080．7379．46螺旋槳左側(cè)1m75．9970．5281．1772．3285．9576．46螺旋槳后1m77．3772．7381．9677．1886．7881．91螺旋槳右側(cè)1m78．1473．3483．2275．1388．1077．70電機(jī)上方1m78．9875．0678．9975．3380．1777．23平均值76．5971．3180．1773．6883．7076．98

由表1和表2分析可得以下結(jié)論：

(1)靜音設(shè)計(jì)樣機(jī)采用雙層殼體結(jié)構(gòu)，并增加彈性緩沖連接，殼體振動(dòng)僅為原始樣機(jī)的40%。靜音側(cè)推器的振動(dòng)大大改善。

(2)各點(diǎn)對(duì)比結(jié)果表明：電機(jī)的振動(dòng)最大，高轉(zhuǎn)速下電機(jī)的振動(dòng)明顯加劇。最高轉(zhuǎn)速下，靜音側(cè)推器的電機(jī)振動(dòng)改善了約20%。

(3)隨著轉(zhuǎn)速增加，噪聲增加；低轉(zhuǎn)速時(shí)電機(jī)噪聲比螺旋槳和齒輪箱大，高轉(zhuǎn)速時(shí)螺旋槳和齒輪箱的噪聲比電機(jī)大。

(4)最高轉(zhuǎn)速下，靜音側(cè)推器的平均噪聲降低了6.7 dB，起到了很好的降噪效果。

2.2 側(cè)推裝置的噪聲頻譜分析

由表2表明螺旋槳右側(cè)測(cè)點(diǎn)的噪聲較大。為進(jìn)一步分析靜音設(shè)計(jì)樣機(jī)的降噪性能，下面以螺旋槳右側(cè)測(cè)點(diǎn)為例進(jìn)行頻譜分析。

圖2為原始樣機(jī)900 r/min時(shí)螺旋槳右側(cè)噪聲頻譜圖， A加權(quán)。由該圖看出，頻率1 kHz的結(jié)構(gòu)噪聲較明顯。此時(shí)的電機(jī)控制頻率為30 Hz。由圖中還看出，高頻噪聲成分豐富，在(2.00+0.03)、(4.00+0.60)、(6.00+0.90) kHz等倍頻特征明顯，反應(yīng)電機(jī)的電磁噪聲與控制頻率的耦合。

圖3為同一測(cè)點(diǎn)同一工況采用靜音設(shè)計(jì)的前后對(duì)比圖，實(shí)線(xiàn)為原始樣機(jī)，虛線(xiàn)為靜音設(shè)計(jì)樣機(jī)。由該圖可以看出，采用靜音設(shè)計(jì)后，頻率1 kHz的結(jié)構(gòu)噪聲得到顯著控制；原始樣機(jī)500 Hz的峰值被完全消除，最大峰值由75 dB降為64 dB，可見(jiàn)采用靜音設(shè)計(jì)的效果明顯。

另外，圖3可以看出，采用靜音設(shè)計(jì)后，(2.00+0.03) kHz其倍頻的電機(jī)噪聲依然存在，但降低了很多。2 kHz和4 kHz的頻率特征尤為明顯，說(shuō)明原始樣機(jī)的結(jié)構(gòu)噪聲得到很好治理后，電機(jī)噪聲突顯，成為重要因素，因而下一步噪聲治理可從電機(jī)角度出發(fā)。

圖4為900 r/min螺旋槳右側(cè)噪聲的1/3倍頻程頻譜圖。由該圖看出，靜音設(shè)計(jì)后各頻譜范圍的噪聲都大大降低，同樣驗(yàn)證了圖3的結(jié)論。

3 結(jié)論

本文對(duì)船用艏側(cè)推進(jìn)器進(jìn)行靜音設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，從幅值和頻率2個(gè)方面進(jìn)行分析，結(jié)果表明：

(1)采用雙層隧道結(jié)構(gòu)、彈性緩沖連接、加裝吸音材料等手段，使得側(cè)推器的振動(dòng)和噪聲大大改善，對(duì)類(lèi)似結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)具有一定的借鑒作用。

(2)原始樣機(jī)的螺旋槳和齒輪箱是主要噪聲源，采用靜音設(shè)計(jì)后得到很好改善，側(cè)推器的平均噪聲降低了6.7 dB。

(3)采用靜音設(shè)計(jì)后，使殼體和電機(jī)振動(dòng)都得到很好改善。殼體振動(dòng)僅為原始樣機(jī)的40%，電機(jī)振動(dòng)改善了約20%。

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2017-01-27

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51405202)；江蘇高校高技術(shù)船舶協(xié)同創(chuàng)新中心項(xiàng)目(HZ201601687341601-5)

陳智同(1987—)，男，工程師，主要從事船舶與海工裝備總體設(shè)計(jì)及性能研究工作。

U664.3

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