螺旋槳模型噴氣降噪試驗與實船效果預報研究

李亞，陳奕宏，孫紅星

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螺旋槳模型噴氣降噪試驗與實船效果預報研究

李亞，陳奕宏，孫紅星

(中國船舶科學研究中心船舶振動噪聲重點實驗室，江蘇無錫 214082)

螺旋槳若發生空化，空化就是全船最主要的輻射噪聲源。采用噴氣降噪技術可以降低螺旋槳的空化噪聲。試驗證實，在螺旋槳推力損失不大時，采用導邊噴氣、噴氣環噴氣、組合噴氣三種方式都可以使噪聲譜級大幅下降。根據噴氣孔出口速度的無量綱值相等可以換算出實船噴氣量。實船預報表明，采用噴氣后總聲級降低5 dB以上。

螺旋槳；噴氣；降噪

0 引言

隨著船舶向大型化和高速化的發展，螺旋槳單位面積上的負荷越來越重，槳葉的葉梢線速度越來越高，使得螺旋槳不可避免地產生“空化”現象，從而造成螺旋槳水動力下降，船尾發生振動，螺旋槳輻射噪聲大幅度增加等一系列問題。過去采取了多種方法解決螺旋槳的空泡問題，如改進螺旋槳槳葉及其切面形狀使螺旋槳上負荷分布更加均勻；采用特殊的槳葉形式(如大側斜槳)使不均勻流場對螺旋槳性能的影響減弱；改變船體尾部的線型或加裝附體使螺旋槳來流的不均勻性得到改善等[1]。除此之外，還有一種措施是噴氣屏蔽技術，即利用噴氣降低噪聲。

螺旋槳導邊噴氣可以直接在聲源部位影響噪聲源，但過去這方面的研究較少，其中一個重要原因是噴氣管道加工難度較大。另外，一些噴氣技術還沒有完全掌握：如導邊噴氣后對螺旋槳水動力性能的影響、噴氣量大小對螺旋槳輻射噪聲的影響等問題還需研究；螺旋槳噴氣降噪模型聲學效果實船轉化方法也未建立等。為此，本文首先闡述了噴氣降噪的基本原理，然后論述了不同噴氣方式的噴氣降噪試驗，并對結果進行分析，最后進行實船降噪預報與分析。

1 噴氣降噪基本原理

螺旋槳噴氣降噪是一個多種因素作用下的綜合結果：氣水的二相流體對聲有直接衰減，噴氣降低螺旋槳的空化噪聲，噴氣會推遲空泡產生。

螺旋槳的空泡是特別重要的噪聲源，隨著空泡含氣量的增加，崩潰空泡的最小半徑增大，則快速崩潰空泡的動能作為勢能儲存起來的就越多，作為聲能輻射出去的就越少，空泡的崩潰噪聲就越低[6]。

噴氣還使螺旋槳葉片上空泡潰滅時周圍壓力變小，潰滅時間延長，致使輻射噪聲降低。

這一噴氣層又將提供一定的聲柔順，在空泡引起的壓力脈動與船底之間起了隔離的作用，使得結構振動噪聲源趨于減弱，因而也可減小艉部的振動和艙室噪聲。

綜上所述，當螺旋槳葉片上空化現象比較嚴重時，用噴氣的方法可明顯降低螺旋槳的空化噪聲。

2 螺旋槳模型噴氣試驗

試驗采用的螺旋槳模型的材料為黃銅，槳模直徑為0.19 m，共5葉，旋向為左旋。螺旋槳模型試驗時的工況為：來流速度3.3 m.s-1、轉速36.6 r.s-1、絕對壓力37.2 kPa。在這個工況下，沒有噴氣時，螺旋槳模型葉片出現空泡，且有不穩定空泡存在，這直接增大了螺旋槳的空化噪聲。

空泡發生的位置有槳轂部分和導邊部分，因此需要設計兩路噴氣裝置，分別為噴氣環噴氣和槳葉導邊噴氣[10]。如圖1所示，當噴氣環噴氣時，壓縮機中的氣體通過流量計控制進入噴氣環氣管，直接進入到噴氣環的氣腔中，然后從噴氣環噴出。旋轉槳葉噴氣時，壓縮機中的氣體通過流量計控制進入槳模噴氣管，然后進入由骨架密封形成的氣腔，氣體從軸上的通氣孔進入空心軸，再從空心軸另一端的通氣孔進入槳轂中氣腔，最終噴出。噴氣環噴氣和螺旋槳導邊噴氣可以同時進行。

圖1 噴氣管路設計示意圖

在每個槳葉的葉背導邊處加工了17個噴氣孔，沿徑向在0.40～0.80(為螺旋槳半徑)范圍內均勻分布，氣孔直徑為0.6 mm；噴氣環模型直徑為38.0 mm，外表面布置6圈小孔，每圈均布41個，共有246個，小孔直徑0.6 mm，軸向孔間距2.7 mm。加工后的實物見圖2，試驗工況表見表1。

圖2 導邊噴氣孔和噴氣環

表1 試驗工況表

注：Q表示導邊噴氣的噴氣量，Q表示噴氣環噴氣的噴氣量，單位為m3.h-1。

3 噴氣試驗結果與分析

試驗在某研究所的循環水槽進行。循環水槽試驗段的尺寸為10.5 m(長)×2.2 m(寬)×2.0 m(高)。試驗段下方設有測聲艙，聲艙尺寸為9.5 m(長)×2.2 m(寬)×2.0 m(高)，聲艙的四壁和底部均進行了吸聲處理。圖3為循環水槽試驗段照片，圖4為測試聲艙內照片，其中單水聽器距槳盤中心1.85 m。圖5～7分別是不同噴氣方式對噪聲的影響(由于螺旋槳產生空泡，試驗均滿足信噪比要求)。從圖5可見，隨著噴氣量增大，整個頻段內的噪聲下降愈多，在噴氣量為0.2 m3.h-1時，在中高頻部分的噪聲譜級已經平均下降約10 dB。從圖6中可以看出噴氣后降噪效果也十分明顯，但隨著氣量增大，噪聲譜級下降幅度減少，如氣量從0.8 m3.h-1增加到1.2 m3.h-1，噪聲譜級并沒有下降多少。從圖7可看出，組合噴氣下降噪也十分明顯，例如，在=0.3、=0.6時，噪聲譜級平均可下降13 dB。

圖3 大型循環水槽

圖4 循環水槽試驗段下方的水聲艙

Fig.4 Underwater acoustic tank below the test section of LCC

圖5 導邊噴氣對噪聲的影響

圖6 噴氣環噴氣對噪聲的影響

圖7 組合噴氣對噪聲的影響

表2列舉了不同噴氣方式與噴氣量對總聲級和水動力的影響，從表2中可見，在噴氣量逐步增加的過程中，總聲級呈逐步下降的趨勢，而推力系數K呈由緩慢下降到迅速降低的變化趨勢。在推力系數K下降值不超過5%的情況下，三種噴氣方式下，選擇適當氣量后均可以降低總聲級5 dB以上。

表2 不同噴氣方式與噴氣量對總聲級和水動力影響 (總聲級計算頻段：0.5～80 kHz)

4 螺旋槳噴氣降噪模型到實船換算及效果預報

4.1 螺旋槳模型噴氣量及噪聲換算到實船的方法

模型試驗中噴氣量換算到實船噴氣量時，主要考慮噴氣孔出口速度的無量綱值相等[11]，即

模型螺旋槳噪聲試驗結果換算到實槳噪聲時，主要考慮以下因素的影響：(1) 模型槳與實槳的縮尺比；(2) 模型槳與實槳試驗工況的差異(進速、轉速、靜壓等)；(3) 實驗室試驗段的聲場修正，即把水槽內非自由場中測到的結果換算到實槳的自由聲場中去；(4) 距離修正，因為測量水聽器位置與槳模噪聲源的位置之間往往不是1 m的距離，為了歸一化，需修正到1 m距離上。

實槳噪聲的聲源級按下式進行計算[12]：

4.2 螺旋槳噴氣降噪的實船預報

對應各航態下螺旋槳噪聲的實船預報結果見圖8～10，由圖8～10可見，噴氣后噪聲譜級在整個頻段內都有降低，其中對螺旋槳的中高頻噪聲降低更明顯。噴氣量逐漸增大，噪聲譜級也逐漸降低。圖8中各噴氣量下的噪聲譜級比不噴氣時的噪聲譜級平均下降約8.5 dB；圖9中噪聲譜級平均下降約7 dB；圖10中噪聲譜級平均下降約10.5 dB。

表3中列出了降噪量預報結果及水動力性能的變化情況。由表3可見，噴氣量逐步增加的過程中，總聲級逐步下降，而推力系數K從緩慢下降到迅速降低。在推力系數K下降值不超過5%的情況下，三種噴氣方式下，選擇適當氣量后均可以降低總聲級5 dB以上。

圖8 導邊噴氣的實槳噪聲預報結果

圖9 噴氣環噴氣的實槳噪聲預報結果

圖10 組合噴氣的實槳噪聲預報結果

表3 降噪量預報結果及水動力性能變化

5 結論

通過螺旋槳噴氣降噪模型試驗以及螺旋槳噴氣降噪實船效果預報研究，得到以下結論：

(1) 模型螺旋槳明顯空化時，噴氣可以顯著降低測試頻段的噪聲，是一種有效的螺旋槳噪聲控制方法；

(2) 模型螺旋槳明顯空化時，槳葉導邊噴氣、噴氣環噴氣、槳葉導邊和噴氣環組合噴氣的降噪效果相差不大，而且都存在一個噴氣量范圍，在螺旋槳推力損失較小的情況下，噪聲譜級平均下降量可達到5～12 dB；

(3) 當實船螺旋槳處于空化狀態時，導邊噴氣、噴氣環噴氣及組合噴氣三種方式均有較好的降噪效果，實船總聲級可降低5 dB以上；尤其對螺旋槳的中、高頻噪聲，三種噴氣均有較好的降噪效果；

(4) 從模型槳試驗到實船預報的結果表明，同一航速下，存在一個最佳的噴氣量。工程應用中結合具體要求，適當選擇噴氣量，可以得到水動力性能影響在可接受范圍內、降噪效果好的噴氣方案。

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Model propeller noise reduction by air injection and full-scale propeller noise prediction

LI Ya, CHEN Yi-hong, SUN Hong-xing

(China Ship Scientific Research Center, National Key Laboratory on Ship Vibration and Noise, Wuxi 214082, Jiangsu, China)

Once the cavitation caused by propeller occurs, it will be the strongest noise source. Noise can be reduced by using air injection system. Model experiment results show that injecting air from propeller leading edge, from air ring or from both leading edge and air ring can all reduce the noise, and the effects are allvery remarkable. Also, the injected air quantity for full-scale propeller can be calculated according to the demand that the dimensionless air speed at the holes’ outlet must be equal. The full-scale propeller noise prediction shows that the total sound pressure level can decrease by more than 5 dB.

propeller; air injection; noise reduction

U664．3

A

1000-3630(2018)-01-0066-05

10.16300/j.cnki.1000-3630.2018.01.012

2017-02-03;

2017-05-07

李亞(1979－), 男, 江蘇徐州人, 博士, 高級工程師, 研究方向為推進器噪聲。

李亞, E-mail: 694339492@qq.com