側(cè)向推進器的靜音設(shè)計及試驗驗證

陳智同，趙廣偉，郝 璇，金之國

(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)江南徐船舶機械有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212028)

側(cè)向推進器的靜音設(shè)計及試驗驗證

陳智同1，3，趙廣偉2，郝 璇3，金之國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)江南徐船舶機械有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212028)

針對側(cè)向推進器降噪需求，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)計了一款靜音側(cè)推器；制作了原始樣機及靜音設(shè)計樣機，進行了振動和噪聲對比試驗研究。結(jié)果表明：原始樣機在低轉(zhuǎn)速時電機是主要噪聲源，高轉(zhuǎn)速時螺旋槳和齒輪箱是主要噪聲源；采用靜音設(shè)計的側(cè)向推進器振動和噪聲均明顯改善，平均噪聲降低6.7 dB，靜音設(shè)計側(cè)向推進器高轉(zhuǎn)速下主要噪聲源為驅(qū)動電機。

側(cè)向推進器；靜音；減振；降噪；隔音罩

0 引言

側(cè)向推進器[1-2]是產(chǎn)生船舶橫向推力(側(cè)推力)的特殊推進裝置，裝在艏部或艉部水線下的橫向隧道中，又稱隧道推進器。大型船舶在離靠碼頭、進出運河與船閘等情況下，需要慢速改變航向，此時舵效較差，僅靠舵效改變航向不能滿足要求。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態(tài)定位，側(cè)推裝置是必不可少的動力設(shè)備。

大部分船舶的上層建筑布置在船艏，艏側(cè)推進器運行的振動和噪聲對工作和生活區(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，對側(cè)推裝置的振動和噪聲要求較高。目前，國外側(cè)向推進器技術(shù)領(lǐng)先，但價格昂貴，后期維護費用大。國產(chǎn)側(cè)推產(chǎn)品振動噪音大，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會產(chǎn)生各種噪聲，就其分類主要有3大噪聲源：結(jié)構(gòu)噪聲、水動力噪聲和螺旋槳噪聲[6]。因此，側(cè)向推進器的降噪技術(shù)可從結(jié)構(gòu)、水動力、螺旋槳等幾個方面考慮。常采用的低噪聲設(shè)計的方法有隔聲罩、吸聲層等[6]。吳寅生[7]研究了側(cè)推筒體及封蓋的水動力學(xué)性能。在降噪設(shè)計方面，蘭江華等[8]進行了隔聲結(jié)構(gòu)設(shè)計對方艙電站降噪研究。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)，開發(fā)設(shè)計靜音型船用側(cè)推裝置

1 側(cè)推裝置的靜音設(shè)計

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；按原動機分為：電動式、電液式和柴油機驅(qū)動式；按傳動形式分為：L型和Z型傳動。圖1a)為某型號艏側(cè)推裝置，采用電動式螺旋槳推進，L型布置。該側(cè)推器裝備船舶后，艙室噪聲達90 dB，不能滿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噪音，包括改進軸承、提高齒輪加工精度、改進裝配工藝等，使成本增加，但噪音改善效果不明顯。本文在原有型號基礎(chǔ)上進行改進設(shè)計，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。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，使得電機噪聲往水域的傳遞被部分阻隔，同時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)計和吸音材料的使用

螺旋槳運轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的氣穴會引起振動和噪聲，齒輪箱結(jié)構(gòu)振動會引起結(jié)構(gòu)噪聲。在雙層隧道之間，兩側(cè)水平方向通過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

電機噪聲是電動側(cè)推器的主要噪聲源之一，如采用低噪聲的電機將大大增加成本。在靜音側(cè)推器的電機外圍設(shè)計一個隔音罩，主體用木材，中間夾有吸聲材料，很大程度地吸收了電機噪聲。

2 側(cè)推裝置靜音設(shè)計的試驗驗證

為了研究側(cè)推裝置的靜音設(shè)計的效果，本項目設(shè)計了相應(yīng)試驗方案。

將側(cè)推裝置固定在焊接平臺的專用支架上，其機械、電氣部分全部安裝、調(diào)試完畢。在側(cè)推裝置周圍選擇9個測點測試噪聲聲壓，分別位于螺旋槳(齒輪箱)高度和推進電機高度，以及側(cè)推裝置的正上方。同時，在電機和殼體上布置了多個加速度傳感器，以便對照分析。

本文進行了2種樣機的對比測試。原始樣機采用單層殼體結(jié)構(gòu)，電機座直接連接到殼體上。靜音設(shè)計樣機采用雙層殼體結(jié)構(gòu)，電機通過蝶形彈簧連接到外殼上，兩層之間采用彈性連接。

2.1 側(cè)推裝置的振動和噪聲對比

側(cè)推裝置的齒輪箱傳動比為2.06，選用電機最高轉(zhuǎn)速為900 r/min。通過電器控制柜調(diào)頻控制電機轉(zhuǎn)速，實測不同的電機轉(zhuǎn)速下的振動和噪聲。為保證環(huán)境噪聲盡量低，試驗安排晚上進行，實測環(huán)境噪聲40 dB。

電機轉(zhuǎn)速300、600、900 r/min時，各測點的振動和噪聲分別見表1和表2。

表1 不同轉(zhuǎn)速下的測點振動對比 g

表2 不同轉(zhuǎn)速下的測點噪聲對比 (dB，A計權(quán))

測點位置300r/min600r/min900r/min原始樣機靜音樣機原始樣機靜音樣機原始樣機靜音樣機電機左側(cè)1m76．8469．0379．5570．7482．2473．53電機后1m77．4870．9581．3573．1684．6676．26電機右側(cè)1m78．2072．0381．2473．5483．9875．66電機前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)計樣機采用雙層殼體結(jié)構(gòu)，并增加彈性緩沖連接，殼體振動僅為原始樣機的40%。靜音側(cè)推器的振動大大改善。

(2)各點對比結(jié)果表明：電機的振動最大，高轉(zhuǎn)速下電機的振動明顯加劇。最高轉(zhuǎn)速下，靜音側(cè)推器的電機振動改善了約20%。

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

(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)測點的噪聲較大。為進一步分析靜音設(shè)計樣機的降噪性能，下面以螺旋槳右側(cè)測點為例進行頻譜分析。

圖2為原始樣機900 r/min時螺旋槳右側(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。此時的電機控制頻率為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)電機的電磁噪聲與控制頻率的耦合。

圖3為同一測點同一工況采用靜音設(shè)計的前后對比圖，實線為原始樣機，虛線為靜音設(shè)計樣機。由該圖可以看出，采用靜音設(shè)計后，頻率1 kHz的結(jié)構(gòu)噪聲得到顯著控制；原始樣機500 Hz的峰值被完全消除，最大峰值由75 dB降為64 dB，可見采用靜音設(shè)計的效果明顯。

另外，圖3可以看出，采用靜音設(shè)計后，(2.00+0.03) kHz其倍頻的電機噪聲依然存在，但降低了很多。2 kHz和4 kHz的頻率特征尤為明顯，說明原始樣機的結(jié)構(gòu)噪聲得到很好治理后，電機噪聲突顯，成為重要因素，因而下一步噪聲治理可從電機角度出發(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)計后各頻譜范圍的噪聲都大大降低，同樣驗證了圖3的結(jié)論。

3 結(jié)論

本文對船用艏側(cè)推進器進行靜音設(shè)計，并進行了試驗驗證，從幅值和頻率2個方面進行分析，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)推器的振動和噪聲大大改善，對類似結(jié)構(gòu)的設(shè)計具有一定的借鑒作用。

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

(3)采用靜音設(shè)計后，使殼體和電機振動都得到很好改善。殼體振動僅為原始樣機的40%，電機振動改善了約20%。

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2017-01-27

國家自然科學(xué)基金項目(51405202)；江蘇高校高技術(shù)船舶協(xié)同創(chuàng)新中心項目(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)計及性能研究工作。

U664.3

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