水下航行器尾段振動激勵源特性試驗研究

段 勇, 郭 君, 周凌波

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水下航行器尾段振動激勵源特性試驗研究

段 勇1, 郭 君2, 周凌波1

(1.中國船舶科學(xué)研究中心船舶振動噪聲重點實驗室, 江蘇無錫, 214082; 2. 中國船舶重工集團公司第705研究所, 陜西西安, 710077)

針對水下航行器尾段振動噪聲問題, 在大型循環(huán)水槽中開展了試驗?zāi)Ｐ臀捕握駝蛹钤刺匦栽囼炑芯? 分別測試了在推進(jìn)軸系、液壓齒輪泵以及推進(jìn)器轉(zhuǎn)子3種最主要激勵源作用下的試驗?zāi)Ｐ臀捕螝んw振動響應(yīng)及輻射噪聲, 比較分析了各激勵源作用下殼體的振動響應(yīng)特性以及各激勵源對殼體振動及聲輻射的貢獻(xiàn)度, 試驗結(jié)果表明: 水下航行器尾段最主要的激勵源為液壓齒輪泵, 推進(jìn)器轉(zhuǎn)子次之, 推進(jìn)軸系激勵最小。其試驗結(jié)果可為水下航行器尾段振動控制技術(shù)研究提供參考。

水下航行器; 尾艙段; 激勵源; 推進(jìn)軸系; 振動噪聲; 循環(huán)水槽試驗

0 引言

水下聲場是目前水下目標(biāo)探測唯一有效的物理場, 水下航行器的自導(dǎo)性能、隱身性能都與其聲學(xué)性能密切相關(guān), 對其作戰(zhàn)效能影響重大。因此降低水下航行器在水下航行時的噪聲對其綜合性能的提高有著重要意義[1-2]。

試驗研究是最為直接的研究水下航行器振動噪聲的方式, 為了有效控制水下航行器振動和輻射噪聲, 可通過各種試驗測試其殼體振動和輻射噪聲, 研究其振動和噪聲譜的特性, 運用現(xiàn)代頻譜分析技術(shù)確定主要噪聲源及其對輻射噪聲的貢獻(xiàn), 再根據(jù)噪聲源的主次及其頻率特征采取相應(yīng)控制措施, 從而為水下航行器降噪技術(shù)的發(fā)展提供清晰的思路。針對水下航行器開展的振動噪聲測試試驗主要包括陸上臺架試驗、水下冷車試驗、水下熱車試驗、循環(huán)水槽試驗以及實航試驗[3], 其中實航試驗是水下航行器研制即將完成的最終驗證試驗, 是其綜合性能評估的最有效手段, 測試結(jié)果最真實, 但實航試驗環(huán)節(jié)的影響因素較多[4], 同時噪聲源也較復(fù)雜難以區(qū)分, 試驗周期長, 試驗費用高。相較于實航試驗, 在大型循環(huán)水槽中進(jìn)行水下航行器振動噪聲的試驗研究無疑要經(jīng)濟高效得多。

目前, 我國水下航行器的噪聲源主要集中在動力段和尾段[5], 其中動力段的主要激勵源是發(fā)動機, 而尾段的激勵源則較為豐富, 為了對尾段各激勵源的激勵特性進(jìn)行分析, 并研究各激勵源對殼體振動及輻射噪聲的貢獻(xiàn)度, 需要開展尾部激勵源特性的試驗, 由于實航試驗難以單獨模擬各激勵源的作用, 文中選擇在大型循環(huán)水槽中開展水下航行器模型尾段激勵源特性的試驗研究, 通過實測數(shù)據(jù)為其尾段的振動噪聲控制技術(shù)的研究提供支撐。

1 水下航行器尾段激勵源

水下航行器結(jié)構(gòu)主要由自導(dǎo)頭段、戰(zhàn)斗段、電子段、燃料段、動力段、尾段六大艙段組成。其中, 動力段中的發(fā)動機輸出軸通過聯(lián)軸節(jié)與尾段中的推進(jìn)軸連接, 推進(jìn)軸由2段組成, 前一段為花鍵軸, 后一段為尾軸。聯(lián)軸節(jié)與花鍵軸之間、花鍵軸與尾軸之間通過花鍵相連, 推進(jìn)器轉(zhuǎn)子裝在尾軸上, 推進(jìn)器轉(zhuǎn)子為9葉。尾軸前端通過深溝球軸承支撐在液壓齒輪泵安裝板上, 尾軸尾端通過滑動軸承支撐在雷尾連接結(jié)構(gòu)上, 尾軸上安裝一個酚醛樹脂的齒輪, 齒數(shù)為71, 用以帶動液壓齒輪泵轉(zhuǎn)動[6-7]。

從水下航行器動力段和尾段內(nèi)部結(jié)構(gòu)可知, 對于動力段, 其最主要的激勵源是發(fā)動機, 而對于尾段, 其主要激勵源有3個[8]:

1) 推進(jìn)軸: 推進(jìn)軸在發(fā)動機帶動下旋轉(zhuǎn), 在旋轉(zhuǎn)過程中由于各種原因產(chǎn)生振動, 軸系振動通過支撐軸承傳遞到殼體;

2)液壓齒輪泵: 軸系旋轉(zhuǎn)時, 通過安裝在軸系上的齒輪帶動液壓齒輪泵工作, 液壓齒輪泵工作時產(chǎn)生的振動通過安裝板和推進(jìn)軸系傳遞到殼體;

3) 推進(jìn)器轉(zhuǎn)子: 推進(jìn)器轉(zhuǎn)子在尾部非均勻流場中運轉(zhuǎn), 除了產(chǎn)生直接輻射噪聲外, 還將轉(zhuǎn)子非定常激勵通過軸系傳遞到殼體, 使得殼體振動。

為有效降低尾部振動噪聲, 有針對性的采取降噪措施, 需對這3個激勵源的激勵特性進(jìn)行分析, 掌握各激勵源對殼體振動及輻射噪聲的貢獻(xiàn)程度。

2 循環(huán)水槽試驗

在循環(huán)水槽環(huán)境下, 水下航行器尾段的三大激勵源均可以模擬出來。通過電機帶動軸系旋轉(zhuǎn), 可模擬軸系激勵; 在尾軸上安裝推進(jìn)器轉(zhuǎn)子可模擬推進(jìn)器激勵; 在尾段內(nèi)部安裝液壓齒輪泵, 通過軸系帶動液壓齒輪泵工作, 可以模擬液壓齒輪泵的激勵。因此, 可在大型循環(huán)水槽中研究水下航行器尾段的激勵源特性。

試驗在中國船舶科學(xué)研究中心的大型循環(huán)水槽[9]中進(jìn)行。水槽工作段截面為切角矩形, 寬2.2 m, 高2 m, 長度為10.5 m, 工作段水速調(diào)節(jié)范圍為1.0~15.0 m/s, 試驗段中心的壓力調(diào)節(jié)范圍為0.005~0.4 MPa, 滿足進(jìn)行1:1水下航行器激勵源特性測試的試驗要求。

2.1 試驗對象

在循環(huán)水槽中開展水下航行器振動噪聲測試, 試驗的對象為1:1的水下航行器模型1個, 試驗?zāi)Ｐ凸卜譃?段, 即前段、中段, 連接段和尾段, 如圖1所示。

圖1 試驗?zāi)Ｐ徒M成

模型頭段采用玻璃鋼殼體模擬水下航行器的頭段和操雷段殼體, 模型前段為試驗提供與實際工作狀態(tài)一致的流場條件, 表面光滑并達(dá)到密封要求。

模型中間段采用金屬材質(zhì)的圓柱段, 段內(nèi)安裝電機, 為尾部的推進(jìn)器提供動力, 中段上固定的2把劍將整個模型吊裝在循環(huán)水槽的頂部。模型中段滿足電機安裝、排氣通道布置和模型吊裝要求, 同時由于電機水冷要求, 模型中段需進(jìn)水。

模型尾段模擬水下航行器完整的尾艙段和推進(jìn)器, 模型尾段為試驗提供與實際工作狀態(tài)一致的流場條件, 表面光滑并達(dá)到密封要求。

連接段安裝在模型尾段和中間段之間, 在連接段內(nèi)部設(shè)計密封隔板, 保證在試驗時模型尾段的水密。同時在連接段的密封隔板上開有一定數(shù)量的小孔, 用于試驗時引出尾艙段內(nèi)部布置的傳感器導(dǎo)線, 導(dǎo)線通過孔引出后采用環(huán)氧樹脂將孔密封住。密封隔板安裝后需要進(jìn)行尾段的氣密試驗, 以保證尾段的氣密要求, 試驗?zāi)Ｐ桶惭b情況如圖2所示。

圖2 試驗?zāi)Ｐ驮谘h(huán)水槽中的安裝示意圖

2.2 試驗相似準(zhǔn)則

在水槽中開展模型試驗最基本原則是相似準(zhǔn)則, 即幾何相似、運動相似和動力相似。

1) 采用1:1模型以及實際使用的推進(jìn)器進(jìn)行試驗, 保證外形相同。

2) 推進(jìn)器轉(zhuǎn)子0.75處葉切面弦長的雷諾數(shù)(0.75)超過臨界雷諾數(shù)。

4) 試驗時, 滿足軸中心的水速空泡數(shù)和實際航速空泡數(shù)相同, 即

實際航速空泡數(shù)

試驗時的水速空泡數(shù)

2.3 試驗內(nèi)容和方法

為區(qū)分水下航行器尾段三大激勵源作用下的殼體振動響應(yīng), 試驗根據(jù)所施加激勵源的不同分為以下4個試驗項目。

項目1: 只有軸系激勵, 在試驗?zāi)Ｐ椭腥サ敉七M(jìn)器轉(zhuǎn)子及齒輪泵驅(qū)動齒輪。

項目2: 同時施加軸系及推進(jìn)器激勵, 在試驗項目1的基礎(chǔ)上安裝推進(jìn)器轉(zhuǎn)子。

項目3: 同時施加軸系及液壓齒輪泵激勵, 在項目1的基礎(chǔ)上安裝液壓齒輪泵驅(qū)動齒輪。

項目4: 同時施加3種激勵, 在項目3的基礎(chǔ)上安裝推進(jìn)器轉(zhuǎn)子。

根據(jù)所模擬的水下航行器航速的不同, 每個試驗項目均包含2種試驗工況, 即28 kn和36 kn航速工況。根據(jù)前述相似準(zhǔn)則, 試驗的進(jìn)速系數(shù)取為J=J=2.27, 試驗采用等空泡數(shù)方法模擬, 即模型試驗的水速空泡數(shù)等于實際航行空泡數(shù), 模擬50 m深度, 航速分別為28 kn、36 kn時對應(yīng)的空泡數(shù), 通過計算可知, 2種工況下的航速空泡數(shù)分別為5.66和3.42, 根據(jù)進(jìn)速系數(shù)和式(3)得出循環(huán)水槽中轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和試驗水速, 具體試驗工況見表1。

針對每個試驗項目, 將其所包含的試驗?zāi)Ｐ脱b配好后, 將模型安裝于循環(huán)水槽中, 然后開啟循環(huán)水槽, 待循環(huán)水槽滿足試驗測試要求后, 測試試驗?zāi)Ｐ臀捕胃鳒y點在不同運行工況下的振動加速度及輻射噪聲, 并對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析。

2.4 試驗測點布置

試驗中共布置13個振動加速度測點和1個水聽器測點, 每個振動加速度測點位置各布置1個縱向加速度傳感器和1個垂向加速度傳感器, 如圖3所示。其中, 電機安裝板上布置測點A1和A2, 測量電機向基座傳遞的振動; 電機輸出軸的軸承座上布置有測點A3和A4, A3在軸承座上方, A4在軸承座下方, 測量軸承座的振動; 尾段殼體上布置測點A5~A12, 同時測量殼體的法向和軸向振動, A5與A6在同一截面上(A5在模型底部, A6與A5呈90o方向布置在模型右舷), A7與A8在同一截面上, A9與A10在同一截面上, A11與A12在同一截面上。齒輪泵安裝板上布置測點A13, 在離艉軸中心1 120 mm正下方的位置處布置水聽器監(jiān)測點。

表1 試驗工況

圖3 試驗測點布置圖

2.5 試驗數(shù)據(jù)處理

振動加速度和輻射聲壓的1/3倍頻程帶級可通過自功率譜計算得到[10]

某一頻段內(nèi)的振動加速度和輻射噪聲總級可同樣計算

3 試驗結(jié)果與分析

依據(jù)試驗方法和試驗工況開展水下航行體尾段振動源特性的循環(huán)水槽試驗。在試驗中, 記錄各試驗工況下各振動測點的加速度數(shù)據(jù)和監(jiān)測水聽器的噪聲數(shù)據(jù), 并對各數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析, 得到各激勵源的頻率特征, 最終對殼體上所有測點的徑向加速度和縱向加速度進(jìn)行平均, 從而綜合評價各激勵源對殼體振動的貢獻(xiàn)量, 對激勵源進(jìn)行排序, 進(jìn)而確定主要激勵源。

試驗結(jié)果中對頻率作了無量綱化處理, 即采用軸系轉(zhuǎn)速進(jìn)行無量綱化(/0), 而加速度級和水聲級的絕對值也作了一定處理, 只保持差值不變。

隨機選取了A10測點進(jìn)行線譜特征分析。圖4和圖5分別給出了5.6 m/s水速時, 安裝軸系+轉(zhuǎn)子以及軸系+轉(zhuǎn)子+液壓齒輪泵2種試驗工況下, A10測點縱向和徑向加速度線譜。從圖4(a)中可以看出, 在軸系和推進(jìn)器轉(zhuǎn)子共同激勵下, 對于尾段殼體的縱向振動, 比較明顯的線譜為0.73/0(對應(yīng)水流速度), 1/0(對應(yīng)軸轉(zhuǎn)速), 9/0(對應(yīng)轉(zhuǎn)子1階葉頻), 從圖4(b)中可以看出, 對于尾段殼體的徑向振動, 比較明顯的線譜為1/0(對應(yīng)軸轉(zhuǎn)速), 1.55/0(對應(yīng)水速的2倍), 5/0(對應(yīng)軸系轉(zhuǎn)速的5倍), 9/0(對應(yīng)轉(zhuǎn)子1階葉頻)。

圖5則給出了在軸系、轉(zhuǎn)子和齒輪泵共同作用下, A10測點徑向和縱向加速度線譜。從圖中可以看出, 對于縱向振動, 比較明顯的線譜為0.73/0(對應(yīng)水流速度), 1/0(對應(yīng)軸轉(zhuǎn)速), 9/0(對應(yīng)轉(zhuǎn)子1階葉頻), 18/0(對應(yīng)轉(zhuǎn)子2階葉頻), 同時在39/0~395/0之間出現(xiàn)了連續(xù)的寬頻線譜; 對于徑向振動, 比較明顯的線譜為1/0(對應(yīng)軸轉(zhuǎn)速), 1.55/0(對應(yīng)水速的2倍), 5/0(對應(yīng)軸系轉(zhuǎn)速的5倍), 9/0(對應(yīng)轉(zhuǎn)子1階葉頻), 同樣在39/0~395/0之間出現(xiàn)了連續(xù)的寬頻線譜。

圖4 A10測點在5.6 m/s水速下安裝軸和轉(zhuǎn)子時的加速度線譜圖

圖5 A10測點5.6 m/s水速下安裝軸、轉(zhuǎn)子和齒輪泵時的加速度線譜圖

對比上述2種試驗工況可知, 在低頻段(26/0之前), 水下航行器尾段殼體振動主要由軸系和轉(zhuǎn)子引起, 但是在中高頻段(39/0~395/0), 水下航行器尾段殼體振動主要由液壓齒輪泵引起, 同時從加速度幅值來看, 液壓齒輪泵引起的振動響應(yīng)明顯大于推進(jìn)器轉(zhuǎn)子引起的振動響應(yīng)。

將4個試驗項目中, 試驗?zāi)Ｐ臀捕螝んw上所有測點的徑向和縱向振動加速度進(jìn)行平均, 并作1/3Oct比較, 從圖6和圖7均可以較為明顯的看出, 在39/0之前, 在各種激勵下, 試驗?zāi)Ｐ蜌んw的振動響應(yīng)差別較小, 而在39/0之后, 各曲線有了較為明顯的區(qū)分, 安裝轉(zhuǎn)子后, 殼體振動響應(yīng)比只有軸系時有所增加, 而安裝液壓齒輪泵之后, 殼體振動響應(yīng)增大非常明顯。

圖6 5.6 m/s水速下殼體所有測點平均振動加速度1/3Oct帶級比較

表2給出了各試驗項目0.5~1300(歸一化頻率)頻帶范圍內(nèi)殼體所有測點平均振動加速度總級, 從表中可以看出, 對于所有試驗工況, 殼體的徑向振動明顯高于縱向振動, 高出約4~7 dB; 同時試驗水速越高, 殼體振動加速度越大, 高出2~8 dB; 對比不同的激勵源, 可以看出, 只有軸系激勵時, 殼體振動加速度最小, 安裝轉(zhuǎn)子之后, 振動加速度約增加3 dB; 而安裝齒輪泵之后, 相較于只有軸系激勵工況, 振動加速度增大了8~ 12 dB(高速度時增加8 dB, 低轉(zhuǎn)速時增加12 dB); 而在液壓齒輪泵的基礎(chǔ)上安裝轉(zhuǎn)子, 振動加速度繼續(xù)增加3 dB左右。

圖7 7.2 m/s水速下殼體所有測點平均振動加速度1/3Oct帶級比較

由于在試驗時布置有一個水聽器測點, 對各試驗工況下的輻射噪聲進(jìn)行了測量, 考慮到循環(huán)水槽噪聲測量的有效頻段, 在低頻段測試數(shù)據(jù)由于壁面的影響測試數(shù)據(jù)不可信, 因此對于噪聲數(shù)據(jù)選取53 f / f以上的測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

圖8和表2給出了2種水速下, 各工況下53/ f~1300/ f水聲測試結(jié)果比較, 從圖和表中可基本得到與振動情況相同的結(jié)論。

圖8 輻射聲壓的1/3Oct帶級比較

表2 不同工況下平均振動加速度和輻射噪聲總級對比

由此可見, 對于水下航行器尾段, 最主要的激勵源為液壓齒輪泵, 其次為推進(jìn)器轉(zhuǎn)子, 激勵作用最小的為推進(jìn)軸系。

4 結(jié)論

通過在大型循環(huán)水槽中對水下航行器尾段三大主要激勵源特性進(jìn)行試驗, 了解了其尾段各激勵源的頻率特征, 并首次對各激勵源的殼體振動和輻射噪聲的貢獻(xiàn)進(jìn)行了排序, 為水下航行器尾段振動控制技術(shù)的研究提供了參考。試驗結(jié)果表明:

1) 水下航行器尾段最主要的激勵源為液壓齒輪泵, 其次為推進(jìn)器轉(zhuǎn)子, 最次為推進(jìn)軸系;

2) 軸系及轉(zhuǎn)子對殼體的激勵主要體現(xiàn)在低頻段(26f / f以前), 且主要以軸頻、多倍軸頻、葉頻以及二倍葉頻為主, 而液壓齒輪泵對殼體的激勵主要體現(xiàn)在中高頻(39f / f~395f / f), 且表現(xiàn)為寬頻帶的連續(xù)線譜;

3) 在各種激勵源作用下, 尾段殼體以徑向振動為主, 縱向振動相對較小。

通過試驗結(jié)果分析可知, 水下航行器尾段的振動控制應(yīng)首先重點控制液壓齒輪泵的振動及其向殼體的傳遞, 其次才是降低推進(jìn)器轉(zhuǎn)子的非定常激勵力。而從液壓齒輪泵的激勵特性為中高頻以上的寬帶連續(xù)譜可知, 在振動傳遞路徑上采取隔振措施是較為有效的振動控制方案, 由于液壓齒輪泵的激勵可通過齒輪泵安裝板向殼體傳遞, 亦可通過傳動齒輪傳遞到軸系上, 再通過軸系傳遞到殼體上, 因此降低液壓齒輪泵的振動傳遞可同時從這2個方向入手, 即在齒輪泵安裝基座上和軸系支撐軸承上同時采取隔振措施, 從而降低液壓齒輪泵引起的尾段殼體振動和輻射噪聲, 進(jìn)而有效降低水下航行器尾段的振動聲輻射。

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(責(zé)任編輯: 許 妍)

Experimental Investigation on Characteristics of Vibration Excitation Sources for Undersea Vehicle Tail

DUAN Yong1, GUO Jun2, ZHOU Ling-bo1

(1. National Key Laboratory on Ship Vibration & Noise, China Ship Scientific Research Center, Wuxi 214082, China; 2. The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi￠an 710077, China)

To investigate vibration and noise of undersea vehicle tail, experiment was conducted in a large circulating water channel to understand the characteristics of vibration excitation source of the tail. The vibration response and radiated noise of the undersea vehicle tail shell were measured under the impacts of three main vibration excitation sources, i.e., the propulsion shafting, the hydraulic gear pump, and the propeller rotor. Then, the shell vibration response characteristics under the impact of each excitation source and the contribution of each excitation source to the vibration and radiated noise level were compared and analyzed. Results indicate that the hydraulic gear pump is the principal excitation source of the undersea vehicle tail, the propeller rotor is ranked second, and the propulsion shafting is ranked third. This study may provide a reference for research of vibration control technology of undersea vehicle tail.

undersea vehicle; tail; excitation source; propulsion shafting; vibration and noise; circulating water channel experiment

段勇, 郭君, 周凌波. 水下航行器尾段振動激勵源特性試驗研究[J]. 水下無人系統(tǒng)學(xué)報, 2017, 25(4): 332-338.

TJ630; TB53

A

2096-3920(2017)04-0332-07

10.11993/j.issn.2096-3920.2017.04.005

2017-06-09;

2017-06-30.

江蘇省自然科學(xué)基金-青年基金(BK20160201).

段 勇(1981-), 男, 高級工程師, 研究方向為艦船噪聲機理及控制技術(shù).