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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