Kappel桨与传统螺旋桨噪声对比试验

宋晗，王睿，熊鹰

海军工程大学舰船工程系，湖北武汉430033

0 引 言

船舶噪声是由船舶构件产生但又不被人们需要的声音，它的产生会影响到船舶多方面的性能。螺旋桨是船舶3 大噪声源之一，当船舶高速行驶时，发生空化的螺旋桨则成为主要噪声源［1］。在螺旋桨噪声的研究中，模型试验方法是一种重要的途径。空泡水洞是研究螺旋桨水动力性能和空泡性能的主要设备，同时也能用来研究螺旋桨噪声性能。一个具有良好声学性能的空泡水洞应具备2 个条件：一是背景噪声能与测试结果进行有效分离，即具有足够的信噪比；二是试验重复性好，测量结果稳定。本文研究过程中采用的空泡水洞运行稳定，密封性良好，具备进行螺旋桨噪声性能测试的基本条件。在“绿色船舶”背景下，Kappel 桨以其较高的效率［2］具有较广阔的应用前景。台湾海洋大学的黄意程等［3-5］以1 700 TEU 集装箱船为对象设计了一系列Kappel 桨，并通过试验确定了影响Kappel 桨效率提升的因素，进行修正设计后的Kappel 桨较原型桨效率要高3.3%；Inukai［6］设计了叶梢向叶背弯曲的反Kappel桨（BTRP），并对其敞水性能及空泡性能进行了试验研究，结果表明BTRP 的效率要比传统桨高2.6%；Andersen 等［7］采用非平面升力线方法设计了一款Kappel桨，并对其进行敞水实验、空泡观测及脉动压力测量，指出了Kappel 桨原有设计方法上的不足。然而对于Kappel 桨其他方面的性能，国内外研究较少。噪声性能是船舶的重要性能，会对船舶的舒适性等造成很大影响，因此本文将传统螺旋桨与Kappel 桨进行模型试验对比，对海军工程大学空泡水洞的声学性能进行探讨，比较2 种桨在相同工况下的噪声性能，并对Kappel 桨的低噪声设计方法进行探索性研究。

1 试验螺旋桨模型

为了增强研究过程中的可对比性，试验选用空泡性能良好的普通螺旋桨，以及由此桨改型得到的Kappel 桨进行研究，其中Kappel 桨的设计参考文献［8］的方法进行。选用的螺旋桨模型如图1 和图2 所示，均采用铝合金制作，2 种模型主参数如表1 所示。

图1 传统螺旋桨Fig.1 The conventional propeller

图2 Kappel桨Fig.2 The Kappel propeller

表1 螺旋桨几何参数Tab.1 Geometric parameters of propellers

2 试验设施、仪器和测量方法

2.1 试验设施

本试验在海军工程大学空泡水洞实验室进行。空泡水洞工作段封闭，长2.6 m，截面为0.6 m×0.6 m 带圆角的矩形。上、下水平段中心线的高度约为10 m，两个垂直段中心线间距为18 m，收缩比6.25∶1，调压范围为0.05～2 个大气压，空泡数为0.2～3。

2.2 试验仪器

本文采用的试验仪器具体型号及其参数如表2 所示。

表2 试验仪器设备参数Tab.2 The parameters of test equipment

水听器安装在水筒试验段外的水箱内，水箱尺寸（长、宽、高）为0.6 m×0.35 m× 0.3 m，水听器与桨轴中心线同高，与螺旋桨桨盘面为同一平面，正对桨盘面中心，水平距离为0.42 m。水箱与水洞以透声窗相连接，其材料为有机玻璃，如图3所示。

图3 水听器布置图Fig.3 Hydrophone arrangement

2.3 测量方法

在空泡水洞中，在试验设备和模型强度允许的范围内，确定出桨模的转速、水洞工作段进速和桨轴中心线压力。在每个给定的工况下，观察桨模的空泡形态，测量并分析螺旋桨空泡噪声以及背景噪声。

考虑到动力仪的最大转速，流速与动力仪转速需同时满足

式中：va为螺旋桨前进速度；b0.75R为0.75R 处叶切面弦长；n 为螺旋桨转速；D 为螺旋桨直径；γ 为水的运动粘性系数。

为尽可能详尽分析Kappel 桨的噪声性能，试验设计了16 组工况进行噪声测量，其中常压工况8 组，负压0.25 bar 工况8 组，测试1～20 kHz 频段内的噪声谱级和总声级（基准声压：1 μPa）。测量背景噪声时，需取下模型螺旋桨，设置与带桨工作时一致的转速、流速等条件。进行背景噪声测量时，因不带桨模，故动力仪功率不同。在进行噪声分析时未考虑该因素。试验工况如表3 所示。表中，X 表示KP，YX，BJ，其中KP 代表Kappel 桨，YX代表原型桨，BJ 代表不带桨时的背景噪声。例如：No.KP1-4 为Kappel 桨在工况1-4 下的噪声；No.BJ1-4 为不带桨在工况1-4 下的背景噪声；No.YX1-4 则代表原型桨，即传统桨在工况1-4 下的噪声，以此类推。

已知工作段稳定来流速度vm，桨模的转速Nm，桨轴中心线处的压力P0，则转速空化数σn为

表3 噪声试验工况Tab.3 Operating condition of propeller noise test

式中，Pν为汽化压力。

3 试验结果和分析

3.1 声模数

据ITTC［9］的建议，在空泡水筒中进行噪声测量时，希望

式中：N 为声模数；c 为声速；f 为噪声频率；V 为试验段体积。海军工程大学空泡水筒试验段体积（单位：m3）为

当噪声频率高于f0=1 047 Hz 时，满足N＞1 的要求。因此，取模型噪声分析频段为1～20 kHz。

3.2 噪声结果及分析

在进速系数J=0.39～0.91 的各工况下，分别对螺旋桨桨盘面处噪声进行测量，对测得的辐射噪声时域信号进行FFT 变换，得出各工况下噪声功率谱密度曲线。采集仪的采集频率为100 kHz，所有噪声测量结果均采用东华测试软件声学分析模块进行分析：功率谱密度分析采用平均谱计算方式，谱线数为1 600，隔直0.1 Hz，频率间隔24 Hz；A 计权声级由于其特性曲线接近于人耳的听感物性，故1/3 倍频程声压谱分析采用A 计权，分析频带为500 Hz～20 kHz。本文仅给出了典型工况1-2，1-8，2-4 的测试结果（工况1-2 时，两桨均无空泡产生；工况1-8 时，两桨空泡刚产生；工况2-4时，抽真空后两桨空泡产生明显）。

3.2.1 背景噪声测量

水洞背景噪声分为2 个部分，一是水洞本身的振动噪声，主要来源于主电机驱动水泵引起的筒体振动；二是螺旋桨动力仪的振动噪声。在试验的重复性方面，对No.BJ1-1～No.BJ1-5（常压水速2 m/s 背景噪声）进行了3 次测试，测得的数据结果如表4 所示。数据表明，噪声测量系统稳定，试验重复性较好。

表4 3 次常压、水速2 m/s情况下的背景噪声总声压级Tab.4 SPL of background noise under va=2 m/s and P=1 bar for three times

图4 所示为环境噪声、背景噪声连续频谱。从图中可以看出，主电机未开启（水速为0）、动力仪转速为0 时，整个水洞的环境噪声非常小，在低频段（小于1 kHz）时其最大值小于85 dB；开启主电机将水速调至2 m/s，噪声明显增大，这是主电机驱动水泵引起水洞筒体的振动噪声，筒体振动噪声与环境噪声频带总声压级相差15 dB 以上，且在整个频段内均有分布。开启动力仪以后，背景噪声急剧增大，No.BJ1-1 与筒体振动噪声频谱声压级相差20 dB 以上，频带总声压级相差40 dB。随着动力仪转速的增大，背景噪声也逐渐增大，功率谱曲线幅值总体上升，而曲线趋势并没有变化，10 kHz 以后以倍频程3～6 dB 的速度衰减。

图4 环境噪声、背景噪声连续频谱Fig.4 Continuous spectrum of surround and background noise

在负压背景噪声测试过程中发现，在同等条件下，与常压背景噪声相比，负压背景噪声的总声压级要小。表5 给出了常压、负压背景噪声各工况（No.BJ1-1～No.BJ2-8）总声压级的对比。

表5 常压、负压背景噪声各工况总声压级Tab.5 SPL of background noise

对于这种情况，经分析认为，声波传播中传递的是质点的能量，而不是质点。抽真空以后，空泡水洞中的水出现大量气核，在水流中以肉眼可见的状态大量存在着。这些气核对于声波的传递有着较大影响，一方面可以对声波的传播路径产生影响，另一方面可以吸收一部分声波的能量。因此在负压工况下测得的噪声总声压级要低于常压工况。这与张永坤等［10］的研究结果一致，即噪声声压级随着水中含气量的降低而升高。水洞抽真空之后未进行除气，含气量要高于常压状态，总声压级随着含气量的升高而降低。图5为No.BJ2-6～No.BJ2-8 连续频谱图，从图中可以看出，负压背景噪声呈现出与常压背景噪声一样的增长趋势，随着动力仪转速的升高而升高。在高频段，背景噪声主要是筒体振动噪声（图5 圈内部分），与常压背景噪声略有不同。

图5 背景噪声工况2-6 至2-8 连续频谱Fig.5 Continuous spectrum of operating condition from No.BJ2-6 to No.BJ 2-8 of background noise

3.2.2 桨模噪声测量

Kappel 桨是一种具有特殊梢部结构的改进型螺旋桨，在保持原桨形式及布置的前提下，对梢部加以大幅弯曲，旨在提高螺旋桨的效率［11-13］。但是Kappel桨的其他性能，如空泡和噪声性能如何，是否适用于中、高速船舶，正是本次模型试验所关心的问题。

图6 和图7 为2 种桨模在既定工况下各转速空化数σn的总声压级与背景噪声的比较。图8～图10 为2 种桨模在工况1-2，1-8 和2-4 下的1/3倍频程谱，图11～图16 为对应工况的空泡形态。

图6 常压工况总声压级对比Fig.6 Comparison of SPL under P=1 bar

图7 负压工况总声压级对比Fig.7 Comparison of SPL under P=0.25 bar

图8 工况1-2 的1/3 倍频程谱Fig.8 1/3 oct spectrum of operating condition 1-2

图9 工况1-8 的1/3 倍频程谱Fig.9 1/3 oct spectrum of operating condition 1-8

图10 工况2-4 的1/3 倍频程谱Fig.10 1/3 oct spectrum of operating condition 2-4

图11 Kappel桨在工况1-2 下的工作情况Fig.11 Photo of the Kappel propeller under No.KP1-2

图12 传统桨在工况1-2 下的工作情况Fig.12 Photo of the conventional propeller under No.YX1-2

图13 Kappel桨在工况1-8 下的工作情况Fig.13 Photo of the Kappel propeller under No.KP1-8

图14 传统桨在工况1-8 下的工作情况Fig.14 Photo of the conventional propeller under No.YX1-8

图15 Kappel桨在工况2-4 下的工作情况Fig.15 Photo of the Kappel propeller under No.KP2-4

图16 传统桨在工况2-4 下的工作情况Fig.16 Photo of the conventional propeller under No.YX2-4

结果表明：

1）无空泡时，Kappel 桨与原型优化桨的辐射噪声相当。此时的噪声主要是流动噪声，在1～8 kHz之间桨模噪声与背景噪声有较明显的分离，中心频率信噪比为2～5 dB。

冷冻系统节能的评价指标一般用“机房能效”来衡量，即在项目中将所有设备的正常运行功率进行统计，并计算整个冷冻站系统的能耗值，最终得出整个系统的COP。最大负荷运行工况下（夏季全负荷运行）的机房能效值计算如下：

2）随着转速的增大，两桨的噪声总声压级相应增大。Kappel 桨的噪声总声压级的增加速度要比原型优化桨的快，在负压状态下尤为明显。这是因为Kappel 桨的空化初生要比原型优化桨早，并且空泡发展的速度也比原型优化桨快。

3）在同一转速空化数下，Kappel 桨的空泡辐射噪声要明显高于原型优化桨。其原因是相比原型优化桨，Kappel 桨的空化形态更剧烈，当原型优化桨为稳定片状空泡时，Kappel 桨叶梢端已产生泡状空泡。桨叶上产生泡状空泡时，随着空泡大量的溃灭和再生，产生的辐射噪声在各种形态空泡中不管是低频还是高频均为最大。

4）无论是背景噪声还是2 种桨模噪声，其频谱线均在4 kHz 附近存在一个峰值。对于安装水听器的盛水装置，其自振频率可以按下式近似估算

式中：Mx，My，Mz分别为盛水容器边界的方向余弦值，均为1.0；Lx，Ly，Lz分别为盛水容器边界的几何尺寸，分别为0.6，0.35，0.3 m。

代入式中，可得f≈3.5 kHz，与试验噪声频谱峰值频率接近，因此可以用共振现象来解释4 kHz附近的峰值。

作为振荡现象，当声波波长等于筒径时可能会出现驻波，根据公式

式中：fc为驻波频率；λc为驻波波长。

海军工程大学空泡水洞工作段的尺寸为0.6 m×0.6 m，故当驻波波长为0.6 m，即f =2.5 kHz时，噪声谱出现异常，由上面的连续频谱图中均可看出，在频率约为2 kHz 时，噪声出现了较大的减弱现象。

4 结 论

本次试验完成了空泡水洞背景噪声测量以及Kappel 桨与传统螺旋桨模型的噪声测量及对比，并进行了空泡观测。通过对结果的分析可以得出如下结论：

1）海军工程大学空泡水洞的声学性能满足试验要求，噪声测试结果有足够的信噪比。背景噪声主要由动力仪振动噪声和水洞筒体振动噪声组成。环境噪声对背景噪声的影响非常小，可以忽略不计。动力仪的振动噪声对背景噪声贡献较大。由水洞主电机驱动水泵引起筒体振动的噪声在整个频段内均有分布，但是影响不大。随着主电机转速的提高，筒体振动噪声虽然也会增大，但没有动力仪的影响大。

2）在2 次背景噪声测试中，噪声功率谱密度曲线走向趋势一致，8 组常压背景噪声之间的声压级差与8 组负压背景噪声之间的声压级差是相同的，对应的每组常压与负压背景噪声之间的声压级差也相同。

3）负压状态下的噪声声压级要低于常压状态，这是因为水洞抽真空后水中含气量要高于常压状态，水中大量的气核会吸收一部分声波传递的能量，并且对声波传递的路径产生干扰。

4）背景噪声和桨模噪声谱中均存在波峰和波谷。4 kHz的波峰由盛水容器的共振引起，2 kHz的波谷由波长等于水洞工作段尺寸的声波产生的驻波引起。

5）常压工况下，两桨未发生空化时的噪声主要是流动噪声，在1～8 kHz 频带内可以与背景噪声区分，随着空泡的发展，螺旋桨的辐射噪声越来越大，信噪比越来越明显，可在1～20 kHz 频带内区分背景噪声与桨模噪声；负压工况下的信噪比明显高于常压工况。在海军工程大学空泡水洞进行桨模噪声试验，可在中心频率1～20 kHz 频带内明显区分背景噪声与桨模空化噪声。

6）和传统桨的噪声性能相比，Kappel 桨的噪声性能略差，这与其空泡性能相关。本次试验所用Kappel 桨叶梢端弯折部分的拱弧较小，为弯折段的导边先出现空泡，故空泡性能比传统桨略差。随着转速的提高，Kappel 桨的空泡发展变化较传统桨更剧烈，因此测得的辐射噪声总声压级明显高于原型优化桨。因此在进行Kappel桨设计时应综合考虑螺距与拱弧，不仅要考虑导边来流攻角，还需要考虑流体沿整个桨叶剖面的运行状态，尽量保证整个弦向的来流角度与导边来流攻角一致。

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