侧向推进器的静音设计及试验验证

陈智同，赵广伟，郝 璇，金之国

(1.江苏科技大学 海洋装备研究院，江苏 镇江 212003；2.江苏科技大学 船海学院，江苏 镇江 212003； 3.江苏中智海洋工程装备有限公司，江苏 镇江 212000；4.镇江南徐船舶机械有限公司，江苏 镇江 212028)

侧向推进器的静音设计及试验验证

陈智同1，3，赵广伟2，郝 璇3，金之国4

(1.江苏科技大学 海洋装备研究院，江苏 镇江 212003；2.江苏科技大学 船海学院，江苏 镇江 212003； 3.江苏中智海洋工程装备有限公司，江苏 镇江 212000；4.镇江南徐船舶机械有限公司，江苏 镇江 212028)

针对侧向推进器降噪需求，采用双层隧道结构、弹性缓冲连接、加装吸音材料等技术，设计了一款静音侧推器；制作了原始样机及静音设计样机，进行了振动和噪声对比试验研究。结果表明：原始样机在低转速时电机是主要噪声源，高转速时螺旋桨和齿轮箱是主要噪声源；采用静音设计的侧向推进器振动和噪声均明显改善，平均噪声降低6.7 dB，静音设计侧向推进器高转速下主要噪声源为驱动电机。

侧向推进器；静音；减振；降噪；隔音罩

0 引言

侧向推进器[1-2]是产生船舶横向推力(侧推力)的特殊推进装置，装在艏部或艉部水线下的横向隧道中，又称隧道推进器。大型船舶在离靠码头、进出运河与船闸等情况下，需要慢速改变航向，此时舵效较差，仅靠舵效改变航向不能满足要求。因此，侧推装置在大型集装箱船、滚装船上广泛应用。深海工程船舶若要在恶劣海况中灵活操纵和动态定位，侧推装置是必不可少的动力设备。

大部分船舶的上层建筑布置在船艏，艏侧推进器运行的振动和噪声对工作和生活区域产生很大影响[3-5]。工程船舶上通常装备繁多的高精声学设备，且大部分安装在船舶底部，对侧推装置的振动和噪声要求较高。目前，国外侧向推进器技术领先，但价格昂贵，后期维护费用大。国产侧推产品振动噪音大，产品寿命短，不能装备高端船舶。因此，有必要研究静音型侧推装置。

船舶在均匀流和浪流航行时会产生各种噪声，就其分类主要有3大噪声源：结构噪声、水动力噪声和螺旋桨噪声[6]。因此，侧向推进器的降噪技术可从结构、水动力、螺旋桨等几个方面考虑。常采用的低噪声设计的方法有隔声罩、吸声层等[6]。吴寅生[7]研究了侧推筒体及封盖的水动力学性能。在降噪设计方面，兰江华等[8]进行了隔声结构设计对方舱电站降噪研究。本文综合采用双层隧道结构、弹性缓冲连接、加装吸音材料等技术，开发设计静音型船用侧推装置

1 侧推装置的静音设计

侧推装置按布置位置可分为：艏侧推、艉侧推、舷内式和舷外式；按产生推力分为：螺旋桨式和喷水式；按原动机分为：电动式、电液式和柴油机驱动式；按传动形式分为：L型和Z型传动。图1a)为某型号艏侧推装置，采用电动式螺旋桨推进，L型布置。该侧推器装备船舶后，舱室噪声达90 dB，不能满足高端船舶的静音需求。为此，制造企业采用了多种方法改进噪音，包括改进轴承、提高齿轮加工精度、改进装配工艺等，使成本增加，但噪音改善效果不明显。本文在原有型号基础上进行改进设计，NX180静音侧推器如图1b)所示。

1.1 双层隧道结构

图1a)所示的普通侧推，只有一层隧道与电机直接焊接在一起。图1b)所示的NX180静音侧推器采用双层隧道的结构，外隧道焊接在船体结构上，内隧道安装在外隧道内，连接齿轮箱、螺旋桨和变频电机。这种双层隧道结构很好地阻隔船舶内外噪声的传递路径，使得电机噪声往水域的传递被部分阻隔，同时齿轮箱和螺旋桨噪声往舱室的传递也部分阻隔。

1.2 弹性缓冲连接设计和吸音材料的使用

螺旋桨运转时产生的气穴会引起振动和噪声，齿轮箱结构振动会引起结构噪声。在双层隧道之间，两侧水平方向通过弹性缓冲连接起到阻隔结构噪声的作用。在双层隧道的顶部设置蝶形弹簧，可起到密封和减振作用。

螺旋桨和齿轮箱通过蝶形弹簧连接在内隧道内，螺旋桨产生的气穴噪声被双层隧道结构阻隔，齿轮箱的结构噪声被双层隧道间的弹性缓冲阻隔。

吸声材料具有较强的吸收声能、减低噪声的性能，经常被用于设备减噪。在双层隧道之间填充聚氨酯材料，起到吸声和隔声的作用。

1.3 隔音罩设计

电机噪声是电动侧推器的主要噪声源之一，如采用低噪声的电机将大大增加成本。在静音侧推器的电机外围设计一个隔音罩，主体用木材，中间夹有吸声材料，很大程度地吸收了电机噪声。

2 侧推装置静音设计的试验验证

为了研究侧推装置的静音设计的效果，本项目设计了相应试验方案。

将侧推装置固定在焊接平台的专用支架上，其机械、电气部分全部安装、调试完毕。在侧推装置周围选择9个测点测试噪声声压，分别位于螺旋桨(齿轮箱)高度和推进电机高度，以及侧推装置的正上方。同时，在电机和壳体上布置了多个加速度传感器，以便对照分析。

本文进行了2种样机的对比测试。原始样机采用单层壳体结构，电机座直接连接到壳体上。静音设计样机采用双层壳体结构，电机通过蝶形弹簧连接到外壳上，两层之间采用弹性连接。

2.1 侧推装置的振动和噪声对比

侧推装置的齿轮箱传动比为2.06，选用电机最高转速为900 r/min。通过电器控制柜调频控制电机转速，实测不同的电机转速下的振动和噪声。为保证环境噪声尽量低，试验安排晚上进行，实测环境噪声40 dB。

电机转速300、600、900 r/min时，各测点的振动和噪声分别见表1和表2。

表1 不同转速下的测点振动对比 g

表2 不同转速下的测点噪声对比 (dB，A计权)

测点位置300r/min600r/min900r/min原始样机静音样机原始样机静音样机原始样机静音样机电机左侧1m76．8469．0379．5570．7482．2473．53电机后1m77．4870．9581．3573．1684．6676．26电机右侧1m78．2072．0381．2473．5483．9875．66电机前1m72．9468．4876．6571．2380．6674．62螺旋桨前1m73．3369．6377．4274．5080．7379．46螺旋桨左侧1m75．9970．5281．1772．3285．9576．46螺旋桨后1m77．3772．7381．9677．1886．7881．91螺旋桨右侧1m78．1473．3483．2275．1388．1077．70电机上方1m78．9875．0678．9975．3380．1777．23平均值76．5971．3180．1773．6883．7076．98

由表1和表2分析可得以下结论：

(1)静音设计样机采用双层壳体结构，并增加弹性缓冲连接，壳体振动仅为原始样机的40%。静音侧推器的振动大大改善。

(2)各点对比结果表明：电机的振动最大，高转速下电机的振动明显加剧。最高转速下，静音侧推器的电机振动改善了约20%。

(3)随着转速增加，噪声增加；低转速时电机噪声比螺旋桨和齿轮箱大，高转速时螺旋桨和齿轮箱的噪声比电机大。

(4)最高转速下，静音侧推器的平均噪声降低了6.7 dB，起到了很好的降噪效果。

2.2 侧推装置的噪声频谱分析

由表2表明螺旋桨右侧测点的噪声较大。为进一步分析静音设计样机的降噪性能，下面以螺旋桨右侧测点为例进行频谱分析。

图2为原始样机900 r/min时螺旋桨右侧噪声频谱图， A加权。由该图看出，频率1 kHz的结构噪声较明显。此时的电机控制频率为30 Hz。由图中还看出，高频噪声成分丰富，在(2.00+0.03)、(4.00+0.60)、(6.00+0.90) kHz等倍频特征明显，反应电机的电磁噪声与控制频率的耦合。

图3为同一测点同一工况采用静音设计的前后对比图，实线为原始样机，虚线为静音设计样机。由该图可以看出，采用静音设计后，频率1 kHz的结构噪声得到显著控制；原始样机500 Hz的峰值被完全消除，最大峰值由75 dB降为64 dB，可见采用静音设计的效果明显。

另外，图3可以看出，采用静音设计后，(2.00+0.03) kHz其倍频的电机噪声依然存在，但降低了很多。2 kHz和4 kHz的频率特征尤为明显，说明原始样机的结构噪声得到很好治理后，电机噪声突显，成为重要因素，因而下一步噪声治理可从电机角度出发。

图4为900 r/min螺旋桨右侧噪声的1/3倍频程频谱图。由该图看出，静音设计后各频谱范围的噪声都大大降低，同样验证了图3的结论。

3 结论

本文对船用艏侧推进器进行静音设计，并进行了试验验证，从幅值和频率2个方面进行分析，结果表明：

(1)采用双层隧道结构、弹性缓冲连接、加装吸音材料等手段，使得侧推器的振动和噪声大大改善，对类似结构的设计具有一定的借鉴作用。

(2)原始样机的螺旋桨和齿轮箱是主要噪声源，采用静音设计后得到很好改善，侧推器的平均噪声降低了6.7 dB。

(3)采用静音设计后，使壳体和电机振动都得到很好改善。壳体振动仅为原始样机的40%，电机振动改善了约20%。

[1] 何建华.超静音侧推的技术特点及应用[J].中外船舶科技，2012 (2):15-17.

[2] 龙飞,王孟莲,杨俊飞.艏侧推装置及其应用研究[J].船电技术，2015(2):6-9.

[3] Brunvoll. Technical specification Brounvoll super silent tunnel unit[R].Norway:Brunvoll,2010.

[4] 宋现国,赵日定,蒲莉.侧推减阻降噪装置设计与应用探索[J].船舶工程，2015,37(1):62-64.

[5] 张志兵. 航天测量船航海保障技术[M]. 北京: 国防工业出版社，2009.

[6] 周炎,李国刚,童宗鹏. 船舶低噪声设计技术研究[J]. 上海船舶，2010 (1):31-34.

[7] 吴寅生. 海洋科学考查船侧推筒体封盖水力载荷及封盖对侧推力的影响研究[D]. 湘潭:湖南科技大学，2012.

[8] 兰江华,刘建群,刘晓芳，等.方舱电站降噪技术研究[J].机械设计与制造，2018(11):114-116.

2017-01-27

国家自然科学基金项目(51405202)；江苏高校高技术船舶协同创新中心项目(HZ201601687341601-5)

陈智同(1987—)，男，工程师，主要从事船舶与海工装备总体设计及性能研究工作。

U664.3

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