船艇高速螺旋桨引起的船体振动分析与解决措施

刘小磊 林威 陈海明

摘    要：本文主要介绍了船艇高速螺旋桨在使用过程中引起的船体振动原因，并结合实际案例分析解决此类振动的有效措施。

关键词：高速螺旋桨;船体振动;解决措施

中图分类号：U664.3                                文献标识码：A

Abstract： This paper mainly introduces the causes of hull vibration caused by high-speed propeller in the course of ship operation， and analyzes the effective measures to reduce this kind of vibration based on the actual case.

Key words： High-speed propeller; Hull vibration; Solution

1    前言

随着时代的进步，高速游艇几乎成了奢华的代名词，其集高科技、高速度、高舒适性、高艺术性于一体，推动着潮流的发展。随着人们对高速游艇的高速性和舒适性的要求越来越高，船艇高速螺旋桨引起的船体振动越来越受到关注。虽然引起船体振动的原因是多种多样的，但对高速船艇而言，在螺旋桨、主机、海浪等各种振源中，螺旋桨是主要振源。

2   螺旋桨激励的分类

螺旋桨旋转产生的激振力传递给船体，引起船体的振动。但螺旋桨的激振力成因极其复杂，它与桨的形状参数、叶片数及船体尾部线型和航速等因素相关。

（1）按照激振力的激振频率分类，可分为轴频激励力和高频激励力两类：轴频激励力由桨的制造误差所引起，其激振频率等于桨轴的回转频率，为桨的一阶激振力;高频激励力由桨在不均匀流场中工作而引起，其激振频率为轴的转数乘以叶片数或叶片数的倍数，通常称作为叶频激振力或倍叶频激振力。这种分类方法便于揭示桨对于船艇激励的频率成分，对于避免引起船艇共振和结构设计尤为重要。

（2）按照桨的激振力的形成、传递和作用方式分类可分为表面力和轴承力两类：桨旋转时，在桨附近的船体表面会形成变动的水压力，沿船体表面对该水压力积分可得到桨对船体的总激振力，称为表面力;由于桨叶上的变动流体力所引起的激振力，通过轴系和轴承传递给船体，称为轴承力。这种分类方法对尾部和船体响应的计算很重要，可作为直接的信息和指标。

3   螺旋桨设计阶段的防振措施

3.1  桨的叶片数选型

螺旋桨按频率分类，可分为轴频N及叶频NZ两类：轴频N为螺旋桨轴的回转速度;叶频NZ为螺旋桨轴的回转速度N乘以叶片数Z。在确定螺旋桨的叶片数时，应尽量避免引起船的整体或局部的振动。即桨的轴频N与叶频NZ应与船整体或局部振动的第一谐调固有频率相差±15%以上，与第二谐调固有频率相差±20%以上。小型高速船艇更易产生局部振动，因为桨的叶频NZ与局部振动频率更易接近，因此在螺旋桨设计阶段要着重计算船体的阻振频率，并采用频率设计法或频率错开法来确定桨的叶片数，避免引起共振。

3.2  桨的直径选型

我们知道，螺旋桨叶梢与船体的间隙大小直接影响对船体产生激振力的大小。在高速游艇中，轴系设计时一定要引起高度重视。按照《钢质海船入级与建造规范》再结合大量实际案例可知：一般要求桨的叶梢距船底最小间隙为14%D（D为桨的直径），且尽量选择大于0.2D。如果间隙过小，则桨的激振力作用于船底时更容易引起船体振动。

下面结合实例分析螺旋桨的直径D对作用于船体底部激振力大小的影响：

我司（Hin Lee） #5002玻璃纤维双体高速客轮主尺度如下：

该船在60%载荷情况下：设计航速约24 knots;轴线实际角度8.1°;螺旋桨叶尖距船底最小间隙200 mm（16.9%D）。

初次试航时，按设计采用螺旋桨型号为：直径1.2m;叶片数4片;螺距1.145 m;盘面比0.81。试航过程中，航速可达24.5 kn，主机转速可达1 920 r/min，其它性能也能达到BV船级社要求。

但通过测振仪检测，在螺旋桨上方舵机舱底处船体局部振动值达到16.5 mm/s，振动情况严重，不仅会影响乘客舒适性，也会对结构造成损伤。

通过对振动频率的测量分析和振源的调查，定性为螺旋桨激振力过大而引起船体局部振动。考虑到施工工艺的简捷性和经济性，再结合本船对航行性能的要求，最终决定：减小螺旋桨的直径至1.16 m;螺距不变;增大叶梢距船底最小间隙至19%D。经试航检测：主机转速为1 980 r/min，航速为24.1 kn，桨上方舵机舱底处船體局部的振动值大幅下降为5.4 mm/s，不但能满足舒适性要求，还可减少桨的激振力对结构的损伤。此种通过减小桨的直径D来增大叶梢距船底间隙，从而减少桨作用于船体的激振力达到减振的方法简单快捷。但必须注意，此种方法只能用于船的实测航速比设计航速有足够富余的情况，否则虽然适当减小桨的直径会使桨的转速上升，但同时也会降低桨的效率和轴功率，最终有可能会导致实测航速小于设计航速的得不偿失的情况。

3.3  桨的叶型选型

本设计采用侧斜桨叶。此种桨叶在不同半径处的切面依次进入伴流突变区，故推力和转矩变化比较均匀，可以很大程度上减小桨叶面的脉动压力，故不容易引起桨的激振。如图1所示：我们用一个典型的四叶桨作研究测试，采用四种不同角度的侧斜桨叶，随着桨叶侧斜角度的增加，由桨产生的脉动压力的幅值逐渐减小。但在实际设计过程中要注意：侧斜过大的桨叶，在铸造成型后因其盘面比较大，叶片与叶片根部的重叠部分较大，容易产生气蚀现象，缩短桨的使用寿命，而且会导致叶面的精磨加工及螺距调校等方面的困难。

4   螺旋桨加工阶段的防振措施

4.1 将桨的静力不平衡引起的轴频激振力控制在合理范围内

在桨的制造过程中，因桨叶夹角不完全相等、叶宽和叶厚也不尽相同等各种原因会导致桨的质心偏离轴心线，因此当桨高速旋转时就会产生垂直于桨轴的离心惯性力，即轴频激励力。若不将此激励力控制在合理范围，则此力会通过尾轴轴承传递给船体，从而引起船体振动。

为了将此激励力控制在合理范围内，桨铸造完工后要对其进行必要的静平衡校验，使桨的静力不平衡重量及角度分布达到现有高速艇用桨的Class“S”等级要求。为满足此工艺要求，我司引进了“北京青云航空仪表有限公司”生产的YYH—1000A平衡机。在使用此机时依桨的尺寸及重量等，按要求将桨叶沿轴向平均分成平面A及B两个平面，然后将桨安装在两个带传感器的支撑轴承上，再给其一定的转速。通过机器的静平衡模式，我们可测得平面A及平面B的静不平衡重量，此重量要求≤3g;平面A及平面B的静不平衡重量分布在径向180°角度位置。如果能同时满足以上两点，即可将桨的静不平衡力矩控制在合理范围，从而将桨因制造误差而引起的径向静力不平衡力矩而产生的轴频激励力控制在合理范围内。

4.2  将桨的动力不平衡引起的軸频率激励力控制在合理范围内

通过静平衡处理并符合Class“S”等级要求的高速桨，在转动过程中虽然质心在同一回转轴心线上，但各桨叶在轴线方向前后位置上由于制造误差也会有不同程度的错位。此错位会导致各桨叶质心不在同一桨盘面内，当桨高速旋转时各桨叶产生的离心力会形成垂直于桨盘面的不平衡力矩，此力矩会引起桨轴沿轴向的弯曲振动，并通过尾轴轴承传递给船体引起船体的振动。所以高速桨除做静平衡校验外还必须做动平衡校验，使其动力不平衡的重量和角度分布达到现有艇用高速桨的Class“S”级别要求。

为满足此要求，我司同样采用上述平衡机，以相同于静平衡的安装方法将桨固定安装并分成两个平面，然后依照机器的动平衡模式可测得平面A及平面B的动不平衡重量，此重量要求≤10 g;平面A及平面B的动不平衡重量分布于径向180°角度位置。如果能同时满足以上两点要求，即可将桨由于制造误差而引起的轴向动力不平衡力矩而产生的轴频激励力控制在合理范围内。

4.3 将桨的水动力不平衡引起的轴频激励力控制在合理范围内

由船用螺旋桨原理可知：在敞水中旋转的桨，若各桨叶无误差且桨盘面上流场均匀，则每一桨叶上所产生的推力Ti及旋转阻力Ri都相同，桨的总推力T必与桨轴心线重合，而各桨叶的旋转阻力合力R也为零。

但桨在制造过程中难免会产生各叶片螺距不等、桨叶夹角不等、各桨叶长度和相同半径处宽度不等等问题，因而即便是机械平衡性再好的桨，在敞水中旋转时也会产生水动力不平衡，其中以各桨叶间螺距差异影响最大。由于来流对各桨叶的冲角不同，每一个桨叶上的推力Ti和旋转阻力Ri也不相等，导致桨的总推力T不与轴心线重合而产生周期性轴频力矩;另外，旋转阻力的合力R也不为零，也会产生周期性轴频力矩。此两种力矩通过尾轴轴承传递到船体，从而引起船体振动。

为控制由于螺距差而产生轴频激励力的大小，我司引进了“Prop Scan EPS”螺旋桨螺距检测及调校设备，结合艇用高速桨Class“S”级别要求，若我们把每片桨叶相同半径处螺距Pi的误差控制在±0.75%，且每片叶的总平均螺距误差P控制在±0.5%范围，则可以将桨的水动力不平衡引起的轴频激励力控制在合理的范围内，见以下实例：

我司（Hin Lee） #5007游艇主尺度如下：

该艇所用螺旋桨型号如下：叶片数4片;直径775 mm;设计螺距535 mm;盘面比0.55。经初次试航，各航行性能均能达到合约要求。

但测量出右主机经减振机脚减振后振动值为48.6mm/s，舵机舱右尾人架顶局部振动值为10.7 mm/s，均明显高于正常值。但振源不确定，故安排此船上船台检查分析：（1）通过试航过程中由主机供应商所测得的主机各参数分析，排除由右主机各缸做工不均衡等情况而引起的主机自身振动;（2）断开右减速箱输出法兰与联轴器的联接，并重新进行对中检测，结果也在合理范围;（3）拆掉右尾轴，上车床检测其圆柱度及联轴器的平面度等也属正常;（4）检查右轴承的完整性及布局，均正常;（5）重新核算螺旋桨的叶频与轴频和船体舵机舱的局部固有频率差，亦不在引起局部振动范围;（6）对右桨重新进行了静平衡与动平衡测试，其性能也达到Class“S”等级要求;（7）对该右桨螺距进行重新测量，发现叶片3在其各半径处螺距与叶片1、2、4相比，部分明显超出±0.75%范围;叶片3的总平均螺距与叶片1、2、4相比，亦超过±0.5%范围，故其螺距误差不满足Class“S”等级要求。

为此，我们用螺旋桨调校仪对该桨重新进行调校。鉴于桨叶根部0.3R及0.4R处桨叶的厚度及其受力情况，我司所使用的螺距调校仪对此两点螺距调节存在工艺上的困难，故只合理的调整了由0.5～0.95R处螺距，使其各半径处螺距差及总平均螺距差满足Class“S”等级要求。

随后，我们对该艇重新下水试航并进行振动测试得出：右主机经减振脚后的振动值为10.2 mm/s，舵机舱右尾人架顶船体局部振动值为2.1 mm/s，两者振动值均明显下降且均在合理范围内。由此可见，各桨叶间螺距差亦是引起螺旋桨激振力大小的重要因素之一。

5   螺旋桨制作完工后的减振措施

5.1  改换多叶桨

一般情况下，对于已经建造好的船艇，通过改变螺旋桨参数来减小桨的激励力是比较困难的。但通过改变桨的叶片数来错开激励频率，通常可作为一种备选方法。

5.2  切除桨叶部分叶梢

切除部分叶梢，即增加叶梢与船体间的间隙，此种方法可以直接有效的减小桨的激励力。

5.3  在尾部桨的上方安装导流鳍

在船艇尾部桨的上方安装导流鳍，相当于设置外整流附件，可以在一定程度上改善尾伴流的均匀性。特别是对于高速艇，由于主机转速高、桨的负荷大，故伴流的不均匀性对桨的激励力大小影响比较显著。但在桨的上方安装导流鳍必然也会影响叶梢距船底的间隙，导致新的问题产生，故此种方法在使用时一定要设计好导流鳍的外形尺寸和位置，使其不过多的影响叶梢距船底间隙的同时亦能起到在一定程度上改善尾伴流均匀性的作用，从而达到减小桨作用于船体表面激励力的目的。

6   总结

本文通过桨的设计 、加工和完工后三个阶段，分析了船艇高速螺旋桨引起的船体振动产生原因，并结合典型实例阐述了解决此类振动的方法及注意事项，对解决艇用高速桨引起的船体振动具有参考价值。

参考文献

[1]金咸定， 夏利娟. 船体振动学[M]. 上海交通大学出版社，2011.

[2]孙自力， 曹乃志. 船舶用螺旋桨原理及修理[M]. 哈尔滨工程大学出版社，2010.