朱林波 劉亮清 史志賽

（1.中國船舶重工集團公司第七一一研究所 上海200090；2.船舶與海洋工程動力系統(tǒng)國家工程實驗室 上海 201108）

引 言

全回轉(zhuǎn)推進器在破冰船的裝機數(shù)量越來越多，近年來，一些新建科考船的船東也在考慮使用全回轉(zhuǎn)推進器，尤其對水下噪聲要求比較高的新型科考船。新型綜合科考船要求能承擔(dān)海洋資源、海洋生態(tài)環(huán)境、生物多樣性、地球物理化學(xué)、水文、大氣等多學(xué)科海上綜合考察和研究任務(wù)，配備眾多高精度水下探測設(shè)備、儀器，設(shè)有多學(xué)科實驗室，載員多，對水下噪聲等級提出更高要求。既要有破冰功能，又需要滿足DNV·GL Silent R或CCS Underwater Noise 1入級，甚至ICES209標(biāo)準(zhǔn)和要求的全回轉(zhuǎn)推進器也正在設(shè)計開發(fā)中，通過開展對此類推進器應(yīng)用特點分析和實船應(yīng)用調(diào)研，分析總結(jié)出這些要求下的全回轉(zhuǎn)推進器技術(shù)現(xiàn)狀，提出控制水下噪聲措施的建議，為全回轉(zhuǎn)推進器的選型以及推進裝置設(shè)計給出合理化建議。

1 全回轉(zhuǎn)推進器在破冰/科考船領(lǐng)域的應(yīng)用特點分析

舵槳裝置和吊艙都屬于模塊化的全回轉(zhuǎn)推進器，此類推進器可在工廠車間里完整組裝，安裝與維修也十分方便。

舵槳裝置主要由變速齒輪、傳動軸、螺旋槳和操舵裝置組成，通過傘齒輪傳動機構(gòu)使螺旋槳或?qū)Ч芡七M器能在水平面內(nèi)繞豎軸作360°轉(zhuǎn)動，用以推進并操縱船舶。舵槳裝置推進器可采用調(diào)距槳，推進動力仍在船舶艙室內(nèi)。

吊艙式就是推進電機直接和螺旋槳相連，組成一個獨立推進模塊，并吊掛在船體底部，電機直接在水下推進。吊艙不需要使用機械式齒輪傳動裝置，其傳動效率要比舵槳裝置高。一般采用定距槳，其機械結(jié)構(gòu)更簡單。

全回轉(zhuǎn)推進器可以自由轉(zhuǎn)動并產(chǎn)生任意方向的推力，其優(yōu)越性還體現(xiàn)在既可以設(shè)計成推式，也可以為拉式。拉式推進裝置的螺旋槳布置在裝置前端，直接面向來流，其伴流區(qū)比較均勻，提高螺旋槳的水動力效率并減少空泡現(xiàn)象，從而降低系統(tǒng)產(chǎn)生的噪聲和振動。

舵槳裝置在海洋工程作業(yè)船上使用較多，吊艙由于成本較高，主要應(yīng)用在破冰船與大型郵輪等。由于全回轉(zhuǎn)裝置作為矢量推進的優(yōu)勢，船舶操作性能比較好，尤其吊艙，在破冰船上應(yīng)用較多。ABB最初開發(fā)吊艙原型機就是應(yīng)用在破冰船上（1990年改裝船Seili［1］），主要優(yōu)勢為：使用倒航破冰，可以斜向破冰，開出比船寬還寬的航道（見圖1）。隨后，吊艙在大型郵輪上被大量使用，ABB又進一步開發(fā)出緊湊型吊艙，應(yīng)用于漁業(yè)船、科考船等。

圖1 破冰船開辟航道示意圖

在科考船應(yīng)用領(lǐng)域上，由于科考設(shè)備使用及減少對魚群干擾等強烈需求，科考船對水下噪聲的輻射要求比較嚴(yán)格，DNV·GL參照ICES209合研報告，根據(jù)船舶適用范圍，提出了一系列水下噪聲入級符號Silent-A、-S、-F、E、-R。在2018年，CCS根據(jù)國內(nèi)日益發(fā)展的科考船以及船舶降低水下噪聲對環(huán)境影響的迫切需要，結(jié)合國內(nèi)造船實際，提出了水下噪聲的入級標(biāo)準(zhǔn)：Underwater Noise 1/2/3（以下簡寫URN-1/2/3）［2］，其中“1”表示水下輻射噪聲最高等級。主要的水下噪聲標(biāo)準(zhǔn)要求參見圖2。

圖2 主要的水下噪聲標(biāo)準(zhǔn)

1.1 全回轉(zhuǎn)在破冰船上的應(yīng)用特點

同傳統(tǒng)軸槳推進相比較，全回轉(zhuǎn)推進器在破冰方面具有如下優(yōu)點：

（1）推進效率高，水動力特性較好。

（2）采用倒航破冰方式，破冰型船舶整體破冰效率比配置傳統(tǒng)軸推的船舶提高40%以上，尤其商用貨船，可走極地捷徑航線，意義更加重大。采用斜向破冰（見圖1），增加航道寬度，可為大型船舶服務(wù)。

（3）取消了尾軸、尾側(cè)推器、舵機系統(tǒng)等，無需專門的冷卻系統(tǒng)，從而節(jié)省艙容，簡化安裝。

（4）為船體（尤其是船尾和集控室部分）的設(shè)計提供了很大靈活性。

（5）噪聲低、振動小、廢氣排放減少。

（6）推進器可在360°水平范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)，大大提高船舶操縱性和機動性。

綜上所述，全回轉(zhuǎn)吊艙以及舵槳裝置在破冰船上使用較多，技術(shù)較成熟，優(yōu)勢明顯。

1.2 全回轉(zhuǎn)在科考船的應(yīng)用特點

全回轉(zhuǎn)裝置包括吊艙、舵槳裝置在內(nèi)的推進器在科考船上的應(yīng)用特點如下：

（1）采用吊艙，由于無齒輪傳動，推進電機使用低速機，因此相對于高速電機，可有效降低船舶振動和噪聲，改善舒適性。

（2）由于吊艙電機安裝在水下，電機是主要的水下噪聲輻射源，因此需要采取多種措施來降低所產(chǎn)生的水下噪聲，技術(shù)上更復(fù)雜。

（3）由于舵槳裝置含有齒輪傳動機構(gòu)，在某些頻率下會有尖峰值（見下頁圖3）［3］，且即使采用提高齒輪加工精度等措施，仍無法避免。所以應(yīng)避免或盡可能減少使用齒輪組傳遞，比如一些廠家使用立式永磁電機直接驅(qū)動，以減少上部齒輪組。

圖3 齒輪傳動的水下輻射噪聲的圖譜例子

（4）根據(jù)國際海洋考察理事會（ICES）“合作研究報告第209號”（CRR209）分析結(jié)論，滿足CRR209的水下噪聲輻射（類似于DNV·GL Silent R）的科考船，盡量不使用可調(diào)槳。采用可調(diào)槳的主推進裝置在軸轉(zhuǎn)速可變以及遠離最佳設(shè)計螺距的螺距設(shè)定處降低轉(zhuǎn)速操作，可導(dǎo)致更加不利的空化特性［4］。有較多證據(jù)表明：可調(diào)槳在螺距和轉(zhuǎn)速改變下，水下輻射噪聲水平會急劇提高，特別是螺距突然變化的時候。

（5）由于電動機的轉(zhuǎn)矩受限制，要求較高的軸轉(zhuǎn)速，有些情況下無法實現(xiàn)最優(yōu)螺旋槳效率。

1.3 吊艙與舵槳裝置在破冰/科考船應(yīng)用特點對比

對比基于吊艙和舵槳裝置采用敞水槳（無導(dǎo)管），舵槳裝置在艙室內(nèi)采用立式電機驅(qū)動，這兩種不同形式全回轉(zhuǎn)在破冰/科考船上使用對比見表1。

表1 吊艙與舵槳裝置的比較

續(xù)表1

從表1對比分析得出：在破冰領(lǐng)域，吊艙的優(yōu)勢明顯且應(yīng)用最廣泛，但在滿足水下輻射噪聲Silent R要求的科考船，均在技術(shù)上遇到難題。

2 主要廠家的全回轉(zhuǎn)推進器在破冰/科考船領(lǐng)域應(yīng)用情況

由于在破冰科考船上應(yīng)用多年，國際主流的舵槳裝置及吊艙廠商積累了較多使用經(jīng)驗。舵槳裝置廠家在破冰/科考船上的使用情況對比見下頁表2，吊艙推進器廠家在破冰及科考船上使用現(xiàn)狀見下頁表3，應(yīng)用情況來源于方案咨詢及廠家宣傳資料。

從應(yīng)用市場情況來看，ABB的吊艙應(yīng)用較多，粗略統(tǒng)計，ABB的各種吊艙系統(tǒng)已經(jīng)裝船130多套，尤其在破冰船和科考船領(lǐng)域積累了豐富的經(jīng)驗，型號細分彰顯專業(yè)。ABB也在加速開發(fā)滿足Silent R級的科考船上的吊艙，只是目前暫無工程應(yīng)用實例。

3 破冰型科考船用全回轉(zhuǎn)推進器水下噪聲控制措施建議

水下輻射噪聲主要由機械噪聲、螺旋槳噪聲和流體噪聲組成［5］。在11 kn航速及以下時，船體外板經(jīng)過光順設(shè)計，流體噪聲對水下噪聲影響一般可以忽略。艙內(nèi)的水下噪聲控制主要集中在機械噪聲控制，主發(fā)電機組和輔機通過隔振設(shè)計能夠達到分解的指標(biāo)要求，因此，影響水下噪聲的難點在于推進裝置。

表2 主要廠家的舵槳裝置在破冰及科考船上應(yīng)用現(xiàn)狀

表3 吊艙在破冰及科考船上現(xiàn)狀

從目前的工程實例來看，常規(guī)軸槳式電力推進船能夠達到DNV·GL Silent R要求，全回轉(zhuǎn)推進器目前還沒有滿足該標(biāo)準(zhǔn)的工程案例，甚至DNV·GL Silent F級也沒有。針對此類型船水下噪聲控制措施及方法，建議如下：

3.1 針對船舶需求選擇適合的水下噪聲標(biāo)準(zhǔn)

目前認(rèn)可的水下噪聲標(biāo)準(zhǔn)為DNV·GL Silent系列以及CCS的標(biāo)準(zhǔn)URN1/2/3，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)見圖2。從以上標(biāo)準(zhǔn)可以看出，在100 Hz以下，CCS URN1在10 Hz和12.5 Hz相對于DNV·GL Silent R的要求更嚴(yán)格一些。該頻段經(jīng)過修正后，一般影響不大。在16～80 Hz頻帶內(nèi)，相對于DNV·GL Silent R有一定程度的放松，頻率100 Hz以后，下水噪聲數(shù)值和DNV·GL Silent R數(shù)值重合。CCS URN2的數(shù)值比DNV·GL Silent F有2～4 dB的放松。

對于實現(xiàn)DNV·GL Silent R，主要難度在于低頻率段頻，尤其在25～63 Hz。該頻段噪聲一部分來源于發(fā)電機機組，機組經(jīng)過良好隔振后，可以達到分解指標(biāo)；另外一部分來源于推進電機，全回轉(zhuǎn)推進器電機較難實現(xiàn)。CCS URN1入級對于此區(qū)域的要求有所放松。因此針對船舶實際需求，選擇滿足要求的水下噪聲標(biāo)準(zhǔn)尤為重要。

3.2 全回轉(zhuǎn)推進器主要控制措施

在破冰型科考船上應(yīng)用，全回轉(zhuǎn)推進器主要采取如下措施：

（1）如果采用舵槳裝置，仍采用定距槳，不建議采用可調(diào)槳。

（2）為滿足破冰要求，選擇高強度的螺旋槳材料。如果采用鎳鋁青銅螺旋槳，由于材料屈服強度比不銹鋼的強度低，相應(yīng)的葉片厚度比鋼制槳厚，尤其在隨邊上。厚度增加以后，會產(chǎn)生槳葉鳴音，誘發(fā)更大的水下輻射噪聲，所以螺旋槳優(yōu)先選用不銹鋼材料，整體推進器的自重也會降低。

（3）合理選擇槳的主要參數(shù)，比如槳徑、轉(zhuǎn)速、螺距等，槳的轉(zhuǎn)速應(yīng)盡量小。若槳轉(zhuǎn)速過大，容易發(fā)生機械振動，產(chǎn)生更大噪聲。

（4）螺旋槳設(shè)計階段也需要配合船體進行船池空泡水筒試驗，采用可靠的計算技術(shù)實現(xiàn)對螺旋槳水下噪聲的預(yù)測。

（5）舵槳裝置減少齒輪傳遞副，減小齒輪噪聲，建議采用降噪型的推力軸承。

（7）對于推進電機安裝于水下的吊艙，電機直接水下輻射噪聲，需要結(jié)合全船振動噪聲設(shè)計開展評估及采取結(jié)構(gòu)加強等更多針對性的設(shè)計。

3.3 應(yīng)用于Silent R科考船吊艙的水下噪聲技術(shù)措施

國際知名吊艙廠家也在加速開發(fā)滿足DNV·GL Silent R水下輻射噪聲船舶的吊艙，技術(shù)路線是計算仿真預(yù)測、工廠有限測試、實船測試。

為滿足Silent R和破冰的要求，對吊艙外形進行優(yōu)化，針對吊艙不同的噪聲源，采用不同的方法進行計算模擬。吊艙主要有兩種不同水下噪聲源：螺旋槳水動力噪聲和馬達電磁噪聲，前者高度依賴于負(fù)荷和速度，而后者在很大程度上取決于變頻器輸出特性。如電壓電平的數(shù)量和電流/電壓調(diào)制參數(shù)等，對負(fù)荷和速度的依賴更為平滑，螺旋槳噪聲使用水動力計算和經(jīng)驗數(shù)據(jù)模擬預(yù)測，馬達電磁噪聲一般通過工廠臺架測出空氣噪聲，使用軟件工具模擬計算到水下噪聲，整個吊艙水下噪聲預(yù)測流程及技術(shù)如下：

（1）按照工況條件（功率及轉(zhuǎn)速）完成吊艙的選型，采用水動力計算軟件計算螺旋槳的水動力性能和空泡特性，其輸出數(shù)據(jù)至噪聲模擬模塊，計算模擬吊艙的水動力噪聲。

（2）選擇合適的變頻器供電方式，優(yōu)化吊艙單元的電磁噪聲。吊艙機體采用模態(tài)疊加和電磁場單波激勵的有限元方法（FEM）獲得機體在相應(yīng)頻率下振動數(shù)據(jù)。

（3）從上面有限元結(jié)果中提取表面法向速度，將其用于快速邊界元模塊（FBEM）的輸入數(shù)據(jù)，通過FBEM模擬出空氣和水中的聲功率，可以得到每個激勵情況下的修正系數(shù)K，公式參見式（1）。

（4）通過以上方法仿真出空氣中噪聲水平后，使用如下公式［1］將該值轉(zhuǎn)換為水下噪聲。

式中：Lp,water為距離吊艙裝置1 m處的水下噪聲聲壓級；Lw,air為吊艙裝置在空氣中的聲功率級；K為流體聲學(xué)特性修正項；R為流體作用于吊艙表面上的影響修正系數(shù)。

（5）水動力噪聲和電磁噪聲整合計算得到吊艙裝置的水下輻射噪聲。

其中，x0、y0、z0分別為X、Y、Z的迭代初值，xin、yin、θin分別為X、Y、Z的輸入值，zout為輸出值。

通過以上技術(shù)仿真結(jié)果，吊艙理論上滿足Silent R的要求，模擬計算過程中，采用了一些簡化手段，結(jié)果還需要工程驗證。

4 結(jié) 語

綜上所述，全回轉(zhuǎn)推進器相對于常規(guī)軸推在破冰船、科考船領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀，有如下特點：

（1）由于水動力綜合特性較好，吊艙及舵槳裝置在破冰船上應(yīng)用較好，應(yīng)用案例較多；

（2）吊艙及舵槳裝置有在水下噪聲不入級或即將入級DNV·GL Silent A+S的船舶應(yīng)用案例，但沒有Silent R和CCS URN1的工程案例，還需要結(jié)合船舶總體設(shè)計、動力系統(tǒng)集成設(shè)計、減振降噪設(shè)計、設(shè)備優(yōu)化設(shè)計等方面，在各相關(guān)方共同努力下實現(xiàn)突破；

（3）通過優(yōu)化后計算模擬驗證，吊艙水下噪聲指標(biāo)有滿足Silent R噪聲要求的可能。