蔡 君

（大連中遠(yuǎn)海運(yùn)重工有限公司技術(shù)中心，遼寧大連 116113）

0 引言

本文依托大連中遠(yuǎn)海運(yùn)重工為船東馬士基建造的4艘超深水海洋支持船的成功經(jīng)驗(yàn)，該項(xiàng)目一舉成為馬士基的旗艦項(xiàng)目，同時(shí)也是世界上最為先進(jìn)的超深水海洋作業(yè)支持船之一。為滿足第3代動(dòng)力定位系統(tǒng)（3rd Dynamic Positioning System，DP3）要求，該船艏部和艉部各設(shè)計(jì)了3臺(tái)大功率側(cè)推。生活樓布置在艏部，側(cè)推運(yùn)行時(shí)，艏部振動(dòng)劇烈，減少振動(dòng)、降低噪聲是本項(xiàng)目的研究重點(diǎn)。下文將著重介紹對(duì)該船側(cè)推異常振動(dòng)的相應(yīng)檢測(cè)和相應(yīng)減少振動(dòng)采取的措施相關(guān)經(jīng)驗(yàn)。

1 多臺(tái)側(cè)推布置的設(shè)計(jì)特點(diǎn)

本項(xiàng)目艉部布置雙軸系電力主推進(jìn)軸、槳系統(tǒng)。在艏部和艉部各布置3臺(tái)側(cè)推，全船共8臺(tái)推進(jìn)器，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)超深水DP3動(dòng)力定位作業(yè)，動(dòng)力定位能力滿足最高的ERN（99,99,99,99）要求。

艏部和艉部各配置3臺(tái)定距槳變頻馬達(dá)驅(qū)動(dòng)管道式側(cè)向推進(jìn)器，艏部單臺(tái)功率均為2 750 kW，槳徑為2 800 mm；艉部單臺(tái)功率均為2 000 kW，槳徑為2 600 mm。

居住生活樓位于艏部，故振動(dòng)噪聲以艏側(cè)推考慮為主。本項(xiàng)目側(cè)推均為定距槳，變頻馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，首部3臺(tái)側(cè)推的整體布置見(jiàn)圖1。從艏部至艉部方向，將側(cè)推分別編號(hào)1～6號(hào)。其中，1～3號(hào)側(cè)推中心間距為3 900 mm，4～6號(hào)側(cè)推中心間距為3 300 mm。相鄰側(cè)推布置時(shí)，為了在動(dòng)力定位工況下，均衡正反方向槳葉運(yùn)行產(chǎn)生側(cè)向推力的效果，槳葉/槳轂交替布置于左舷和右舷。側(cè)推筒體上設(shè)計(jì)有馬達(dá)基座，通過(guò)基座面板螺栓固定馬達(dá)，馬達(dá)和側(cè)推輸入軸之間采用彈性聯(lián)軸節(jié)連接。

圖1 艏部側(cè)推布置

本項(xiàng)目的側(cè)推安裝相關(guān)的主要特點(diǎn)如下：

1）為保障船體流線型及美觀，并減少阻力，側(cè)推格柵與船體外板設(shè)計(jì)為平滑線型，采用雙曲面放樣。格柵板角度與水動(dòng)力分析各側(cè)推處水流角度保持一致，以2號(hào)側(cè)推為例，格柵布置情況見(jiàn)圖2。

圖2 側(cè)推格柵布置圖

2）側(cè)推馬達(dá)較高，根據(jù)廠家推薦，布置2個(gè)相互成角度的頂撐來(lái)承受運(yùn)行中因船舶晃動(dòng)引起的側(cè)推馬達(dá)側(cè)向傾斜力。側(cè)推頂撐布置情況見(jiàn)圖3[1]。

圖3 側(cè)推頂撐布置圖

3）側(cè)推格柵局部設(shè)計(jì)了可開(kāi)啟檢修門(mén)，便于人員進(jìn)入檢查和維修。

4）對(duì)應(yīng)側(cè)推廠家沿導(dǎo)管長(zhǎng)度方向設(shè)計(jì)的多道環(huán)形支撐，船廠連接的的船體結(jié)構(gòu)也設(shè)計(jì)有相應(yīng)結(jié)構(gòu)支撐。船廠筒體與廠家筒體間開(kāi)坡口對(duì)焊滿焊。

2 側(cè)推振動(dòng)異常的發(fā)現(xiàn)和檢測(cè)

在該系列船的首次試航時(shí)，實(shí)測(cè)船舶振動(dòng)噪聲情況。艏部3臺(tái)側(cè)推工作時(shí)，振動(dòng)劇烈，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足入級(jí)規(guī)范C（2）V(2)的要求，尤其當(dāng)從40%繼續(xù)往上增加負(fù)荷時(shí)，振動(dòng)急劇加劇。經(jīng)過(guò)船廠、船東、船級(jí)社、推進(jìn)器廠家等各方討論研究，引入Marin公司的檢測(cè)方案來(lái)分析振動(dòng)異常的根本原因，繼而提供針對(duì)性的解決方案。

2.1 檢測(cè)方案和檢測(cè)準(zhǔn)備

檢測(cè)的主要思路是監(jiān)測(cè)振動(dòng)源頭，即監(jiān)測(cè)側(cè)推槳葉攪動(dòng)液流的激振力和液流對(duì)筒體的沖擊。在不同負(fù)荷情況下，通過(guò)對(duì)側(cè)推槳葉攪動(dòng)液流的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，分析空泡的形成、積聚、破碎的情況，對(duì)比不同工況下的差別，找到異常振動(dòng)原因。

互成角度安裝3個(gè)壓力傳感器，傳感器分布情況見(jiàn)圖 4。測(cè)量槳葉推動(dòng)水流沖擊筒壁的壓強(qiáng)，將信號(hào)接入軟件，分析流體壓力分布。安裝4個(gè)LED燈，照向側(cè)推槳葉部分，通過(guò)槳葉前后安裝的2個(gè)

圖4 壓力傳感器的布置

內(nèi)窺鏡來(lái)觀察槳葉邊緣區(qū)域的液流及空泡情況，見(jiàn)圖5。通過(guò)球閥開(kāi)啟和關(guān)閉，截?cái)嘁毫鬟M(jìn)入艙內(nèi)[2]。檢查完成后，通過(guò)絲堵或盲板法蘭密封各個(gè)檢查裝置的開(kāi)口，以不影響船舶運(yùn)行。

圖5 觀察鏡和LED燈的布置

2.2 實(shí)船檢測(cè)測(cè)量和測(cè)量結(jié)果分析

根據(jù)流體壓力監(jiān)測(cè)和視察鏡觀察槳葉周邊氣泡情況，結(jié)果顯示：在不同負(fù)荷下，空泡腐蝕的產(chǎn)生、積聚、破碎情況類似，而且隨著負(fù)荷的加大而增劇，見(jiàn)圖 6。氣泡從槳葉前緣產(chǎn)生并向遠(yuǎn)離葉尖的方向傳播（從綠色箭頭處到紅色箭頭處），隨后，葉尖的渦流通過(guò)下一個(gè)葉片的下游（橙色箭頭處）[3]。

圖6 空泡腐蝕情況

在6點(diǎn)鐘方向上，空泡體積增加，隨后變得不穩(wěn)定，并破裂分解。這是由于側(cè)推筒體下部入口的分離區(qū)域造成的，在低負(fù)荷時(shí)（如 20%的負(fù)荷），可以觀察到這種破裂周期性脫落的環(huán)狀渦旋。分析發(fā)現(xiàn)，槳葉葉梢和筒體內(nèi)壁之間的間隙流是造成振動(dòng)加劇的原因。因此，改善間隙流成為減振的1條重要方向。

分析各種可能的實(shí)船減振措施，進(jìn)行了側(cè)推頂撐拆除試驗(yàn)。對(duì)比側(cè)推頂撐松開(kāi)與保留頂撐時(shí)的振動(dòng)測(cè)量數(shù)據(jù)，結(jié)果顯示：頂撐松開(kāi)后，側(cè)推振動(dòng)向上方艏部的傳遞減少了一些，此外，側(cè)推馬達(dá)依舊穩(wěn)固。

2.3 解決方案的選擇與實(shí)施

基于試航檢測(cè)結(jié)果，提出如下幾個(gè)解決方案：

1）增加槳葉數(shù)目，可以降低振動(dòng)水平。但是，由于槳葉個(gè)數(shù)的增加，需要進(jìn)一步分析和檢測(cè)是否會(huì)與船體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生共振頻率，避免共振。

2）通過(guò)設(shè)計(jì)螺旋槳 S型弧形葉片來(lái)減少槳葉前緣產(chǎn)生的空泡。

3）對(duì)側(cè)推筒體入口處進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，例如唇形設(shè)計(jì)。通過(guò)計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）分析研究入口處的設(shè)計(jì)型式，以及對(duì)液流進(jìn)入的影響，來(lái)改善槳葉與筒體的間隙流。

由于項(xiàng)目進(jìn)行到后期、即將交船，方案 1）和方案2），耗時(shí)很久，不具備優(yōu)化條件，故船廠最終選用方案3），對(duì)側(cè)推筒體入口處進(jìn)行唇形設(shè)計(jì)。將初期的折角結(jié)構(gòu)改為用鋼管斜切之后的圓管弧度拼接而成的唇式結(jié)構(gòu)，拼接之后，與船體線型平滑過(guò)渡，詳見(jiàn)圖7。

圖7 側(cè)推吸入口唇式結(jié)構(gòu)優(yōu)化

對(duì)比分析馬達(dá)頂撐安裝與拆除的結(jié)果，最終取消了所有的側(cè)推頂撐?？紤]到側(cè)推馬達(dá)的穩(wěn)固性，對(duì)底層結(jié)構(gòu)到筒體的支撐連接處進(jìn)行局部的加強(qiáng)，采用對(duì)焊型式連接筒體馬達(dá)基座的支撐立板，使其向兩側(cè)船體結(jié)構(gòu)延伸，詳見(jiàn)圖 8。同時(shí)，對(duì)格柵上局部可開(kāi)啟檢修門(mén)的結(jié)構(gòu)也進(jìn)行了加強(qiáng)，固定螺栓增加鎖緊加固。

圖8 側(cè)推基座加強(qiáng)

經(jīng)過(guò)各項(xiàng)措施優(yōu)化之后，本項(xiàng)目進(jìn)行了再次試航驗(yàn)證，最終振動(dòng)、噪聲各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)成良好。

3 結(jié)論

當(dāng)采用多臺(tái)側(cè)推緊鄰布置時(shí)，綜合運(yùn)行工況下，側(cè)推對(duì)船舶振動(dòng)的傳遞及對(duì)噪聲的影響較大。采用壓力傳感器和觀察鏡對(duì)側(cè)推振動(dòng)異常進(jìn)行綜合檢測(cè)和分析、對(duì)比分析安裝及拆除馬達(dá)頂撐的效果，通過(guò)優(yōu)化側(cè)推筒體流入口的結(jié)構(gòu)型式，減小紊流；取消頂撐，加固底座，減少振動(dòng)縱向直接傳遞等措施，最終解決了異常振動(dòng)。對(duì)于類似項(xiàng)目，本項(xiàng)目采用的措施值得借鑒，可以在設(shè)計(jì)初期進(jìn)行相關(guān)模擬分析和考量，采用更多針對(duì)性的措施來(lái)減少振動(dòng)，繼而降低噪聲，滿足入級(jí)要求，并保障船舶的舒適性。