船舶管路系統的動力學特性研究及減振降噪

梁勇剛

摘 要：近年來，船舶工業的發展使得船舶推進系統的功率進一步增大，船舶航速明顯提升，但這也使得船體振動更加嚴重，不僅影響船體安全性，也使得噪聲更大。管路系統作為船舶的核心構成部分，若振動過于劇烈，會導致管道的耐久性受到影響，進而出現管道損壞的情況，影響管道系統的安全穩定運行。基于此，本文以船舶管路系統中輸流管路為例，具體研究管路系統的動力學特性，并探討相應的減振降噪措施。

關鍵詞：減振降噪;管路系統;船舶;動力學特性

目前，船舶管路系統在結構上越來越復雜，并且振動問題日益凸顯，以船舶輸流管路為例，其劇烈振動不僅會導致管路損壞的風險增加，引發漏液事故，威脅船舶運行安全，同時也會導致船體噪聲增大，影響船舶的舒適性。從目前關于船舶-管路系統減振降噪問題的研究現狀來看，主要集中在空管參數的研究，忽視了輸流管道內部流體的影響，這就導致最終制定的減振降噪方案存在一定的局限性，無法取得預期的效果[1]。基于此，本文選擇船舶管路系統動力學特性作為切入點，并結合管路系統流固耦合效應的影響，提出針對性的減振降噪措施。

1.導致船舶管路系統振動問題嚴重的原因分析

管路系統是船舶的核心構成部分，因此管路系統振動劇烈會加劇船體振動，從當前船舶工業的發展情況來看，導致船舶管路系統振動問題嚴重的原因主要表現在三方面：其一是受科學技術發展以及船舶行業發展需求變化的影響，船舶航行速度顯著提升，船舶上采用的動力設備、泵、風機等設備功率增大，這使得船舶管路系統激增力顯著增大，進而使得管路系統振動更加劇烈[2]。其二是受社會發展需求變化的影響，船舶類型更加多樣化，在新型船舶設計上，為滿足多元化的使用需求，導致船舶管路系統構成愈加復雜，這也使得船舶管路系統的振動特性難以把握，很難制定出針對性的減振降噪措施。其三是船舶管路系統不同部分的功能不同，因此在材料使用以及設備選擇方面差異性較大，不同材料、設備的特性不同，比如質量、阻尼以及剛度等，這使得管路系統的振動特性極為復雜，其振動規律難以有效把握。

2.船舶管路系統動力學特性分析

以船舶輸流管道為例，在研究其減振降噪措施時，不僅要考慮空管狀態的情況，同時也要考慮輸流時的情況。輸流管路看系統在輸流情況下，管路內部流體和管壁相互作用產生的流固耦合效應是導致管路系統振動的重要原因之一，關于這個問題，一方面要考慮管道內部流體的附加質量以及流體離心力產生的附加剛度、科氏力產生的附加阻尼對管路系統結構的影響;一方面還要考慮管道內部流體通過負阻尼以及壓力脈動向管路系統結構灌輸能量產生的影響。

關于船舶輸流管路流固耦合的問題，其復雜程度較高，當管道內部流體流動時，會產生類似于軸向壓力的離心力以及類似于陀螺力作用的科氏力。輸流管道固有頻率會隨著管道內部流體的流速增快而降低，且流速在處于某個臨界值時固有頻率會降到零，此時輸流管路會出現靜力發散失穩的情況。科氏力相位和管路振動速度相位在一個周期內一半相同一半相反，整體表現出復模態的特征[3]。此外，在特定條件下，管路還可能出現顫振的情況，主要原因是管路剛度偏低，在流體高速運動的作用下，會產生大幅振動，甚至出現嚴重的靜變形[4]，從而影響輸流管路正常運行，甚至還可能導致輸流管路系統被破壞，進而影響船舶的安全性。

3.船舶管路系統減振降噪措施

3.1減振措施

關于船舶管路系統的減振措施，就目前的相關研究以及實際應用情況來看，阻振質量是一項有效的措施。阻振質量原本是一種結構噪聲控制手段，在板類結構的應用中已經極為成熟，目前其開始被應用到管道減振當中，從實際效果來看，相當不錯，具有較高的可行性以及可操作性。針對同一管道，振動波的傳遞損失與阻隔塊質量以及回轉半徑密切相關，根據相關研究顯示，當處于低頻區域時，阻振質量影響管路振動彎曲波的效果不太明顯，但是隨入射彎曲波的頻率提升，阻振質量的效果會逐漸增加，隔振效果明顯[5]。而阻振質量所產生的隔振效果和阻隔塊質量以及回轉半徑呈正相關，即阻隔塊質量越大隔振效果越好，回轉半徑越大，阻振效果越好，反之則越差。一般情況下，在輸流管路上安裝阻振質量其實際效果要略遜于空管，因此要有效降低輸流管路的振動，必須要增加阻振質量，這樣才能取得預期的效果。

3.2降噪措施

要解決船舶管路系統的噪聲問題，首選肯定是從噪聲源入手，從噪聲源控制噪聲可以一勞永逸。從船舶管路系統的噪聲源來看，離心風機是主要的噪聲源，其噪聲在很大程度上決定了船舶管路系統的噪聲大小，而要解決離心風機的噪聲問題首先需要確定噪聲源，以便制定針對性的降噪方案。關于離心風機的噪聲源可以分為兩種，二者形成的原理不同，其一是氣動噪聲，具體又可以分為離散噪聲與寬頻噪聲，其中寬頻噪聲是葉片和氣流的相互作用導致邊界層分離所形成的漩渦產生的;離散噪聲是離心風機的葉輪在周期性運行過程中，離心風機內部氣流產生的周期性脈動與機殼相互作用產生的[6]。導致機械噪聲的原因則比較復雜，比如葉輪、蝸殼磨損或者損壞時，振動加劇進而產生噪聲，或者葉輪的剛度不足，在氣流沖擊作用下葉片振動產生噪聲。為了有效明確離心風機的噪聲源，筆者進行了監測試驗，主要是監測離心風機葉片與蝸舌在離心風機運行過程中哪部分所產生的噪聲最大。通過對監測試驗數據進行分析，發現離心風機的葉片與蝸舌部分風壓隨著運行時間的變化表現出明顯的周期性，但是二者的變化周期明顯不同，風壓變化的趨勢差異性較大，這表明二者產生的噪聲類型不同，其中以蝸舌頂部風壓最大，因此可以認定蝸舌部分是影響離心風機噪聲大小的關鍵，這意味著離心風機的降噪問題應重點集中在蝸舌部分。

通過離心風機的運行過程進行研究分析，發現蝸舌時影響離心風機噪聲大小的關鍵性因素，因此可以通過對離心風機蝸舌部分進行優化來達到降低噪聲的目的。通過反復試驗分析，發現離心風機蝸舌的圓弧半徑控制在25mm，蝸舌間隙控制在33mm，蝸舌傾斜角控制在18°，離心風機所產生的噪聲最小。經過對比試驗發現，改進優化后的離心風機在200Hz與400Hz時，噪聲峰值顯著降低，表明通過優化蝸舌參數可以顯著改善離心風機的噪聲問題，可以取得良好的降噪效果。

結束語：

綜上所述，關于船舶管路系統減振降噪問題，本文在深入研究管路系統動力學特定的基礎上，提出利用阻振質量降低管路系統振動與通過優化離心風機蝸舌部分降低離心風機噪聲的措施，并且取得了良好的效果，對于解決船舶管路系統減振降噪問題具有一定的積極意義。

參考文獻：

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[5]廖慶斌， 王曉東， 馬士虎. 艦船管路系統振動和噪聲源機理分析[J]. 艦船科學技術， 2010， 32（004）：23-27.

[6]陳嘉偉， 張輝， 倪其軍. 某科考船動力系統減振降噪技術研究[J]. 青島遠洋船員職業學院學報， 2017， 038（003）：1-4.

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