側(cè)推振動異常檢測與處理技術研究

蔡 君

（大連中遠海運重工有限公司技術中心，遼寧大連 116113）

0 引言

本文依托大連中遠海運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，該項目一舉成為馬士基的旗艦項目，同時也是世界上最為先進的超深水海洋作業(yè)支持船之一。為滿足第3代動力定位系統(tǒng)（3rd Dynamic Positioning System，DP3）要求，該船艏部和艉部各設計了3臺大功率側(cè)推。生活樓布置在艏部，側(cè)推運行時，艏部振動劇烈，減少振動、降低噪聲是本項目的研究重點。下文將著重介紹對該船側(cè)推異常振動的相應檢測和相應減少振動采取的措施相關經(jīng)驗。

1 多臺側(cè)推布置的設計特點

本項目艉部布置雙軸系電力主推進軸、槳系統(tǒng)。在艏部和艉部各布置3臺側(cè)推，全船共8臺推進器，以此來實現(xiàn)超深水DP3動力定位作業(yè)，動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臺定距槳變頻馬達驅(qū)動管道式側(cè)向推進器，艏部單臺功率均為2 750 kW，槳徑為2 800 mm；艉部單臺功率均為2 000 kW，槳徑為2 600 mm。

居住生活樓位于艏部，故振動噪聲以艏側(cè)推考慮為主。本項目側(cè)推均為定距槳，變頻馬達驅(qū)動，首部3臺側(cè)推的整體布置見圖1。從艏部至艉部方向，將側(cè)推分別編號1～6號。其中，1～3號側(cè)推中心間距為3 900 mm，4～6號側(cè)推中心間距為3 300 mm。相鄰側(cè)推布置時，為了在動力定位工況下，均衡正反方向槳葉運行產(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)推筒體上設計有馬達基座，通過基座面板螺栓固定馬達，馬達和側(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

本項目的側(cè)推安裝相關的主要特點如下：

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計為平滑線型，采用雙曲面放樣。格柵板角度與水動力分析各側(cè)推處水流角度保持一致，以2號側(cè)推為例，格柵布置情況見圖2。

圖2 側(cè)推格柵布置圖

2）側(cè)推馬達較高，根據(jù)廠家推薦，布置2個相互成角度的頂撐來承受運行中因船舶晃動引起的側(cè)推馬達側(cè)向傾斜力。側(cè)推頂撐布置情況見圖3[1]。

圖3 側(cè)推頂撐布置圖

3）側(cè)推格柵局部設計了可開啟檢修門，便于人員進入檢查和維修。

4）對應側(cè)推廠家沿導管長度方向設計的多道環(huán)形支撐，船廠連接的的船體結(jié)構(gòu)也設計有相應結(jié)構(gòu)支撐。船廠筒體與廠家筒體間開坡口對焊滿焊。

2 側(cè)推振動異常的發(fā)現(xiàn)和檢測

在該系列船的首次試航時，實測船舶振動噪聲情況。艏部3臺側(cè)推工作時，振動劇烈，遠遠不能滿足入級規(guī)范C（2）V(2)的要求，尤其當從40%繼續(xù)往上增加負荷時，振動急劇加劇。經(jīng)過船廠、船東、船級社、推進器廠家等各方討論研究，引入Marin公司的檢測方案來分析振動異常的根本原因，繼而提供針對性的解決方案。

2.1 檢測方案和檢測準備

檢測的主要思路是監(jiān)測振動源頭，即監(jiān)測側(cè)推槳葉攪動液流的激振力和液流對筒體的沖擊。在不同負荷情況下，通過對側(cè)推槳葉攪動液流的狀態(tài)進行監(jiān)測，分析空泡的形成、積聚、破碎的情況，對比不同工況下的差別，找到異常振動原因。

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

圖4 壓力傳感器的布置

內(nèi)窺鏡來觀察槳葉邊緣區(qū)域的液流及空泡情況，見圖5。通過球閥開啟和關閉，截斷液流進入艙內(nèi)[2]。檢查完成后，通過絲堵或盲板法蘭密封各個檢查裝置的開口，以不影響船舶運行。

圖5 觀察鏡和LED燈的布置

2.2 實船檢測測量和測量結(jié)果分析

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

圖6 空泡腐蝕情況

在6點鐘方向上，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，在低負荷時（如 20%的負荷），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。

分析各種可能的實船減振措施，進行了側(cè)推頂撐拆除試驗。對比側(cè)推頂撐松開與保留頂撐時的振動測量數(shù)據(jù)，結(jié)果顯示：頂撐松開后，側(cè)推振動向上方艏部的傳遞減少了一些，此外，側(cè)推馬達依舊穩(wěn)固。

2.3 解決方案的選擇與實施

基于試航檢測結(jié)果，提出如下幾個解決方案：

1）增加槳葉數(shù)目，可以降低振動水平。但是，由于槳葉個數(shù)的增加，需要進一步分析和檢測是否會與船體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生共振頻率，避免共振。

2）通過設計螺旋槳 S型弧形葉片來減少槳葉前緣產(chǎn)生的空泡。

3）對側(cè)推筒體入口處進行特殊設計，例如唇形設計。通過計算流體動力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）分析研究入口處的設計型式，以及對液流進入的影響，來改善槳葉與筒體的間隙流。

由于項目進行到后期、即將交船，方案 1）和方案2），耗時很久，不具備優(yōu)化條件，故船廠最終選用方案3），對側(cè)推筒體入口處進行唇形設計。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，與船體線型平滑過渡，詳見圖7。

圖7 側(cè)推吸入口唇式結(jié)構(gòu)優(yōu)化

對比分析馬達頂撐安裝與拆除的結(jié)果，最終取消了所有的側(cè)推頂撐。考慮到側(cè)推馬達的穩(wěn)固性，對底層結(jié)構(gòu)到筒體的支撐連接處進行局部的加強，采用對焊型式連接筒體馬達基座的支撐立板，使其向兩側(cè)船體結(jié)構(gòu)延伸，詳見圖 8。同時，對格柵上局部可開啟檢修門的結(jié)構(gòu)也進行了加強，固定螺栓增加鎖緊加固。

圖8 側(cè)推基座加強

經(jīng)過各項措施優(yōu)化之后，本項目進行了再次試航驗證，最終振動、噪聲各項指標達成良好。

3 結(jié)論

當采用多臺側(cè)推緊鄰布置時，綜合運行工況下，側(cè)推對船舶振動的傳遞及對噪聲的影響較大。采用壓力傳感器和觀察鏡對側(cè)推振動異常進行綜合檢測和分析、對比分析安裝及拆除馬達頂撐的效果，通過優(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，減少振動縱向直接傳遞等措施，最終解決了異常振動。對于類似項目，本項目采用的措施值得借鑒，可以在設計初期進行相關模擬分析和考量，采用更多針對性的措施來減少振動，繼而降低噪聲，滿足入級要求，并保障船舶的舒適性。