李亞，陳奕宏，孫紅星

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螺旋槳模型噴氣降噪試驗(yàn)與實(shí)船效果預(yù)報(bào)研究

李亞，陳奕宏，孫紅星

(中國船舶科學(xué)研究中心船舶振動(dòng)噪聲重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇無錫 214082)

螺旋槳若發(fā)生空化，空化就是全船最主要的輻射噪聲源。采用噴氣降噪技術(shù)可以降低螺旋槳的空化噪聲。試驗(yàn)證實(shí)，在螺旋槳推力損失不大時(shí)，采用導(dǎo)邊噴氣、噴氣環(huán)噴氣、組合噴氣三種方式都可以使噪聲譜級(jí)大幅下降。根據(jù)噴氣孔出口速度的無量綱值相等可以換算出實(shí)船噴氣量。實(shí)船預(yù)報(bào)表明，采用噴氣后總聲級(jí)降低5 dB以上。

螺旋槳；噴氣；降噪

0 引言

隨著船舶向大型化和高速化的發(fā)展，螺旋槳單位面積上的負(fù)荷越來越重，槳葉的葉梢線速度越來越高，使得螺旋槳不可避免地產(chǎn)生“空化”現(xiàn)象，從而造成螺旋槳水動(dòng)力下降，船尾發(fā)生振動(dòng)，螺旋槳輻射噪聲大幅度增加等一系列問題。過去采取了多種方法解決螺旋槳的空泡問題，如改進(jìn)螺旋槳槳葉及其切面形狀使螺旋槳上負(fù)荷分布更加均勻；采用特殊的槳葉形式(如大側(cè)斜槳)使不均勻流場對(duì)螺旋槳性能的影響減弱；改變船體尾部的線型或加裝附體使螺旋槳來流的不均勻性得到改善等[1]。除此之外，還有一種措施是噴氣屏蔽技術(shù)，即利用噴氣降低噪聲。

螺旋槳導(dǎo)邊噴氣可以直接在聲源部位影響噪聲源，但過去這方面的研究較少，其中一個(gè)重要原因是噴氣管道加工難度較大。另外，一些噴氣技術(shù)還沒有完全掌握：如導(dǎo)邊噴氣后對(duì)螺旋槳水動(dòng)力性能的影響、噴氣量大小對(duì)螺旋槳輻射噪聲的影響等問題還需研究；螺旋槳噴氣降噪模型聲學(xué)效果實(shí)船轉(zhuǎn)化方法也未建立等。為此，本文首先闡述了噴氣降噪的基本原理，然后論述了不同噴氣方式的噴氣降噪試驗(yàn)，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，最后進(jìn)行實(shí)船降噪預(yù)報(bào)與分析。

1 噴氣降噪基本原理

螺旋槳噴氣降噪是一個(gè)多種因素作用下的綜合結(jié)果：氣水的二相流體對(duì)聲有直接衰減，噴氣降低螺旋槳的空化噪聲，噴氣會(huì)推遲空泡產(chǎn)生。

螺旋槳的空泡是特別重要的噪聲源，隨著空泡含氣量的增加，崩潰空泡的最小半徑增大，則快速崩潰空泡的動(dòng)能作為勢能儲(chǔ)存起來的就越多，作為聲能輻射出去的就越少，空泡的崩潰噪聲就越低[6]。

噴氣還使螺旋槳葉片上空泡潰滅時(shí)周圍壓力變小，潰滅時(shí)間延長，致使輻射噪聲降低。

這一噴氣層又將提供一定的聲柔順，在空泡引起的壓力脈動(dòng)與船底之間起了隔離的作用，使得結(jié)構(gòu)振動(dòng)噪聲源趨于減弱，因而也可減小艉部的振動(dòng)和艙室噪聲。

綜上所述，當(dāng)螺旋槳葉片上空化現(xiàn)象比較嚴(yán)重時(shí)，用噴氣的方法可明顯降低螺旋槳的空化噪聲。

2 螺旋槳模型噴氣試驗(yàn)

試驗(yàn)采用的螺旋槳模型的材料為黃銅，槳模直徑為0.19 m，共5葉，旋向?yàn)樽笮Ｂ菪龢Ｐ驮囼?yàn)時(shí)的工況為：來流速度3.3 m.s-1、轉(zhuǎn)速36.6 r.s-1、絕對(duì)壓力37.2 kPa。在這個(gè)工況下，沒有噴氣時(shí)，螺旋槳模型葉片出現(xiàn)空泡，且有不穩(wěn)定空泡存在，這直接增大了螺旋槳的空化噪聲。

空泡發(fā)生的位置有槳轂部分和導(dǎo)邊部分，因此需要設(shè)計(jì)兩路噴氣裝置，分別為噴氣環(huán)噴氣和槳葉導(dǎo)邊噴氣[10]。如圖1所示，當(dāng)噴氣環(huán)噴氣時(shí)，壓縮機(jī)中的氣體通過流量計(jì)控制進(jìn)入噴氣環(huán)氣管，直接進(jìn)入到噴氣環(huán)的氣腔中，然后從噴氣環(huán)噴出。旋轉(zhuǎn)槳葉噴氣時(shí)，壓縮機(jī)中的氣體通過流量計(jì)控制進(jìn)入槳模噴氣管，然后進(jìn)入由骨架密封形成的氣腔，氣體從軸上的通氣孔進(jìn)入空心軸，再從空心軸另一端的通氣孔進(jìn)入槳轂中氣腔，最終噴出。噴氣環(huán)噴氣和螺旋槳導(dǎo)邊噴氣可以同時(shí)進(jìn)行。

圖1 噴氣管路設(shè)計(jì)示意圖

在每個(gè)槳葉的葉背導(dǎo)邊處加工了17個(gè)噴氣孔，沿徑向在0.40～0.80(為螺旋槳半徑)范圍內(nèi)均勻分布，氣孔直徑為0.6 mm；噴氣環(huán)模型直徑為38.0 mm，外表面布置6圈小孔，每圈均布41個(gè)，共有246個(gè)，小孔直徑0.6 mm，軸向孔間距2.7 mm。加工后的實(shí)物見圖2，試驗(yàn)工況表見表1。

圖2 導(dǎo)邊噴氣孔和噴氣環(huán)

表1 試驗(yàn)工況表

注：Q表示導(dǎo)邊噴氣的噴氣量，Q表示噴氣環(huán)噴氣的噴氣量，單位為m3.h-1。

3 噴氣試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)在某研究所的循環(huán)水槽進(jìn)行。循環(huán)水槽試驗(yàn)段的尺寸為10.5 m(長)×2.2 m(寬)×2.0 m(高)。試驗(yàn)段下方設(shè)有測聲艙，聲艙尺寸為9.5 m(長)×2.2 m(寬)×2.0 m(高)，聲艙的四壁和底部均進(jìn)行了吸聲處理。圖3為循環(huán)水槽試驗(yàn)段照片，圖4為測試聲艙內(nèi)照片，其中單水聽器距槳盤中心1.85 m。圖5～7分別是不同噴氣方式對(duì)噪聲的影響(由于螺旋槳產(chǎn)生空泡，試驗(yàn)均滿足信噪比要求)。從圖5可見，隨著噴氣量增大，整個(gè)頻段內(nèi)的噪聲下降愈多，在噴氣量為0.2 m3.h-1時(shí)，在中高頻部分的噪聲譜級(jí)已經(jīng)平均下降約10 dB。從圖6中可以看出噴氣后降噪效果也十分明顯，但隨著氣量增大，噪聲譜級(jí)下降幅度減少，如氣量從0.8 m3.h-1增加到1.2 m3.h-1，噪聲譜級(jí)并沒有下降多少。從圖7可看出，組合噴氣下降噪也十分明顯，例如，在=0.3、=0.6時(shí)，噪聲譜級(jí)平均可下降13 dB。

圖3 大型循環(huán)水槽

圖4 循環(huán)水槽試驗(yàn)段下方的水聲艙

Fig.4 Underwater acoustic tank below the test section of LCC

圖5 導(dǎo)邊噴氣對(duì)噪聲的影響

圖6 噴氣環(huán)噴氣對(duì)噪聲的影響

圖7 組合噴氣對(duì)噪聲的影響

表2列舉了不同噴氣方式與噴氣量對(duì)總聲級(jí)和水動(dòng)力的影響，從表2中可見，在噴氣量逐步增加的過程中，總聲級(jí)呈逐步下降的趨勢，而推力系數(shù)K呈由緩慢下降到迅速降低的變化趨勢。在推力系數(shù)K下降值不超過5%的情況下，三種噴氣方式下，選擇適當(dāng)氣量后均可以降低總聲級(jí)5 dB以上。

表2 不同噴氣方式與噴氣量對(duì)總聲級(jí)和水動(dòng)力影響 (總聲級(jí)計(jì)算頻段：0.5～80 kHz)

4 螺旋槳噴氣降噪模型到實(shí)船換算及效果預(yù)報(bào)

4.1 螺旋槳模型噴氣量及噪聲換算到實(shí)船的方法

模型試驗(yàn)中噴氣量換算到實(shí)船噴氣量時(shí)，主要考慮噴氣孔出口速度的無量綱值相等[11]，即

模型螺旋槳噪聲試驗(yàn)結(jié)果換算到實(shí)槳噪聲時(shí)，主要考慮以下因素的影響：(1) 模型槳與實(shí)槳的縮尺比；(2) 模型槳與實(shí)槳試驗(yàn)工況的差異(進(jìn)速、轉(zhuǎn)速、靜壓等)；(3) 實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)段的聲場修正，即把水槽內(nèi)非自由場中測到的結(jié)果換算到實(shí)槳的自由聲場中去；(4) 距離修正，因?yàn)闇y量水聽器位置與槳模噪聲源的位置之間往往不是1 m的距離，為了歸一化，需修正到1 m距離上。

實(shí)槳噪聲的聲源級(jí)按下式進(jìn)行計(jì)算[12]：

4.2 螺旋槳噴氣降噪的實(shí)船預(yù)報(bào)

對(duì)應(yīng)各航態(tài)下螺旋槳噪聲的實(shí)船預(yù)報(bào)結(jié)果見圖8～10，由圖8～10可見，噴氣后噪聲譜級(jí)在整個(gè)頻段內(nèi)都有降低，其中對(duì)螺旋槳的中高頻噪聲降低更明顯。噴氣量逐漸增大，噪聲譜級(jí)也逐漸降低。圖8中各噴氣量下的噪聲譜級(jí)比不噴氣時(shí)的噪聲譜級(jí)平均下降約8.5 dB；圖9中噪聲譜級(jí)平均下降約7 dB；圖10中噪聲譜級(jí)平均下降約10.5 dB。

表3中列出了降噪量預(yù)報(bào)結(jié)果及水動(dòng)力性能的變化情況。由表3可見，噴氣量逐步增加的過程中，總聲級(jí)逐步下降，而推力系數(shù)K從緩慢下降到迅速降低。在推力系數(shù)K下降值不超過5%的情況下，三種噴氣方式下，選擇適當(dāng)氣量后均可以降低總聲級(jí)5 dB以上。

圖8 導(dǎo)邊噴氣的實(shí)槳噪聲預(yù)報(bào)結(jié)果

圖9 噴氣環(huán)噴氣的實(shí)槳噪聲預(yù)報(bào)結(jié)果

圖10 組合噴氣的實(shí)槳噪聲預(yù)報(bào)結(jié)果

表3 降噪量預(yù)報(bào)結(jié)果及水動(dòng)力性能變化

5 結(jié)論

通過螺旋槳噴氣降噪模型試驗(yàn)以及螺旋槳噴氣降噪實(shí)船效果預(yù)報(bào)研究，得到以下結(jié)論：

(1) 模型螺旋槳明顯空化時(shí)，噴氣可以顯著降低測試頻段的噪聲，是一種有效的螺旋槳噪聲控制方法；

(2) 模型螺旋槳明顯空化時(shí)，槳葉導(dǎo)邊噴氣、噴氣環(huán)噴氣、槳葉導(dǎo)邊和噴氣環(huán)組合噴氣的降噪效果相差不大，而且都存在一個(gè)噴氣量范圍，在螺旋槳推力損失較小的情況下，噪聲譜級(jí)平均下降量可達(dá)到5～12 dB；

(3) 當(dāng)實(shí)船螺旋槳處于空化狀態(tài)時(shí)，導(dǎo)邊噴氣、噴氣環(huán)噴氣及組合噴氣三種方式均有較好的降噪效果，實(shí)船總聲級(jí)可降低5 dB以上；尤其對(duì)螺旋槳的中、高頻噪聲，三種噴氣均有較好的降噪效果；

(4) 從模型槳試驗(yàn)到實(shí)船預(yù)報(bào)的結(jié)果表明，同一航速下，存在一個(gè)最佳的噴氣量。工程應(yīng)用中結(jié)合具體要求，適當(dāng)選擇噴氣量，可以得到水動(dòng)力性能影響在可接受范圍內(nèi)、降噪效果好的噴氣方案。

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Model propeller noise reduction by air injection and full-scale propeller noise prediction

LI Ya, CHEN Yi-hong, SUN Hong-xing

(China Ship Scientific Research Center, National Key Laboratory on Ship Vibration and Noise, Wuxi 214082, Jiangsu, China)

Once the cavitation caused by propeller occurs, it will be the strongest noise source. Noise can be reduced by using air injection system. Model experiment results show that injecting air from propeller leading edge, from air ring or from both leading edge and air ring can all reduce the noise, and the effects are allvery remarkable. Also, the injected air quantity for full-scale propeller can be calculated according to the demand that the dimensionless air speed at the holes’ outlet must be equal. The full-scale propeller noise prediction shows that the total sound pressure level can decrease by more than 5 dB.

propeller; air injection; noise reduction

U664．3

A

1000-3630(2018)-01-0066-05

10.16300/j.cnki.1000-3630.2018.01.012

2017-02-03;

2017-05-07

李亞(1979－), 男, 江蘇徐州人, 博士, 高級(jí)工程師, 研究方向?yàn)橥七M(jìn)器噪聲。

李亞, E-mail: 694339492@qq.com