Kappel桨与传统螺旋桨噪声对比试验
2015-02-07宋晗王睿熊鹰
宋晗,王睿,熊鹰
海军工程大学舰船工程系,湖北武汉430033
0 引 言
船舶噪声是由船舶构件产生但又不被人们需要的声音,它的产生会影响到船舶多方面的性能。螺旋桨是船舶3 大噪声源之一,当船舶高速行驶时,发生空化的螺旋桨则成为主要噪声源[1]。在螺旋桨噪声的研究中,模型试验方法是一种重要的途径。空泡水洞是研究螺旋桨水动力性能和空泡性能的主要设备,同时也能用来研究螺旋桨噪声性能。一个具有良好声学性能的空泡水洞应具备2 个条件:一是背景噪声能与测试结果进行有效分离,即具有足够的信噪比;二是试验重复性好,测量结果稳定。本文研究过程中采用的空泡水洞运行稳定,密封性良好,具备进行螺旋桨噪声性能测试的基本条件。在“绿色船舶”背景下,Kappel 桨以其较高的效率[2]具有较广阔的应用前景。台湾海洋大学的黄意程等[3-5]以1 700 TEU 集装箱船为对象设计了一系列Kappel 桨,并通过试验确定了影响Kappel 桨效率提升的因素,进行修正设计后的Kappel 桨较原型桨效率要高3.3%;Inukai[6]设计了叶梢向叶背弯曲的反Kappel桨(BTRP),并对其敞水性能及空泡性能进行了试验研究,结果表明BTRP 的效率要比传统桨高2.6%;Andersen 等[7]采用非平面升力线方法设计了一款Kappel桨,并对其进行敞水实验、空泡观测及脉动压力测量,指出了Kappel 桨原有设计方法上的不足。然而对于Kappel 桨其他方面的性能,国内外研究较少。噪声性能是船舶的重要性能,会对船舶的舒适性等造成很大影响,因此本文将传统螺旋桨与Kappel 桨进行模型试验对比,对海军工程大学空泡水洞的声学性能进行探讨,比较2 种桨在相同工况下的噪声性能,并对Kappel 桨的低噪声设计方法进行探索性研究。
1 试验螺旋桨模型
为了增强研究过程中的可对比性,试验选用空泡性能良好的普通螺旋桨,以及由此桨改型得到的Kappel 桨进行研究,其中Kappel 桨的设计参考文献[8]的方法进行。选用的螺旋桨模型如图1 和图2 所示,均采用铝合金制作,2 种模型主参数如表1 所示。
图1 传统螺旋桨Fig.1 The conventional propeller
图2 Kappel桨Fig.2 The Kappel propeller
表1 螺旋桨几何参数Tab.1 Geometric parameters of propellers
2 试验设施、仪器和测量方法
2.1 试验设施
本试验在海军工程大学空泡水洞实验室进行。空泡水洞工作段封闭,长2.6 m,截面为0.6 m×0.6 m 带圆角的矩形。上、下水平段中心线的高度约为10 m,两个垂直段中心线间距为18 m,收缩比6.25∶1,调压范围为0.05~2 个大气压,空泡数为0.2~3。
2.2 试验仪器
本文采用的试验仪器具体型号及其参数如表2 所示。
表2 试验仪器设备参数Tab.2 The parameters of test equipment
水听器安装在水筒试验段外的水箱内,水箱尺寸(长、宽、高)为0.6 m×0.35 m× 0.3 m,水听器与桨轴中心线同高,与螺旋桨桨盘面为同一平面,正对桨盘面中心,水平距离为0.42 m。水箱与水洞以透声窗相连接,其材料为有机玻璃,如图3所示。
图3 水听器布置图Fig.3 Hydrophone arrangement
2.3 测量方法
在空泡水洞中,在试验设备和模型强度允许的范围内,确定出桨模的转速、水洞工作段进速和桨轴中心线压力。在每个给定的工况下,观察桨模的空泡形态,测量并分析螺旋桨空泡噪声以及背景噪声。
考虑到动力仪的最大转速,流速与动力仪转速需同时满足
式中:va为螺旋桨前进速度;b0.75R为0.75R 处叶切面弦长;n 为螺旋桨转速;D 为螺旋桨直径;γ 为水的运动粘性系数。
为尽可能详尽分析Kappel 桨的噪声性能,试验设计了16 组工况进行噪声测量,其中常压工况8 组,负压0.25 bar 工况8 组,测试1~20 kHz 频段内的噪声谱级和总声级(基准声压:1 μPa)。测量背景噪声时,需取下模型螺旋桨,设置与带桨工作时一致的转速、流速等条件。进行背景噪声测量时,因不带桨模,故动力仪功率不同。在进行噪声分析时未考虑该因素。试验工况如表3 所示。表中,X 表示KP,YX,BJ,其中KP 代表Kappel 桨,YX代表原型桨,BJ 代表不带桨时的背景噪声。例如:No.KP1-4 为Kappel 桨在工况1-4 下的噪声;No.BJ1-4 为不带桨在工况1-4 下的背景噪声;No.YX1-4 则代表原型桨,即传统桨在工况1-4 下的噪声,以此类推。
已知工作段稳定来流速度vm,桨模的转速Nm,桨轴中心线处的压力P0,则转速空化数σn为
表3 噪声试验工况Tab.3 Operating condition of propeller noise test
式中,Pν为汽化压力。
3 试验结果和分析
3.1 声模数
据ITTC[9]的建议,在空泡水筒中进行噪声测量时,希望
式中:N 为声模数;c 为声速;f 为噪声频率;V 为试验段体积。海军工程大学空泡水筒试验段体积(单位:m3)为
当噪声频率高于f0=1 047 Hz 时,满足N>1 的要求。因此,取模型噪声分析频段为1~20 kHz。
3.2 噪声结果及分析
在进速系数J=0.39~0.91 的各工况下,分别对螺旋桨桨盘面处噪声进行测量,对测得的辐射噪声时域信号进行FFT 变换,得出各工况下噪声功率谱密度曲线。采集仪的采集频率为100 kHz,所有噪声测量结果均采用东华测试软件声学分析模块进行分析:功率谱密度分析采用平均谱计算方式,谱线数为1 600,隔直0.1 Hz,频率间隔24 Hz;A 计权声级由于其特性曲线接近于人耳的听感物性,故1/3 倍频程声压谱分析采用A 计权,分析频带为500 Hz~20 kHz。本文仅给出了典型工况1-2,1-8,2-4 的测试结果(工况1-2 时,两桨均无空泡产生;工况1-8 时,两桨空泡刚产生;工况2-4时,抽真空后两桨空泡产生明显)。
3.2.1 背景噪声测量
水洞背景噪声分为2 个部分,一是水洞本身的振动噪声,主要来源于主电机驱动水泵引起的筒体振动;二是螺旋桨动力仪的振动噪声。在试验的重复性方面,对No.BJ1-1~No.BJ1-5(常压水速2 m/s 背景噪声)进行了3 次测试,测得的数据结果如表4 所示。数据表明,噪声测量系统稳定,试验重复性较好。
表4 3 次常压、水速2 m/s情况下的背景噪声总声压级Tab.4 SPL of background noise under va=2 m/s and P=1 bar for three times
图4 所示为环境噪声、背景噪声连续频谱。从图中可以看出,主电机未开启(水速为0)、动力仪转速为0 时,整个水洞的环境噪声非常小,在低频段(小于1 kHz)时其最大值小于85 dB;开启主电机将水速调至2 m/s,噪声明显增大,这是主电机驱动水泵引起水洞筒体的振动噪声,筒体振动噪声与环境噪声频带总声压级相差15 dB 以上,且在整个频段内均有分布。开启动力仪以后,背景噪声急剧增大,No.BJ1-1 与筒体振动噪声频谱声压级相差20 dB 以上,频带总声压级相差40 dB。随着动力仪转速的增大,背景噪声也逐渐增大,功率谱曲线幅值总体上升,而曲线趋势并没有变化,10 kHz 以后以倍频程3~6 dB 的速度衰减。
图4 环境噪声、背景噪声连续频谱Fig.4 Continuous spectrum of surround and background noise
在负压背景噪声测试过程中发现,在同等条件下,与常压背景噪声相比,负压背景噪声的总声压级要小。表5 给出了常压、负压背景噪声各工况(No.BJ1-1~No.BJ2-8)总声压级的对比。
表5 常压、负压背景噪声各工况总声压级Tab.5 SPL of background noise
对于这种情况,经分析认为,声波传播中传递的是质点的能量,而不是质点。抽真空以后,空泡水洞中的水出现大量气核,在水流中以肉眼可见的状态大量存在着。这些气核对于声波的传递有着较大影响,一方面可以对声波的传播路径产生影响,另一方面可以吸收一部分声波的能量。因此在负压工况下测得的噪声总声压级要低于常压工况。这与张永坤等[10]的研究结果一致,即噪声声压级随着水中含气量的降低而升高。水洞抽真空之后未进行除气,含气量要高于常压状态,总声压级随着含气量的升高而降低。图5为No.BJ2-6~No.BJ2-8 连续频谱图,从图中可以看出,负压背景噪声呈现出与常压背景噪声一样的增长趋势,随着动力仪转速的升高而升高。在高频段,背景噪声主要是筒体振动噪声(图5 圈内部分),与常压背景噪声略有不同。
图5 背景噪声工况2-6 至2-8 连续频谱Fig.5 Continuous spectrum of operating condition from No.BJ2-6 to No.BJ 2-8 of background noise
3.2.2 桨模噪声测量
Kappel 桨是一种具有特殊梢部结构的改进型螺旋桨,在保持原桨形式及布置的前提下,对梢部加以大幅弯曲,旨在提高螺旋桨的效率[11-13]。但是Kappel桨的其他性能,如空泡和噪声性能如何,是否适用于中、高速船舶,正是本次模型试验所关心的问题。
图6 和图7 为2 种桨模在既定工况下各转速空化数σn的总声压级与背景噪声的比较。图8~图10 为2 种桨模在工况1-2,1-8 和2-4 下的1/3倍频程谱,图11~图16 为对应工况的空泡形态。
图6 常压工况总声压级对比Fig.6 Comparison of SPL under P=1 bar
图7 负压工况总声压级对比Fig.7 Comparison of SPL under P=0.25 bar
图8 工况1-2 的1/3 倍频程谱Fig.8 1/3 oct spectrum of operating condition 1-2
图9 工况1-8 的1/3 倍频程谱Fig.9 1/3 oct spectrum of operating condition 1-8
图10 工况2-4 的1/3 倍频程谱Fig.10 1/3 oct spectrum of operating condition 2-4
图11 Kappel桨在工况1-2 下的工作情况Fig.11 Photo of the Kappel propeller under No.KP1-2
图12 传统桨在工况1-2 下的工作情况Fig.12 Photo of the conventional propeller under No.YX1-2
图13 Kappel桨在工况1-8 下的工作情况Fig.13 Photo of the Kappel propeller under No.KP1-8
图14 传统桨在工况1-8 下的工作情况Fig.14 Photo of the conventional propeller under No.YX1-8
图15 Kappel桨在工况2-4 下的工作情况Fig.15 Photo of the Kappel propeller under No.KP2-4
图16 传统桨在工况2-4 下的工作情况Fig.16 Photo of the conventional propeller under No.YX2-4
结果表明:
1)无空泡时,Kappel 桨与原型优化桨的辐射噪声相当。此时的噪声主要是流动噪声,在1~8 kHz之间桨模噪声与背景噪声有较明显的分离,中心频率信噪比为2~5 dB。
冷冻系统节能的评价指标一般用“机房能效”来衡量,即在项目中将所有设备的正常运行功率进行统计,并计算整个冷冻站系统的能耗值,最终得出整个系统的COP。最大负荷运行工况下(夏季全负荷运行)的机房能效值计算如下:
2)随着转速的增大,两桨的噪声总声压级相应增大。Kappel 桨的噪声总声压级的增加速度要比原型优化桨的快,在负压状态下尤为明显。这是因为Kappel 桨的空化初生要比原型优化桨早,并且空泡发展的速度也比原型优化桨快。
3)在同一转速空化数下,Kappel 桨的空泡辐射噪声要明显高于原型优化桨。其原因是相比原型优化桨,Kappel 桨的空化形态更剧烈,当原型优化桨为稳定片状空泡时,Kappel 桨叶梢端已产生泡状空泡。桨叶上产生泡状空泡时,随着空泡大量的溃灭和再生,产生的辐射噪声在各种形态空泡中不管是低频还是高频均为最大。
4)无论是背景噪声还是2 种桨模噪声,其频谱线均在4 kHz 附近存在一个峰值。对于安装水听器的盛水装置,其自振频率可以按下式近似估算
式中:Mx,My,Mz分别为盛水容器边界的方向余弦值,均为1.0;Lx,Ly,Lz分别为盛水容器边界的几何尺寸,分别为0.6,0.35,0.3 m。
代入式中,可得f≈3.5 kHz,与试验噪声频谱峰值频率接近,因此可以用共振现象来解释4 kHz附近的峰值。
作为振荡现象,当声波波长等于筒径时可能会出现驻波,根据公式
式中:fc为驻波频率;λc为驻波波长。
海军工程大学空泡水洞工作段的尺寸为0.6 m×0.6 m,故当驻波波长为0.6 m,即f =2.5 kHz时,噪声谱出现异常,由上面的连续频谱图中均可看出,在频率约为2 kHz 时,噪声出现了较大的减弱现象。
4 结 论
本次试验完成了空泡水洞背景噪声测量以及Kappel 桨与传统螺旋桨模型的噪声测量及对比,并进行了空泡观测。通过对结果的分析可以得出如下结论:
1)海军工程大学空泡水洞的声学性能满足试验要求,噪声测试结果有足够的信噪比。背景噪声主要由动力仪振动噪声和水洞筒体振动噪声组成。环境噪声对背景噪声的影响非常小,可以忽略不计。动力仪的振动噪声对背景噪声贡献较大。由水洞主电机驱动水泵引起筒体振动的噪声在整个频段内均有分布,但是影响不大。随着主电机转速的提高,筒体振动噪声虽然也会增大,但没有动力仪的影响大。
2)在2 次背景噪声测试中,噪声功率谱密度曲线走向趋势一致,8 组常压背景噪声之间的声压级差与8 组负压背景噪声之间的声压级差是相同的,对应的每组常压与负压背景噪声之间的声压级差也相同。
3)负压状态下的噪声声压级要低于常压状态,这是因为水洞抽真空后水中含气量要高于常压状态,水中大量的气核会吸收一部分声波传递的能量,并且对声波传递的路径产生干扰。
4)背景噪声和桨模噪声谱中均存在波峰和波谷。4 kHz的波峰由盛水容器的共振引起,2 kHz的波谷由波长等于水洞工作段尺寸的声波产生的驻波引起。
5)常压工况下,两桨未发生空化时的噪声主要是流动噪声,在1~8 kHz 频带内可以与背景噪声区分,随着空泡的发展,螺旋桨的辐射噪声越来越大,信噪比越来越明显,可在1~20 kHz 频带内区分背景噪声与桨模噪声;负压工况下的信噪比明显高于常压工况。在海军工程大学空泡水洞进行桨模噪声试验,可在中心频率1~20 kHz 频带内明显区分背景噪声与桨模空化噪声。
6)和传统桨的噪声性能相比,Kappel 桨的噪声性能略差,这与其空泡性能相关。本次试验所用Kappel 桨叶梢端弯折部分的拱弧较小,为弯折段的导边先出现空泡,故空泡性能比传统桨略差。随着转速的提高,Kappel 桨的空泡发展变化较传统桨更剧烈,因此测得的辐射噪声总声压级明显高于原型优化桨。因此在进行Kappel桨设计时应综合考虑螺距与拱弧,不仅要考虑导边来流攻角,还需要考虑流体沿整个桨叶剖面的运行状态,尽量保证整个弦向的来流角度与导边来流攻角一致。
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