科学考察船空调通风系统减振降噪设计

2019-08-28刘春江

船舶 2019年4期

刘春江胡浩崔濛

（1.中国船舶及海洋工程设计研究院上海200011；2.江南造船（集团）有限责任公司上海201913）

引言

科学考察船是用于海洋科学调查、应用技术研究以及测量或勘探等船舶的统称。21世纪是海洋世纪，随着国民经济的发展和海洋意识的增强，科学考察船作为人类调查研究和认识海洋的重要工具，必将有更多方面发展和需求。近年来，由于一些国际海事组织制定的一系列法律、规范中对船舶噪声控制的要求越来越高，并且船东也加大了改善船上生活和工作环境需求，噪声控制已经成为船舶设计中重点关注的内容。科学考察船的船员配置和工作环境相对于普通运输船更为特殊，空调通风系统的噪声对科学家海上实验和船员的工作、生活都有很大的影响，空调通风系统减振降噪是重要工作之一。本文结合对“东方红3”船的实际情况，并引用相关理论分析科学考察船上空调通风系统噪声控制，希望能为科学考察船或类似船舶的空调通风系统减振降噪设计提供参考。

1 船舶噪声简介

从物理学角度定义，噪声也属于声音，是由振动体引起的，通过传声媒质进行传播。

从环保角度定义，一般影响人们正常工作、学习、生活、和休息的声音都属于噪声，长期处在噪声环境中身体会受到不同程度的损害。

在国际上噪声通常采用分贝（dB）作为声学量度的基本单位。同时引入级的概念，用声压级、声强级和声功率级来表示声音的强度。

2 船舶噪声类别

按照噪声源的性质，噪声可分为固体噪声、流体噪声和电磁噪声，一般情况下，船舶噪声源常同时具备以上三种性质。为较好地对船舶噪声进行控制，应系统分析判断哪种噪声源的噪声级较大且频带较高，并采取相应的控制方法。

3 船舶空调通风系统噪声来源及传播途径

目前船舶空调通风系统多采用集中送风，即中央空调器为多个舱室提供处理后的空调风。按此分析，空调通风系统主要噪声源有两项：一是组合式空调器、通风机等设备运行的噪声即机械噪声；二是气流在风管和设备内流动的再生噪声，再生噪声包括风管、消声器、风口产生的噪声。

船舶空调通风系统主要噪声源产生的噪声传播到居住生活舱室的途径有许多，存在多种传播机理，情况较为复杂，但主要还是通过通风管道进行传播。

4 科学考察船空调通风系统减振降噪要求

科学考察船作为海上试验平台，较普通运输船有更多的使用功能，其中DP动力定位系统、水下声学探测系统以及工作生活环境等对船舶的振动和噪声的要求更为严格。以“东方红3”船为例，对科学考察船空调通风系统减振降噪的要求主要考虑以下两个方面。

4.1 空调通风系统噪声要求

本船的舱室空气噪声及甲板工作区的噪声应满足IMO最新舱室噪声规范要求MSC337（91），见表1。

表1 噪声级最大限制值

续表1

为满足表中的噪声指标要求，空调通风系统末端风口的噪声值在表中要求的基础上再降低5～10 dB（A）。

另外根据船东要求，为科学家和船员提供更为舒适的工作和生活环境，对舱室内空调系统噪声要求进一步提高，居住舱室的布风器出口噪声按表2中CCS噪声舒适度等级2级中乘客高级舱室的数值再降低5 dB（A）。

表2 CCS噪声舒适度等级2级噪声指标

4.2 空调通风系统振动要求

水下辐射噪声衡准值需满足DNV的水下噪声衡准要求，在11 kn航速时满足DNV Silent-R的噪声要求，频带范围从10 Hz到100 000 Hz的1/3倍频程，具体衡准曲线见图1。

图1 水下辐射噪声衡准曲线（Silent-R）

其中对空调通风系统要求主要泵组、通风机、冷水机组需作隔振处理。

5 科学考察船空调通风系统减振降噪设计

根据上文中提到的科学考察船空调通风系统减振降噪的要求，空调通风系统设计的主要方法列举以下几点，并结合“东方红3”船典型舱室的设计案例加以介绍。

5.1 空调系统分区设计

相对于普通运输船的空调器集中布置在一个空调器间，科学考察船空调器布置需要考虑甲板位置和区域功能划分，这样可以在总冷热负荷和通风量相同的情况下，降低单个空调器通风机的送风量和送风压力，对舱室内送风末端和回风末端的噪声源的输入可以有效降低；这样设计下单个空调器的本体噪声也会大大降低，进而减少设备本体噪音对周围舱室的影响。“东方红3”船的空调系统按照甲板位置和功能区的特点，空调器的数量和布置见表3。

表3 “东方红3”船中央空调器布置列表

5.2 空调通风系统的变风量设计

常规的空调通风系统采用单速离心风机固定风量送风，风机一直以空调系统最大负荷所需风量工作，但实际上每个房间受外界环境影响所需的制冷量及空调送风量是变化的，通常是低于初期设计最不利工况下的制冷量和风量，为满足科学考察船上空调通风系统的噪声设计要求，空调通风系统采用变风量设计，房间内设置人性化的温控面板，船员根据自身所需设定温度，布风器根据目前的房间温度自行判断加大或减少送风量，空调器送风风机根据静压箱送风压差传感器调节风机转速，相对于定风量系统设计可以降低风机功率和送风压力，这样可以有效降低噪声源对系统的影响。

5.3 空调通风系统的新风比设计

常规空调通风系统如果按照国际航线，空调系统新风比一般选50%；在科学考察船上有的住舱是多人床铺，且多人住舱位于生活区靠下的甲板，冷热负荷并非主要影响风量的输入参数，大部分是为满足规范每人新风量而算出的空调送风量。例如“东方红3”位于下甲板的4人间和6人间，以6人间为例，负荷计算出所需风量为296 m3/h；如按照50%新风比要求所需风量为360 m3/h。这样就会加大空调器总的送风量及风机送风压力，影响空调通风系统的噪声源的输入。在这种情况下，提高新风比到60%，使该房间的送风量为300 m3/h。依次类推，通过对比该甲板的每个房间的风量需求，最终确定最为经济的新风比，为空调通风系统噪声控制打下好的基础。

5.4 空调通风系统风速设计

风速是空调通风系统再生噪声的主要因素之一，合理控制管路的风速有利于整个空调通风系统的噪声控制。

根据直管道的气流噪声声功率级公式

式中：LW为直管道的气流噪声声功率级，dB；LWC为直管比声功率级，一般取10 dB；v为直管内气流速度，m/s；F为风管截面积，m2。

从式（1）中可以看到降低直管道的气流速度可以有效减少管道气流的噪声声功率级，“东方红3”船在空调通风系统中，主管路风速应控制在8～12 m/s，末端风口的风速应控制下3～4 m/s，不同噪声级对应的风速要求如表4。

表4 “东方红3”船风管风速选用标准

另外，科学考察船上由于空间局限，依次选用风管形式为：圆形-椭圆形-方形。

5.5 空调通风系统的噪声计算

空调通风系统的噪声计算是预测和检验前期噪声控制设计的必要内容，通过噪声计算可以确定对整个系统噪声影响最大的因素，还可以为采用何种消音措施提供指导。以“东方红3”船登艇甲板高级房间（房间号418，房间名称“首席科学家”）为例进行分析计算，该房间的空调通风系统布置图参图2。

图2 “首席科学家”空调通风系统布置图

空调通风系统影响该房间的主要有空调送风末端风口噪声、空调回风末端噪声和卫生单元排风口末端噪声，通过噪声计算分别计算出3种通风系统的噪声值并进行叠加，得出房间最终的噪声值，计算结果见下页图3。

从计算结果可以看出，空调送风末端和空调回风末端的噪声值低于42 dB（A），但抽风侧数值并没有显示，卫生单元的排风机位于尾部，距离最近的尾部舱室计算时房间已经满足，首席科学家住舱距离最远，噪声衰减最大，可以认为对房间没有影响，综合以上计算，该住舱达到了CCS噪声舒适度等级2级中乘客高级舱室的数值要求。

6 科学考察船空调通风系统减振降噪措施

6.1 合理选用通风设备

空调通风系统最大噪声来源是空调器，合理选用空调器设备非常重要，对空调器选用需注意以下几点：

（1）根据空调通风系统的实际需求选用风压和风量

在负荷计算时不能留有过大的余量，避免因空调器的风机选用过大而使系统的噪声源数量级增大，只有当设计风压和实际工作风压接近，风机有效功率最大噪声值才最小。“东方红3”船在设计前期便对空调处所的负荷多次校核，最终合理地选用了空调器。

（2）空调器风机内部消声处理

除了上面提到的风量和风压，风机轴承的对中和内部消音材料的选用也直接影响空调器进出口的噪声值，在风机轴承对中上必须严格要求对中精度及减震安装；空调器出风段的箱体内必须敷设材料。在“东方红3”船的空调器上，对上述内容都给出了明确的技术要求，并且均提供出厂检验报告。

图3 首席科学家房舱噪声计算结果

6.2 隔声控制

在船舶空调通风系统中的机械振动噪声通常采用隔声控制来解决，物理隔振处理是一个切实有效的办法之一。所谓隔振处理通常是指为减小结构噪声的产生与传递，在振源和安装固定结构中间安装弹性元件或者隔振装置，进而降低或者削减振源传递给结构的振动能量。隔声降噪常用方法有以下几种，现结合“东方红3”船上的典型图加以介绍：

（1）风机安装时，在风机底座和风机本体之间安装减振器或弹性垫片，并在风机进出口选用软管与钢制风管进行连接，“东方红3”船风机安装型式如图4所示。