全回转推进器应用于破冰/科考船的技术特点、现状及水下噪声控制措施研究

朱林波 刘亮清 史志赛

（1.中国船舶重工集团公司第七一一研究所 上海200090；2.船舶与海洋工程动力系统国家工程实验室 上海 201108）

引 言

全回转推进器在破冰船的装机数量越来越多，近年来，一些新建科考船的船东也在考虑使用全回转推进器，尤其对水下噪声要求比较高的新型科考船。新型综合科考船要求能承担海洋资源、海洋生态环境、生物多样性、地球物理化学、水文、大气等多学科海上综合考察和研究任务，配备众多高精度水下探测设备、仪器，设有多学科实验室，载员多，对水下噪声等级提出更高要求。既要有破冰功能，又需要满足DNV·GL Silent R或CCS Underwater Noise 1入级，甚至ICES209标准和要求的全回转推进器也正在设计开发中，通过开展对此类推进器应用特点分析和实船应用调研，分析总结出这些要求下的全回转推进器技术现状，提出控制水下噪声措施的建议，为全回转推进器的选型以及推进装置设计给出合理化建议。

1 全回转推进器在破冰/科考船领域的应用特点分析

舵桨装置和吊舱都属于模块化的全回转推进器，此类推进器可在工厂车间里完整组装，安装与维修也十分方便。

舵桨装置主要由变速齿轮、传动轴、螺旋桨和操舵装置组成，通过伞齿轮传动机构使螺旋桨或导管推进器能在水平面内绕竖轴作360°转动，用以推进并操纵船舶。舵桨装置推进器可采用调距桨，推进动力仍在船舶舱室内。

吊舱式就是推进电机直接和螺旋桨相连，组成一个独立推进模块，并吊挂在船体底部，电机直接在水下推进。吊舱不需要使用机械式齿轮传动装置，其传动效率要比舵桨装置高。一般采用定距桨，其机械结构更简单。

全回转推进器可以自由转动并产生任意方向的推力，其优越性还体现在既可以设计成推式，也可以为拉式。拉式推进装置的螺旋桨布置在装置前端，直接面向来流，其伴流区比较均匀，提高螺旋桨的水动力效率并减少空泡现象，从而降低系统产生的噪声和振动。

舵桨装置在海洋工程作业船上使用较多，吊舱由于成本较高，主要应用在破冰船与大型邮轮等。由于全回转装置作为矢量推进的优势，船舶操作性能比较好，尤其吊舱，在破冰船上应用较多。ABB最初开发吊舱原型机就是应用在破冰船上（1990年改装船Seili［1］），主要优势为：使用倒航破冰，可以斜向破冰，开出比船宽还宽的航道（见图1）。随后，吊舱在大型邮轮上被大量使用，ABB又进一步开发出紧凑型吊舱，应用于渔业船、科考船等。

图1 破冰船开辟航道示意图

在科考船应用领域上，由于科考设备使用及减少对鱼群干扰等强烈需求，科考船对水下噪声的辐射要求比较严格，DNV·GL参照ICES209合研报告，根据船舶适用范围，提出了一系列水下噪声入级符号Silent-A、-S、-F、E、-R。在2018年，CCS根据国内日益发展的科考船以及船舶降低水下噪声对环境影响的迫切需要，结合国内造船实际，提出了水下噪声的入级标准：Underwater Noise 1/2/3（以下简写URN-1/2/3）［2］，其中“1”表示水下辐射噪声最高等级。主要的水下噪声标准要求参见图2。

图2 主要的水下噪声标准

1.1 全回转在破冰船上的应用特点

同传统轴桨推进相比较，全回转推进器在破冰方面具有如下优点：

（1）推进效率高，水动力特性较好。

（2）采用倒航破冰方式，破冰型船舶整体破冰效率比配置传统轴推的船舶提高40%以上，尤其商用货船，可走极地捷径航线，意义更加重大。采用斜向破冰（见图1），增加航道宽度，可为大型船舶服务。

（3）取消了尾轴、尾侧推器、舵机系统等，无需专门的冷却系统，从而节省舱容，简化安装。

（4）为船体（尤其是船尾和集控室部分）的设计提供了很大灵活性。

（5）噪声低、振动小、废气排放减少。

（6）推进器可在360°水平范围内旋转，大大提高船舶操纵性和机动性。

综上所述，全回转吊舱以及舵桨装置在破冰船上使用较多，技术较成熟，优势明显。

1.2 全回转在科考船的应用特点

全回转装置包括吊舱、舵桨装置在内的推进器在科考船上的应用特点如下：

（1）采用吊舱，由于无齿轮传动，推进电机使用低速机，因此相对于高速电机，可有效降低船舶振动和噪声，改善舒适性。

（2）由于吊舱电机安装在水下，电机是主要的水下噪声辐射源，因此需要采取多种措施来降低所产生的水下噪声，技术上更复杂。

（3）由于舵桨装置含有齿轮传动机构，在某些频率下会有尖峰值（见下页图3）［3］，且即使采用提高齿轮加工精度等措施，仍无法避免。所以应避免或尽可能减少使用齿轮组传递，比如一些厂家使用立式永磁电机直接驱动，以减少上部齿轮组。

图3 齿轮传动的水下辐射噪声的图谱例子

（4）根据国际海洋考察理事会（ICES）“合作研究报告第209号”（CRR209）分析结论，满足CRR209的水下噪声辐射（类似于DNV·GL Silent R）的科考船，尽量不使用可调桨。采用可调桨的主推进装置在轴转速可变以及远离最佳设计螺距的螺距设定处降低转速操作，可导致更加不利的空化特性［4］。有较多证据表明：可调桨在螺距和转速改变下，水下辐射噪声水平会急剧提高，特别是螺距突然变化的时候。

（5）由于电动机的转矩受限制，要求较高的轴转速，有些情况下无法实现最优螺旋桨效率。

1.3 吊舱与舵桨装置在破冰/科考船应用特点对比

对比基于吊舱和舵桨装置采用敞水桨（无导管），舵桨装置在舱室内采用立式电机驱动，这两种不同形式全回转在破冰/科考船上使用对比见表1。

表1 吊舱与舵桨装置的比较

续表1

从表1对比分析得出：在破冰领域，吊舱的优势明显且应用最广泛，但在满足水下辐射噪声Silent R要求的科考船，均在技术上遇到难题。

2 主要厂家的全回转推进器在破冰/科考船领域应用情况

由于在破冰科考船上应用多年，国际主流的舵桨装置及吊舱厂商积累了较多使用经验。舵桨装置厂家在破冰/科考船上的使用情况对比见下页表2，吊舱推进器厂家在破冰及科考船上使用现状见下页表3，应用情况来源于方案咨询及厂家宣传资料。

从应用市场情况来看，ABB的吊舱应用较多，粗略统计，ABB的各种吊舱系统已经装船130多套，尤其在破冰船和科考船领域积累了丰富的经验，型号细分彰显专业。ABB也在加速开发满足Silent R级的科考船上的吊舱，只是目前暂无工程应用实例。

3 破冰型科考船用全回转推进器水下噪声控制措施建议

水下辐射噪声主要由机械噪声、螺旋桨噪声和流体噪声组成［5］。在11 kn航速及以下时，船体外板经过光顺设计，流体噪声对水下噪声影响一般可以忽略。舱内的水下噪声控制主要集中在机械噪声控制，主发电机组和辅机通过隔振设计能够达到分解的指标要求，因此，影响水下噪声的难点在于推进装置。

表2 主要厂家的舵桨装置在破冰及科考船上应用现状

表3 吊舱在破冰及科考船上现状

从目前的工程实例来看，常规轴桨式电力推进船能够达到DNV·GL Silent R要求，全回转推进器目前还没有满足该标准的工程案例，甚至DNV·GL Silent F级也没有。针对此类型船水下噪声控制措施及方法，建议如下：

3.1 针对船舶需求选择适合的水下噪声标准

目前认可的水下噪声标准为DNV·GL Silent系列以及CCS的标准URN1/2/3，相关标准见图2。从以上标准可以看出，在100 Hz以下，CCS URN1在10 Hz和12.5 Hz相对于DNV·GL Silent R的要求更严格一些。该频段经过修正后，一般影响不大。在16～80 Hz频带内，相对于DNV·GL Silent R有一定程度的放松，频率100 Hz以后，下水噪声数值和DNV·GL Silent R数值重合。CCS URN2的数值比DNV·GL Silent F有2～4 dB的放松。

对于实现DNV·GL Silent R，主要难度在于低频率段频，尤其在25～63 Hz。该频段噪声一部分来源于发电机机组，机组经过良好隔振后，可以达到分解指标；另外一部分来源于推进电机，全回转推进器电机较难实现。CCS URN1入级对于此区域的要求有所放松。因此针对船舶实际需求，选择满足要求的水下噪声标准尤为重要。

3.2 全回转推进器主要控制措施

在破冰型科考船上应用，全回转推进器主要采取如下措施：

（1）如果采用舵桨装置，仍采用定距桨，不建议采用可调桨。

（2）为满足破冰要求，选择高强度的螺旋桨材料。如果采用镍铝青铜螺旋桨，由于材料屈服强度比不锈钢的强度低，相应的叶片厚度比钢制桨厚，尤其在随边上。厚度增加以后，会产生桨叶鸣音，诱发更大的水下辐射噪声，所以螺旋桨优先选用不锈钢材料，整体推进器的自重也会降低。

（3）合理选择桨的主要参数，比如桨径、转速、螺距等，桨的转速应尽量小。若桨转速过大，容易发生机械振动，产生更大噪声。

（4）螺旋桨设计阶段也需要配合船体进行船池空泡水筒试验，采用可靠的计算技术实现对螺旋桨水下噪声的预测。

（5）舵桨装置减少齿轮传递副，减小齿轮噪声，建议采用降噪型的推力轴承。

（7）对于推进电机安装于水下的吊舱，电机直接水下辐射噪声，需要结合全船振动噪声设计开展评估及采取结构加强等更多针对性的设计。

3.3 应用于Silent R科考船吊舱的水下噪声技术措施

国际知名吊舱厂家也在加速开发满足DNV·GL Silent R水下辐射噪声船舶的吊舱，技术路线是计算仿真预测、工厂有限测试、实船测试。

为满足Silent R和破冰的要求，对吊舱外形进行优化，针对吊舱不同的噪声源，采用不同的方法进行计算模拟。吊舱主要有两种不同水下噪声源：螺旋桨水动力噪声和马达电磁噪声，前者高度依赖于负荷和速度，而后者在很大程度上取决于变频器输出特性。如电压电平的数量和电流/电压调制参数等，对负荷和速度的依赖更为平滑，螺旋桨噪声使用水动力计算和经验数据模拟预测，马达电磁噪声一般通过工厂台架测出空气噪声，使用软件工具模拟计算到水下噪声，整个吊舱水下噪声预测流程及技术如下：

（1）按照工况条件（功率及转速）完成吊舱的选型，采用水动力计算软件计算螺旋桨的水动力性能和空泡特性，其输出数据至噪声模拟模块，计算模拟吊舱的水动力噪声。

（2）选择合适的变频器供电方式，优化吊舱单元的电磁噪声。吊舱机体采用模态叠加和电磁场单波激励的有限元方法（FEM）获得机体在相应频率下振动数据。

（3）从上面有限元结果中提取表面法向速度，将其用于快速边界元模块（FBEM）的输入数据，通过FBEM模拟出空气和水中的声功率，可以得到每个激励情况下的修正系数K，公式参见式（1）。

（4）通过以上方法仿真出空气中噪声水平后，使用如下公式［1］将该值转换为水下噪声。

式中：Lp,water为距离吊舱装置1 m处的水下噪声声压级；Lw,air为吊舱装置在空气中的声功率级；K为流体声学特性修正项；R为流体作用于吊舱表面上的影响修正系数。

（5）水动力噪声和电磁噪声整合计算得到吊舱装置的水下辐射噪声。

其中，x0、y0、z0分别为X、Y、Z的迭代初值，xin、yin、θin分别为X、Y、Z的输入值，zout为输出值。

通过以上技术仿真结果，吊舱理论上满足Silent R的要求，模拟计算过程中，采用了一些简化手段，结果还需要工程验证。

4 结 语

综上所述，全回转推进器相对于常规轴推在破冰船、科考船领域的应用现状，有如下特点：

（1）由于水动力综合特性较好，吊舱及舵桨装置在破冰船上应用较好，应用案例较多；

（2）吊舱及舵桨装置有在水下噪声不入级或即将入级DNV·GL Silent A+S的船舶应用案例，但没有Silent R和CCS URN1的工程案例，还需要结合船舶总体设计、动力系统集成设计、减振降噪设计、设备优化设计等方面，在各相关方共同努力下实现突破；

（3）通过优化后计算模拟验证，吊舱水下噪声指标有满足Silent R噪声要求的可能。