基于预报的客滚船振动和噪声控制措施分析

2022-08-12唐建伟

船电技术 2022年7期

关键词：空泡噪声控制螺旋桨

唐建伟，徐昌

应用研究

基于预报的客滚船振动和噪声控制措施分析

唐建伟1，徐昌2

（1. 青岛中远海运国际船舶贸易有限公司，山东青岛 266071；2. 中国船舶与海洋工程设计研究院，上海 200001）

客滚船的舒适性与乘客的体验直接相关，控制作为舒适性重要衡量指标的振动和噪声，是客滚船设计的重中之重。该文以某型客滚船为例，介绍了基于经验和数据库的振动和噪声早期预报以及振动和噪声的数值预报，同时基于上述预报的建议和结论采取相应的振动和噪声控制措施。通过试航实测结果，验证了预报和控制措施的有效性，为今后客滚船在设计和建造过程中振动和噪声控制提供了可借鉴的经验。

客滚船振动噪声预报控制

0 引言

客滚船（Ro-Ro passenger ship，ROPAX）是一种人车两用运输船，主要用于装运卡车、小汽车、集装箱拖车和游客，并为游客提供住宿和娱乐服务。因其较高的货运时效性和乘客舒适性，在经济发达地区的内海、海湾、海峡和沿海岛屿间的短途水运中具有一定的竞争优势。

目前我国的客滚船运输已形成以渤海湾为中心的渤海湾客滚运输市场，随着亚洲区域旅游日益活跃和中韩自贸区建设的推进，将进一步推动中韩航线客货运事业的发展。

在中韩航线上运营的新造客滚船的快速性均可满足货运时效性要求，需要更加注重提高舒适性从而增加客运收入。新造客滚船需要确保能按时交船，若振动噪声超标将导致试航后大面积的结构返工和舱室翻新，使新船和旧船无法正常衔接，给船东带来经济损失。此外，振动噪声作为舒适性的重要衡量指标，也是客滚船设计的重中之重，若乘客体验不佳，将会对船舶给出较多负面评价，会影响船舶的口碑，从而影响到船舶整个生命周期内的经济效益。因此，在设计和建造阶段需要高度重视控制船舶的振动和噪声。对于有母型船的船型而言，可参考母型船已有措施以及实船反馈进行优化改进，有相对明确的方向。而对于全新开发的船型，振动和噪声控制难度更大。

本文以中韩航线上全新开发的某型客滚船（以下简称‘本船’）的振动和噪声控制为例，介绍船舶设计和建造过程中的振动和噪声控制方法。

表1 船型主要参数表

图1 船型侧视图

1 基于经验和数据库的振动和噪声早期预报和建议

本船为国内首艘满足中国船级社（CCS）COMF(VIB 2) 、COMF(NOISE 2)附加标志要求的客滚船，上述船级符号要求乘客高级舱室的最大振动量级不超过2 mm/s、最大噪声量级不超过47 dB(A)[1-3]。而常规船舶振动和噪声仅需要满足ISO 6954-2000和Resolution MSC.337(91)的要求、对应的居住舱室最大振动量级不超过4 mm/s、最大噪声量级不超过55 dB(A)。

由于本船无母型船，在船舶设计和建造阶段，无法通过实际测量的方式获得舱室的振动和噪声值，因此需要对舱室的振动和噪声进行早期预报，从而指导设计和设备选型。本船引入第三方对振动和噪声进行基于经验和数据库的早期预报，可快速识别振动和噪声潜在超标风险。

1.1 振动早期预报及建议

为便于车辆上下，客滚船车辆舱内通常不设纵舱壁和支柱，因此车辆舱上方的住舱甲板无法得到连续的垂向支撑，振动问题会较为突出。受限于船旗国对救生艇布置高度的要求，本船救生艇需在5甲板车辆舱两侧。为方便车辆上下，避免中烟囱与舷侧救生艇凹入处形成行驶路线上的“瓶颈”问题，本船机舱烟囱布置在舷侧。由于没有中烟囱，甲板梁跨距与船宽相等，对横向强度和上层甲板的振动不利。在总布置初步确定之后，通过第三方基于数据库的早期预报。分解振动控制指标，如螺旋桨总脉压和空泡引起的脉压值、主机单层隔振等。另外，基于经验，认为尾部甲板的振动通常较大，建议在7甲板尾部增加纵向舱壁。

1.2 噪声早期预报及建议

对于最高等级噪声要求的船舶（如 NOISE 1），多数为豪华邮轮，通常采用电力推进形式，与常规推进相比有较大的成本增加。而对NOISE 2等级，通过合理的降噪设计，常规推进也可以达到要求。欧洲主流豪华客滚船通常为NOISE 2级。本船在设计初期，在总布置初步确定之后，通过与第三方进行基于数据库的早期预报。分解噪声源控制指标，如主机、排气管、风机、空调器等；对各层甲板的噪声值进行初步预报。对浮动甲板布置、隔声绝缘等提供初步建议。

2 基于早期预报的振动和噪声控制措施

振动和噪声早期预报的建议基本可以分为两类，一类是在设计理念和设备选型上主动去控制、减少振动噪声源，另一类是采取各类积极措施去降低振动和噪声的传递。

2.1 振动和噪声源控制

本船的船用设备较多，因此振动和噪声源也多。主要振动和噪声源包括螺旋桨、柴油机主机、柴油发电机组、空调机组、货舱风机、机舱风机、机舱空压机、机舱泵组、液压泵组、以及各类管道等。因此需要根据早期预报对不同振动和噪声源的控制指标来优化设计和设备选型。

2.1.1 螺旋桨设计

螺旋桨的各种设计要素相互制约，因此需从推进效率、空泡、振动及强度等方面进行权衡，同时应适当加大低振动噪音在螺旋桨设计中的权重，从而达到合理的设计目标。控制螺旋桨的振动和噪音可以从一下几方面考虑：

1）螺旋桨叶片数的选择：一般认为，若螺旋桨的直径和叶面积相同，则叶数少者效率高，但叶数多对减小振动有利。本船选择5叶桨，对减小振动有利。

2）螺旋桨直径的选择：考虑与船体尾部型线的配合，保持足够的间隙，避免产生过大的激振力。通常情况下，该间隙不得小于船级社规范所要求的值。一般在相同推进功率下，螺旋桨直径越大，激振力越小。在满足规范对桨叶梢与船体间隙要求下，本船将螺旋桨直径适当加大至4.8 m。

3）螺旋桨空泡：螺旋桨叶梢产生的梢涡空泡对螺旋桨剥蚀无直接影响，但梢涡空泡在船体表面崩溃时会导致船体尾部的剧烈振动，还会引起不必要的噪声问题。云状空泡不仅对螺旋桨剥蚀最为严重，而且也是强烈的噪声源，危害最大[4]。本船对螺旋桨空泡性能进行了设计优化，通过空泡试验验证，设计桨未出现导致螺旋桨剥蚀的面空泡和云状空泡，梢涡空泡也在正常范围内。

4）螺旋桨引起的激振力：本船在线型设计阶段，着重对尾部线型和轴支架形式和剖面进行优化，从而使螺旋桨的伴流场更加均匀。在半流场无法进一步改善的情况下，还可增加螺旋桨的侧斜角来降低激振力。本船采用的是中侧斜桨。通过脉动压力试验验证，本船设计桨的脉动压力试验值为2.1 kPa，在早期预报的限制范围内。

2.1.2设备选型

振动和噪声源设备选型主要取决于成本，本船在预算造价范围内对主要振动和噪声源设备选型考虑如下：

1）主机和发电机：主机和发电机要求厂家提供优良的锥形减振器，以及采用单层弹性隔振安装来降低振动和噪声。

2）主机和发电机的消音器：主机和发电机的排气管需向上穿过生活和娱乐区，排气噪声与上述需控制振动噪声的舱室较近，需重点关注。本船主机排烟管出口需满足在不同频率段噪声低于90 dB(A)，为满足上述排烟管出口噪声要求，为每台主机的排烟管各布置了1台火星熄灭式通用消音和1台低频消音器。主发电机组排气管上布置火星熄灭式消音器，消音量为35 dB(A)，消音量高于货船25 dB(A)的消音量。

3）主空压机：主空压机采用单层弹性隔振块安装，振动噪声优于常规的钢垫安装。

4）机舱风机：机舱风机采用弹性隔振安装，振动噪声优于常规的钢法兰直接安装。本船由于风机室层高限制无法布置风机消音器，因此将消音器方案改为风机室整体消音方案。

5）空调系统：空调风机选用低噪声高效风机，并且风机安装采用减震器等减振措施。空调箱与舱室之间的圆供风风管采用消音风管，回风管和矩形风道采用消音器以减小噪声的传递。

6）货舱风机：选用低噪声高效风机，并且风机安装采用减震器等减振措施。同时风机基座预留空间，将根据后续评估结果适当刷阻尼约束结构降低振动传递。货舱风机与室外之间设置消音器，减小百叶窗出口的噪声。

2.2 振动和噪声传播途径控制

早期预报对振动和噪声源的控制需要考虑到技术和成本的限制，在振动和噪声源因上述原因无法进一步降低情况下，可考虑采取控制传播途径的措施来降低振动噪声转化或者消耗振动噪声能量。同时还可优化舱室布局，将振动和噪声要求高的房间布置在远离振动和噪声源处。

2.2.1 船体方面

参照振动噪声的早期预报报告，合理优化全船结构布置，保证结构连续性，形成横纵向连续的强框架。合理布置支柱，尽可能将支柱布置在舱壁的同一平面内，增加船体结构刚性。采用高横梁预开孔形式，增加甲板板架的整体刚度。主机座与船体纵桁供面布置，尽量向两端延伸，并设置横向支撑。优化船体结构固有频率，避开主要激振源的工作频率，以避免共振。

同时有针对性地对7甲板尾部区域布置进行修改，增加了2个纵向舱壁，以期减少7甲板振动。另外，对7～9甲板，在设计中，尽量保证主要结构构件的连续性，在合理位置增加立柱和局部舱壁，保证一定程度上的垂向连续性，虽然结构重量略有增加，但减少了振动风险。

2.2.2 内装方面

参照振动噪声的早期预报报告，对噪声较高的区域布置浮动地板和阻尼。在产生噪声的地方如空调器室，刷阻尼约束结构并敷设隔音绝缘，以减小噪声对外界的影响。布风器、静压箱、抽风头等采用挠性连接，减小振动、噪声的传递。天花板、壁板系统采用弹性构件，减小振动和噪声的传播。

2.2.3 电气方面

配电板、集控台、驾控台等大型落地式设备增加减震橡胶垫。机械设备控制箱按厂家标准设备设置减震器。

机舱区及机3甲板机械区灯具采用挂钩式，以便减少震动的影响。车辆舱内灯具采用减震器。室外灯外采用减震盘。

2.2.4 机装方面

排烟管吊架：为降低排烟管的振动噪声，本船排烟管将采用静音型吊架，且对排烟管支撑和吊架的布置位置进行全面的计算。

货舱风机室内围壁敷设隔音绝缘减小噪声的传递。

3 基于数值预报控制振动和噪声

在结构设计完成后，基于厂商提供振动和噪声源数据对振动和噪声进行数值分析。可以为达到振动和噪声要求提供更精确的技术保障，减少船舶后期修改，保证交船期。

3.1 振动数值计算的结论

7甲板跨层的登船大厅，8甲板尾部餐厅、第二主竖区内舱房和VIP套间位置，9甲板冷库、第二主竖区两舷房间和第一主竖区高级船员住舱超标。

图2 9甲板第一轮振动数值计算结果云图

3.2 基于数值计算的振动控制

通过分析结论，得出大梁高度降低的区域，振动问题比较突出，典型如9甲第四主竖区空调器室顶部，8甲厨房顶部，5甲尾部装高车区域；立柱对减小振动有一定的效果，典型如8甲板和9甲板第一主竖区，立柱范围内均有效降低了振动水平。

组织船厂、设计院、船检一起讨论、研究解决方案；修改方案以增加甲板板架刚度为主，在部分区域增加局部舱壁、立柱和纵桁，兼顾减振要求和实际放样可行性。

通过二次振动评估结果，大部分区域的振动幅值得到了显著降低，仅8、9甲板在第一主竖区有个别住舱幅值偏大。在核查模型后进行了修改，并将第二轮发现的部分超标舱室进行了修改，增加了局部纵桁。并进行了第三次振动评估，评估结果满足要求。本船经试航振动实测，振动测量结果均在COMF(VIB 2)舒适性衡准限值内。

图3 9甲板第三轮振动数值计算结果云图

3.3 噪声数值计算的结论

基于提供的设备噪声数据和隔声设计方案，主要舱室内的噪声预报值可以满足CCS船级符号COMF(NOISE 2)的要求。

3.4 基于数值计算的噪声控制

表2 典型位置噪声计算值与实测值对比

组织船厂、船级社和设计院在召开噪声专题讨论会，就噪声计算报告中的材料属性、安装节点要求、等效措施等进行了沟通和澄清。

主要结论如下：7甲板尾部部分舱室需采取浮动地板，以达到规范要求，船厂提供与振动噪声报告中等效的节点形式，得到船级社的确认，可满足规范要求；并对部分设备安装和工艺节点提出了要求，如排气管弹性安装，内装板与振动较大的钢围蔽之间的弹性连接等，船厂确认将在施工时注意；对于部分船厂拟采用的等效节点，如7甲板尾部浮动地板、集控室地板，经与船级社确认，船厂的方案可以达到相似的降噪效果。本船试航噪声实测结果满足CCS 附加标志COMF(NOISE 2)的要求。