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1、长江电力推进游轮减振设计研究杨敬东，王智祥，孙勇敢，王红梅(重庆交通大学航海学院，重庆400074)摘要：针对长江首艘电力推进船舶船型、总体布局及舵桨装置等相对常规船型的巨大变化，有必要在本艘游抡设计研发时，结合电推船舶的特点，对船舶进行减振降噪的分析，包括全招模态分析、动力设备的振动隔离方案以及局部结构的振动计算，以期最大限度的降低船舶噪声和振动，提高旅客和船员舒适程度。关罐词：游轮；电力推进；结构减振；仿真分析计算中图分类号：U661.43文献标志码：ADO1TheYangtzeRiverElectricPropulsionShipDesignResearchofVibrationRedu
2、ctionYANGJing-dong,WANGZhi-xiang,SUNYong-gan,WANGHong-mei(ChongqingJiaolongUniversity,MarilimeCoIlege1Chongqing400074,China)Abstract:Onthe匕IgzZeriverfirstelectricpropulsionshipgreatChangeSofhullfi)nn,generallayoutandshiprudderpmpellerdevice加relativetoconventionalvessel,itnecessaryinIhKcruiseshipdesi
3、gnresearch,accordingtothecIuiracteristicsoftheelectricpmpulsionshipjanalysisofthevibrationreduction,includingthemodelstaleanalysis,vibrationisolationschemeqfpowerequipment,andthevibrationQfthelocalstructurecalculation.山ordertomaximizereducetrafficnoiseandvibration,improvethePaSSeitgeTSandcrewconfort
4、level.Keywords:cruisevessel;electricpropulsion;structuralvibrationreduction;thesimulationanalysis0引言根据国内外新的发展趋势，由低排放柴油发电机组成的电力推进系统是一种先进的船舶推进方式，符合国家节能减排的战略，据了解2(X)3年海洋船舶开始采用电力推进，2009年欧洲内河船舶开始采用其推进方式，从理论上来说，与常规柴油动力推进方式相比，电力推进船舶柴油发电机组通常安装在弹性支承上，恒速转动，振动变量小，与独系和船体无直接联结，大大减少振动和噪声，我国电力推进船舶己经应用在海洋港作拖轮以及海事执法
5、船的建造上。此次研制的长江豪华游轮为我国内河首艘电力推进船舶，其研制、设计及建造都具有国内创新性，由于船型、总体布局及舵桨装置相对常规船型的巨大变化，有必要在本艘游轮设计研发时，结合电推船舶的特点，对船舶进行减振降噪的计算分析，包括全船模态分析、动力设备的振动隔离方案设计以及局部结构的振动计算，以期最大限度的降低船舶噪声和振动，提高旅客和船员舒适程度。从游轮的设备配置上来看，主要的振源是4台柴发电机组及四台全问转舵桨装置，针对主柴发电机组，本文通过数套方案的建模及比较分析，采用了双层隔振的措施来降低柴发电机组对船体结构的振动影响；针对游轮主体结构采用一维梁法进行了全船结构固有频率和固有振型的计
6、算，同时利用MSCpantran/nastran软件对整船做了有限元建模和分析，计算了船舶固有频率、固有振型，通过PCL编程建立相关函数计算螺旋桨激振力，特别针对计算中发现的船尾局部结构出现的频率储备不足及强迫响应超标的问题，给出了减振措施，有效地减少了实船的有害振动，为同类型船舶的减振设计及解决船舶振动的方法提供了有益的借鉴。1桐雌游轮船体线型由球首、方尾代替传统的前倾首加双球尾形式；总体布局打破了常规长江游轮的特点，机舱从船体中部大幅向尾部迁移，与同尺度旅游船比较，增加了旅客舱室共IO间，提高了营运收入；螺旋桨由四台柴发电机组产生的电力驱动，减少了常规轴系：其舵桨布置也没有采用常规形式，首
7、次在长江上运用了舵桨合一技术,四只小舵桨代替传统两个大舵桨，推进系统有更好的冗余，噪音和振动进一步降低。本船为钢质船舶，各主要甲板首尾贯穿，机舱在尾部。总长141.8m,垂线间长132.0m,型宽19.0m,设计吃水2.9()m,设计航速24kmh:主推进电机型号及台数：4台，额定功率68OkW,舵桨减速比2.769:1：螺旋桨型式:全回转舵浆，舵桨叶片数为4叶，总中纵剖面见图I。图1内河电力推进豪华游轮总布置图2总体振动计算方法2.1 总体自由振动计算当弹性结构置流体介质中时，流体与结构之间通过它们的交界面存在着相互作用。当用有限元方法计算结构振动与声耦合问题时，需要对结构和流体都进行有限元
8、网格离散，建立有限元方程进行分析。弹性结构与声介质耦合振动的矩阵方程为口MX+CX+KXF(1)在进行自由振动计算时忽略了阻尼和外力的影响，方程(1)变为：MX+KXG(2)式中，K为结构总刚度矩阵：M为结构总质量(包括附连水质量矩阵)。解方程(2),即可求得结构与水相互作用振动的各谐调固有频率和相应模态。2.2 总体动力响应计算对方程(1)两边进行拉氏变换并利用模态转换，可得：(-O2叫+j(t)Cr+*r)Q(=55()mm46.33不满足1.1.4 激振力计算一般而言，引起船体结构振动的主要激振源有主机和螺旋桨，对于本船来说，柴发电机组设备基座采用双层隔振装置，理论计尊显示激振力很小，因
9、此，在确定激振力时不考虑主机激振力而仅考虑螺旋桨激振力，由于本轮没有尾轴系，所以螺旋桨激振力也只考虑表面力，而且船舶尾部采用方尾后又使得船尾型线得以改善，推进器在比较理想的伴流中工作，同时也没有了常规轴系产生的弯曲及纵向振动，螺旋桨诱导的船尾振动及辐射噪声性能得到大幅度改善。本轮螺旋桨由舵桨生产厂家配套设计，由没有得到脉动压力桨模试验数据，螺旋桨激振力可以采用霍尔顿法公式估算，为了计算的准确性，目前全Inl转螺旋桨激振力计算资料较少，本文采用了陈翔等在文献中所提出的方法，其计算方法如下：根据螺旋桨脉动压力沿船长的分布规律，通过PCL编程建立相关函数，脉动压力的作用区为：纵向从尾封板起延伸到靠近
10、船首一侧距螺旋桨盘面3倍螺旋桨直径处，垂向为设计水线以下的船体表面。其步骤为：编写PCL函数PreSSUrJPUISe(图7),以此函数为标量函数创建标量型空间场PmSSUr_PUISe,将此空间场施加到脉动压力的作用区域。根据以上步骤得到的脉动压力分布图如图8所示。图8螺旋桨脉动压力分布示意图FunctionDreSSUre-DUISe(X.y.z)Realx,y,z/*脉动压力计真点在patrReald/d是脉动压力计JL口至程族：Realk.kcRealpressure/pressure是媒旋d=mth-sqrt(x-2800)*2+(y-0)*计算k(l).k(2)If(d1.819H
11、z,5.2 Z方向频率及振型图实船总体前3阶振动测试振型见图9,振动测试结果与理论计算值误差值很小，最大误差0.3Hz,说明本次理论研究建立之计算模型与船舶实际结构和外部环境影响非常接近.(a)阶振型 S=O952HZ)(b)二阶振型 3=1.819HZ)图9船体总振动试验实测Z方向前二阶振型5.3 局部振动试验局部振动试验航行方向为上水，选择了本船上甲板餐厅、主甲板尾部，游步甲板客房等位置进行了测量，其部分测试值见表9.表9局部振动试验实测加速度有效值汇总表（单位：mm2）况航速kmh91314U.51#测点X方向93108103110餐厅Y方向849895107左窗Z方向941021131
12、154#测点X方向527510596客房Y方向72609871通道Z方向8697113122依据ISO6954规范,取测量数据及计算结果的全频域计权均方根值进行对比,从实际测试数据来看，主甲板、上甲板及游步甲板中后部强迫振动响应幅值均符合规范要求，该结果与我们有限元模型计算结果相似。6结论1）本船采用电力推进，全网转舵桨装置，减少了动力系统尾轴轴系，实船试验整船振动响应及噪声水平均优于常规推进船型2）本船主发电机组设备经过优化设计采用了双层隔振装置后，减振效果明显，试验数据显示经过隔振后，各测点垂向加速度值在Ioomm&左右，对主体结构激振力可以忽略不计。3)三维数值仿真分析计算及实船试验显示
13、，船体前5阶固有频率，0.8Hz7.8Hz均避开了螺旋桨转速为361.2rmin时的叶频激振力频率24.08Hz与倍叶频激振力频率48.16Hz,没有发生船舶共振。4)局部结构数值仿真分析理论计算显示局部板频率储备不足，强迫响应幅值超过国家标准，建议对局部板厚与结构进行了调整后，实船测试数据符合规范要求。5)综上分析，首艘氏江电力推进豪华游轮针的整体减振方案设计及计算是成功有效的，经济和社会效益显著，可为今后同类型船舶的减振设计起到较好的借鉴作用。Xjdtt:IU史丰荣.船体结构总体振动特性预测技术研究儿中国造船,2013(2):118-123.2何琳，徐伟.舰船隔振装置技术及其进展J.声学学
14、报,2013(2):128-136.3金咸定.受利娟.船体振动学M.上海：上海交通大学出版社,2011.|4吴嘉蒙.275()TEU集装箱船的全船总振动评估1J.船舶,2008(2):45-50.5 ABS.GuidanceNotesonShipVibrauonS.2(X)6.6 MSC.SoftwareCorporation.PCLandCustomizationS.2003.7MSC.SoftwareCorporation.PCLReferenceManualS.2003.8中国船级社.船上振动控制指南S.北京：人民交通出版社,2000.陈翔.受利娟.金鸿，等.散货船的总振动模态计算和动力
15、响应预报J.舰船科学技术.2013(3):115-120.|10|吴嘉蒙，陈曙梅.275OTEU集装箱船的局部振动评估UL船帕2008(5):10-16.H)InternationalStandardISO6954.MechanicalVibrationandShock-GuidelinesforOverallEvaluationofVibrationinMerchantShipsS.1984.基金项目：重庆市科技攻关计划项目csc2012gg-yyjsB702)作者简介：杨敬东(197d),男，硕士，高级工程师。研究方向：现代造船技术与船体强度与结构。地址：庆交通大学邮编：4(XM)74电话：E:
