Kappel槳與傳統(tǒng)螺旋槳噪聲對比試驗(yàn)

宋晗，王睿，熊鷹

海軍工程大學(xué)艦船工程系，湖北武漢430033

0 引 言

船舶噪聲是由船舶構(gòu)件產(chǎn)生但又不被人們需要的聲音，它的產(chǎn)生會(huì)影響到船舶多方面的性能。螺旋槳是船舶3 大噪聲源之一，當(dāng)船舶高速行駛時(shí)，發(fā)生空化的螺旋槳?jiǎng)t成為主要噪聲源［1］。在螺旋槳噪聲的研究中，模型試驗(yàn)方法是一種重要的途徑。空泡水洞是研究螺旋槳水動(dòng)力性能和空泡性能的主要設(shè)備，同時(shí)也能用來研究螺旋槳噪聲性能。一個(gè)具有良好聲學(xué)性能的空泡水洞應(yīng)具備2 個(gè)條件：一是背景噪聲能與測試結(jié)果進(jìn)行有效分離，即具有足夠的信噪比；二是試驗(yàn)重復(fù)性好，測量結(jié)果穩(wěn)定。本文研究過程中采用的空泡水洞運(yùn)行穩(wěn)定，密封性良好，具備進(jìn)行螺旋槳噪聲性能測試的基本條件。在“綠色船舶”背景下，Kappel 槳以其較高的效率［2］具有較廣闊的應(yīng)用前景。臺(tái)灣海洋大學(xué)的黃意程等［3-5］以1 700 TEU 集裝箱船為對象設(shè)計(jì)了一系列Kappel 槳，并通過試驗(yàn)確定了影響Kappel 槳效率提升的因素，進(jìn)行修正設(shè)計(jì)后的Kappel 槳較原型槳效率要高3.3%；Inukai［6］設(shè)計(jì)了葉梢向葉背彎曲的反Kappel槳（BTRP），并對其敞水性能及空泡性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明BTRP 的效率要比傳統(tǒng)槳高2.6%；Andersen 等［7］采用非平面升力線方法設(shè)計(jì)了一款Kappel槳，并對其進(jìn)行敞水實(shí)驗(yàn)、空泡觀測及脈動(dòng)壓力測量，指出了Kappel 槳原有設(shè)計(jì)方法上的不足。然而對于Kappel 槳其他方面的性能，國內(nèi)外研究較少。噪聲性能是船舶的重要性能，會(huì)對船舶的舒適性等造成很大影響，因此本文將傳統(tǒng)螺旋槳與Kappel 槳進(jìn)行模型試驗(yàn)對比，對海軍工程大學(xué)空泡水洞的聲學(xué)性能進(jìn)行探討，比較2 種槳在相同工況下的噪聲性能，并對Kappel 槳的低噪聲設(shè)計(jì)方法進(jìn)行探索性研究。

1 試驗(yàn)螺旋槳模型

為了增強(qiáng)研究過程中的可對比性，試驗(yàn)選用空泡性能良好的普通螺旋槳，以及由此槳改型得到的Kappel 槳進(jìn)行研究，其中Kappel 槳的設(shè)計(jì)參考文獻(xiàn)［8］的方法進(jìn)行。選用的螺旋槳模型如圖1 和圖2 所示，均采用鋁合金制作，2 種模型主參數(shù)如表1 所示。

圖1 傳統(tǒng)螺旋槳Fig.1 The conventional propeller

圖2 Kappel槳Fig.2 The Kappel propeller

表1 螺旋槳幾何參數(shù)Tab.1 Geometric parameters of propellers

2 試驗(yàn)設(shè)施、儀器和測量方法

2.1 試驗(yàn)設(shè)施

本試驗(yàn)在海軍工程大學(xué)空泡水洞實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行?？张菟垂ぷ鞫畏忾]，長2.6 m，截面為0.6 m×0.6 m 帶圓角的矩形。上、下水平段中心線的高度約為10 m，兩個(gè)垂直段中心線間距為18 m，收縮比6.25∶1，調(diào)壓范圍為0.05～2 個(gè)大氣壓，空泡數(shù)為0.2～3。

2.2 試驗(yàn)儀器

本文采用的試驗(yàn)儀器具體型號(hào)及其參數(shù)如表2 所示。

表2 試驗(yàn)儀器設(shè)備參數(shù)Tab.2 The parameters of test equipment

水聽器安裝在水筒試驗(yàn)段外的水箱內(nèi)，水箱尺寸（長、寬、高）為0.6 m×0.35 m× 0.3 m，水聽器與槳軸中心線同高，與螺旋槳槳盤面為同一平面，正對槳盤面中心，水平距離為0.42 m。水箱與水洞以透聲窗相連接，其材料為有機(jī)玻璃，如圖3所示。

圖3 水聽器布置圖Fig.3 Hydrophone arrangement

2.3 測量方法

在空泡水洞中，在試驗(yàn)設(shè)備和模型強(qiáng)度允許的范圍內(nèi)，確定出槳模的轉(zhuǎn)速、水洞工作段進(jìn)速和槳軸中心線壓力。在每個(gè)給定的工況下，觀察槳模的空泡形態(tài)，測量并分析螺旋槳空泡噪聲以及背景噪聲。

考慮到動(dòng)力儀的最大轉(zhuǎn)速，流速與動(dòng)力儀轉(zhuǎn)速需同時(shí)滿足

式中：va為螺旋槳前進(jìn)速度；b0.75R為0.75R 處葉切面弦長；n 為螺旋槳轉(zhuǎn)速；D 為螺旋槳直徑；γ 為水的運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)。

為盡可能詳盡分析Kappel 槳的噪聲性能，試驗(yàn)設(shè)計(jì)了16 組工況進(jìn)行噪聲測量，其中常壓工況8 組，負(fù)壓0.25 bar 工況8 組，測試1～20 kHz 頻段內(nèi)的噪聲譜級(jí)和總聲級(jí)（基準(zhǔn)聲壓：1 μPa）。測量背景噪聲時(shí)，需取下模型螺旋槳，設(shè)置與帶槳工作時(shí)一致的轉(zhuǎn)速、流速等條件。進(jìn)行背景噪聲測量時(shí)，因不帶槳模，故動(dòng)力儀功率不同。在進(jìn)行噪聲分析時(shí)未考慮該因素。試驗(yàn)工況如表3 所示。表中，X 表示KP，YX，BJ，其中KP 代表Kappel 槳，YX代表原型槳，BJ 代表不帶槳時(shí)的背景噪聲。例如：No.KP1-4 為Kappel 槳在工況1-4 下的噪聲；No.BJ1-4 為不帶槳在工況1-4 下的背景噪聲；No.YX1-4 則代表原型槳，即傳統(tǒng)槳在工況1-4 下的噪聲，以此類推。

已知工作段穩(wěn)定來流速度vm，槳模的轉(zhuǎn)速Nm，槳軸中心線處的壓力P0，則轉(zhuǎn)速空化數(shù)σn為

表3 噪聲試驗(yàn)工況Tab.3 Operating condition of propeller noise test

式中，Pν為汽化壓力。

3 試驗(yàn)結(jié)果和分析

3.1 聲模數(shù)

據(jù)ITTC［9］的建議，在空泡水筒中進(jìn)行噪聲測量時(shí)，希望

式中：N 為聲模數(shù)；c 為聲速；f 為噪聲頻率；V 為試驗(yàn)段體積。海軍工程大學(xué)空泡水筒試驗(yàn)段體積（單位：m3）為

當(dāng)噪聲頻率高于f0=1 047 Hz 時(shí)，滿足N＞1 的要求。因此，取模型噪聲分析頻段為1～20 kHz。

3.2 噪聲結(jié)果及分析

在進(jìn)速系數(shù)J=0.39～0.91 的各工況下，分別對螺旋槳槳盤面處噪聲進(jìn)行測量，對測得的輻射噪聲時(shí)域信號(hào)進(jìn)行FFT 變換，得出各工況下噪聲功率譜密度曲線。采集儀的采集頻率為100 kHz，所有噪聲測量結(jié)果均采用東華測試軟件聲學(xué)分析模塊進(jìn)行分析：功率譜密度分析采用平均譜計(jì)算方式，譜線數(shù)為1 600，隔直0.1 Hz，頻率間隔24 Hz；A 計(jì)權(quán)聲級(jí)由于其特性曲線接近于人耳的聽感物性，故1/3 倍頻程聲壓譜分析采用A 計(jì)權(quán)，分析頻帶為500 Hz～20 kHz。本文僅給出了典型工況1-2，1-8，2-4 的測試結(jié)果（工況1-2 時(shí)，兩槳均無空泡產(chǎn)生；工況1-8 時(shí)，兩槳空泡剛產(chǎn)生；工況2-4時(shí)，抽真空后兩槳空泡產(chǎn)生明顯）。

3.2.1 背景噪聲測量

水洞背景噪聲分為2 個(gè)部分，一是水洞本身的振動(dòng)噪聲，主要來源于主電機(jī)驅(qū)動(dòng)水泵引起的筒體振動(dòng)；二是螺旋槳?jiǎng)恿x的振動(dòng)噪聲。在試驗(yàn)的重復(fù)性方面，對No.BJ1-1～No.BJ1-5（常壓水速2 m/s 背景噪聲）進(jìn)行了3 次測試，測得的數(shù)據(jù)結(jié)果如表4 所示。數(shù)據(jù)表明，噪聲測量系統(tǒng)穩(wěn)定，試驗(yàn)重復(fù)性較好。

表4 3 次常壓、水速2 m/s情況下的背景噪聲總聲壓級(jí)Tab.4 SPL of background noise under va=2 m/s and P=1 bar for three times

圖4 所示為環(huán)境噪聲、背景噪聲連續(xù)頻譜。從圖中可以看出，主電機(jī)未開啟（水速為0）、動(dòng)力儀轉(zhuǎn)速為0 時(shí)，整個(gè)水洞的環(huán)境噪聲非常小，在低頻段（小于1 kHz）時(shí)其最大值小于85 dB；開啟主電機(jī)將水速調(diào)至2 m/s，噪聲明顯增大，這是主電機(jī)驅(qū)動(dòng)水泵引起水洞筒體的振動(dòng)噪聲，筒體振動(dòng)噪聲與環(huán)境噪聲頻帶總聲壓級(jí)相差15 dB 以上，且在整個(gè)頻段內(nèi)均有分布。開啟動(dòng)力儀以后，背景噪聲急劇增大，No.BJ1-1 與筒體振動(dòng)噪聲頻譜聲壓級(jí)相差20 dB 以上，頻帶總聲壓級(jí)相差40 dB。隨著動(dòng)力儀轉(zhuǎn)速的增大，背景噪聲也逐漸增大，功率譜曲線幅值總體上升，而曲線趨勢并沒有變化，10 kHz 以后以倍頻程3～6 dB 的速度衰減。

圖4 環(huán)境噪聲、背景噪聲連續(xù)頻譜Fig.4 Continuous spectrum of surround and background noise

在負(fù)壓背景噪聲測試過程中發(fā)現(xiàn)，在同等條件下，與常壓背景噪聲相比，負(fù)壓背景噪聲的總聲壓級(jí)要小。表5 給出了常壓、負(fù)壓背景噪聲各工況（No.BJ1-1～No.BJ2-8）總聲壓級(jí)的對比。

表5 常壓、負(fù)壓背景噪聲各工況總聲壓級(jí)Tab.5 SPL of background noise

對于這種情況，經(jīng)分析認(rèn)為，聲波傳播中傳遞的是質(zhì)點(diǎn)的能量，而不是質(zhì)點(diǎn)。抽真空以后，空泡水洞中的水出現(xiàn)大量氣核，在水流中以肉眼可見的狀態(tài)大量存在著。這些氣核對于聲波的傳遞有著較大影響，一方面可以對聲波的傳播路徑產(chǎn)生影響，另一方面可以吸收一部分聲波的能量。因此在負(fù)壓工況下測得的噪聲總聲壓級(jí)要低于常壓工況。這與張永坤等［10］的研究結(jié)果一致，即噪聲聲壓級(jí)隨著水中含氣量的降低而升高。水洞抽真空之后未進(jìn)行除氣，含氣量要高于常壓狀態(tài)，總聲壓級(jí)隨著含氣量的升高而降低。圖5為No.BJ2-6～No.BJ2-8 連續(xù)頻譜圖，從圖中可以看出，負(fù)壓背景噪聲呈現(xiàn)出與常壓背景噪聲一樣的增長趨勢，隨著動(dòng)力儀轉(zhuǎn)速的升高而升高。在高頻段，背景噪聲主要是筒體振動(dòng)噪聲（圖5 圈內(nèi)部分），與常壓背景噪聲略有不同。

圖5 背景噪聲工況2-6 至2-8 連續(xù)頻譜Fig.5 Continuous spectrum of operating condition from No.BJ2-6 to No.BJ 2-8 of background noise

3.2.2 槳模噪聲測量

Kappel 槳是一種具有特殊梢部結(jié)構(gòu)的改進(jìn)型螺旋槳，在保持原槳形式及布置的前提下，對梢部加以大幅彎曲，旨在提高螺旋槳的效率［11-13］。但是Kappel槳的其他性能，如空泡和噪聲性能如何，是否適用于中、高速船舶，正是本次模型試驗(yàn)所關(guān)心的問題。

圖6 和圖7 為2 種槳模在既定工況下各轉(zhuǎn)速空化數(shù)σn的總聲壓級(jí)與背景噪聲的比較。圖8～圖10 為2 種槳模在工況1-2，1-8 和2-4 下的1/3倍頻程譜，圖11～圖16 為對應(yīng)工況的空泡形態(tài)。

圖6 常壓工況總聲壓級(jí)對比Fig.6 Comparison of SPL under P=1 bar

圖7 負(fù)壓工況總聲壓級(jí)對比Fig.7 Comparison of SPL under P=0.25 bar

圖8 工況1-2 的1/3 倍頻程譜Fig.8 1/3 oct spectrum of operating condition 1-2

圖9 工況1-8 的1/3 倍頻程譜Fig.9 1/3 oct spectrum of operating condition 1-8

圖10 工況2-4 的1/3 倍頻程譜Fig.10 1/3 oct spectrum of operating condition 2-4

圖11 Kappel槳在工況1-2 下的工作情況Fig.11 Photo of the Kappel propeller under No.KP1-2

圖12 傳統(tǒng)槳在工況1-2 下的工作情況Fig.12 Photo of the conventional propeller under No.YX1-2

圖13 Kappel槳在工況1-8 下的工作情況Fig.13 Photo of the Kappel propeller under No.KP1-8

圖14 傳統(tǒng)槳在工況1-8 下的工作情況Fig.14 Photo of the conventional propeller under No.YX1-8

圖15 Kappel槳在工況2-4 下的工作情況Fig.15 Photo of the Kappel propeller under No.KP2-4

圖16 傳統(tǒng)槳在工況2-4 下的工作情況Fig.16 Photo of the conventional propeller under No.YX2-4

結(jié)果表明：

1）無空泡時(shí)，Kappel 槳與原型優(yōu)化槳的輻射噪聲相當(dāng)。此時(shí)的噪聲主要是流動(dòng)噪聲，在1～8 kHz之間槳模噪聲與背景噪聲有較明顯的分離，中心頻率信噪比為2～5 dB。

冷凍系統(tǒng)節(jié)能的評價(jià)指標(biāo)一般用“機(jī)房能效”來衡量，即在項(xiàng)目中將所有設(shè)備的正常運(yùn)行功率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并計(jì)算整個(gè)冷凍站系統(tǒng)的能耗值，最終得出整個(gè)系統(tǒng)的COP。最大負(fù)荷運(yùn)行工況下（夏季全負(fù)荷運(yùn)行）的機(jī)房能效值計(jì)算如下：

2）隨著轉(zhuǎn)速的增大，兩槳的噪聲總聲壓級(jí)相應(yīng)增大。Kappel 槳的噪聲總聲壓級(jí)的增加速度要比原型優(yōu)化槳的快，在負(fù)壓狀態(tài)下尤為明顯。這是因?yàn)镵appel 槳的空化初生要比原型優(yōu)化槳早，并且空泡發(fā)展的速度也比原型優(yōu)化槳快。

3）在同一轉(zhuǎn)速空化數(shù)下，Kappel 槳的空泡輻射噪聲要明顯高于原型優(yōu)化槳。其原因是相比原型優(yōu)化槳，Kappel 槳的空化形態(tài)更劇烈，當(dāng)原型優(yōu)化槳為穩(wěn)定片狀空泡時(shí)，Kappel 槳葉梢端已產(chǎn)生泡狀空泡。槳葉上產(chǎn)生泡狀空泡時(shí)，隨著空泡大量的潰滅和再生，產(chǎn)生的輻射噪聲在各種形態(tài)空泡中不管是低頻還是高頻均為最大。

4）無論是背景噪聲還是2 種槳模噪聲，其頻譜線均在4 kHz 附近存在一個(gè)峰值。對于安裝水聽器的盛水裝置，其自振頻率可以按下式近似估算

式中：Mx，My，Mz分別為盛水容器邊界的方向余弦值，均為1.0；Lx，Ly，Lz分別為盛水容器邊界的幾何尺寸，分別為0.6，0.35，0.3 m。

代入式中，可得f≈3.5 kHz，與試驗(yàn)噪聲頻譜峰值頻率接近，因此可以用共振現(xiàn)象來解釋4 kHz附近的峰值。

作為振蕩現(xiàn)象，當(dāng)聲波波長等于筒徑時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)駐波，根據(jù)公式

式中：fc為駐波頻率；λc為駐波波長。

海軍工程大學(xué)空泡水洞工作段的尺寸為0.6 m×0.6 m，故當(dāng)駐波波長為0.6 m，即f =2.5 kHz時(shí)，噪聲譜出現(xiàn)異常，由上面的連續(xù)頻譜圖中均可看出，在頻率約為2 kHz 時(shí)，噪聲出現(xiàn)了較大的減弱現(xiàn)象。

4 結(jié) 論

本次試驗(yàn)完成了空泡水洞背景噪聲測量以及Kappel 槳與傳統(tǒng)螺旋槳模型的噪聲測量及對比，并進(jìn)行了空泡觀測。通過對結(jié)果的分析可以得出如下結(jié)論：

1）海軍工程大學(xué)空泡水洞的聲學(xué)性能滿足試驗(yàn)要求，噪聲測試結(jié)果有足夠的信噪比。背景噪聲主要由動(dòng)力儀振動(dòng)噪聲和水洞筒體振動(dòng)噪聲組成。環(huán)境噪聲對背景噪聲的影響非常小，可以忽略不計(jì)。動(dòng)力儀的振動(dòng)噪聲對背景噪聲貢獻(xiàn)較大。由水洞主電機(jī)驅(qū)動(dòng)水泵引起筒體振動(dòng)的噪聲在整個(gè)頻段內(nèi)均有分布，但是影響不大。隨著主電機(jī)轉(zhuǎn)速的提高，筒體振動(dòng)噪聲雖然也會(huì)增大，但沒有動(dòng)力儀的影響大。

2）在2 次背景噪聲測試中，噪聲功率譜密度曲線走向趨勢一致，8 組常壓背景噪聲之間的聲壓級(jí)差與8 組負(fù)壓背景噪聲之間的聲壓級(jí)差是相同的，對應(yīng)的每組常壓與負(fù)壓背景噪聲之間的聲壓級(jí)差也相同。

3）負(fù)壓狀態(tài)下的噪聲聲壓級(jí)要低于常壓狀態(tài)，這是因?yàn)樗闯檎婵蘸笏泻瑲饬恳哂诔籂顟B(tài)，水中大量的氣核會(huì)吸收一部分聲波傳遞的能量，并且對聲波傳遞的路徑產(chǎn)生干擾。

4）背景噪聲和槳模噪聲譜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的波谷由波長等于水洞工作段尺寸的聲波產(chǎn)生的駐波引起。

5）常壓工況下，兩槳未發(fā)生空化時(shí)的噪聲主要是流動(dòng)噪聲，在1～8 kHz 頻帶內(nèi)可以與背景噪聲區(qū)分，隨著空泡的發(fā)展，螺旋槳的輻射噪聲越來越大，信噪比越來越明顯，可在1～20 kHz 頻帶內(nèi)區(qū)分背景噪聲與槳模噪聲；負(fù)壓工況下的信噪比明顯高于常壓工況。在海軍工程大學(xué)空泡水洞進(jìn)行槳模噪聲試驗(yàn)，可在中心頻率1～20 kHz 頻帶內(nèi)明顯區(qū)分背景噪聲與槳?？栈肼暋?/p>

6）和傳統(tǒng)槳的噪聲性能相比，Kappel 槳的噪聲性能略差，這與其空泡性能相關(guān)。本次試驗(yàn)所用Kappel 槳葉梢端彎折部分的拱弧較小，為彎折段的導(dǎo)邊先出現(xiàn)空泡，故空泡性能比傳統(tǒng)槳略差。隨著轉(zhuǎn)速的提高，Kappel 槳的空泡發(fā)展變化較傳統(tǒng)槳更劇烈，因此測得的輻射噪聲總聲壓級(jí)明顯高于原型優(yōu)化槳。因此在進(jìn)行Kappel槳設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮螺距與拱弧，不僅要考慮導(dǎo)邊來流攻角，還需要考慮流體沿整個(gè)槳葉剖面的運(yùn)行狀態(tài)，盡量保證整個(gè)弦向的來流角度與導(dǎo)邊來流攻角一致。

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