长江电力推进游轮减振设计研究.docx

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分析，包括全船模态分析、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。关健词：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：ADOITheYangtzeRiverE1ectricPropu1sionShipDesignResearchofVibrationReductionYANGJing-dong,WANGZhi-xiang,SUNYong-gan,WANGHong-mei(ChongqingJiaotongUniversity,MaritimeCo11ege,Chongqing400074,China)Abstract:OntheYangtzeriverfirste1ectricpropu1sionshipgreatchangesofhu11fonn,genera11ayoutandshiprudderprope11erdeviceinre1ativetoconventiona1vesse1,itisnecessaryinthiscruiseshipdesignresearch,accordingtothecharacteristicsofthee1ectricpmp1sionshiptoana1ysisoftheVibra1ionreduction,inc1udingthetode1stateana1ysis,vibrationiso1ationschemeofpowerequipment,andthevibrationofthe1oca1structureca1cu1ationinordertomaximizereducetrafficnoiseandvibration,improvethePaSSengerSandcrewcontfrt1eve1.Keywords:cruisevesse1;e1ectricpropu1sion;structura1vibrationreduction;thesimu1ationana1ysis0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2003年海洋船舶开始采用电力推进，2(X)9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，与轴系和船体无直接联结，大大减少振动和噪声，我国电力推进船舶已经应用在海洋港作拖轮以及海事执法船的建造上。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回转舵桨装置，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PC1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胭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10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190m,设计吃水2.90m,设计航速24kmh;主推进电机型号及台数：4台，额定功率68()kW,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叫一,总中纵剖面见图1。图】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于流体介质中时，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叫MX+CX+KX=F(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+KX=O(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：(-4Mr+jcCr+Kr)Q()=E(M(3)式中，Mk“M0为模态质量矩阵；G=第0为模态阻尼矩阵；K="K0为模态刚度矩阵；A(M尸"R为模态力向量；仪切为模态列阵。由系统微分方程解耦，变换为N个独立的在模态坐标中的微分方程。由这些解耦的微分方程，可以解得系统各点在频域中的振动响应。3柴发机组振动隔离设计本船大型机电设备是4台柴发电机组，针对这四台设备进行有效隔振，将极大的减少设备对船体结构的扰动干扰，何琳等系统分析了单层隔振装置、双层隔振装置、浮阀隔振装置和气囊隔振装置的技术特点。双层隔振装置和浮筏装置较单层隔振装置可以更好的衰减高频振动，从而减小舱室的结构辐射噪声。由此提出了5套柴发机组振动隔离方案，分别为单层隔振、双层隔振和两台机组的浮筏装置方案，具体组合方案如表1所示。表1柴发机组隔离方案对比名称质量增加Zkg外观尺寸(1XWXH)Zmm高度增加mm改动量隔振效果dB单层隔振5800×1800×580无无10-15双层隔振方案5000×466(X)×18(X)×580130小20-30浮筏隔振方案IOOOOX25800×18(X)×580130小25-35双层隔振方案二4000×46600×4000×580130大20-30浮筏隔振方案二8000×258OO×4OOO×58O130大25-35综合考虑船上布置和各方因素，最后选取的隔振方案类似双层隔振方案一，最终的双层隔振装置如图2所示,双层隔振装置组成参数如表2所示。表2双层隔振装置组成参数MH*下屋RBmS1图2双层隔振装置示意图嫉独发山帆”1部件数量型号7kg上层隔振器10VU1KANT6015中间基座15127.7下层隔振器12ECHOID-E13.5由于受船舱高度限制，要求双层隔振装置不增加机组总体高度，给中间基座的设计增加了难度，最终设计的中间基座采用中空框式结构，双层隔振减振效果与中间基座质量在一定范围内成正比，为减少中间基座占用较多船体有效承载以及从总体平衡设计考虑，在保证隔振效果前提下，尽可能采用小质量的中间基座。由于利用了高分子聚合物混凝土具有高强度、高阻尼的特性，在整个框架中间无连接梁的条件下，设计的中间基座仍具有较好的刚度。该设计方案采用过渡件将上层隔振器与下层隔振器置于同一轴线上，避免了主梁受扭，保证了上、下层隔振器的各支承点处具有较高机械阻抗。表3为双层隔振系统固有频率计算结果，通过扫频分析，得到隔振系统的力传递率曲线，如图3所示，由图中可以看到，在主要的激励频率50HZ处有较大的振动衰减。柴油发电机组的扰动力不会与隔振系统的固有频率发生强烈共振。柴发机组双层隔振各装置的隔振效果可以达到20dB30dB,特别是中高频隔振效果较单层隔振方案有大幅提升。表3双层隔才辰系统固有频率计算结果阶次频率(Hz)振型阶次频率(Hz)振型13.59横摇+横向1024.57下层横向+横摇23.98纵向+纵摇1125.2下层纵向+机座纵弯34.34平摇1228.95下层纵摇+机座端扭45.62纵摇+纵向1333.76机座垂向一阶对弯55.67垂向1435.5下层横摇+机座一端扭69横向+横摇1537.9机座横向一阶弯718.7机座纵摇+纵弯1638.9机座平面扭819.96下层平摇1741机座垂向一阶弯923.96机座纵弯1856.64机座垂向二阶对弯4游轮结构振动特性计算针对本游轮大跨度甲板板架、贯通式上层建筑等船体结构特点，对其船体结构振动的设计研究分为二个部分:一是利用一维梁模型方法对船体梁总振动进行研究分析，包括研究计算船体梁的总振动，确定船体梁总振动的固有频率和固有振型；二是整船有限元振动计算分析，主要是通过建立整船三维有限元模型，进行船体总振动和船体各部位板架局部结构的振动计算，以及螺旋桨激振力作用下的船体振动响应，全面掌握整个船体结构的振动特性。4.1 -a梁模型方法振动计算一维梁模型总振动分析采用迁移矩阵法进行计算,将变剖面的船体梁近似地看作由许多等剖面的船体梁组成,且假定在每一船梁段的质量和刚度是均布的，其计算值列于表4。表4船体总振动固有频率计算结果序号振型满载出港/Hz压我到港/Hz1二节点振动固有频率0.790.862三节点振动固有频率1.932.043四节点振动固有频率3.423.69本船的主机是MAN6121/31该机性能良好，不存在一阶、二阶不平衡力和力矩。在主机额定工况下，桨轴转速为361.2rmin,螺旋桨叶频为24.08Hz,从计算结果看，叶频已超过船体垂向总振动前五阶固有频率，因此，螺旋桨叶频能避开共振，不会引起明显的船体垂向总振动。4.2 整船三维有限元振动计算4.2.1 计算模型在进行有限元分析时，关键的步是要建立正确的模型与选择适当的单元，以求得精确的结果。本船船体实际结构非常复杂，必须对模型做适当的简化，合理的分配到船体强构件上，以避免不必要的局部振动影响到总振动的结果，计算时，船体呈自由悬浮状态。通过MSCPatran软件R1,建立几何模型及有限元模型。在划分网格时，船体外板、甲板、舱壁、肋板等结构采用4节点壳单元离散，纵骨、横梁、扶强材、支柱等构件采用2节点梁单元离散。为了保证有限元计算的精度,船体模型共包括189103个单元，85274个节点，全船的有限元模型如图4所示。为了让模型的质量分布尽可能与设计相吻合，严格按照平台质量、质心报告进行质量调整，并调整模型质心位置与实船的质心位置一致。船体模型中船体材料为低碳钢，取弹性模量为2.06x10"N/m2,泊松比为