CCS海洋新经济规范标准研究

船舶尺寸、功率、航速的增加以及船舶空间结构的改进，对船舶振动引发的影响愈发明显。船舶振动过大会导致船体结构产生疲劳破坏，影响船上设备和仪器的正常工作，降低使用精度，缩短使用寿命，严重时还会导致船体断裂乃致沉没；船体振动还严重影响着船员和旅客的居住舒适性、船员的工作效率和身体健康。同时，由于船舶振动带来的水下噪音污染问题，也在不断引起各方的关注。

为减少船舶振动带来的一系列问题，世界各主要船级社已经提供了相应的指南和规范性文件。例如，CCS的《船上振动控制指南》，ABS的《船舶振动指导规范》、《船舶建造和入级规范》、《ESA指南》，IACS的《船舶振动问题识别指南和建议的补救措施》和SSC的《船舶振动设计指南》等，对解决船舶振动问题给出了设计、建造及后期维修等方面的指导和要求。

在实际调查中发现，螺旋桨激振力和主机激振力是船舶振动的主要振源。本文主要针对螺旋桨激振力的成因及其减振措施进行简要分析研究，希望对行业有所帮助。

一 螺旋桨激振力分析

船舶在航行中，整体可以简化为自由漂浮在水面上的一根空心弹性梁，受波浪和机械设备产生的多种载荷共同作用产生船体振动。螺旋桨激振力，作为周期性激振力的一种，是船体振动的主要振源之一。

螺旋桨工作时引起的激振力可分为轴频激振力和叶频激振力。轴频激振力由于螺旋桨机械不平衡引起的激振频率等于桨轴转速的一阶激振力；而叶频激振力则是螺旋桨在不均匀流场中工作引起的高阶激振力（其中，频率等于桨轴转速乘以桨叶数）。

1.轴频激振力

机械静力不平衡

由于制造工艺的原因，如加工误差大、材料特性差等，各桨叶的重量不等，从而使螺旋桨的重心偏离回转轴。因此，在螺旋桨转动时会产生一个频率等于桨轴转速的周期性离心力F，引起振动，如图1所示。

图1 机械静力不平衡

目前在螺旋桨加工时，都要求进行静力平衡校正，保证这种离心力在最大轴转速下不大于螺旋桨自重G的1%至2%。检验办法可查询规范《船用金属螺旋桨技术条件》。但船舶在运营过程中，螺旋桨可能受到浮冰、卵石等撞击，使桨叶打断、卷边；或在河、湖区域，桨叶易受水草缠附，这些都可使螺旋桨的静力平衡受到破坏，引起船体剧烈的轴频振动。

机械动力不平衡

螺旋桨的重心在回转轴上，但是由于各桨叶在轴线方向会略有错开，各桨叶重心不在同一盘面内，转动时各桨叶的离心力形成轴频不平衡力矩，而使桨轴产生弯曲振动。由于只有当螺旋桨转速高时，动力不平衡影响才比较显著，所以目前仅对高速船螺旋桨才要求进行动力平衡校验。

水动力不平衡

如果螺旋桨制造不精密，各桨叶几何要素不相同，那么即使机械力平衡的螺旋桨，在“敞水”中也会产生动力不平衡。其中螺距的影响最大。因为水流对各桨叶的冲角不同，每一桨叶上的推力T和阻力R也不同，则总推力不与桨轴线重合，出现偏心现象，如图2所示。由于偏心的结果，产生一个频率等于桨轴转速且使桨轴弯曲的力矩。同时，阻力合力不为零，也会形成一个作用于桨轴的一阶周期干扰力。

图2 螺旋桨推力和阻力示意图

2.叶频激振力

叶频激振力分为表面力和轴承力。螺旋桨表面力是主要的螺旋桨激励，特别是对于空化螺旋桨。它们约占螺旋桨引起的船舶振动的90%。

表面力

表面力指的是螺旋桨转动时主要作用在螺旋桨垂直方向的船尾外板上的变动水压力，称为脉动压力。因此，它们直接影响船尾的垂直振动，称为“扇尾模式(fan-tail mode)”。它是沿船体表面进行积分得到的，故称表面力。脉动压力主要来源于载荷效应和叶厚效应。

①载荷效应：螺旋桨在水中工作时，由于叶面和叶背的压力差在叶稍处形成螺旋涡系，使螺旋桨在水中工作时，压力呈周期性变化，位于压力场内的尾部底板及舵叶等其他结构便受到周期性脉动压力的作用，如图3所示。

图3 载荷效应

②叶厚效应：螺旋桨桨叶具有厚度，在流场运动时，流场中某一点P其压力将随着桨叶的接近和远离该点发生周期性变化，从而流场中各点受到脉动压力，如图4所示。

图4 叶厚效应

③空泡现象的影响：空泡分为定常空泡和非定常空泡，主要影响的是表面力。定常空泡，可类似于脉动的空泡层而引起叶片厚度变化这样一种叶厚效应来处理。非定常空泡，螺旋桨在不均匀流场中周期地进入高低伴流区，空泡时而产生时而崩溃，溃灭时间短，使脉动压力力幅变化很大，其幅值可较无空泡时成倍或成几十倍的增加，进而加剧了船舶振动，如图5所示。

图5 螺旋桨桨液面压力分布和空泡示意

脉动压力产生了一个以桨叶速率为基波频率的谐波振荡作用于螺旋桨周围。这个谐波振荡是螺旋桨表面力的最大组成部分。更高的桨叶速率谐波将具有更小的振幅，如图6，一个全功率螺旋桨的谐波频率通常在船体梁振型在7个或更多的节点的频率范围内。全功率桨叶速率谐波以大于8kPa的表面压力振幅为高，低于2kPa为低。

图6 谐波示意图

轴承力

螺旋桨轴承力是轴线振动的主要因素，同时也会导致机舱振动。主发动机的振动和上层结构的前后振动，取决于推力对船体梁中性线力臂的大小。螺旋桨轴承力包括轴向推力、垂向和横向力，以及纵轴和横轴上的转矩和力矩，这通常也会考虑桨叶速率和二次桨叶速率的谐波。对于船舶结构振动的分析，通常只考虑推力、垂直和水平承力。推力轴承座位置可施加交替推力，尾轴承可施加垂直和横向轴承力。

二 缓解螺旋桨激励的措施

对于螺旋桨引起的振动，可以从加工工艺和船尾设计两个方面来解决，这里主要提供船尾设计方面的相关建议。在船尾设计方面，最小化尾流场的不均匀性可以降低螺旋桨的激励振幅。这可以通过优化尾线型线、改变附件的位置和形状、增加螺旋桨和尾底板之间的间隙和改变螺旋桨的几何形状来实现。以下是通过改变不同类型船舶的船尾布置，以减少螺旋桨表面力和轴承力的增幅的方法。

1.单螺旋桨或双螺旋桨的船尾（如图7）

①螺旋桨顶端与尾壳镀层底部之间的垂直间隙应大于螺旋桨直径的25%。

②轴相对于基线的倾斜角应小于5度。

③轴相对于船尾的倾角应小于10度。

图7

2.传统的船尾（如图8）

①螺旋桨盘顶端的水线相对于螺旋桨孔径入口的中心线的角度应小于35度。

②垂直叶尖间隙应大于螺旋桨直径的25%。尽管传统的倾斜和摆动支柱对螺旋桨间隙不太敏感，但是通常情况下会设置螺旋桨直径40%的向前间隙。

图8

一个空化螺旋桨垂向的螺旋桨表面力的振幅可以比轴承力的振幅大一个数量级。因此，在基本设计阶段，应假定压力和承重力为同相力。此外，对于双螺旋桨船，来自两个螺旋桨的力也应该被假定为是同相的。在详细设计阶段，强制振动分析过程中，可以考虑来自单个或多个螺旋桨的不同螺旋桨力之间的适当相位。

参考文献：

1. ABS. INSIGHTS INTO SHIP VIBRATION ANALYSIS

END

供稿▕ 董昱辰

（东疆海事局蔡家堡海巡执法大队）

编辑▕ 张恩瑜

审核▕ 沈家强 王玲丽