科学考察船电力推进系统的低噪声设计

王硕丰 倪凤燕 石 磊

（中国船舶重工集团公司第704研究所 上海200031）

［摘 要］科学考察船电力推进系统的系统设计和设备性能与船舶的水下噪声有着密切联系，而船体的水下噪声等级将会显著影响科考作业的精度。通过对电力推进系统和重要噪声源设备进行低噪声设计，可有效降低科学考察船的水下噪声。国内已有实船验证低噪声设计的有效性，为后续科学考察船的设计提供参考价值。［关键词］电力推进；低噪声；减振降噪；正弦波滤波器

［中图分类号］ U674.81；U661.44 ［文献标志码］A ［文章编号］1001-9855（2017）增刊-0145-05

Low noise design of electrical propulsion system on research vessel

WANG Shuo-feng NI Feng-yan SHI Lei

(No. 704 Institute of CSIC, Shanghai 200031, China)

Abstract: The electric propulsion system configuration of research vessel is highly related to the underwater noise, which significantly affects the precision and repeatability of research equipments. It’s effective to consider low-noise requirement during electric propulsion system design and equipments manufacture for underwater noise reduction. And it’s confirmed to be practicalwith one research vessel in China, and it’s may be valuable for research vessel design in future.

Keywords: diesel-electric propulsion; low noise; vibration reduction; sine wave filter

引 言

海洋科学考察船的作业内容主要包括海洋生物调查、渔业资源调查、海洋地质勘探、海洋气象探测和ROV作业等，这些科考任务的实现需要配备大量精密科考仪器设备。精密科考仪器在执行作业任务的时候，对船体本身的水下噪声提出了极高的要求。船舶的噪声源主要有三种［1］：机械噪声、螺旋桨噪声和流动噪声，其中机械噪声主要由船舶安装的各种机械设备如柴油机、电动机、齿轮箱等的运转、振动及碰撞引发的辐射噪声引起；螺旋桨

噪声是指由于螺旋桨运动所引起的噪声；流动噪声是指船体与水流的相互作用导致表面脉动压力及周围湍流场所激发的噪声辐射。其中机械噪声是船舶水下辐射噪声的主要噪声源，并且机械噪声可以通过对动力系统的优化设计进行控制，本文重点讨论采用电力推进方式的科考船动力系统的低噪声设计。

1 国内外低噪声科学考察船现状

海洋科学考察船因其用途的特殊性，噪声关

作者简介：王硕丰（1971-），男，研究员。研究方向：船舶电站系统、船舶电力推进系统研究和设计。 倪凤燕（1985-），女，硕士，工程师。研究方向：船舶电力推进系统研究和设计。 石 磊（1982-），男，助理工程师。研究方向：船舶电气及自动化研究和设计。

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船 舶王硕丰，等：科学考察船电力推进系统的低噪声设计

注点主要为水下辐射噪声。目前国内船舶低噪声设计可参考的标准主要为GB5979《海洋船舶噪声级规定》和GB7452《机械振动客船和商船适居性振动测量、报告和评级标准》。针对水下辐射噪声国内标准的指标偏低，不满足精密科的实船使用需要，或者就没有针对性的指标。目前国际上

对水下辐射噪声的标准主要参考DNV Silent Class Notation和IECS 209执行。

国外近期建造的海洋科学考察船，均采用电力推进技术，经过低噪声设计后，能满足DNV SILENT标准或ICES 209标准的相关低噪声要求，见表1。

表1 国外电力推进科考船配置

船 名Oceanographic Research Vessel“CELTIC EXPLORER”Oceanographic Research Vessel“MIGUEL OLIVER”Oceanographic Research Vessel“RV INVESTIGATOR”Oceanographic Research Vessel“SIMON STEVIN”发电机组配置/kVA2×1 875+1×1 250推进电机配置/kW2×1 500推进电机型式DC满足的标准ICES 2094×1 0002×1 000DCICES 209DNVSILENT-RICES 2093×3 7502×2 600AC3×6002×520AC国内的海洋科学考察船数量有限，近几年国家加大了投入和研发力度，新建造一批采用电力推进技术的科学考察船，然而由于技术局限性或其他原因，多数新造的科考船即使开展了低噪声设计，但指标要求不是很高。现今国内船东也已意识到船舶低噪声设计的重要性，后续建造的科学考察船，在船舶静音性能上也多有明确要求。今年交付的厦门大学科学考察船“嘉庚”号是我国首条提出DNV SILENT相关要求的高技术电力推进科学考察船，交船过程中经DNV实船测试，该船完全满足DNV SILENT A+S标准要求。

设计，可以较大程度降低噪声源设备的振动噪声，从而在源头上抑制水下辐射噪声。

2.1 系统设计

在系统设计之初，船舶噪声控制及检测单位提出整船的水下噪声指标，并分解为各个主要噪声源设备的具体振动和噪声指标。电力推进系统在进行设计时应充分考虑到振动噪声的指标要求，选择合适的设备型号并采取辅助减振措施。这里主要包括推进系统的电制选择、推进驱动设备的工作型式选择、推进动力传动型式选择等。

2.1.1 电力推进系统电制选择

2 电力推进系统低噪声设计要点

当今船舶市场上推进种类繁多，但无疑电力推进除了具有其他的优点外，也是最有可能达到低水下辐射噪声要求的推进方式。电力推进系统中包含的柴油发电机组、推进电机、齿轮箱、轴系、推进器及其辅助泵组、管路等，是船上机械噪声的主要来源，对电力推进系统的系统、设备减振降噪进行

电力推进系统有多种电制，从交、直流形式上基本可以分为DC/DC，AC/DC，AC/AC三种。在极其严格的噪声要求下，采用AC/DC的形式是比较适合的，因为其既能兼顾到船用其他常规设备使用交流电的需求，又能利用直流电机优异的低振动噪声性能。但在实际应用中，因交流电机省去了换向器和电刷，具有制造成熟度高、极限容量大、效率高、可采用较高电压以减小设备体积与质量、结构

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2017海洋科学考察船技术高峰论坛 论文集简单、维护方便、成本低廉等优点，AC/AC采用交直交的变流方式仍然是主流的应用选项。但AC/AC的变流方式，推进变频器供给交流推进电机的电源带有大量高频谐波，使得交流电机产生额外的振动和噪声，因此为使交流推进也能满足低噪声要求，我们在变频器输出侧引入正弦波滤波器来优化推进电机的供电电源［2］。

度及船厂的基座刚度等方面进行严格分析；另外柴油发电机组的油水气管路均需要弹性连接；最后需要再次分析整体的柴油发电机组的固有频率以避免产生共振。

2.3 推进电机减振降噪设计

因交流电机推进是当前被广泛使用的推进方式，针对交流异步电机的减振降噪设计主要包括以下三个方面。

2.1.2 推进驱动设备的工作型式

不管是直流推进还是交流推进，推进变频器的使用均会使得电网电压畸变严重，谐波含量超标，常规的多脉冲整流技术需要大容量的移相变压器，一方面变压器也会产生一定的振动，另一方面占用了宝贵的空间，因此采用有源前端整流技术（AFE）是比较好的选择。

2.3.1 电机结构及参数设计2.3.1.1 参数设计

异步电机气隙磁场中产生的电磁力波，激起电机机体振动，从而会引起振动辐射，当电磁激振频率与机体结构的刚性发生共振时，振动噪声会显著增大；且当由变频器供电时，变频器输出电压的PWM波形中含有的各次谐波值也会对电机振动噪声影响过大。因此，在进行电机参数设计时，应进行针对性设计，主要包括［3］：

（1）选择合适的跨距，减少磁势内的某些谐波成分；

（2）合理选用槽配合和槽形；

（3）电机具备足够的刚度并保证气隙均匀度。

2.1.3 推进动力传动型式

常规推进电机与推进器由于转速不一致，需要配置传动齿轮箱以满足不同转速比。但齿轮箱是重要的噪声源，齿轮箱的噪声频率会因型号和输入输出轴转速不同而变化，更重要的是，很难利用弹性隔振装置将齿轮箱与船体全面隔离以切断振动噪声的传递。因此降低推进电机转速，采用低速推进电机，使之与推进器直接相连，可以省去齿轮箱，减少噪声源及振动传递路径，从而降低船体结构噪声对水下噪声的贡献。

2.3.1.2 轴承形式

电机所用轴承因功率不同而采用的轴承形式也不同，在中小型电机中多采用滚动轴承，而大型电机中多采用滑动轴承。低压推进电机的功率档，一般滚动轴承和滑动轴承均可使用，但相比于滚动轴承，滑动轴承的振动和噪声较低，如果对推进电机的振动和噪声有要求，宜选用滑动轴承。

2.2 柴油发电机组减振降噪设计

首先，柴油机本身是柴油发电机组噪声的主要噪声源，因此柴油机的选型，如转速、冲程、气缸数等因数需要特殊考虑以降低柴油机噪声。一般来讲，中高速柴油机相比较低速柴油机，振动有所降低；四冲程柴油机的振动在同样的转速与功率情况下比二冲程的机型小一些；对于长行程少气缸数的多缸机，有较大的不平衡力矩，适当选择气缸数较多的柴油机，也在一定程度上改善柴油机的振动情况。其次，柴油发电机组应采取合适的隔振措施，现阶段比较成熟且效果较好的为双层隔振技术，在进行机组隔振设计时需使用有限元分析软件对隔振器的布置、隔振器的性能、公共底座刚

2.3.1.3 附件设备减振

除了电机本体的设计，辅助设备的结构布置也是需要考虑的部分，水冷电机的振动噪声要低于风冷电机，卧式水冷电机的热交换器及风机均装于电机上部的框架内，该框架与电机本体之间宜采用弹性连接，以防止上部框体的振动传导到电机机座。

2.3.2 正弦波滤波器与推进电机配合

正弦波滤波器的作用是使得变频器原本输出

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船 舶王硕丰，等：科学考察船电力推进系统的低噪声设计

的波形从PWM波形尽量变成正弦波形，从而降低电机电压的谐波，改善电机电源的电能质量，在推进变频器和推进电机之间配置正弦波滤波器，是降低电机振动的另一个有效方法。经过小样机测试，

采用正弦波滤波器，可以有效降低电源中的高次谐波，从而抑制推进电机的高频振动，如图1所示。其中蓝色为未使用正弦波滤波器的振动频谱，绿色为使用正弦波滤波器的振动频谱。

图1 小样机测试电机振动频谱

通用的正弦波滤波器，可以和不同型号的变频器及推进电机配合使用，但是正弦波滤波器的滤波效果会有所不同。如果对推进电机的振动噪声有特殊要求，则应对通用正弦 波滤波器的参数如电抗值、电容值进行优化设计。根据实船选择的变频器、推进电机的设计参数，使用仿真软件对所选变频器的输出波形、正弦波滤波器的参数、推进电机的设计参数进行谐波仿真，并根据仿真的谐波频谱，分析该参数选型下推进电机的振动结果。通过这种方式，可以找到与所选推进电机匹配性较高的正弦波滤波器参数，从而达到较好的减振效果。

（2）电机机座必须采用弹性连接的方式安装至船体基座；

（3）外部冷却水管路上需双向使用挠性接头；（4）电机电缆需选用柔性电缆，并具有足够的转弯半径。

3 实船应用

由704所提供电力推进系统的厦门大学科学考察船“嘉庚”号是国内首条明确提出DNV SILENT A+S的水下噪声指标要求的船舶，并且是由DNV GL噪声专家全程跟踪的船舶，见下页图2。

“嘉庚”号电力推进系统采用1 800转的高速柴油发电机组为全船所有用电设备供电，主推进由AFE推进变频器、正弦波滤波器及低速低噪声异步电机组成。电力推进系统在设计、选型、安装、调试阶段均严格遵循DNV的具体噪声指标要求，并且对所供设备进行了全方面的特殊设计。经过严格

2.3.3 安装措施

推进电机的安装方式，也对噪声有一定程度的影响，因此推进电机与船体的所有连接部分均需考虑隔振措施，应注意以下几点：

（1）采用高弹联轴器的法兰连接方式可以在一定程度上降低推进电机通过推力轴承传递到船壳的振动噪声；

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2017海洋科学考察船技术高峰论坛 论文集180170dB re.1e-6 Pa/m160150140130

3.15456.381012.516202531.5405063801001251602002503154005006308001 0001 2501 6002 0002 5003 1504 0005 0006 3008 00010 000120

Frequency/Hz

图2 DNV SILENT A+S 指标

的工厂测试，“嘉庚”号科学考察船使用的交流推进电机的振动噪声远低于预设的电机振动要求。在海试时，由DNV GL的噪声专家经过专门的水下辐射噪声测试，“嘉庚”号的噪声满足DNV SILENT A+S的指标要求。

本文从系统和重要噪声源设备两个方面阐述了电力推进系统低噪声设计的要点，并通过实船验证该设计的有效性，希望为业内后续电力推进科学考察船的设计和建造提供一定的经验。

［参考文献］

4 结 论

随着国家对海洋科学考察领域的重视以及日益提高的科考要求，科学考察船的低噪声设计将成为贯穿船舶整个设计建造过程的重点。而电力推进系统的低噪声设计及实现则是实现船舶低噪声的关键点。

［1］ 魏以迈.我国船舶水下噪声研究进展综述［J］. 上海造

船， 2000（1）：27-32.

［2］ 倪凤燕，王硕丰，王良秀.科考船电力推进系统集成

设计［G］.上海市船舶与海洋工程学会.中国国际海事展高级海事论坛论文集，上海：2015.

［3］ 李国华，黄守道，段改林. 变频电源供电异步电动机

噪声和振动分析［J］. 防爆电机， 2006（2）：16-18.

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