船舶调距桨装置液压系统设计外文翻译资料

Assessment of underwater radiated noise, cavitation

and fuel efficiency for a chemical tanker

Influence of CPP control

J. Hallander, R. Karlsson and A. T. Johansson

SSPA Sweden AB

Gothenburg, Sweden

jan.hallander@sspa.se (corresponding author)

Abstract- The possible reduction of underwater radiated noise (URN) from a chemical tanker by running according to a combinatory curve instead of fixed RPM is assessed by modelscale tests in a cavitation tunnel. The model-scale measurements are validated against full scale measurements of URN and full scale cavitation observations. The measurements are performed on the chemical tanker M/T Olympus as part of the AQUO project. This ship is representative of a large portion of the coastal trade.

The results show that lowering the RPM instead of reducing the pitch requires less power, produces less cavitation and generates lower URN when operating at reduced speed with a ship equipped with controllable pitch propellers (CPP). Solutions that make it possible to operate shaft generators at a variable RPM running according to a combinatory curve are becoming commercially available on the market. The fuel savings achieved by operating according to a combinatory curve at reduced speeds also justify the investment in such solutions from a strictly economic point of view. This is valid for new-builds as well as for retrofitting on existing ships.

Keywords— underwater radiated noise; ship noise; cavitation;controllable pitch propeller; fuel efficiency

I. INTRODUCTION

Many ships, especially the ones in coastal trade and on shorter routes, have controllable pitch propellers (CPP) for various reasons. Some of the main advantages are:

bull; Improved manoeuvrability, which is of special interest for vessels with frequent port calls.

bull; Larger bollard pull which is of special interest to tugs, fishi Often the CPP is set up with an engine running at conng vessels, vessels operating in ice, etc.

bull; Less risk of overloading the engine in situations where the resistance is increased.

bull; No need to reverse engine or engage the clutch for going astern.

bull; Possibility to match propeller and engine performance for optimum efficiency at a certain power range.

Often the CPP is set up with an engine running at constant RPM. This gives the possibility to run an AC shaft generator to supply a constant frequency power to the systems on-board. A vessel with CPP operating at constant RPM is usually optimized at NCR (nominal continuous rating). If the speed of the ship needs to be reduced, this is done by reducing the pitch of the CPP. When the pitch angle is reduced the pitch distribution is changed, see Fig.1. Reduced service speed gives an off-design condition where the efficiency will significantly decrease due to the non-optimal angle of attack of the blade sections at different radii and result in unnecessarily high fuel consumption, excessive cavitation and increased noise levels. In some cases the noise level can even increase with reduced vessel speed [1].

Some large ships have an arrangement whereby the engine can run at variable RPM, which allows the propeller to operate at optimal pitch so the fuel consumption can be reduced. Similarly, from the viewpoint of acoustic signature reduction, another goal might be to sail with a shaft speed-pitch combination that gives minimal or no propeller cavitation. When sailing in operational conditions, continuous adjustment of the shaft speed-pitch combination might be used to match the propeller inflow as closely as possible. The latter is expected to help increase the cavitation-free time in operational conditions. The main challenge is to find the optimum control rules to continuously obtain the optimum operation curve of the propulsion system.

There are few references dealing with this topic. Reference [2] demonstrates the measured noise levels for various control options. At constant RPM, varying the pitch from full power to lower power first reduces the noise since lower propeller loading means that the amount of suction side sheet cavitation reduces. However, reducing the propeller pitch further will make the propeller pass the point of face (pressure side) cavitation inception. Below this point, the noise will increase again and be significantly larger than at design speed. The use of a combinatory curve could result in lower noise levels, even though the propeller still behave worse at very low power than at full power due to the face side cavitation at reduced pitch setting. The use of a combinatory curve will normally require a modification of the engine RPM regulator. If a shaft generator is to be used, the electrical system will also have to be modified or changed. Different solutions that are becoming commercially available on the market are opening up possibilities for the use of shaft generators also on vessels with fixed pitch propellers. For existing ships, finding the optimum settings for a “silent configuration” that minimizes URN could help traffic controllers and ship crew establish recommended ship speeds in areas where noise is restricted. This could be done by performing URN experiments with different settings and speeds and selecting the quietest.

Based on the studies carried out in [3], we tried to assess the possible URN reduction by operating a chemical tanker, M/T Olympus, at variable RPM. The impacts on fuel efficiency and the practical implementation on M/T Olympus are discussed.

II. METHOD

A. Model scale measurements

Towing tank tests were performed for the M/T Olympus hull model equipped with design propeller. The tests included wake measurements, open water, resistance

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

---

调距桨控制影响

摘要-通过在气穴隧道中的模型测试来评估根据组合曲线而不是固定RPM运行的来自化学品船水下辐射噪声（URN）的减少可能性。模型尺度测量与URN和全尺寸气蚀观测的全尺寸测量进行验证。 作为AQUO项目的一部分，测量在化学品船M / T Olympus上进行。这艘船代表了沿海贸易的很大一部分。

试验结果显示，降低RPM而不是减小桨距需要更少的功率，产生更少的气穴现象，并且当配备有可控桨距螺旋桨（CPP）的船舶以递减的速度运行时会产生更低的URN。 使得能够根据组合曲线以可变RPM运行轴发电机的解决方案在市场商业上可获得。 通过根据在降低的速度下的组合曲线进行操作，实现了燃料节省，进而证明了从严格的经济观点对这种解决方案的投资。 这对于新建造以及在现有船舶上的改装是有效的。

关键词：水下辐射噪声;船舶噪声;空化;可调桨距螺旋桨;燃油效率

1. 引言

许多船舶，特别是沿海贸易和较短航线的船舶，由于各种原因而具有可控螺距螺旋桨（CPP）。 一些主要的优点是：

bull;改进的机动性，这对于频繁港口需求的船舶特别感兴趣。

bull;拖船，鱼群需求较大的系船柱拉力，CPP设置有在船舶上运行的发动机，在冰上操作的船舶等。

bull;在电阻增加的情况下，降低发动机过载的风险。

bull;无需倒档发动机或接合离合器以便后退。

bull;可以匹配螺旋桨和发动机性能，在一定功率范围内实现最佳效率。

bull;通常，CPP设置发动机以恒定RPM运行。 这使得可以运行交流轴的发电机以向机载系统提供恒定频率的电力。 具有以恒定RPM运行的CPP的容器通常在NCR（额定连续额定值）下进行优化。 如果船舶的速度需要减小，这可以通过减小CPP的桨距来实现。 当桨距角减小时，桨距分布改变，见图1。 减小的使用速度给出了非设计条件，其中效率将由于叶片部分在不同半径处的非最佳迎角而显著减小，并且导致不必要的高燃料消耗，过度气蚀和增加的噪声水平。 在某些情况下，噪声水平甚至可以随着船速的降低而增加。

一些大型船舶具有这样的布置，其中发动机可以可变RPM运行，这允许螺旋桨以最佳间距操作，从而可以减少燃料消耗。 类似地，从声学标记减少的角度，另一个目标可能是以提供最小或没有螺旋桨空化的轴速度 - 桨距组合航行。 当在操作条件下航行时，可以使用轴速度 - 桨距组合的连续调节以尽可能接近地匹配螺旋桨流入。 后者有助于增加操作条件下的无气穴时间。 主要挑战是找到最佳控制规则，以连续获得推进系统的最佳操作曲线

有很少有关于这个主题的参考文献。参考文献[2]演示了各种控制选项的测量噪声电平。在恒定RPM下，将桨距从全功率改变到较低功率并且首先降低噪声，因为较低的螺旋桨负载意味着吸力侧片气蚀的量减少。然而，进一步减小螺旋桨桨距将使螺旋桨通过面（压力侧）空化开始点。在这点之下，噪声将再次增加并且明显大于设计速度。使用组合曲线可以导致较低的噪声水平，即使螺旋桨仍然在非常低的功率下比在全功率下表现更差，这是由于在减小的螺距设置下的面侧气蚀。组合曲线的使用通常需要修改发动机RPM调节器。如果要使用轴发电机，电气系统也必须修改或改变。市场上正在商业上可获得的不同解决方案为在具有固定螺距螺旋桨的船舶上也使用轴发电机开辟了可能性。对于现有船舶，找到最小化URN的“静默配置”的最佳设置可以帮助交通管制员和船员在噪音受限的地区建立建议的船速。这可以通过使用不同的设置和速度并选择最安静的URN实验来完成。

基于[3]中进行的研究，我们试图通过以可变RPM操作化学品船M / T Olympus来评估可能的URN减少。 讨论了对燃油效率的影响和对奥林巴斯M / T的实际实施。

1. 方法。

2.1模型尺度测量

对装备有设计螺旋桨的M / T Olympus船体模型进行牵引箱测试。 测试包括尾流测量，开放水域，阻力和自推进测试。 试验预测基于针对裸壳的ITTC-78评估方法。

对于气穴隧道试验，将整个船舶模型安装在SSPA气蚀隧道的大试验段（宽度2.6m，高度1.5m）中。 该模型被安装在设计草图。 螺旋桨型号由AC电动机提供动力，推力和扭矩通过Kempf＆Remmers型R46测力计测量。 电机和测力计是浸入式的，并安装在充水模型内。 在试验期间隧道水速度保持恒定在4.5m / s。

图1.节距比作为不同桨距角下半径的函数特定CPP。 对于该螺旋桨，减小的桨距角为20度给出零推力

使用连接到安装在空化隧道中的翼型剑的三个水听器（Bruuml;el＆Kjaelig;r类型8103）进行噪声测量。 螺旋桨声中心（AC）假定在0°位置，r / R = 0.7。 AC与水听器之间的距离分别为429,460和631mm。 水听器通过在线电荷放大器（PCB 422E12）连接到分析仪（LMS Pimento）上的模拟输入。 使用在两个采样频率下的24位模数转换获得时间序列数据：在300s期间Fs = 2.5kHz，在150s期间Fs = 50kHz。 背景噪声测量使用虚拟集线器在相应的负载条件下进行。 在缩放之前，对模型标度频谱对背景噪声进行校正。 未应用传递函数。 根据用于功率谱密度的ITTC 1987缩放定律，将模型缩放光谱缩放到满刻度。

模型尺度测量程序在[3]中报道。

2.2全尺寸测量

水下辐射噪声是在瑞典西海岸Lysekil附近40-60米的平坦海底区域测量的。 将具有内置前置放大器的三个Sparton PHOD-1水听器悬浮于浮子上，并以42m深度系泊在20kg底部重量上。 水听器的位置为58ordm;17.99N，11ordm;19.61E。 电缆运行到陆地上最近的点，大约150米远，使用NI USB-4431 24位DAQ转换信号并存储在PC上。 通过插入电压校准测量前置放大器和电缆的损耗。 这些结果随后与先前测量的压电元件灵敏度数据一起使用以将水听器电压转换为声学声压

数据的测量和后处理遵循[4]，测量程序在[5]和[6]中报告。

1. 数据

M / T Olympus（IMO编号9310355）是2006年建成的一家石油和化学品船[7]。 它长116米，宽18米，载重量1989吨。 它由以恒定rpm运行的单个柴油发动机提供动力，为四叶片CPP提供动力。

3.1模型比例数据

A.模型比例数据以下列沥青设置进行螺旋桨开放水试验：0,0.3,0.45,0.6,0.75,0.87和0.90。 在设计和压载吃水下对两个螺距设置进行自推进试验; P / D = 0.87（设计间距）和P / D = 0.521。

在表1所示的六种负载条件下进行模型尺度气蚀观测，压力脉冲和噪声测量.LC1对应于在设计吃水时具有15％海边和设计节距设置的NCR功率，LC2是相应的压载吃水条件 。 LC5和LC6对应于通过减小桨距设置同时保持RPM恒定而将速度降低到11kn。 这是今天船舶的运行方式。 LC3和LC4表明如果在保持桨距设置不变的情况下通过降低RPM来降低速度将会发生什么。 从表中可以看出，在这种特定船舶的压载和设计吃水条件之间存在相当小的差异，主要是由于在空化观测，螺旋桨浸没的压力脉冲中也反映了相对小的变化。 这是模型规模中的测量和URN测量。 模型尺度测量报告在[3]

表1. 装载条件

3.2.全尺寸数据

由于后勤限制，气象视频记录于2015年3月27日，在丹麦卡伦堡附近的一个地点。 在这些运行期间，船舶处于压载吃水。

URN测量于2015年3月28日至29日。M / T奥林匹斯山在距离水听器最近的接近点（CPA）范围为130至176米处进行了四次通过。 她以15和11节的标称速度制造了一个端口和一个右舷通道。 15节是标称连续速率（NCR）速度，11节是通常使用的较低速度。 M / T奥林巴斯在设计草案中记录，只是在附近的炼油厂装载之后。

全尺寸测量在[6]中给出，完整的文献在[5]中找到，炼油厂。

1. 结果

4.1电源要求

基于模型测试结果，进行不同设置的功率需求的计算。图2示出了以不同RPM达到特定速度所需的功率。

可以看出，RPM的降低导致在所有情况下降低的功率需求。如果RPM将进一步降低，则桨距将不得不增加超过最佳值，并且功率将再次增加。没有对这些音调设置进行测试，因此在图中不能清楚地看到最佳值。在图3中，在以恒定RPM运行的功率需求（对于这种容器的正常情况）和以固定间距运行的功率需求之间进行比较。第二种情况下的螺距设定是螺旋桨的设计螺距，其原则上是最佳螺距。如可以看到的，这些图全速重合。这是预期的，因为这是螺旋桨的设计点 - 即螺旋桨的优化以这种速度完成。在较低速度下，螺旋桨的所需推力减小。在11节的速度下，恒定RPM下所需的功率为1600kW，而最佳间距为约1300kW，差值为300kW。

4.2燃料消耗

用于这种类型的船舶的典型发动机具有约200g / kWh的比燃料油消耗量（SFOC）。 这意味着由变化的RPM引起的螺旋桨功率需求的差异直接导致燃料消耗在11节时从7.7增加到6.2吨/天，节省约1.5吨/天或20％。 在较低的速度下，比例节省甚至更高，而在设计速度下为零。 这些数字是特定于奥林巴斯M / T，但一般的行为是相同的任何船舶。 还有一些其他因素在降低RPM时改变，如下

bull;发动机SFOC由于减少摩擦损失和更有效的燃烧而降低。 典型的节约量在1-6％之间。

bull;减少齿轮箱中的摩擦损失。 通常，对于这种类型的齿轮箱，满载时的损失为约2％，即约60-70kW。 如果RPM不减少，损耗将保持在60-70kW; 在降低的RPM下，它将保持在实际功率的2％，从而降低到约30kW。

bull;在主发动机（润滑油，水循环等）下直接驱动的泵在较低的RPM下也将消耗更少的功率。 然而，如果这些泵不是设计用于较低的RPM，则可能会出现容量问题。

总的来说，这些额外的节省可导致燃料消耗减少3-8％（有时甚至更多），即另外150-500kg /天。

图2.轴功率作为RPM @恒速的函数。

图3.轴功率（kW）与恒定RPM下的速度的函数关系。

以约550美元/吨的柴油燃料成本（2015年3月下旬），这意味着当以降低的速度运行时节省约1000美元/天。 在薄弱的市场，这种慢速蒸汽是相当频繁的，因此节约潜力是绝对现实的

4.3气蚀观察

来自LC2中的模型尺度测量的空化照片在图2中示出。 这些可以与图1中的相应的满量程观测相比较。 相机位置和观察角度是不同的，因此在应该存在片材气蚀的叶片角度处的全尺寸照片中不能观察到叶片尖端。 然而，全尺度的叶尖 - 涡流腔的一般行为似乎与模型尺度观察结果良好相关。 在模型规模，吸力侧片气蚀从0.9R延伸到叶片尖端在LC1和LC2。 空化体积和周向延伸稍大，但在压载状态LC2下稍微更不稳定。 片气蚀卷起成为气蚀尖端涡流，其在LC1中保持约10°至200°，在LC2中保持约0°至220°。 尖端涡流有点不稳定，并且在两种负载条件下都发生一些爆裂。

在LC6中的SSPA气蚀隧道中的模型尺度观察的照片在图5中示出。 图5（背面） 6（正面）。 相应的满量程观测结果如图1所示。 与模型尺度观察相比，尖端涡流似乎在全尺度上稍微更厚。 在SSPA模型中，LC5和LC6的尺度观察结果表明，从r / R = 0.7开始，在端面上存在前沿涡流空化。 面侧前缘涡流空化从60°持续到320°。 来自面侧的涡流也在图1中示出。 8即使它没有完全验证，因为没有满量程观察脸侧。

在减小的RPM，LC3和LC4的模型尺度观察中，通常没有空化，但是一些在r / R = 0.95的前沿偶然发生。

在模型规模的任何负载条件下没有观察到具有气蚀的毂涡流。

4.4URN

基于模型规模测试的URN预测在图3中进行比较。 图9和图10。 对于LC1和LC5，模型标度测量对照图6中的满量程数据来验证。 图11和图12。 12。 模型规模和全面规模之间的一般协议是公平的。 低于20 Hz的满量程数据由于截止频率（取决于有限的水深）而为低。 由于全量程中传输损耗的低估，[5]，[6]也可能出现低于50 Hz的全音阶的音调噪声太低。 对于LC1，在模型规模中似乎存在一般的低预测。 对于LC5，协议更好，但是在模型规模上的60Hz附近的宽峰不是全量表。

根据模型试验，载荷条件LC1，LC2，LC5和LC6的三分之一倍频带水平高于BV“URN控制船舶”极限，DNV沉默级别标志（SILENT-E）“过境极限” 图。 然而，对于装载条件LC3和LC4，水平远低于DNV“安静巡航”极限，这是非常好的。 这清楚地表明，如果可以以可变RPM操作船舶，则对于20Hz以上的频率，11kn的URN可能显着降低。 如前所述，螺旋桨在LC3和LC4处（几乎）没有空化。

图4 在SSPA，LC2（85％MCR，设计间距）的模型尺度观察

在NCR（LC1和LC2），其中螺旋桨负载高，在叶片速率及其谐波处由于叶片负载而存在强的音调噪声，其由片层空化进一步放大。最大URN和满量程的振动在60至100Hz的范围内，其中存在在模型标度中也观察到的宽峰。在这个范围内的高水平可能是由于尖端涡流动力学，即振荡和“爆裂”，但全尺度频谱也包含许多来自机械的音调成分[6]。船体响应也可能在20Hz至100Hz的频率范围内是重要的贡献者。在较高频率处，由于坍缩腔，主要存

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

---

资料编号：[141613]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word