船舶振动第九章

第九章船舶的主要激励

船上出现的有害振动主要是由螺旋桨、机器（主机、发电机、发动机、泵、通风机）和波浪激励引起的。

§9-1 螺旋桨的激励

一.概述

1.有害振动70%是由桨激励引起的。

2.因激励幅值过大或者虽然激励幅值不算太大，但却激起船舶总体或者局部结构共振，都将造成振动响应过大，在船上产生有害振动。

3.桨产生的激励有两种：

1）轴频激励（一阶激励或一阶干扰）

由桨叶静力、动力不平衡引起的轴频激励，其激励频率等于桨轴转速，它与桨的制造质量有关，与水动力不平衡有关。

2）叶频激励：

桨在不均匀流场中运转而诱导出的高阶激励（叶频、倍叶频），其激励频率等于桨叶数的整数倍，即叶频、2倍叶频等，有表面力和轴承力两种。

4.影响桨激励的因素：

1）桨的形状参数；

2）船尾部线型、附体；

3）航速。

5.轴承力和表面力：

1）表面力：

桨旋转时经水传至船体表面的脉动水压力。

2）轴承力：

因伴流不均匀导致桨叶上承受周期性变化的力，该力通过桨轴和轴承作用于船上。

注：一般表面力是主要的，即脉动压力主要。

6.桨脉动压力产生的原因：

1）螺旋涡系：

桨工作时，叶面与叶背的压力差在叶梢处形成螺旋涡系，使桨附近水中各点的压力周期性变化，压力场内船体结构受周期性脉压作用。桨载荷（推力和力矩）不同，涡旋强度亦不同。

2）叶厚效应：

桨叶有厚度，在流场中运动时，该场中某一点P处的压力将随着桨叶的接近和远离该点而发生周期性变化，由此形成对结构的脉动压力，这种效应称为叶厚效应。注：（敞水均匀流场，脉动压力仍存在，船后不均匀流场脉压波动加大）

3）空泡：

空泡体积变化、生与灭，造成脉压幅值变化，它对表面力的影响很大。

二.螺旋桨静力、动力不平衡引起的轴频激励

1.静力不平衡：

原因：

1）桨制造误差（各叶间夹角、叶宽及叶厚不尽相同）；

2）桨叶空泡剥蚀。

力学特征：桨整体质心不在回转轴线上，当桨转动时，就有垂直于桨轴的离心惯性力产生，该周期性激励其频率等于桨轴转速。

后果：干扰力导致尾轴振动，通过轴承引起船体振动。

控制措施：必须进行静平衡校验，限制离心惯性力大小。

2.动力不平衡

原因：1）桨制造的误差；

2）营运中遭到碰撞。

力学特征：虽然桨质心在回转轴线上，但各桨叶在轴线方向前后有错位，导致各桨叶质心不在同一桨盘面内，在桨旋转时各桨叶产生的离心力形成垂直于桨盘面的不平衡力矩，其频率等于桨轴转速。

后果：该力矩引起桨轴弯曲振动（尤其对高转速桨影响显著），并通过轴承引起船体振动。

控制措施：除了做静平衡校验外，还须进行动平衡校验。

三.螺旋桨水动力不平衡引起的轴频激励

原因：桨制造误差，造成各叶片螺距不等（影响最大），或各桨叶长或宽不等，虽静、动平衡性很好，也会在“敞水”中转动时产生动力不平衡。

力学特征：来流对各桨叶攻角不同，每一个桨叶上作用

的推力T

i 和旋转阻力R

i

也不相等，导致总推力T不会与

桨轴线重合，由于偏心的结果，而产生周期性轴频力矩。另外，由于旋转阻力的合力R不等于零，也产生周期性轴频力矩。

后果：周期性的轴频力矩通过尾轴和轴承传给船体，引起船体振动。

注：为此，指导性文件对螺距误差有要求。

四.螺旋桨在尾部不均匀伴流中运转时诱导的激励（叶频激励）

1.激励产生的原因和种类：

1）概述

a.伴流：当船在水中以v s 前行时，船体周围有一股水流伴随着船一起运动。（原因：遗留空隙、边界层、兴波）

b.伴流场：船后伴流的速度场，一般指轴向伴流场。（因为轴向伴流速度大，轴向、径向伴流是2阶小量）

c. 航速、进速、轴向伴流速度三者关系：

v a =v s -u a

式中：u a ：轴向伴流速度（m/s）；

v s ：航速（m/s）；

v a ：进速（进入螺旋桨桨盘面处的水流速度）

d.伴流场表示方法：w

T =u

a

/v

s

式中：w

T：

伴流分数（泰勒伴流分数），无量纲数。

通常，将桨盘面处测得的各点伴流分数绘制在一张图（伴流分布图），图上曲线是由桨盘面相等的伴流分数值的点连接成，如图6.1所示。

2）叶频激励产生原因之一：

由图6.1可知，靠近桨毂和船壳位置的伴流分数值较高，其他位置较低，从而使得不同半径处进速是不同的，即使在同一半径上，绕轴转一周内，叶剖面也处在不同的进速下工作，因此导致每个桨叶剖面的来流攻角也作相应的变化，即处在大攻角、小攻角甚至负攻角下工作。

见图（速度三角形）

每个桨叶产生的推力和扭矩也在作相应的变化，如图6.2所示。

图6.2 每片桨叶推力（1转）

如果是4叶桨，桨转一周内将出现4次大的推力峰值波动，这就是叶频激励。

3）轴承力

螺旋桨转动时，由于作用在桨叶片上的推力和旋转阻力的变化，诱导出的三个力、两个力矩、一个扭矩。统称为轴承力，见图6.4。

图6.4 传递给桨轴的水动力和力矩。

4）叶频激励产生原因之二：

桨在尾部不均匀伴流场转动时，每一叶片扰动水时伴随着产生一个压力向外传播，假定桨正上方船底有一点A，当第一个桨叶经过时，A点处有一个压力作用在上面，当第二个桨叶经过时，A点处又有一个压力作用在上面，如果是4叶桨，在桨转一周时，A点处将受到4次压力作用，脉动压力在一周内波动频率等于桨叶数乘以桨轴转速，此压力称为桨诱导的叶频脉动压力。见示意图