Малошумное судно малых размеров с винторулевыми колонками

В.В. Савенко, Ю.Ф. Шлемов

ФГУП «Крыловский государственный научный центр», Санкт-Петербург

МАЛОШУМНОЕ СУДНО МАЛЫХ РАЗМЕРОВ С ВИНТОРУЛЕВЫМИ КОЛОНКАМИ

Объект и цель научной работы. Поиск новых технических решений, направленных на снижение шумоизлу-чения судов малых размеров с винторулевыми колонками.

Материалы и методы. Анализ опубликованных сведений о зарубежном малошумном исследовательском судне малых размеров с движителями в виде винторулевых колонок.

Основные результаты. Выявлены новые технические решения, позволяющие снизить уровни подводного шума судов малых размеров, оснащенных винторулевыми колонками, до уровней, рекомендуемых международными требованиями ICES № 209.

Заключение. Использование передовых технических решений при создании отечественных судов малых размеров позволит существенно снизить их шумность.

Ключевые слова: исследовательское судно, малошумность, винторулевые колонки. Авторы заявляют об отсутствии возможных конфликтов интересов.

Для цитирования: Савенко В.В., Шлемов Ю.Ф. Малошумное судно малых размеров с винторулевыми колонками. Труды Крыловского государственного научного центра. 2017; 3(381): 123-128.

УДК 629.5.035 DOI: 10.24937/2542-2324-2017-3-381-123-128

V.V. Savenko, Yu.F. Shlemov

Krylov State Research Centre, Moskovskoe shosse 44, St. Petersburg, Russia

SMALL SILENT VESSEL WITH POD PROPULSION

Object and purpose of research. This paper searches for new technical solutions, aimed at noise emission reduction for small vessels with pod propulsion.

Materials and methods. The paper analyses published data about a foreign small-size silent research vessel with pod propulsion.

Main results. The paper identifies new technical solutions that reduce underwater noise levels of small vessels with pod propulsion, down to the levels recommended by ICES-209 international requirements.

Conclusion. Application of advanced technical solutions in development of Russian small-size vessel will considerably reduce their noise levels.

Keywords: research vessel, low noise, pod propulsion. Authors declare lack of the possible conflicts of interests.

For citations: Savenko V.V., Shlemov Yu.F. Small silent vessel with pod propulsion. Transactions of the Krylov State Research Centre. 2017; 3(381): 123-128 (in Russian).

УДК 629.5.035 DOI: 10.24937/2542-2324-2017-3-381-123-128

Введение

Introduction

Набирающее все большую популярность в мире движение «зеленых», выступающих за соблюдение экологических принципов в промышленной и повседневной деятельности человека, привело к появлению за рубежом нормативных документов, ограни-

чивающих вредное влияние различных факторов деятельности человека на живую природу. В число таких факторов вошли уровни подводного шума судов, воздействующего на рыбные популяции и других обитателей моря. Согласно рекомендациям международной группы специалистов ICES № 209 [1] и нормам Регистра Норвегии [2] требования по ограничению уровней подводного шума исследователь-

ских судов (НИС) предъявляются в зависимости от размеров НИС. Для судов, длина которых превышает 50 м, эти требования предъявляются на скорости хода 11 уз, а для малых исследовательских судов длиной меньше или равной 50 м - при их движении на скорости 8 уз. При этом движение судна осуществляется без буксировки каких-либо объектов и без использования подруливающих устройств.

Более низкая скорость нормируемого по шуму хода малых НИС в некоторой степени облегчает достижение требуемых уровней подводного шума -в первую очередь, обусловленных работой движителей судна. Тем не менее, поставленная задача остается достаточно сложной, что обусловлено ограниченными размерами малых НИС, затрудняющими размещение средств акустической защиты, а также необходимостью обеспечения достаточно низких уровней шума, излучаемого движителями. В качестве движителей судов в последнее время все чаще используются винторулевые колонки (ВРК). В качестве преимуществ ВРК обычно отмечают отсутствие механических связей (гребных валов), передающих вращение от главных двигателей на ВРК, что упрощает общую компоновку малых судов и позволяет обеспечить их высокую маневренность за счет поворота ВРК.

Различные типы ВРК имеют и свои недостатки, в числе которых могут быть повышенные уровни вибрации и шума, возникающих при их работе. Поэтому представляется целесообразным рассмотрение успешного опыта создания малошумного судна малых размеров с винторулевыми колонками в качестве главных движителей на примере исследовательского судна (RV) Hugh R. Sharp [3], построенного в 2006 г. для университета штата Делавар (США).

Общекорабельные технические решения

All-ship technical solutions

Общий вид и продольный разрез НИС Hugh R. Sharp показаны на рис. 1 и 2. Основные технические решения, принятые при проектировании малого НИС, включают полное электродвижение и винторулевые колонки. На судне имеются четыре дизель-генератора, два из которых установлены на двухкас-кадную амортизацию и обеспечивают движение НИС на малошумных скоростях хода до 8 уз. Два других дизель-генератора, как и остальное вспомогательное и научное оборудование, установлены на однокаскадные виброизолирующие крепления.

В качестве движителей использованы размещенные в кормовой оконечности НИС две винто-рулевые колонки типа Schottel Z Drive, что позволило обеспечить высокую маневренность судна без использования рулей. В носовой оконечности НИС имеется дополнительное подруливающее устройство туннельного типа. Выдвижной киль используется для размещения измерительных датчиков (Transducer Pod).

Снижение подводного шума, обусловленного работой движителей

Reduction of the underwater noise due to operation of propulsors

Каждая из двух размещенных в кормовой оконечности судна ВРК типа Schottel Z Drive включает приводной электродвигатель (ASIR), закрепленный с использованием резинометаллических амортизаторов на втором дне внутри корпуса судна и связанный

Рис. 1. Общий вид научно-исследовательского судна Hugh R. Sharp Рис. 2. Продольный разрез научно-исследовательского судна Hugh R. Sharp

Fig. 1. General view of Hugh R. Sharp research vessel Fig. 2. Profile of Hugh R. Sharp research vessel

Рис. 3. Схема размещения виброизолированной ВРК типа Schottel Z Drive на корпусе научно-исследовательского судна

Fig. 3. Schottel Z Drive pod propulsion unit with vibration isolators on the hull of research vessel

Движитель «Шоттель Z»

Асинхронный электродвигатель

карданным валом (посредством угловой зубчатой передачи) с вертикальным валом, передающим вращение на гребной винт (рис. 3). Наружный кожух вертикального вала вместе с устройством азимутальной ориентации ВРК закреплен в круглой опорной плите с ребрами жесткости. Эта плита виброизо-лирована от корпуса судна посредством специального упругого крепления, включающего конические резинометаллические амортизаторы, закрепленные попарно на концах четырех дуговых кронштейнов (рис. 4). Кольцевые зазоры между указанной опорной плитой и корпусом судна закрыты посредством пары герметичных кольцевых резиновых мембран. Вертикальный вал связан угловой зубчатой передачей с осью малошумного пятилопастного гребного винта с большой саблевидностью.

Следует отметить, что конструкции кожуха вертикального вала, круглой опорной плиты, подкрепленной 8 ребрами жесткости, кронштейнов и конических амортизаторов виброизолирующего крепления рассчитаны на передачу достаточно больших

сил упора, развиваемых гребными винтами ВРК. В целом принятые конструктивные решения позволили эффективно виброизолировать электродвигатель, валы с зубчатыми передачами и гребным винтом, а также другие элементы ВРК от корпусных конструкций судна, а следовательно, снизить вибрации и шумоизлучение корпуса под воздействием динамических усилий, воздействующих на него от электропривода и валов гребного винта.

В целом принятые конструктивные решения позволили эффективно виброизолировать электродвигатель, валы с зубчатыми передачами и гребным винтом, а также другие элементы ВРК от корпуса судна, а следовательно, и снизить его вибрации и шумоизлучение под воздействием динамических усилий, передаваемых по валу от гребного винта и от электропривода на корпус судна.

Для снижения воздействия на корпус судна динамических усилий, передаваемых от винта через воду, общей рекомендацией обычно является увеличение зазора между концами лопастей и обшивкой

Рис. 4. ВРК типа Schottel Z Drive с виброизоляторами на концах кронштейнов Fig. 4. Schottel Z Drive pod propulsion units with vibration isolators at the ends of the brackets

корпуса; кроме того, рекомендуется обеспечить наличие податливого или виброизолированного от остального корпуса участка обшивки вблизи диска винта. Принятые на малошумном НИС конструктивные решения реализуют эти рекомендации. Расстояние (зазор) от диска винта до обшивки корпуса составляет около половины его радиуса, а ближайшая к винту поверхность корпуса является обшивкой опорной плиты движителя, виброизолированной от корпуса, что также способствует уменьшению вибраций корпуса при работе винта (рис. 5).

При повороте колонок в положение, соответствующее работе тянущих винтов, вращающихся в сравнительно однородном потоке при фактическом отсутствии перед ними валов, стабилизаторов и других выступающих частей, практически достигается ситуация, благоприятная для максимального снижения собственного шумоизлучения винтов.

В итоге реализованных на НИС вышеизложенных технических решений удалось значительно снизить уровни шумоизлучения, обусловленного работой движителей типа ВРК.

Средства снижения подводного шума, обусловленного работой дизель-генераторов и другого оборудования

Tools for reduction of the underwater noise due to diesel generators and other machinery noise

Схема установки дизель-генераторов на виброизолирующие крепления показана на рис 6. Центральные дизель-генераторы (ДГ) № 1 и № 2, обеспечивающие малошумные скорости хода НИС, установлены на двухкаскадную амортизацию с промежуточной («плавающей») рамой (рис. 7). На раме установлены резинометаллические амортизаторы для крепления ДГ (по 6 штук на каждый ДГ). Рама сварена из двутавровых профилей, конечно-элементная модель рамы (вид снизу) показана на рис. 8.

Промежуточная рама опирается на более мощные амортизаторы второго каскада комбинированного типа (рис. 9-10), сочетающего стальные пружины с резиновыми элементами. Снизу поверхности полостей рамы облицованы звукопоглощающим покрытием для снижения передачи колебательной энергии от рамы по воздуху на корпусные конструкции судна. На опорные и прилегающие корпусные конструкции судна (включая переборки) в районе виброактивного оборудования нанесены плиточные вибропоглощаю-щие армированные покрытия общим весом 16 т.

Внутренние ограждения машинного отделения облицованы тремя слоями шумопоглощающего

Рис. 5. ВРК типа Schottel Z Drive на корпусе научно-исследовательского судна

Fig. 5. Schottel Z Drive pod propulsion units on the hull of the research vessel

Двухкаскадная изоляция дизелей

(W1W4 1^-1* ш i

Однокаскадная виброизоляция дизелей

Плавающая платформа

ft« ?.í

Рис. 6. Схема установки

дизель-генераторов

на виброизолирующие крепления

Fig. 6. Layout of diesel generators installation onto the vibration-isolation mountings

Рис. 7. Промежуточная рама двухкаскадной Рис. 8. Конечно-элементная модель промежуточной

амортизации рамы

Fig. 7. Intermediate frame of the two-stage Fig. 8. Finite-element model of the intermediate frame

isolation mounting

покрытия из керамического волокна, эффективного в диапазоне низких звуковых частот.

Все остальные работающие на ходу судна вспомогательные механизмы и оборудование НИС, так же, как и трубопроводы систем охлаждения, установлены на опорных судовых конструкциях с использованием виброизолирующих креплений или упругих прокладок; в трубопроводах имеются виброизолирующие резиноармированные вставки. Применение перечисленных средств акустической защиты позволило значительно снизить вклад излучения корпуса, обусловленного работой виброактивного оборудования и систем малого НИС, в уровни его подводного шума.

\ Акустическая изоляция Вибвоизо

Демпфирующая плитка

Уровни подводного шума малого научно-исследовательского судна

Underwater noise levels of the small research vessel

Закономерным результатом применения на малом НИС Hugh R. Sharp передовых «акустических» технологий стали весьма низкие уровни подводного шума, удовлетворяющие рекомендациям ICES 209. Сравнение рекомендуемых ICES и измеренных (худший и лучший результаты) уровней подводного шума НИС Hugh R. Sharp в третьоктавных полосах частот на скорости хода 8 уз показано на рис. 11.

Только на частотах 1,6 и 2 кГц худший результат измерений превысил требования ICES 209, тогда как на остальных частотах уровни подводного шума НИС заметно ниже требуемых. Показанные для сравнения здесь же уровни шума обычного исследовательского судна существенно выше, чем у НИС Hugh R. Sharp, и на 4-12 дБ превышают требования ICES 209 на частотах от 100 до 800 Гц. Еще выше шумность коммерческого буксира, уровни шума которого превы-

Рис. 9. Вид снизу на промежуточную раму со звукопоглощающим покрытием в ее полостях, опорными амортизаторами второго каскада и вибро-демпфирующими плитками на опорной конструкции

Fig. 9. Bottom view of the intermediate frame with sound-insulating coating in its cavities, vibration isolators of the second stage and vibration-damping tiles on the bearing structure

Рис. 10. Амортизатор второго каскада

Fig. 10. Vibration isolator of the second stage

Уровни звукового давления, дБ, относительно 1 мкПа/м

220 200 180 160 140

120 100

111 3 s о ? с о ммерческий буксир следовательское судно С «Шарп» - лучший результат -С «Шарп» - худший результат збования ICES

X НИ - Тр

10 40 160 630 2500 10000 20000 Центральная частота 1/3 октавной полосы, Гц

Рис. 11. Сравнение рекомендуемых ICES и измеренных (худший и лучший результаты) уровней подводного шума научно-исследовательского судна Hugh R. Sharp, а также шума других судов

Fig. 11. Comparison of ICES-recommended and measured (best and worst readings) underwater noise levels of Hugh R. Sharp research vessel, as well as noise data on other ships

шают требования ICES 209 на 20 дБ и более во всем диапазоне частот. По сравнению с ним измеренные уровни подводного шума НИС Hugh R. Sharp оказались ниже во всем диапазоне частот на 20-40 дБ.

Следует отметить, что проанализированные выше технические решения существенно отличаются от «военных» акустических технологий, реализованных на малошумных НИС США типа Oscar Dyson, длина которых превышает 50 м, а уровни подводного шума контролируются на скорости хода 11 уз [4]. Эти технологии более подробно рассмотрены в работе [5].

Заключение

Conclusion

Выполненный анализ зарубежного опыта создания малошумного НИС малых размеров с винторулевы-ми колонками в качестве главных движителей, а также применения на малом судне других «акустических» технических решений, подтвердил возможность успешного решения задачи снижения уровней подводного шума, излучаемого судами ограниченных размеров. Представляется целесообразным использовать указанный передовой опыт при постановке и выполнении аналогичных работ по акустическому проектированию отечественных малошумных судов, в том числе исследовательских и пассажирских малых судов, прогулочных и других судов гражданского флота. Они могут удовлетворять как международным требованиям по уровням подводно-

го шума, так и санитарным нормам по условиям обеспечения комфортного обитания экипажа и пассажиров, за счет создания низких уровней вибрации и шума в помещениях судна.

Библиографический список

Reference

1. International Council for Exploration of the Seas (ICES) Cooperative Research Report no. 209. Underwater noise of research vessels, review and recommendations. ISSN 1017-6195, May 1995.

2. Rules for Classification of Ships Newbuildings Special Equipment and Systems Additional Class. Part 6. Chapter 24. January 2010. Det Norske Veritas.

3. Bahtiarian M. Underwater Noise: For New Research Vessels. UNOLS Fleet Improvement Committee, March 8, 2011.

4. Fischer R. Acoustic design, construction and testing of fisheries research vessels. Noise Control Engineering Inc., 09. 11. 2004.

5. Савенко ВВ. Применение военных технологий при создании малошумных научно-исследовательских судов. Труды Крыловского государственного научного центра. 2016. Вып. 93(377). С. 105-112. [V. Savenko. Application of military technologies in development of silent research ships. Transactions of the KSRC. 2016; 93(377): 105-112. (in Russian)].

Сведения об авторах

Савенко Валентин Викторович, к.т.н., с.н.с., заместитель начальника лаборатории ФГУП «Крыловский государственный научный центр». Адрес: 196158, Россия, Санкт-Петербург, Московское шоссе, д. 44. Телефон: 8 (812) 415-49-85. E-mail: krylov@krylov.spb.ru. Шлемов Юрий Федорович, заместитель начальника отделения - начальник лаборатории ФГУП «Крыловский государственный научный центр». Адрес: 196158, Россия, Санкт-Петербург, Московское шоссе, д. 44. Телефон: 8 (812) 415-45-47. E-mail: krylov@krylov.spb.ru.

About the authors

Savenko, Valentin V, Cand. of Tech. Sc., Senior Researcher, Deputy Head of Laboratory, Krylov State Research Centre. Address: 44 Moskovskoye sh., St. Petersburg, Russia, post code 196158. Tel.: 8 (812) 415-49-85. E-mail: krylov@krylov.spb.ru. Shlemov Yuri F., Deputy Head of Division - Head of Laboratory, Krylov State Research Centre. Address: 44 Moskovskoye sh., St. Petersburg, Russia, post code 196158. Tel.: 8 (812) 415-45-47. E-mail: krylov@krylov.spb.ru.

Поступила / Received: 16.05.17 Принята в печать / Accepted: 08.06.17 Савенко В.В., Шлемов Ю.Ф. ©, 2017