第七章 螺旋桨的空泡现象 船舶阻力与推进.docVIP

第七章 螺旋桨的空泡现象 螺旋桨的空泡现象，从十九世纪末叶开始便引起了造船界的注意。机械工业的迅速发展初步解决了高速舰船的动力问题，各帝国主义国家为了争夺殖民地而竞相建造高速军舰，就当时的设计和建造水平而言，在一般情况下舰船的速度大致能达到预期的要求。1894年英国240 t的小型驱逐舰“勇敢”号初次试航时，发现转速只能达到384 rpm，比额定转速低1.54%，两台主机发出的总功率为3700 hp，比额定功率低7.5%，而航速不超过24 kn，与原定设计航速27 kn相差很多。后来，对螺旋桨作多次修改设计，但每次试航结果差别不大，甚至艉部还发生剧烈振动。直到第六次修改设计，其他参数基本不变，仅盘面比增加45 %，就达到了预定要求。1897年负责建造该舰的总工程师巴纳贝在造船工程师会议上详细地介绍了该舰试航时所遇到的现象，认为最初未达到预期航速之原因是螺旋桨发生了空泡现象。几年后，第一艘汽轮机船“透平”号又出现了同样的问题，以致连续换了七个桨，最后只得放弃单桨，改为三桨才使航速达到32 kn。 近二十多年，船舶发展存在着二种趋势：一是军用船舶(如高速艇等)主机不断向高转速和大功率方向发展，并将高速主机与螺旋桨直接相连。这类船的螺旋桨上空泡往往在所难免，因而促进了所谓空泡螺旋桨或全空泡螺旋桨的研究和发展。船舶大型化和高功率乃是另一趋势，由于螺旋桨负荷不断增加，尾部流场的不均匀性使螺旋桨上产生时生时灭的空泡，导致桨叶剥蚀损伤，而且往往伴有强烈的尾部振动。因此，空泡问题日趋重要，不少学者致力于这方面的研究，以进一步提高对空泡机理的认识，寻求避免产生空泡的规律和方法。 近年来的研究表明，过去的不少概念并不确切，例如：认为按常规设计方法就可以避免空泡；根据空泡筒中均流试验结果就能预估实船空泡现象等等。因而向研究部门提出了一系列课题：空泡的机理是什么？空泡到底有没有尺度效应？空泡为什么会产生剥蚀及其防止的对策？叶切面的空泡程度和性能究竟如何预测等等。到目前为止，上述问题还未能获得真正解决。因此，本章仅就比较成熟且与螺旋桨图谱设计有关的问题，作一系统的介绍。 § 7-1 桨叶表面产生空泡的原因 螺旋桨在水中工作时，桨叶的叶背压力降低形成吸力面，若某处的压力降至临界值以下时，导致爆发式的汽化，水汽通过界面，进入气核并使之膨胀，形成气泡，称为空泡。一般认为，压力的临界值即为该温度时水的汽化压力pv(或称饱和蒸汽压力)。 现以桨叶某半径处切面(或普通的机翼切面)的运动说明产生空泡的情况。参阅图7-1，设水为理想流体并在远处以流速V0、攻角αK流向叶切面。叶背上的水流速度大于V0，压力则小于p0，形成“吸力”。而叶面上的水流速度小于V0，压力大于p0，形成“压力”。在叶背上取一点B，设该处的压力为pb、流速为Vb，、并与切面远前方的A点位于同一流线上。由于运动是定常的，故可用伯努利方程确定A、B两点处压力及速度之间的关系，即 ＋＝＋ 式中，V0为A点处的流速；p0为A点处的压力。或 －＝ 将上式两边除以，可得无因次系数： (7-1) 式中，ξ称为减压系数。 若切面上某处之ξ 0，则表示该处压力增高(即大于p0)，若ξ 0，则为压力降低。通常认为，当B点的压力降至该水温下的汽化压力(或称饱和蒸汽压力) pv时，B点处即开始出现空泡。故B点产生空泡的条件为： pb ≤ pv 令 (7-2) 若切面上B点处的减压系数ξ≥σ，则pb≤pv，B处即产生空泡。反之，当B点处的ξ＜σ＞v，即不产生空泡。因此，B点产生空泡的条件也可写成： ξ ≥ σ 因σ可用以衡量切面上是否发生空泡，故称为空泡数。 综上所述，根据桨叶上某处的减压系数ξ与空泡数σ的比较，可以判断该处是否发生空泡，其判断的准则是： 当ξ ≥ σ，有空泡 (7-3) 当ξ ＜ σξ，或增大空泡数σ。为此有必要分别了解影响减压系数ξ和空泡数σ的各种因素。 由(7-1)式可知，叶切面上某一点(例如图7-1中的B点)的减压系数ξ只与该处流速Vb对来流速度V0的比值(Vb/V0)有关。故在绕流条件下减压系数ξ随切面形状、入射角αK及B点的位置而变，与来流速度V0的大小无关。图7-2表示某一机翼型切面在不同入射角时的减压系数ξ的分布