螺旋槳空泡成因影響和應對

1、螺旋槳空泡成因、影響和應對方法Carl天津大學摘要：近二十年里，各種高性能船、新船型的出現(xiàn)，現(xiàn)代化船舶向大型、高速性的發(fā)展趨勢，致使船舶的主機功率急劇增加，螺旋槳周圍水的空化產(chǎn)生的空泡成為一個越來越大的問題?？张輹?jīng)歷發(fā)生、潰滅，其過程是迅速且劇烈的，從而會導致剝蝕、震動、噪聲等。 由于螺旋槳特定類型的空泡和剝蝕的關系現(xiàn)在還沒有被充分的認知。本文將闡述空化產(chǎn)生的原因，并針對螺旋槳空泡進行簡單的分類，并分析不同類型的空泡的成因及其主要影響。最后從空化原理出發(fā)針對空泡的危害總結(jié)應對辦法。 關鍵詞：螺旋槳，空泡，剝蝕，噪聲The causes, impact and restraint method

2、s of propeller cavitationAbstract: In recent twenty years, a variety of high-performance ships and new ship forms are gradually emerged. The modern ship develops trending to larger and faster, which requires a significant increase of main engine power. Water around the propeller generates cavitation

3、, which becomes a problem of concerning. The process of cavitation, concluding forming and crush, is swift and violent, which would lead to erosion, vibration, noise, etc. Due to the relationship between types and erosion of propeller cavitation has not been fully cognition, this paper will describe

4、 the causes of cavitation, carry on the simple classification for propeller cavitation, and analysis the causes of different types of cavity. Finally embarking from the cavitation principle, this paper will summarize the methods for restraining propeller cavitation. Keywords: propeller, cavitation,

5、erosion, noise1引言 1753 年，Euler 曾推測出水管中某處的壓強降低到某一負值時，水自管壁分離，而在該處形成一個真空空間。這是人們首次預測空化的發(fā)生。螺旋槳的空泡現(xiàn)象，從十九世紀末開始就引起了造船界的注意。機械工業(yè)的迅速發(fā)展首先解決了高速艦船的動力學問題，各國都大速提高軍艦的速度。對于當時的建造水平和技術來說，正常情況下艦船一般能達到預期的速度要求。但是 1894 年英國的“勇敢”號小型驅(qū)逐艦在試航的時候，突然出現(xiàn)主機功率、轉(zhuǎn)速和航速都比初始所要設計的差了許多。此后，對螺旋槳進行了許多次的修改設計，但每次試航的結(jié)果都相差無幾，甚至在尾部還出現(xiàn)劇烈振動。直至修改增加盤面比，

6、其他參數(shù)不變，才達到預定的要求。11897年 Barnaby 和 Parsons 在對英國魚雷艇和“勇敢”號蒸汽機船相繼發(fā)生螺旋槳效率嚴重下降事件進行調(diào)查之后，第一次明確地提出了空化這一概念，并指出在液體和固體間存在高速運動的場合可能出現(xiàn)空化。由空化產(chǎn)生空泡，進而引發(fā)的工程問題，這促使人們加強對空化與空泡的研究。2在船上很多位置中都會發(fā)生空化現(xiàn)象，如船舶所用的螺旋槳、舵 、龍骨甚至船體本身都會發(fā)生空化。而螺旋槳相對于水的局部速度最大，其空化現(xiàn)象最為明顯。螺旋槳空泡對螺旋槳的水動力性能影響非常大，空泡所產(chǎn)生的脈動壓力容易導致船體的嚴重地不規(guī)則性的振動還伴隨著輻射噪聲，這對有些船舶和潛器都是致命性

7、的影響，比如在游輪上，振動和噪聲會直接影響游輪舒適性以致直接影響其經(jīng)濟效益。軍事上，為了減少艦船被敵方發(fā)現(xiàn)的概率，應當最大限度地降低其輻射噪聲，否則將會對艦船和人員的生命安全造成嚴重的威脅。此外，螺旋槳上的空泡潰滅會直接剝蝕槳葉破壞螺旋槳表面結(jié)構(gòu)進而影響其耐腐蝕性。2空泡的概念空泡是種非常復雜的自然現(xiàn)象?？张菘稍诹黧w中的物體表面發(fā)生，亦可在流體中發(fā)生。螺旋槳空泡主要是指周圍的水的空化產(chǎn)生氣泡的現(xiàn)象。流體的空化是一種復雜的物理現(xiàn)象，涉及到相變、表面張力、湍流、非均勻熱力學效應等問題。空化也可認為是在一定溫度下由于水動力學壓力的減小引起的液體的相變的流體流動現(xiàn)象。液體的空化不等同于沸騰。液體的沸騰

8、是由于在一定大氣壓下由于溫度高于沸點而引起的相變現(xiàn)象。而空化泡會經(jīng)歷發(fā)生、潰滅，其過程是迅速且劇烈的，從而會導致腐蝕、震動、噪聲等。 通常認為，當物面的壓力降到水的汽化 (空化)壓力時就會產(chǎn)生空泡，并且在空泡發(fā)生的區(qū)域內(nèi)的壓力且會保持不變，等于汽化壓力?？栈瘮?shù) (cavitation number)就是衡量流體是否發(fā)生空化的一個無量綱的物理參數(shù)，空化的發(fā)生、潰滅等汽化的各個階段都與空化數(shù)有關?？栈瘮?shù)大的液體，其空化現(xiàn)象不易發(fā)生；反之，空化數(shù)小的液體中，易發(fā)生空化現(xiàn)象。2由伯努利方程定義空化數(shù)：。式中， 和分別為絕對壓力和流體速度，通常 取為物體前方未擾動時的液體靜壓，取與 相應的來流速度；為液

9、體密度； 為液體的空化壓力。 不同溫度水的空化壓力 值如表所示：氣壓(kg/m2)103302031125875243323817412589溫度()100605040302015105表1 水的沸點與氣壓的關系9Tab.1 the relationship between the boiling point and pressure由表中可以看出， 當氣壓為1 個標準大氣壓， 即壓強為10330Pa ， 水的空化溫度為100 ， 而當壓強降為174 Pa時， 水的空化溫度為15 ， 即在15 的溫度下， 水中某點的壓強小于174 Pa， 水開始空化。但事實上，空化的初生不僅和液體的

10、空化壓力有關，還與液體中氣核大小和數(shù)量有直接關系。突發(fā)性氣泡生長與氣核的大小、粘性效應和表面張力等因素有關。水中的微氣泡和水中的固態(tài)微顆粒都是引起空化的氣核。3螺旋槳工作時空泡產(chǎn)生過程 圖1葉元體周圍的流動和壓力1Fig.1 the flow and pressure around blade element由螺旋槳工作原理已知， 螺旋槳工作時槳葉相當于一個在旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的切向速度與前進速度合成下的機翼。不同半徑處的葉元體對應不同的迎流速度和攻角。此時葉元體的葉面處的壓力升高， 葉背處的壓力降低， 形成升力（如圖1所示）。隨著迎流速度的提高和攻角的增大， 葉背處的壓降顯著， 當葉背處某點的壓降達到

11、飽和氣壓時， 就會在該處出現(xiàn)空泡。由于葉背上各點的壓降是不同的， 所以空泡總是在局部先開始出現(xiàn)。當最大壓降處壓強降低到當時水溫的飽和氣壓時， 葉背在該處形成空泡。而對整個槳葉而言， 在葉元體上某處壓力下降到達飽和氣壓以下時就會在此率先產(chǎn)生空泡。具體空泡產(chǎn)生過程分為以下兩個階段：圖2空泡的兩個形成階段3Fig.2 two stages of cavitation 1第一階段空泡在葉背某處的壓力降低至該水溫下的汽化壓力時，則該點的水質(zhì)點就首先形成空泡，因此時的空泡只占據(jù)葉面的小部分，稱局部空泡。局部空泡產(chǎn)生后，隨著槳葉的運動及水流的沖刷，空泡產(chǎn)生位置后移，進入壓強大于汽化壓強的場所?？张菔軌褐敝廉a(chǎn)

12、生破裂，這種破裂現(xiàn)象據(jù)測定大約發(fā)生在百分之一秒至干分之一秒的瞬間，因而對槳葉表面產(chǎn)生了可高達4000 kgf/cm2的沖擊力。此種沖擊力在空泡不斷生成與消失過程中反復集中于葉背某一范圍，致使槳葉表面金屬材料受到剝蝕而追損壞，減少了槳葉斷面面積，降低了螺旋槳的強度。但它對螺旋槳的效率影響不大。圖3螺旋槳葉面壓力分布和空泡示意1Fig.3 the pressure and cavitation distribution on propeller2第二階段空泡若螺旋槳在運動過程中，葉背的負壓力繼續(xù)增加，而且范圍也有所擴展，如圖2右側(cè)所示。于是在葉背某點先前所產(chǎn)生的局部空泡，此時盡管由于水流的沖刷而后

13、移，但后移區(qū)域的壓力條件仍然適合空泡產(chǎn)生或存在的條件。于是局部空泡就在葉背寬度方向逐漸擴展，可達60一70葉背面積，形成了片空泡。如圖3所示，片空泡生成后，局部空泡的剝蝕現(xiàn)象開始消失轉(zhuǎn)而使螺旋槳葉背的大部分或全部被空泡所籠罩，使螺旋槳的水動力特性惡化，影響了螺旋槳的效率。44螺旋槳空泡的類型和特征空泡有多種類型?？张菘稍诹黧w中的物體表面發(fā)生，亦可在流體中發(fā)生?？张菪螤钣星驙詈推瑺?。片空泡有光滑、透明的，也有多氣泡、不透明的。根據(jù)Van der Mullen 的意見， 翼剖面空泡可分為4 類: 球空泡、片空泡、片-云空泡和渦-云空泡。如圖4所示，對于水翼和槳葉上的空泡根據(jù)成因、形狀和位置的不同一

14、般可分為以下幾種3：1. 球空泡(Bubble cavitation)； 2. 片狀空泡(Sheet cavitation)； 3. 梢渦空泡和轂渦空泡(Tip and hub vortex cavitation)； 4. 云狀空泡(Cloud cavitation) 對于螺旋槳槳葉的空化范圍，有分局部空泡(partial cavitation)和超空泡(super cavitation)。圖4 螺旋槳槳葉和槳轂上各類空泡5Fig.4 Different kinds of cavitation on the propeller blade and hub 圖5 球空泡Fig.5 Bubble

15、cavitation圖6 片狀空泡Fig.6 Sheet cavitation圖7 梢渦空泡和轂渦空泡Fig.7 Tip and hub vortex cavitation圖8 云狀空泡Fig.8 Cloud cavitation通常，球空泡、片-云空泡造成嚴重的空蝕及強烈的噪聲 。云空泡會破壞推進裝置結(jié)構(gòu)。各類空泡的成因、定義及常見特征如下： 球空泡是指氣核進入液體低壓區(qū)域，導致爆發(fā)式的汽化，進入高壓區(qū)域時又迅速消失。球空泡一般發(fā)生在螺旋槳葉背上切面最大厚度處，呈泡沫狀。其產(chǎn)生的原因是因前后壓力變化，形成發(fā)生、潰滅、再生、再潰滅直至消失的變化過程。球空泡對螺旋槳的性能影響不大，但槳

16、葉材料的剝蝕特別嚴重。6片狀空泡一般附著于螺旋槳槳葉。流體在螺旋槳槳葉導邊處發(fā)生分離時，易發(fā)生附著于其表面的片狀空泡，形成汽化膜片狀，整個空泡面呈沿導邊的凹狀。當空泡延伸至隨邊以外， 使整個葉切面全覆蓋在空泡之中， 構(gòu)成“ 全空泡” 流動，則螺旋槳性能將會惡化，當空泡在隨邊之前結(jié)束，形成葉切面的“ 局部空泡” 流動時， 螺旋槳性能將不受影響， 但葉片表面將受到剝蝕損傷。對于局部空化，空泡末端在葉面處是封閉的；超空化面在尾流處也是封閉的。但是空泡末端不穩(wěn)定，會產(chǎn)生脫落現(xiàn)象。當螺旋槳在不均勻流場中工作時， 有時產(chǎn)生大量氣泡，呈周期性變化；有時產(chǎn)生大尺度空泡脫落現(xiàn)象，呈周期性變化，并產(chǎn)生云狀空泡。

17、云狀空泡是指空泡的周期性的產(chǎn)生和消失，這種空泡的實現(xiàn)時隱，消失時被水流沖向后方形成霧狀的空泡。云空泡對螺旋槳性能無明顯影響， 但是一種十分強烈的噪聲源，造成嚴重的剝蝕現(xiàn)象，危害甚大。7渦空泡常出現(xiàn)在槳葉的葉梢和槳轂處。槳葉泄出的自由渦片的不穩(wěn)定性，在尾端不遠處會形成兩股旋渦，在槳葉的葉梢處形成梢渦，在槳轂處的渦匯集一起形成轂渦，在葉梢處泄出的尾渦由于壓力降低，氣核溶入渦內(nèi)形成氣泡且彼此合并，最終形成螺旋狀內(nèi)部汽化的渦管。由于流體的粘性作用，渦最終會被驅(qū)散，渦核處的壓力不能達到汽化壓力時，渦空泡就會潰滅消失。這個過程是非常劇烈的，會產(chǎn)生強烈的噪聲。因為其是在槳葉下游處發(fā)生的，對槳葉的性能并無明顯

18、的影響，也不會對槳葉產(chǎn)生剝蝕。但是有可能對槳轂會產(chǎn)生腐蝕。 渦空泡的主要危害是使螺旋槳的噪聲明顯增大。5空泡的應對措施螺旋槳空蝕損傷的典型實例是法國“戴高樂號”核動力航空母艦，該艦造價達800 億法郎， 航速27節(jié)， 功率84 000馬力， 1999年1月開始海上試驗， 發(fā)現(xiàn)螺旋槳空蝕噪聲巨大， 達到影響水兵睡眠的程度；2000年11月初發(fā)現(xiàn)4臺螺旋漿均遭遇嚴重空蝕， 其中3臺已無法繼續(xù)運行；2002 年3 月?lián)Q上新螺旋漿重新下水， 但不久又發(fā)生槳葉斷裂事故。8螺旋槳空蝕損傷現(xiàn)象普遍存在于各類艦艇， 同時巨大的空蝕噪聲也嚴重影響艦艇(特別是潛艇)航行的隱蔽性。潛艇航速每增加1節(jié)， 噪聲增加2d

19、B， 為降低噪聲對航行隱蔽性的影響， 潛艇往往僅以3節(jié)左右的速度航行(設計航速27節(jié)， 臨界航速19節(jié))， 大大降低了威懾力。9由各種類型空泡的特征所引起的危害整理如下表所示：危害對應主要空泡類型螺旋槳性能下降功率降低超空泡下的片狀空泡剝蝕球空泡、局部空泡下的片狀空泡、云空泡空蝕振動與噪聲云空泡、渦空泡表2 螺旋槳空泡危害與對應主要空泡類型Tab.2 Propeller cavitation damage and corresponding main cavity types大型高速集裝箱船、滾裝船和客滾船等。這些船對快速性要求較高，注意阻力、螺旋槳空泡、船體振動和噪音等問題; 積極在設計階段

20、就予以重視并尋找解決方案。5剝蝕預測螺旋槳的空泡剝蝕程度通常是按試用船長期使用的情況加以評定的， 而且只有在評定之后才能采取避免和減輕破壞的措施。根據(jù)對螺旋槳空泡剝蝕破壞情況定期檢查所取得的資料可以估計出螺旋槳能繼續(xù)安全使用的時間10。然而， 要在設計螺旋槳時得到關于螺旋槳空泡剝蝕的資料是不可能的，需要在試驗室對空泡剝蝕進行加速試驗研究。螺旋槳優(yōu)化1優(yōu)化螺旋槳數(shù)量、形狀及幾何尺寸Ø 減小螺旋槳槳葉單位面積上的推力，延緩空泡的發(fā)生。如：在直徑一定時，適當增加葉數(shù)，以加大盤面比，或在一定盤面比時加大直徑。如潛艇的螺旋槳的多為大斜七葉。11圖9增加葉數(shù)Fig.9 Increased lea

21、f numberØ 必要時增加螺旋槳數(shù)量。圖10增加螺旋槳數(shù)Fig.10 Increased propeller numberØ 選擇有利于推遲空泡產(chǎn)生的葉剖面形狀，使剖面最大壓降系數(shù)減小，即葉背壓降分布更均勻。如：采用平凸弓形或某些特殊機翼型，用較小的相對厚度等。圖11葉背壓降分布更均勻Fig.11 Back pressure distribution more uniformØ 在葉根處打孔。對一些在葉根處經(jīng)常出現(xiàn)剝蝕的高速槳， 可以采用此法以消除葉根處的剝蝕。由于該孔形成由葉面至葉背的一股水流， 此水流在葉背出口處較早地形成一片空泡， 沿孔出口向下游穩(wěn)定地覆

22、蓋在葉背上形成空泡墊， 使槳葉產(chǎn)生的空泡在其上經(jīng)過， 而不直接與葉背接觸， 故在潰滅時， 其沖擊壓力作用在此空泡墊上， 而避免作用在葉背上。Ø 導邊在葉根處稍向上翹12。有時葉根的剝蝕發(fā)生在葉面上， 這往往是由于在葉面導邊附近產(chǎn)生負壓所致， 可以使導邊在葉根處稍向上翹， 以減小局部的負攻角。圖12導邊在葉根處稍向上翹Fig.12 Leading edge slightly curling at the blade root2盡量避免伴流不均勻和斜流Ø 優(yōu)選螺旋槳的布置位置和船尾線型13，或加設某些附件如導流罩、泵噴等加以改善。圖13加設導流鰭、導流罩Fig.13 Add d

23、iversion fins, fairing3 采用抗剝蝕材料或抗剝蝕涂料Ø 有些高速船舶在采取以上措施后仍難以避免剝蝕， 則可考慮用抗剝蝕材料或抗剝蝕涂料。目前已知抗剝蝕性能好的材料是鈦合金和碳纖維復合材料。14俄羅斯已有用鈦合金制作螺旋槳的例子， 也可用涂鈦的辦法。目前國外已有可用于螺旋槳的抗剝蝕涂料， 國內(nèi)已有的涂料可用于船底板或舵等處，以防由螺旋槳脫離下的空泡引起對它們的剝蝕。但用于高速旋轉(zhuǎn)的螺旋槳， 其附著力尚有待改進。圖14表面涂鈦Fig.14 The surface of titanium4 提高加工精度Ø 螺旋槳加工的不對稱， 會引起流動不均勻， 也可以導致

24、剝蝕， 因而必須提高加工精度， 尤其是在葉根部位， 特別是葉根導邊附近， 如果稍有突肩， 就會引起局部剝蝕。螺旋槳優(yōu)化實例（潛艇用螺旋槳）Ø 大側(cè)斜七葉螺旋槳：直徑往往較大，能獲得同等轉(zhuǎn)速下更高的動力輸出，就相當于同等航速下減少轉(zhuǎn)速，減少空化噪聲產(chǎn)生。Ø 復合材料螺旋槳：使用非傳統(tǒng)的材料制造，通過減少螺旋槳空泡來達到降噪目的。Ø 泵水推進螺旋槳，泵水推進螺旋槳目前正逐步代替大側(cè)斜七葉螺旋槳。泵水螺旋槳能減少空蝕噪聲。15利用空泡減阻空化產(chǎn)生氣泡在對螺旋槳產(chǎn)生各種不利影響的同時，也有其有利的一面，目前利用超空泡技術可以實現(xiàn)對水下武器的減阻。16在船舶領域，利用超空泡或通氣超空泡減阻正引起越來越多的重視。參考文獻 1.周飛, 船舶螺旋槳水動力及空泡性能的預測, 2014, 重慶大學