船舶推进_螺旋桨的空泡现象.pdf

船舶推进船舶推进华中科技大学船海学院Ship Propulsion1课程安排第1章 概述（2学时） 第2章 螺旋桨几何特征（2学时） 第3章 螺旋桨基础理论（3学时） 第4章 螺旋桨模型的敞水试验（4学时） 第5章 螺旋桨与船体相互作用（4学时） 第6章 螺旋桨的空泡现象（4学时） 第7章 螺旋桨的强度校核（4学时） 第8章 螺旋桨图谱设计（7学时） 第9章 实船推进性能（2学时）2第6章 螺旋桨的空泡现象本章主要内容本章主要内容6.1 空泡的成因空泡的成因6.2 叶切面的空泡现象及其对性能的影响叶切面的空泡现象及其对性能的影响6.3 螺旋桨的空泡现象及其对性能的影响螺旋桨的空泡现象及其对性能的影响6.4 螺旋桨模型的空泡试验螺旋桨模型的空泡试验6.5 空泡校核空泡校核6.6 螺旋桨的噪声及谐鸣现象螺旋桨的噪声及谐鸣现象3第6章 螺旋桨的空泡现象1. 了解空泡的成因、空泡的种类及其特点这是本次了解空泡的成因、空泡的种类及其特点这是本次 课的课的一个教学难点一个教学难点 2. 理解螺旋桨的空泡现象及其对性能的影响这是本理解螺旋桨的空泡现象及其对性能的影响这是本 次课的次课的一个教学重点和难点一个教学重点和难点。

3. 了解螺旋桨空泡校核方法了解螺旋桨空泡校核方法 4. 掌握螺旋桨强度的规范校核法的基本思想这是本掌握螺旋桨强度的规范校核法的基本思想这是本 次课的次课的另一个教学重点另一个教学重点本章主要教学要求本章主要教学要求4第6章 螺旋桨的空泡现象概述概述 螺旋桨的空泡螺旋桨的空泡( (cavitycavity) )现象，从现象，从1919世纪末就引起了造船界世纪末就引起了造船界 的注意1894年年，，““勇敢勇敢””号小型驱逐号小型驱逐舰：转速比额定低舰：转速比额定低1.54%；主；主机总功率比额定低机总功率比额定低7.5%；航速；航速只有只有24节节（（设计设计27节节））盘盘 面面 比比 增增 加加45%45%最后修改最后修改 方案？方案？原因：空泡原因：空泡5第6章 螺旋桨的空泡现象船舶发展存在着二种趋势船舶发展存在着二种趋势 高转速和大功率：高转速和大功率：军用船舶军用船舶( (如高速艇等如高速艇等) )主机，并将高主机，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在所难免，因而促进了所谓空泡螺旋桨或全空泡螺旋桨全空泡螺旋桨的研究和发展。

的研究和发展 船舶大型化和高功率：船舶大型化和高功率：由于螺旋桨负荷不断增加，由于螺旋桨负荷不断增加，尾部尾部流场的不均匀性流场的不均匀性使螺旋桨上产生时生时灭的空泡，导致使螺旋桨上产生时生时灭的空泡，导致桨叶桨叶剥蚀剥蚀损伤，而且往往伴有强烈的损伤，而且往往伴有强烈的尾部振动尾部振动6第6章 螺旋桨的空泡现象本章主要内容本章主要内容6.1 空泡的成因空泡的成因6.2 叶切面的空泡现象及其对性能的影响叶切面的空泡现象及其对性能的影响6.3 螺旋桨的空泡现象及其对性能的影响螺旋桨的空泡现象及其对性能的影响6.4 螺旋桨模型的空泡试验螺旋桨模型的空泡试验6.5 空泡校核空泡校核6.6 螺旋桨的噪声及谐鸣现象螺旋桨的噪声及谐鸣现象76.1 空泡的成因空泡的成因需要研究的课题需要研究的课题1. 空泡的机理是什么？空泡的机理是什么？2. 空泡到底有没有尺度效应？空泡到底有没有尺度效应？3. 空泡为什么会产生剥蚀及其防止的对策？空泡为什么会产生剥蚀及其防止的对策？4. 叶切面的空泡程度和性能究竟如何预测？叶切面的空泡程度和性能究竟如何预测？86.1 空泡的成因空泡的成因 螺旋桨在水中工作时螺旋桨在水中工作时，，桨叶的桨叶的叶背压力降低叶背压力降低形成吸力形成吸力面面，，若某处的压力降至临界值以下时若某处的压力降至临界值以下时，，导致爆发式的导致爆发式的汽化汽化，，水汽通过界面水汽通过界面，，进入气核并使之膨胀进入气核并使之膨胀，，形成形成气气泡泡，，称为称为空泡空泡。

一般认为一般认为，，压力的临界值即为该温度压力的临界值即为该温度时水的时水的汽化压力汽化压力 pv(或称或称饱和蒸汽压力饱和蒸汽压力) 空泡现象空泡现象：流场中由于液体流动导致局部压力发生变化：流场中由于液体流动导致局部压力发生变化，， 其局部压力其局部压力低于低于液体的饱和蒸汽压液体的饱和蒸汽压时时，，引起液体介质爆引起液体介质爆 发式的汽化形成气泡发式的汽化形成气泡当空气中所含水蒸气的量达到最大时当空气中所含水蒸气的量达到最大时就称这种空气为就称这种空气为““饱和湿饱和湿 空气空气””, ,与饱和湿空气对应的压力称为与饱和湿空气对应的压力称为““饱和蒸气压力饱和蒸气压力””96.16.1 空泡的成因空泡的成因表表 6 6- -1 1汽化压力随温度的变化汽化压力随温度的变化水温水温t（（oC））510152030405060100汽化压力汽化压力pv （（kgf/m2））891251742384337251258208110330 气压越大沸点越高气压越大沸点越高，，气压越小沸点越低气压越小沸点越低  同样同样，，深压在海底的水深压在海底的水，，其沸点也会随着其周围的压强其沸点也会随着其周围的压强 变化而变化变化而变化。

 不同温度下不同温度下，，水沸腾的压强是不同的水沸腾的压强是不同的，，这个压强称为这个压强称为饱饱 和蒸气压和蒸气压，，也称蒸气压也称蒸气压106.16.1 空泡的成因空泡的成因A点点: p0,V0B点点: pb,Vb 116.1 空泡的成因空泡的成因 用伯努利方程确定用伯努利方程确定A、、B两点处压力及速度之间的两点处压力及速度之间的 关系关系，，即即A点点: p0,V0B点点: pb,Vb2 212 021 0bbVpVp)(2 02 21 0VVppbb126.1 空泡的成因空泡的成因1)( ρ21202 00VVVppbbξξ: : 减压系数减压系数(reduced (reduced pressure coefficient)pressure coefficient)22 001ρ()2bbppVV减压系数减压系数ξ只与该处只与该处 流速流速Vb对来流速度对来流速度V0 的比值的比值(Vb／／V0)有关有关 故在绕流条件下减压故在绕流条件下减压 系数系数ξ随切面形状随切面形状、、 入射角入射角αK及及B点的位点的位 置而变置而变，，与来流速度与来流速度 V0的大小无关的大小无关。

136.1 空泡的成因空泡的成因 若切面上某处若切面上某处（（B点点））之之ξ 0，，则为则为压力降低压力降低通常认为通常认为，，当当B点的压力降至该水温下的汽化点的压力降至该水温下的汽化压力压力(饱和蒸汽压力饱和蒸汽压力) pv时时，，B点处点处即开始出现空泡即开始出现空泡1)( ρ21202 00VVVppbb故故B点产生空泡的点产生空泡的 条件：条件：pb≤ pv146.1 空泡的成因空泡的成因02 01ρ2vppV令令 若切面上若切面上B点处的减压系数点处的减压系数ξ≥σ，，则则pb≤pv，，B处即产生空处即产生空泡泡反之反之，，当当B点处的点处的ξ＜＜σ，，则则pb＞＞pv，，即不产生空泡即不产生空泡因此因此，，B点点产生空泡的条件产生空泡的条件也可写成：也可写成：ξ ≥ σ02 01ρ2bppV空泡数空泡数 (cavitation number)156.1 空泡的成因空泡的成因综上所述综上所述，，根据桨叶上某处的根据桨叶上某处的减压系数减压系数ξ与与空泡数空泡数σ的比较的比较，，可以判断该处是否可以判断该处是否发生空泡发生空泡，，其判断的其判断的准则准则是：是：当当ξ≥σ，，有有空泡空泡当当ξ＜＜σ，，无无空泡空泡166.1 空泡的成因空泡的成因 空泡数空泡数σ(cavitation number)与与来流速度来流速度V0、、水的汽化压力水的汽化压力pv及及静压力静压力p0有关有关，，而与桨叶切面的而与桨叶切面的几何特征无关几何特征无关。

02 01ρ2vppV 减压系数减压系数ξ只与该处流速只与该处流速Vb对来对来 流速度流速度V0的比值的比值(Vb／／V0)有关有关 在绕流条件下减压系数在绕流条件下减压系数ξ随切面随切面 形状形状、、入射角入射角αK及及B点的位置而点的位置而 变变，，与来流速度与来流速度V0的大小无关的大小无关1)( ρ21202 00VVVppbb影响因素影响因素影响空泡数和减影响空泡数和减 压系数的因素压系数的因素176.1 空泡的成因空泡的成因不同切面的最大减压系数不同切面的最大减压系数ξΔpρV021 2ΔpρV021 21 2αK -2.5°αK 3.5°αK 11°-1.00+1.0-1.00-1.00+1.0+2.02ρV0Δp+1.0+2.0186.1 空泡的成因空泡的成因不同切面的最大减压系数不同切面的最大减压系数ξ导边叶面吸力静水压力压力叶背吸力静水压力压力叶面叶背导边结论结论：改变叶切面上减压系数只能从改变：改变叶切面上减压系数只能从改变叶切面形状叶切面形状和和入入 射角射角入手196.1 空泡的成因空泡的成因空泡数与来流速度、水的汽空泡数与来流速度、水的汽 化压力及静压力有关，而与化压力及静压力有关，而与 浆叶切面几何特征无关。

浆叶切面几何特征无关02 01ρ2vppV影响空泡数的因素影响空泡数的因素1. 当当 p0-pv为一定值时为一定值时，，来流速度越大来流速度越大，，则空泡数越小则空泡数越小; 2. 当当V0与与p0一定一定，，水温越高水温越高，，汽化压力汽化压力pv越大越大，，则空泡数越则空泡数越 小小; 3. 当当 V0和和pa为一定时为一定时, 浆叶的沉没深度越大浆叶的沉没深度越大，，则空泡数也越则空泡数也越 大大;sahpp0206.1 空泡的成因空泡的成因22 0(2)AVrnV来流速度来流速度V0(忽略诱导速度忽略诱导速度) 则可表示为则可表示为:4. 当转速当转速n和进速和进速 VA较大较大，， 其合成速度其合成速度V0也大也大，，则空则空 泡数较小泡数较小02 01ρ2vppV 对于叶切面来说对于叶切面来说，，最大减压系数越大者越易发生空最大减压系数越大者越易发生空 泡；对空泡数来说泡；对空泡数来说，，空泡数愈小愈易发生空泡空泡数愈小愈易发生空泡216.1 空泡的成因空泡的成因 不发生空泡的极限条件：不发生空泡的极限条件： ξmax=σ0 max 21ρ2vkppVVk: 不发生空泡的极限速度不发生空泡的极限速度0max1 2v kppV  物体做高速运动时物体做高速运动时，，若速度超过极限值若速度超过极限值 Vk，，则必然则必然 发生空泡现象发生空泡现象。

226.1 空泡的成因空泡的成因 空泡的种类空泡的种类  气核气核：研究表明，在液体中产生空泡是因液体内本身：研究表明，在液体中产生空泡是因液体内本身 存在某种存在某种““缺陷缺陷””或或““弱点弱点””所致，这种缺陷或弱点所致，这种缺陷或弱点 就是气核就是气核1.气化空泡气化空泡（（gasification cavity））：是指原溶解于水中的：是指原溶解于水中的气体气体，，由于由于降压或过饱和降压或过饱和，，以扩散的方式通过界面逸到以扩散的方式通过界面逸到存在于水里的存在于水里的气核气核中并成长到肉眼能见的程度；中并成长到肉眼能见的程度；2.汽化空泡汽化空泡（（vaporization cavity））：是指：是指液体分子液体分子因因降降压压到所谓到所谓饱和蒸汽压力饱和蒸汽压力导致爆发式的汽化导致爆发式的汽化，，水汽通过界水汽通过界面面，，进入气核并使之膨胀；进入气核并使之膨胀；236.1 空泡。