第7章空泡现象.ppt

第7章 螺旋桨的空泡现象,本 章 内 容,1、桨叶表面产生空泡的原因 2、叶切面空泡现象及对水动力性能的影响 3、螺旋桨空泡现象及对水动力性能的影响 4、空泡性能校验,概　述,螺旋桨的空泡现象，从19世纪末就引起了造船界的注意1894年，“勇敢”号小型驱逐舰：转速比额定低1.54%；主机总功率比额定低7.5%；航速只有24节（设计27节）,盘面比增加45%,,最后修改方案？,原因：空泡,,船舶发展存在着二种趋势,高转速和大功率：军用船舶(如高速艇等)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：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§ 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)A点:,B点:,用伯努利方程确定A、B两点处压力及速度之间的关系，即,A点,B点,ξ: 减压系数,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的大小无关若切面上某处（B点）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： pb ≤ pv,令,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，则pb＞pv，即不产生空泡 因此，B点产生空泡的条件也可写成：ξ ≥ σ,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 当ξ＜σ，无空泡,空泡数σ与来流速度V0、水的汽化压力pv及静压力p0有关，而与桨叶切面的几何特征无关减压系数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的大小无关影响因素,不同切面的最大减压系数ξ,,不同切面的最大减压系数ξ,不发生空泡的极限条件：ξmax=σ,Vk : 不发生空泡的极限速度,近年来对空泡机理的研究表明,所谓气化空泡是指原溶解于水中的气体，由于降压或过饱和，以扩散的方式通过界面逸到存在于水里的气核中并成长到肉眼能见的程度； 所谓汽化空泡是指液体分子因降压到所谓饱和蒸汽压力导致爆发式的汽化，水汽通过界面，进入气核并使之膨胀； 所谓似是空泡是指原来以各种方式存在于水中的气核，虽然没有任何水汽或气体逸入，但当外界压力降低时，它本身也会膨胀到肉眼可见的程度。

§ 7-2 叶切面空泡现象及对水动力性能的影响,在研究空泡问题时，常按空泡对翼型水动力性能影响的不同而分为两个阶段，即空泡现象的第一阶段和第二阶段空泡现象的第一阶段,第一阶段空泡现象的特征是： 空泡区域是局部的，对叶切面的水动力性能不发生明显影响，但可能在叶表面产生剥蚀球状空泡；局部空泡,空泡现象的第二阶段,第二阶段空泡现象的特征是： 空泡区域已拖到随边之外，通常对叶表面无剥蚀作用；但影响叶切面的水动力性能片状空泡（全空泡）,水动力特性与空泡数的关系,对任一切面来说，空泡出现的部位取决于空泡数σ 和攻角α 的大小叶切面的空泡斗,§7-3 空泡现象及对水动力性能的影响,一、螺旋桨的空泡现象1．涡空泡2．泡状空泡 3．片状空泡 4．云雾状空泡,二、空泡对 螺旋桨性能的影响,,,,第一阶段空泡 对螺旋桨的水动力性能不发生影响，但使叶表面产生剥蚀； 第二阶段空泡 对桨叶表面无剥蚀作用，但影响螺旋桨的水动力性能三、延缓螺旋桨空泡发生的措施,发生空泡的条件为：ξ ≥ σ ξ与σ是由两组互不相关的参数所决定，因此，为了避免或减缓空泡的发生，我们应尽量设法减小减压系数ξ或提高空泡数σ。

一般常采取下列措施以避免或减轻螺旋桨的空泡1．从降低最大减压系数ξmax着手,① 增加螺旋桨的盘面比，以减低单位面积上的平均推力，使叶背上ξ值下降② 采用弓型切面或压力分布较均匀的其他切面形式③ 减小叶根附近切面的螺距2．从提高螺旋桨的空泡数σ着手 ① 在条件许可的情况下，尽量增加螺旋桨的浸没深度，以增大空泡数σ ② 减小螺旋桨转速，即尽可能选用低转速的主机 此外，提高桨叶的加工精度，使表面光滑平整以避免水流的局部突变；改善船尾部分的形状与正确安置桨轴位置可减小斜流及伴流不均匀性的影响等，上述措施对避免空泡都是有利随着现代工业的发展以及国防建设的需要，要求舰船的速度迅速提高，尤其是高速军舰，往往螺旋桨的空泡在所难免，针对这种情况一般可作如下处理： ① 允许桨叶上有部分空泡存在，在使用过程中根据其剥蚀情况予以调换 ② 速度再高时，干脆设法促使其在第二阶段空泡状态下运转，即所谓全空泡(或称超空泡)螺旋桨的设计问题四、 螺旋桨模型的空泡试验,1、相似定理 螺旋桨及其模型满足空泡相似的条件为：,,,,,,,,,,在满足空泡数相等时实桨及其桨模的进速应相同，即,,若同时满足进速系数及空泡数相等，则实桨及其桨模转速之间的关系应为：,,由上述分析可知，若在敞露的水池中进行空泡试验，则必须拖车的速度与实桨的进速相等，桨模的转速应为实桨的λ倍，此外，桨模的沉没深度尚需与实桨相同。

上述条件实际上是难以实现的为此,就必须采取某种特殊的装置来进行螺旋桨模型的空泡试验，例如空泡试验筒或减压水池P0m-PVm,2、空泡试验筒概述,,,,3、试验方法及测量数据的表达,通常将模型分别在不同空泡数及大气压力情况下(相当于敞水情况)进行试验，以便分析空泡对于螺旋桨性能的影响§ 7-4 空泡性能校验,在设计螺旋桨时应考虑其是否发生空泡或空泡的发展程度，故需进行空泡现象的预测，以便确定所设计的螺旋桨是否合乎要求 避免桨叶上出现空泡乃是螺旋桨设计中所需考虑的重要环节之一：一旦桨叶上出现空泡，或导致桨叶表面材料剥蚀，或使螺旋桨性能恶化 目前常使用螺旋桨模型空泡试验或大量实船资料整理所得的图谱，或由统计数据归纳而成的近似公式进行空泡校核一、柏利尔限界线,,,,,柏利尔根据各类船舶螺旋桨的统计资料，提出校核空泡的限界线如下图所示图中以0.7R处切面的空泡数σ0.7R为横坐标，单位投射面积上的平均推力系数τc为纵坐标柏利尔限界线 、瓦根宁根限界线,,,螺旋桨空泡校核建议,① 采用柏利尔的商船限界线；② 对于大马力船舶，一般据瓦根宁根水池限界线所 得出的展开面积再加5～10%的裕度；③ 采用下图所示空泡限界线(此图由日本横尾幸一 和矢崎敦生在《中小型船舶螺旋桨设计方法及参 考图表集》中提供，实际上是据柏利尔的商船限 界线整理而成，但较清晰，便于应用。

校核步骤,螺旋桨的噪声和谐鸣现象,螺旋桨运转时形成汽泡或气泡，它们的形成和消失都使流体产生微振动，因而发出噪声 螺旋桨在运转时，有时会发出为人的听觉所能接收之声调称为“谐鸣” 针对鸣音的发生原因，可采用下列方法予以防止： ① 加厚法； ② 减薄法； ③ 特殊构造法,。