螺旋桨空泡成因、影响和应对

螺旋桨空泡成因、影响和应对方法

Carl 天津大学

摘要：近二十年里，各种高性能船、新船型的出现，现代化船舶向大型、高速性的发展趋势，致使船舶的主机功率急剧增加，螺旋桨周围水的空化产生的空泡成为一个越来越大的问题。空泡会经历发生、溃灭，其过程是迅速且剧烈的，从而会导致剥蚀、震动、噪声等。由于螺旋桨特定类型的空泡和剥蚀的关系现在还没有被充分的认知。本文将阐述空化产生的原因，并针对螺旋桨空泡进行简单的分类，并分析不同类型的空泡的成因及其主要影响。最后从空化原理出发针对空泡的危害总结应对办法。

关键词：螺旋桨，空泡，剥蚀，噪声

The causes, impact and restraint methods of propeller cavitation Abstract: 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, 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 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, erosion, noise

1引言

1753 年，Euler 曾推测出水管中某处的压强降低到某一负值时，水自管壁分离，而在该处形成一个真空空间。这是人们首次预测空化的发生。

螺旋桨的空泡现象，从十九世纪末开始就引起了造船界的注意。机械工业的迅速发展首先解决了高速舰船的动力学问题，各国都大速提高军舰的速度。对于当时的建造水平和技术来说，正常情况下舰船一般能达到预期的速度要求。但是 1894 年英国的“勇敢”号小型驱逐舰在试航的时候，突然出现主机功率、转速和航速都比初始所要设计的差了许多。此后，对螺旋桨进行了许多次的修改设计，但每次试航的结果都相差无几，甚至在尾部还出现剧烈振动。直至修改增加盘面比，其他参数不变，才达到预定的要求。[1]

1897年 Barnaby 和 Parsons 在对英国鱼雷艇和“勇敢”号蒸汽机船相继发生螺旋桨效率严重下降事件进行调查之后，第一次明确地提出了空化这一概念，并指出在液体和固体间存在高速运动的场合可能出现空化。由空化产生空泡，进而引发的工程问题，这促使人们加强对空化与空泡的研究。[2]

在船上很多位置中都会发生空化现象，如船舶所用的螺旋桨、舵、龙骨甚至船体本身都会发生空化。而螺旋桨相对于水的局部速度最大，其空化现象最为明显。

螺旋桨空泡对螺旋桨的水动力性能影响非常大，空泡所产生的脉动压力容易导致船体的严重地不规则性的振动还伴随着辐射噪声，这对有些船舶和潜器都是致命性的影响，比如在游轮上，振动和噪声会直接影响游轮舒适性以致直接影响其经济效益。军事上，为了减少舰船被敌方发现的概率，应当最大限度地降低其辐射噪声，否则将会对舰船和人员的生命安全造成严重的威胁。此外，螺旋桨上的空泡溃灭会直接剥蚀桨叶破坏螺旋桨表面结构进而影响其耐腐蚀性。

2空泡的概念

空泡是种非常复杂的自然现象。空泡可在流体中的物体表面发生，亦可在流体中发生。螺旋桨空泡主要是指周围的水的空化产生气泡的现象。

流体的空化是一种复杂的物理现象，涉及到相变、表面张力、湍流、非均匀热力学效应等问题。空化也可认为是在一定温度下由于水动力学压力的减小引起的液体的相变的流体流动现象。液体的空化不等同于沸腾。液体的沸腾是由于在一定大气压下由于温度高于沸点而引起的相变现象。而空化泡会经历发生、溃灭，其过程是迅速且剧烈的，从而会导致腐蚀、震动、噪声等。

通常认为，当物面的压力降到水的汽化 (空化)压力时就会产生空泡，并且在空泡发生的区域内的压力且会保持不变，等于汽化压力。

空化数σ (cavitation number)就是衡量流体是否发生空化的一个无量纲的物理参数，空化的发生、溃灭等汽化的各个阶段都与空化数有关。空化数大的液体，其空化现象不易发生；反之，空化数小的液体中，易发生空化现象。[2] 由伯努利方程212p z U c g g

ρ+

+= 定义空化数：212v p p U σρ∞∞-=。

式中， p ∞和U ∞分别为绝对压力和流体速度，通常 p ∞取为物体前方未扰动时的液体静压，U ∞取与 p ∞相应的来流速度；ρ为液体密度；v p 为液体的空化压力。 不同温度水的空化压力v p 值如表１所示：

Tab.1 the relationship between the boiling point and pressure

由表中可以看出， 当气压为1 个标准大气压， 即压强为10330Pa ， 水的空化温度为

100 ℃ ， 而当压强降为174 Pa 时， 水的空化温度为15℃ ， 即在15℃ 的温度下， 水中某点的压强小于174 Pa ， 水开始空化。但事实上，空化的初生不仅和液体的空化压力v p 有关，还与液体中气核大小和数量有直接关系。突发性气泡生长与气核的大小、粘性效应和表面张力等因素有关。水中的微气泡和水中的固态微颗粒都是引起空化的气核。