船舶推进第6章 螺旋桨的空泡现象

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船舶推进第六章 螺旋桨的空泡现象
二、校核强度的必要性
在设计螺旋桨时必须进行强度计算和确定浆 叶的厚度分布，以确保螺旋桨在正常工作时 不致损坏或断裂。
三、强度的计算方法
由于螺旋桨浆叶的扭曲性和螺旋桨受力的复 杂性，要精确地进行强度计算非常困难。 在实践中，一般都用理论和试验相结合的方 法来进行螺旋桨的强度计算。
3、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。这是本次课的另一个教学重点。
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第六章 螺旋桨的空泡现象
一、船舶发展的两种趋势
1、军用船舶主机不断向高转速和大功率方向发 展，并将高速主机直接和螺旋桨相连。这类船 舶的螺旋桨上空泡往往在所难免。 2、船舶大型化和高速化。由于螺旋桨负荷不断 增加，尾部流场的不均匀性上螺旋桨上产生时 生时灭的空泡，导致螺旋桨剥蚀损伤，而且往 往伴有强烈的尾部振动。
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二、减压系数
1、应用伯努利方程有
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表示压力增高 表示压力降低 2、产生空泡的条件
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三、空泡数
显然产生空泡的条件也可写成：
四、判断准则
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五、影响减压系数的因素
减压系数只与该处的流速 与来流速度的比值有关。 故在绕流条件下，减压系 数随切面形状、入射角及 B点的位置而变。
2、当 一定，水温越高，汽化压力 越大，则空泡数越小。
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3、当 和 为一定时，浆叶的沉没深度越 大，则空泡数也越大。 如果忽略诱导速度，则 来流速度可表示为： 4、当转速n和进速 较大，其合成速度 也大，则空泡数较小。
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对于叶切面来说，最大减压系数越大者越易 发生空泡；对空泡数来说，空泡数愈小愈易 发生空泡。
三、延缓螺旋桨空泡发生的措施
1、从降低最大减压系数入手
1)减小叶根附近切面的螺距。单浆船在叶根 部分的拌流较大，易产生空泡现象，故可将 根部切面的螺距适当减小，从而使该处的最 大减压系数值降低，并易保持相当的叶宽以 免厚度过大。
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2)采用弓形切面或压力分布较均匀的其它切 面形式，有利于延缓空泡的发生。
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§6-3 空泡校核
一、空泡校核方法 1、螺旋桨模型空泡试验或大量实船资 料整理所得的图谱。
2、由统计数据归纳而成的近似公式进 行空泡校核。
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二、校核注意事项
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
由于试验或近似公式往往仅限于某一类型 的螺旋桨，因此在进行空泡校核时应各种 图谱或公式的使用范围，否则难以获得正 确的结果。
3、采用图6-22所示空泡界限线（此图由 日本松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， 实际上是根据柏利尔的商船界限线整理而 成的，但较清晰，便于应用）。
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§6-4 螺旋桨强度的《规范》校核
一、螺旋桨受力的复杂性 螺旋桨在工作时作用在浆叶上的流体动 力有轴向的推力及与转向相反的阻力， 两者都使浆叶产生弯曲和扭转。此外浆 叶上也可能受到意外的突然载荷，同时 螺旋桨处于不均匀的尾流场中工作，使 浆叶受力产生周期性变化。
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2、泡状空泡 泡状空泡通常指在叶背上切面最大厚度处所 产生的空泡，呈泡沫状。这时叶切面的攻角 较小，导边没未出现负压峰。
泡状空泡对螺旋桨的性能影响不大，但对浆 叶材料有剥蚀作用。
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3、片状空泡
片状空泡通常指在浆叶外半径部分导边附近 产生，呈膜片状，长度不一。在攻角较大时 最容易产生这类空泡。 1）超空泡流动：若空泡从叶切面导边一直 延伸到随边以外，即叶切面全部为空泡所覆 盖。影响螺旋桨性能而无剥蚀作用。
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3)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 的减压系 数降低。
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2、从提高螺旋桨的空泡数入手
1)尽量增加螺旋桨的浸没深度。
2)减小螺旋桨的转速，即尽可能选用低转速 的主机。 3)提高浆叶的加工精度。 4)改善船尾部分的形状与正确安装浆轴位臵 可减小斜流拌流不均匀性的影响等。
空泡校核的方法很多，目前螺旋桨图谱设 计中常用的界限方法---柏利尔界限线。
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三、螺旋桨空泡校核建议
1、采用柏利尔的商船界限线
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2、对于大马力船舶，一般据瓦根宁根水 池界限线所得出的展开面积再加5%-10% 的裕度。
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3、其它措施
对高速船，特别是高速军舰而言，往往螺旋 桨空泡在所难免。一般做如下处理： A、允许浆叶上有部分空泡存在，在使用过 程中应根据其剥蚀情况予以调换。 B、速度再高时，干脆设法促使其在第二阶 段空泡下运转，即所谓全空泡（或称超空泡） 螺旋桨的设计问题。
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四、《规范》校核法简介
为了保证螺旋桨的安全，中国船级社2001 年《钢制海船入级与建造规范》中，对 螺旋桨强度要求作了明确的规定。
浆叶厚度校核：
式中：K为材料系数，Y为功率系数，X为转 速系数。
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1、材料系数K的获得
通过查表的方法查得。如下表所示。
船舶原理
2008年12月8日
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本次课主要教学内容
1、空泡的成因 2、螺旋桨的空泡现象及其对性能的影响 3、空泡校核 4、螺旋桨强度的规范校核法
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本次课主要教学要求
1、了解空泡的成因、空泡的种类及其特 点。这是本次课的一个教学难点。 2、理解螺旋桨的空泡现象及其对性能的影 响。这是本次课的一个教学重点和难点。
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二、需要研究的课题
1、空泡的机理是什么？
2、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？ 4、叶切面的空泡程度和性能究竟如 何预测？
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§6-1 空泡的成因
一、空泡的定义
螺旋桨在水中工作时，浆叶的叶背压力降低 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）。
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2、功率系数Y的计算
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3、转速系数X的计算
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七、不发生空泡数的极限条件
物体做高速运动时，若速度超过极限 值 ，则必然发生空泡现象。
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八、空泡的种类
气核：研究表明，在液体中产生空泡是 因液体内本身存在某种“缺陷”或“弱 点”所致，这种缺陷或弱点就是气核。 1、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 长到肉眼能看见的程度。
2）局部空泡：若空泡起源于导边而在到随 边之前结束。对螺旋桨有剥蚀作用。
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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 不产生影响，但使 叶面产生剥蚀。 第二阶段空泡对螺 旋桨的水动力性能 产生影响，但对叶 面无剥蚀作用。
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2、汽化空泡：是指液体分子因降压到所谓的 饱和蒸汽压力导致爆炸式的汽化，水汽通过 界面，进入气核并使之膨胀。 3、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，它本身也能膨胀到肉 眼可见的程度。 剥蚀现象：由于空泡溃灭，产生内爆，这种 内爆之冲击力反复集中于一点，可使叶表面 材料被剥蚀而损坏的现象。材料被反复剥蚀 后会形成多孔海绵状麻点。
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§6-2 螺旋桨的空泡现象及其 对性能的影响
一、螺旋桨的空泡现象
1、涡空泡 涡空泡发生在叶梢和毂部。浆叶随边出现的 自由涡片的不稳定性，在尾端不远处就卷起 两股大旋涡，在叶梢形成梢窝，在跟部处的 涡汇集成毂涡。涡核中压力最低，当降至某 一临界压力时就产生空泡。
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1、不同入射角时减压系数的分布曲线
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2、不同切面形状的压力分布情况
结论：改变叶切面上减压系数只能从改 变叶切面形状和入射角入手。
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六、影响空泡数的因素
空泡数与来流速度、 水的汽化压力及静压 力有关，而与浆叶切 面几何特征无关。 1、当 为一定值时，来流速度越大，则 空泡数也越大。