螺旋桨空化与应对措施
螺旋桨这泡的防治
叶位 置 过 于接 近 船 尾 的 高 伴 流 区 ， 到伴 流 场 不 受
均匀 的 影 响 ， 叶运 转 过 程 中 时而 在 高伴 流 区 ， 桨 时
度 可达 １ ～４ｍｍ。这 种 现 象 在 高速 重 负荷 船 舶 的 导管 桨 都 可能 产 生 ， 影 响推 进 效 率 ， 会 缩短 桨 叶 寿
命 ， 时会 引起 噪 声 、 动 等 危 害 。 同 振 近 代 对 螺 旋 桨 空 泡研 究 结 果 表 明 ， 旋 桨 的 螺
而在 低伴 流 区 ， 变于 正 负 攻 角 的水 动力 作用 下 ， 交
易 诱 发 叶 背 、 面都 出现 剥蚀 。与 此相 反 ， 后 体 叶 尾
的方 型 系数 比较 小 ， 在 圆 盘 面 的来 流 比较 均匀 ， 船 因此 螺旋 桨 叶在 ４个 象 限 内 ， 免 除 空泡 祸 害 ， 能 这
当 出现 这 种 空 泡 情 况 时 ， 从 改善 伴 流 的 不 应 均 匀 程 度 着 手 ， 安 装 导 流 罩 ， 木 上 装 整 流 鳍 如 呆 片， 或用 随边 尾 翘 的方 法 使 叶梢 减 载 来改 善 它 。 ４ 抑 制梢 涡 —— 防止 导 流 管 内壁 空 泡剥 蚀 螺 旋 桨梢 部 处 的 导 管 内壁 剥蚀 的机理 主要 是
加 工很 光 滑 的螺 旋 桨 ， 水 中 ， 在 当航 速 和 转速
高 于一 定 的临 界 值 时 ， 由于 螺 旋 桨 表 面 的界 层 压
力 降低 至 淡 水 温 度 条 件 下 水 的 气 化 压 力 ， 中逸 水 出气 泡 。这 种 气 泡推 移 至 减化 系数 较 小 的切 面位 置 时 ， 生猛 烈 爆 破 ， 螺旋 桨 光 滑 表 面上 出现许 发 在 多被 剥蚀 的微 孔 ， 成 片 片海 绵 状 的 凹穴 ，Ｌ 形 孑 的深
海运学院石开玉船舶螺旋浆空泡问题
请大家批评指正 谢谢！ 谢谢！
一般往往化简为: 一般往往化简为
• 四、避免空泡的措施
– – – – 1、增大螺旋桨盘面比； 、增大螺旋桨盘面比； 2、降低转速； 、降低转速； 3、改善船尾型线，使螺旋桨处于均匀流场中； 、改善船尾型线，使螺旋桨处于均匀流场中； 4、增大尾吃水，增大螺旋桨沉深。 、增大尾吃水，增大螺旋桨沉深。
– 2、叶剖面形状和迎角 、
• 叶剖面厚度越大，导边越钝，迎角越大，叶背流速就越大，越 叶剖面厚度越大，导边越钝，迎角越大，叶背流速就越大， 容易产生空泡
空泡现象是在空泡数低于初始空泡数时发生的
• 从中看出 • 要想降低空泡数口, 一般认为 有二种情况 降低静压力 或增加 要想降低空泡数口 一般认为, 有二种情况: 降低静压力p或增加 流速V。 流速 。 再说, 船体是在粘性较大的水中运行的, 所以, 再说 船体是在粘性较大的水中运行的 所以 在船体的后方将产 生追随船体的液流。 生追随船体的液流。 这种液流称为船尾伴流或称伴流。伴流的平均速度, 这种液流称为船尾伴流或称伴流。伴流的平均速度 以其伴流和 船速之比, 即平均伴流系数W。然而, 船速之比 即平均伴流系数 。然而 由于螺旋桨对水的平均速 度VA就是螺旋桨的平均前进速度与平均伴流速 就是螺旋桨的平均前进速度与平均伴流速 度之和, 即船速Vs, 故可用下式表示 故可用下式表示: 度之和 即船速
船舶螺旋浆空泡问题
海运学院 石开玉
螺旋桨的结构与形状
• • 一、螺旋桨的结构
桨叶
桨轴 整流罩 桨毂
[3]
[4]
•空泡
空泡， 空泡，应该是影响螺旋桨效率的重 要表征。 要表征。 出现空泡， 出现空泡，意味着工作中的螺旋桨对 水的推力减弱。空泡越多， 水的推力减弱。空泡越多，则效率越 低。
浅析螺旋桨空泡的避免或延缓措施
２Ｐ ｏ 定义减压系数为 ｛ ～ ／ ）（ｂＶ） １ ｖ ， ＝ ）（Ｐ ＝ｖ ｏ 。如 ｛ ０ ／ 一 ＜ 表示压力增高， ｛ ） 表示压力降低。
≤三 三兰 兰 － ；
系 数 ，压力最 低 。在极 限状 态 ｛ 一 ３ Ｐ ｋ ＝ ｐ ／ ｖ ，则不 发生 空
泡的极限速度为 ：
：
Ｖ｛ ｐ一
空泡 ：气化空泡一 水中空气逸出到气核 ，汽化空泡一 水爆发 式汽化，似是空泡一 水中气核膨胀。空泡判别条件只对汽化空泡 近似正确 二、空泡对螺旋桨性能的影响 ：第一阶段：局部空泡，对水 动力性能无明显影响，但可能产生剥蚀。第二阶段 ：空泡区拖到 随边之外 ，无剥蚀 ，但使对水动力性能恶化。前者对性能影响不 大，但产生剥蚀 ；后者影响性能，但无剥蚀作用。
（ ）与拱度变化对空泡特性影响相反，当最大厚度位置向尾缘 ２ 移动时，空斗宽度将变窄，对空泡杵 眭不利 。因此 ，最大厚度 应向导缘移动 。 （）增加最大拱度可将空泡斗向上移动，利用 ３
大干ｖ ，压力小于 ，形成 “ ０ 吸力”。而叶背上的水流速度小 于ｖ ，压力大于ｐ，形成 “ 口 ０ 压力”在叶背上取一点Ｂ，设该处的 压力为ｐ，流速为ｖ，与切面远前方的Ａ ｂ ｈ 点位于同一线上。运动
研究结果表明，空泡现象与其负荷、空泡数和盘面处伴流分布有 ２ 、从叶剖面参数着手。叶剖面空泡特性取决于叶剖面上压力分 关 ，与桨叶要素关系密切。发现空泡现象时，按不同空泡位置， 布。压力分布由其厚度和拱度分布确定。因此影响其空泡特性 就 其不 同空泡 机 制 ，采 用 不 同预 防 。 的叶剖面参数有 ：叶剖面的最大拱度 ，最大厚度 ，拱度分布 ，
空泡现象
2 A
不发生空泡的极限条件： max
ξmax=σ
p0 pv 1 2 ρ Vk 2
p0 pv 1 max 2
Vk : 不发生空泡的极限速度
Vk
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
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。
p0 pv 7 R 0. 1 2 V0.7 R 2
T AP c 1 2 V0.7 R 2
柏利尔限界线 、瓦根宁根限界线
B
α
min
)
泡界 限
0.5
σ
cr
1.0
1.5
ξ
max
,σ
§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
0.7
η
0
0.6
二、空泡对
螺旋桨性能 的影响
K T 10K Q η
第7章 空泡现象
1894年 1894年，“勇敢”号 勇敢” 小型驱逐舰： 小型驱逐舰：转速比额定 低1.54%；主机总功率比 1.54%； 额定低7.5%；航速只有24 额定低7.5%；航速只有24 节（设计27节） 设计27节
最后修改 方案？ 方案？
原因：空泡 原因：
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 高转速和大功率：军用船舶(如高速艇等)主机， 将高速主机与螺旋桨直接相连。 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， 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。 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， 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 导致桨叶剥蚀损伤， 泡，导致桨叶剥蚀损伤，而且往往伴有强烈的尾部 振动。 振动。
空泡数σ 与来流速度V 空泡数 σ 与来流速度 V0、 水 的汽化压力p 及静压力p 有关， 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。 而与桨叶切面的几何特征无关。
减压系数ξ只与该处流速V 减压系数ξ只与该处流速Vb对 有关。 来流速度V 的比值( 来流速度V0的比值(Vb／V0)有关。 p0 − pb Vb 2 ξ= = ( ) −1 故在绕流条件下减压系数ξ 故在绕流条件下减压系数ξ随切面 1 2 V0 ρV0 形状、入射角α 点的位置而变， 形状、入射角αK及B点的位置而变， 2 与来流速度V 的大小无关。 与来流速度V0的大小无关。
水动力特性与空泡数的关系
CL 10C D
C L-σ,α=常数
空泡初生
C D-σ,α=常数
空泡初生
船舶螺旋桨和舵上的空蚀现象讲解
船舶螺旋桨和舵上的空蚀现象【摘要】近二十年里，由于日益增加的螺旋桨功率和大型船舶的船速，螺旋桨和舵上的空蚀成为一个越来越大的问题。
侵蚀的确切原因还有特定类型的空泡和侵蚀的关系现在还没有被充分的认知。
基于经验，侵蚀的危险和几种特定类型的空泡有关，这个可以通关计算和（或）模型测试可以的出来。
在欧盟支持的项目EROCAV中，相关人员对空蚀的基本机制进行了研究，并且开发了一种新的预测螺旋桨和舵上空蚀危险的方法。
【关键词】螺旋桨，舵，空泡，侵蚀，模型——实船【引言】航运市场对结合高功率与低噪声低振动螺旋桨的商船有着极强的需求。
最大功率的单桨船在过去的二十年里在商船队中一直占领者统治地位，从百分之三十上升到了百分之六十。
随着（大型）船舶速度的增加，螺旋桨的负载也在增加。
由于螺旋桨造成的不均匀流动，研究螺旋桨与船体的交互作用是个富有挑战性的难题。
随着船速和螺旋桨负载的增加，在螺旋桨和附体（舵和构架）上的空泡现象也越来越具有危险性。
工程方法可以预测空泡导致的侵蚀，但是这些方法仅仅是一般性的，真正在空泡现象中的物理过程只有部分是已知的。
因此我们需要一个科学的预测空蚀的方法。
包含空泡效应的工程模拟需要基于研究室的等比例的试验对整个现象有更进一步的了解。
在2001年，欧洲的船东代表、螺旋桨制造商、船级社、研究机构（包括模型）和大学组成了一个合作团队，对空泡对螺旋桨和舵的侵蚀开始了为期三年的研究。
这个项目被称为EROCAV。
合伙人分别是：德国的汉堡造船试验站、法国的Bassin d’Essais des Carèn s、瑞典的查尔莫斯大学工学专业、德国劳氏船级社、波兰的船舶与研究中心（CTO）、瓦锡兰推进公司（法国船级社）、英国的劳氏船舶登记机构、荷兰海事研究协会、德国的梅克伦堡州的Metallguß、瑞典的SSPA AB、瑞典的Walleniusrederierna AB欧盟在他们GROWTH计划的范围内对于这个项目给予了资金支持。
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, noise1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。
船用螺旋桨的空泡效应
船用螺旋桨的空泡效应船用螺旋桨的空泡现象1、涡空泡涡空泡发生在叶梢和毂部。
桨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。
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，导致没末出现负圧峰。
泡状空泡对螺旋桨的性能影响不大，但对桨叶材料有剥蚀作用。
3、片状空泡片状空泡通常指在桨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。
超空泡流动：若空泡从叶切面导边一直延伸到随便以外，即叶片切面全部为空泡所覆盖。
影响龙叶螺旋桨性能而无剥蚀作用。
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。
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。
延缓螺旋桨空泡发生的措施1、从降低最大减压系数入手减小叶跟附近切面的螺距。
单桨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。
采用弓形切面或压力分布较均匀的其他切面形式，有利于延缓空泡的产生。
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。
2、从提高螺旋桨的空泡数入手尽量增加螺旋桨的浸没深度。
减小螺旋桨的转速，即尽可能选用低转速的主机。
提高桨叶的加工精度。
改善船尾部分的形状与正确安装桨轴位置可减小斜流拌流不均匀性的影响等。
3、其他措施对高速船，特别是高速军舰而言，往往螺旋桨空泡在所难免。
一般作如下处理：允许桨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。
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。
在海上如何应对螺旋桨故障
在海上如何应对螺旋桨故障当你的小艇发出嘎扎嘎扎的压碎声并东倒西歪地行驶时，有可能是你的小艇螺旋桨推进器损坏了。
但此时，你不必太过惊慌，因为仍可以有补救的办法——假如这是在飞机上而不是在船上的话，问题就严重了。
只要你遵循以下6个简单的步骤，这个看起来难以克服的意外事件就会迎刃而解——因此你完全可以放心地自由自在地遨游于大海上。
一、确认损坏的程度首先要确保你的故障艇所在附近水面没有浅滩、树桩、岩石的危险。
如果此时你的小艇还有推进力的话，使其空转脱离上述危险区域。
如果你在船尾板周围看见了浮油，这表明你的齿轮箱或螺旋桨轴已经严重损坏以至于润滑油从螺旋桨轴密封周围渗漏了出来。
即使你更换了螺旋桨，齿轮箱中的水也不会让你的小艇以任何大于怠速的速度走太远。
二、如果可能的话，更换已坏螺旋桨一个弯曲的螺旋桨将会使艇失去平衡，即使只有一点点扭曲的螺旋桨也会使艇摇摆从而对螺旋轴、轴承、密封和齿轮造成潜在的严重损耗。
如果螺旋桨还足可以让船以空转速度前行，并且在不远处有码头或安全的地方可以让船停靠的话，你就要把小艇驶向那里。
这样当小艇安全停稳的时候，更换螺旋桨就会更加方便和安全了。
三、谨防轴心旋转即使桨片看起来似乎没有损坏，也不要认为这就表明螺旋桨没有问题。
和沙洲或硬泥底部发生的碰撞也会使你的螺旋桨失去平衡和发生倾斜。
很多弦外和船尾驱动螺旋桨都有橡胶轴心衬垫以防齿轮箱受损，但是轴心仍会被“旋转”或弄松。
在负荷之下，螺旋浆轴心会继续变得活络，说不定什么时候整个螺旋推进器都将丢失。
四、带上随船备用螺旋桨并且别忘了带上备用止推垫圈，它是装在螺旋桨和齿轮箱之间的；另外还要带上螺旋桨螺母；开口销或防松垫圈；螺旋桨扳手；以及用来拔开口销的老虎钳。
我喜欢塑料螺旋桨扳手，因为它可以浮起来。
五、船尾驱动指导首先装上一个测位器并撤走点火键。
在大部分船尾制动的小艇上，当你躺在船尾平台上的时候就能够得着螺旋桨。
把驱动器放在传动装置上并撤去切断开关。
船舶螺旋桨空化噪声非均匀调制特性及其应用
船舶螺旋桨空化噪声非均匀调制特性及其应用螺旋桨是船舶的重要部件之一，可以提供驱动力和方向控制，但是在运行过程中也会产生噪声。
其中，空化噪声是一种比较突出的问题，对海洋环境和生态造成一定的影响，甚至可能对海洋生物造成伤害。
因此，研究船舶螺旋桨空化噪声的非均匀调制特性及其应用具有重要的现实意义。
船舶螺旋桨的空化噪声是由于水在螺旋桨表面的流动产生气泡，随后泡沫破裂造成的，这种噪声具有很强的非均匀性。
通常情况下，螺旋桨的叶片越薄、叶面半径越小，则空化噪声越强。
同时，对于不同的螺旋桨，其空化噪声的频谱特性也具有较大的差异。
因此，研究船舶螺旋桨空化噪声的非均匀调制特性，就需要对噪声产生的机理进行深入的研究。
目前，许多学者都在这方面做了很多的探索。
例如，在不同的螺旋桨转速和推进条件下进行实验研究，同时，运用计算方法对螺旋桨表面附着气泡的空化特性进行数值模拟。
研究发现，船舶螺旋桨的空化噪声存在周期性的调制现象，具体表现为噪声级随时间产生周期性的变化，这种调制现象主要与螺旋桨的转速、推进条件和船舶的航行状态有关。
此外，研究船舶螺旋桨空化噪声非均匀调制特性还可以为噪声控制和航行优化提供重要的参考。
对于控制噪声的方法，目前主要有两种：一种是直接对螺旋桨进行减噪改造，例如采用晶钢复合材料等来替代传统的铜质叶片；另一种是利用噪声的调制特性来进行控制，例如运用自适应控制等先进技术，根据噪声的调制规律来控制噪声的幅度。
而在航行优化方面，研究发现在一定范围内，适当地改变螺旋桨的转速和推进条件，可以达到最小化噪声的目的。
因此，对于船舶的航行管理，可以根据螺旋桨空化噪声的非均匀调制特性，制定相关的船舶航行规则和策略，争取尽可能少地影响到海洋生态环境。
总之，研究船舶螺旋桨空化噪声的非均匀调制特性及其应用具有重要的现实意义。
在今后的研究中，需要进一步提高研究的科学性和系统性，探索更加精细的实验方法，发展更为先进的控制技术，以推动相关领域的进一步发展，并为海洋环境的保护和航行安全的提升贡献力量。
船舶推进第6章 螺旋桨的空泡现象要点
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。
23
船舶推进第六章 螺旋桨的空泡现象
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。
24
船舶推进第六章 螺旋桨的空泡现象
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。
25
船舶推进第六章 螺旋桨的空泡现象
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置 可减小斜流拌流不均匀性的影响等。
2、当 一定，水温越高，汽化压力 越大，则空泡数越小。
14
船舶推进第六章 螺旋桨的空泡现象
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。
15
船舶推进第六章 螺旋桨的空泡现象
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。
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。
16
船舶推进第六章 螺旋桨的空泡现象
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。
第四章：叶片式流体机械的空化与空蚀
I I
HSJ
泵叶轮的翼型空蚀
HSJ
2、间隙空化和空蚀
HSJ
3、空腔空化和空蚀 4、局部空化和空蚀
水轮机空蚀量合格的评定标准
HSJ
（二）空化与空蚀对叶片式水力机械性能的影响 1、机器能量特性恶化 2、引起振动和噪声 3、材料破坏
HSJ
p＝
空化相似准则
p＋
HSJ
（二）空化（或空蚀）比转速
∵hr正比于H
∴可定义
C
5.62 n
3
qV
hr 4
效率为主：C=600~800；
兼顾效率和空化：C=800~1100；
空化性能为主：C=1100~1600； 特殊要求（例如对火箭推进泵）：C＞5500。
HSJ
吸入比转速 无量纲
S
本章涉及的主要内容
叶片式水力机械的空化与空蚀机理 水力机械的空化参数 空化与空蚀的防护与改善措施
HSJ
第一节 叶片式水力机械的空化与空蚀机理
一、空化及空蚀机理 （一）空化现象
基本定义 由于压力的变化而导致 的液流内的空泡的产生、 发展和溃灭过程以及由 此而产生的一系列物理 和化学变化，称为空化
水轮机
HS1.00900KH
H S1.090(0 )H
安全余量的选择： 关系重大
HSJ
吸出高基准与安装基准
HSJ
泵的吸入高基准面与安装高程基准面相同
H S Z H 0 H V a H 0 S ( h r K )
J
用允许吸入真空度计算
空化现象 溃灭过程 空化核子 临界压力 空化数 空化的分类 对外特性的影响
螺旋桨空泡现象攻略
其中
由此，
当
时，则 ，此时 ，这也就是说； 是当螺旋桨原地
（用系缆固定）工作时的推力减额系数。
对于鱼雷类型的旋转体，
巴甫连科教授提供了下述公式
(8 30) 式中 为鱼雷尾部壳体之切线与雷体纵轴的夹角。对现有鱼雷系数
当有效推力系数
时，其进速系数值 称为零有效推力的相对
螺距，并用 来表示。
图 8 11 叶元压力分布曲线 当空泡区域扩大，形成空化第二阶段时，就会引起螺旋桨的作用曲 线发生变化，因为在第二阶段空化时，．叶元吸力面上的压力将保持为 饱和蒸汽压力，但其推力面上的压力将总是随着绕流速度的增加而降 低。因此在第二阶段空化时，压力分布曲线所包围的面积以及叶元的升 力系数将随绕流速度的增加而下降。所以推力系数 K1、力矩系数 K2 及效率 亦相应下降。 第一阶段空化虽然不影响鱼雷的工作性能，但在其他方面却带来不 良的影响。我们已经知道，工作在斜流中的螺旋桨，流体流经盘面的速 度场是不均匀的。螺旋桨转一周在不同位置时水的绕流速度及攻角是变 化的，当螺旋桨转到速度低的攻角区域时，吸力面上的压力就增大了， 空泡就会收缩，空泡中的部分水蒸气分子便会凝结，因而周围的水向空 泡集中，冲击桨叶，螺旋桨表面遭破坏，这种现象称为剥蚀。另一方面， 由于空泡周期性地扩张和收缩，所形成的气泡振动导致噪音的产生，这 种噪音对鱼雷的自导装置将产生不良的影响。 应当指出，鱼雷螺旋桨的工作时间很短，空化对其剥蚀作用不大。 我们必须对空化的第二阶段予以注意，在设计螺旋桨时，掌握发生第二 阶段空化时的转数是很需要的，这个转数我们称为临界转数。如果螺旋 桨的转数高于此临界转数，则螺旋桨不可能产生所需要的推力，以保证 鱼雷的航行速度。 螺旋桨空化的临界转数可确定如下：设所研究的叶元在水下 h，深 度以速度 运动．对叶元流过的流线运用伯努利方程式即可写出
第四章 水轮机的空化与空蚀
2.化学作用
发生空化和空蚀时，气泡使金属材料表面局部出现 高温是发生化学作用的主要原因。该高温可能是气泡 在高压区被压缩时放出的热量，或者是由于高速射流 撞击过流部件表面而释放出的热量。局部瞬时高温可 过300℃，高温、高压作用下，促进汽泡对金属材料表 面的氧化腐蚀作用。
3.电化作用
在发生空化和空蚀时，局部受热材料与四周低温材 料间产生局部温差，形成热电偶，材料中有电流流过， 引起热电效应，产生电化腐蚀，破坏金属材料的表面 层，使它发暗变毛糙，加快了机械侵蚀作用。
由于液体具有汽化特性：
液体汽化：1、恒压加热；2、恒温降压
沸腾：液体在衡定压力下加热，当温度高于某一温
度时，液体开始汽化形成汽泡。
空化：当液体温度一定，降低压力到某一临界压力
时，液体也会汽化或溶解于液体中的空气发育形成
空穴。
气蚀现象：包括空化和空蚀两个过程。 空化：液体中形成空穴使液相流体的连续性遭到破 坏，发生在压力下降到某一临界值的流动区域，空穴 中主要充满着液体的蒸汽以及从溶液中析出的气体。 可以发生在液体内部，也可以发生在固定边界上。
水的温度（℃） 汽化压力 （mH2O） 0 0.06 5 0.09 10 0.12 20 0.24 30 0.43 40 0.72 50 1.26 60 2.03 70 3.18 80 4.83 90 7.15 100 10.33
空蚀对金属材料表面的侵蚀破坏有机械作用、化 学作用和电化作用三种，以机械作用为主。
第四章 水轮机的空化与空蚀
第一节 水流的空化
一、水流的空化现象
认识到空化空蚀的破坏：发现轮船高速金属螺旋桨在 很短时间内就被破坏。 固体围绕固定位置振动 的汽化特性。 标准大气压力下 ，水温达 到 100℃时，发生沸腾汽化； 当周围环境压力降低到 0.24mH2O时，发生空化现象。 液体质点位置易迁移 常温下液体质点会从液体中离析，取决于该种液体
船舶推进第6章 螺旋桨的空泡现象
船舶推进第六章 螺旋桨的空泡现象
1、不同入射角时减压系数的分布曲线
11
船舶推进第六章 螺旋桨的空泡现象
12
船舶推进第六章 螺旋桨的空泡现象
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。
13
船舶推进第六章 螺旋桨的空泡现象
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。
2、当 一定，水温越高，汽化压力 越大，则空泡数越小。
14
船舶推进第六章 螺旋桨的空泡现象
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。
15
船舶推进第六章 螺旋桨的空泡现象
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。
24
船舶推进第六章 螺旋桨的空泡现象
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。
25
船舶推进第六章 螺旋桨的空泡现象
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。
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。
21
船舶推进第六章 螺旋桨的空泡现象
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。
船舶推进_螺旋桨的空泡现象
C -σ,α=常 随边之外，通常对叶
1.0
表面无剥蚀作用；但
1.5 1.0 影响叶切面的水动力 0.5
片状空泡（全空泡）
性能。
30
6.2 叶切面的空泡现象及其对性能的影响
水动力特性与空泡数的关系
CL 10C D
C L-σ,α=常数
空泡初生
C D-σ,α=常数
空泡初生
0.5
1.0
1.5
2.0
σ
存在于水里的气核中并成长到肉眼能见的程度；
2. 汽化空泡（ vaporization cavity ）：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；
23
6.1 空泡的成因
3. 似是空泡：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。 气化空泡、似是空泡都可能在大于、等于或小于饱和蒸 汽压力pv 时出现。成长过程缓慢。 汽化空泡则总是在小于或至少等于 pv 下才能出现。成长 迅速。 初生空泡数σi
1.0
C
σ
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。
29
D
0
-1.0
D
C
B
A
球状空泡；局部空泡
6.2 叶切面的空泡现象及其对性能的影响
空泡现象的第二阶段
ξ
2.0
第二阶段空泡现象的
特征是：
CL 10C D
1.0
ξ=σ
0
C -σ,α=常 空泡区域已拖到
空泡一般经历初生、发展和溃灭三个阶段。 空泡被认为是流体动力的扰动源、噪声的辐射源、振 动的激励源和材料的剥蚀源。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
2018/4机电设备 36cademic Research技术交流A螺旋桨空化与应对措施江 晨，张 帅（中国人民解放军91388部队，广东湛江 524022）摘 要：螺旋桨空化噪声是螺旋桨的主要噪声源之一，是辐射噪声高频部分的主要成分，抑制螺旋桨空化噪声能有效提高舰船的隐蔽性。
文章针对螺旋桨空化噪声的产生机理、频谱特征以及临界转速测量等方面进行了概括和总结，并提出了应对措施。
关键词：螺旋桨；空化；噪声中图分类号：U664.33 文献标志码：A DOI ：10.16443/ki.31-1420.2018.04.007Cavitation of Propeller and CountermeasuresJIANG Chen ，ZHANG Shuai(No.91388 Unit of PLA, Zhanjiang 524022, Guangdong, China)Abstract: Cavitation noise of propeller is one of the main noise sources of propeller, and it is the maincomponent of the high frequency part of radiated noise. Suppressing the cavitation noise of propeller can effectively improve ship's concealment. The mechanism of cavitation noise of propeller, the type of cavitation, the characteristic of spectrum and the measurement of critical speed are summarized, and the corresponding countermeasures are provided. Key words: propeller; cavitation; noise0 引言舰船噪声通常由机械噪声、螺旋桨噪声和水动力噪声组成。
螺旋桨一旦发生空化，就将成为中高频段主要噪声源[1]。
空化噪声有明显的特征，极易被声呐探测到，严重影响舰船的隐蔽性。
在舰船噪声测量中，特定深度下的空化临界转速是一项重要的测量内容。
多年来，国内外专家虽对螺旋桨空化进行了大量研究，但是公开发表的舰船螺旋桨噪声的实测数据和相关文献较少。
1 螺旋桨空化1.1 空化的产生螺旋桨在水中转动时，叶梢和叶表面上会产生低压或负压区，当压力降低到水的饱和蒸气压以下时，水急速汽化，稍后这些汽化产生的气泡破裂，并发出尖锐的脉冲噪声，这就是螺旋桨的空化。
螺旋桨叶梢处的线速度最大，首先达到临界压力，最容易发生空化，其空化强度由空化指数给定，空化指数定义为0vT 2T 12p p K V ρ−=（1）式中：p 0为螺旋桨上的静压力；p v 为水的汽化压力；ρ为水的密度；V T 为螺旋桨叶尖的速度。
当K T 在0.2~0.6之间时，叶梢开始空化；K T 小于0.2时，必然产生空化；K T 大于0.6时，一般不会空化。
作者简介：江晨（1988—），男，硕士。
研究方向：振动与噪声。
37 机电设备 2018/4空泡产生和破裂时，都会发出尖锐的声脉冲，因此，空化噪声在时域上的表现是强烈的脉冲。
通过统计单位时间内脉冲数量与幅值的变化，可以判别是否发生空化，当然这种判别依据只能通过对比空化前后的时域信号而定，不能一概而论。
1.2 螺旋桨噪声的频谱特征螺旋桨噪声的频谱包括高频连续谱和低频线谱，在高航速时，很多低频线谱被螺旋桨空化的连续谱掩盖。
1）连续谱连续谱由大量空泡破裂发出的随机脉冲叠加形成。
连续谱在100 Hz~1 000 Hz内有一个峰值，低于此峰值，谱级以6 dB/倍频程增加；高于此峰值，谱级以6 dB/倍频程下降。
多项试验结果表明：在空化开始时，谱级曲线在几千赫兹以上的中高频段会突然升高，随着空化的发展，谱级升高的频段逐渐扩展。
2）线谱螺旋桨噪声的线谱主要是螺旋桨叶片切割水流引起的噪声，其频率为f m=mns（2）式中：f m为叶片线谱第m次谐波；m为谐波次数；n为螺旋桨叶片数；s为螺旋桨转速，r/s。
一般来说，螺旋桨产生的线谱为几十赫兹以下的低频以及整数倍的谐频。
3）总声级空化噪声的总声级-螺旋桨转速曲线呈S形，如图1所示。
当螺旋桨转速高于临界转速时，总声级陡增20 dB ~ 50 dB，螺旋桨转速再增大，则总声级增加变缓[2]。
L (dB)文献[3]通过分析实艇螺旋桨噪声测试结果，进一步验证了总声级与螺旋桨转速的关系符合S形曲线特性，并且连续谱符合峰值前后增加/衰减规律。
4）调制特性目前对空泡的理论模型研究尚不成熟，近年来多从统计学的角度研究空泡。
首先根据经典力学理论求解单个空泡的运动方程，假定空泡半径服从一定概率分布，进而推导空化噪声谱。
舰船的尾流具有周向不均匀性，空泡的数量和尺寸都随时间变化。
单位时间内空泡数量随时间变化，导致整个噪声谱均匀的上下移动，造成频域上的均匀调制；空泡的半径随时间变化，造成频域上的不均匀调制[4]。
5）唱音除此之外，螺旋桨噪声中还有可能出现一条或一组高频线谱，这就是螺旋桨的唱音。
当螺旋桨叶片产生的旋涡频率与桨叶的固有频率接近时，会发生共振现象，可以在100 Hz~1 000 Hz内发出很强的噪声，且其频率不随航速的提高而改变。
1.3 螺旋桨临界转速的测量螺旋桨的临界转速通常通过安装在螺旋桨部位的自噪声水听器测量，测量上限频率在40 kHz以上。
测量前要了解舰船的排水量、长度、宽度、螺旋桨数、螺旋桨形状、桨叶数和螺旋桨转速等信息，便于后续分析。
舰船自噪声与航行工况密切相关，所以必须在工况稳定后再开始测量。
从低转速开始，舰船以要求的工况和转速匀速直线航行，测量设备记录自噪声信号，记录时间一般不少于1 min。
然后以5 r/min~10 r/min为一档提高螺旋桨转速，待转速稳定后，测量自噪声，直至螺旋桨转速达到被测舰船的最高转速。
当螺旋桨转速增加到某一值时，高频段的噪声级突然升高，说明螺旋桨开始空化，这个转速就是螺旋桨的临界转速。
2 应对措施螺旋桨空化噪声是影响舰船声隐声水平的一个主要因素，为了解决这个问题，需要从以下几个方面加强研究。
2.1 优化螺旋桨参数通过优化螺旋桨参数可以有效推迟空化的发生。
多项计算结果表明：七叶桨较五叶桨具有负载小、空化初生延迟、空化低频线谱噪声低的特征[5]。
七叶大侧2018/4机电设备 38cademic Research技术交流A斜螺旋桨直径较大，在同等转速下能获得更大的动力输出，相当于在航速一定时减小转速，可推迟空化的发生。
2.2 增加空气含量多个试验结果表明：增加水中的空气含量能有效延缓空化的发生、降低螺旋桨噪声，并使空化噪声谱向低频移动。
水中空气含量增多也能改变水的声学特性，对噪声起到吸收屏蔽作用。
2.3 提高加工精度螺旋桨加工不对称会引起流动不均匀，也会导致剥蚀，尤其是叶根导边附近如果稍有突出，就容易引起局部剥蚀。
3 结束语目前，螺旋桨空泡的模型建立尚未成熟，还无法对其频谱特性进行精确而系统的描述[6]。
舰船螺旋桨部位的自噪声水听器能获得相对准确的资料，对于空化噪声研究和螺旋桨的优化设计都起到非常重要的作用。
加强螺旋桨部位的自噪声监测和临界转速测量，将是今后工作的重点。
参考文献：[1] 王之程, 陈宗岐, 于沨, 等．舰船噪声测量与分析[M]. 北京: 国防工业出版社, 2004．[2] URICK R J. 水声原理[M]. 洪申, 译. 哈尔滨: 哈尔滨船舶工程学院出版社, 1990.[3] 胡家雄. 某G 型潜艇螺旋桨临界转速检测初探[J].舰船科学技术, 1992(2): 1-3.[4] 陶笃纯. 螺旋桨空化噪声谱[J]. 声学学报, 1982,7(6): 344-351.[5] 杨琼方, 王永生, 张明敏. 不均匀伴流场中螺旋桨空化的黏性流数值模拟和低频噪声预报[J]. 声学学报, 2012, 37(6): 583-594.[6] 杨勇, 熊鹰, 时立攀. 螺旋桨空泡噪声测量与分析[J]. 船舶力学, 2003, 7(4): 105-109.（上接第35页）[2] 杨品福, 陈先桥, 初秀民. 长江航道测量信息化处理相关技术研究[J]. 中国水运, 2011, 11(11): 79-81.[3] NAEEM W., SUTTON R, XU T, et al. The design ofa navigation, guidance and control system for an unmanned surface vehicle for environmental monitoring[J]. Journal of Engineering for the Maritime Environment, 2008, 222(2): 67-79. [4] 杨瑞庆, 徐海潮. 基于RTK 和无人艇的内河固定断面测量系统设计[J]. 武汉理工大学学报(交通科学与工程版), 2014, 38(1): 236-240.[5] 金久才, 张杰, 邵峰, 等. 一种海洋环境监测无人船系统及其海洋应用[J]. 海岸工程, 2015, 34(3): 87-92.[6] 彭琳, 刘焱雄, 吴永亭, 等. 海洋测绘中船体姿态改正的误差分析[J]. 海洋通报, 2007, 26(1): 28-33.[7] 陈立波, 罗正龙, 汪嵩. 无人船水下测量系统及水下测量实验分析[J]. 城市勘测, 2016(5): 151-154. [8] 黄国良, 徐恒, 熊波, 等. 内河无人航道测量船系统设计[J]. 水运工程, 2016(1): 162-168.[9] 张浩昱, 刘涛. 一种微小型无人船控制系统设计及航向控制方法研究[J]. 计算机测量与控制, 2017(1): 88-90.[10] 冯月卫, 王辉, 周杰. 无人艇动稳性试验与数值验证[J]. 舰船科学技术, 2014, 36(12): 52-55. [11] 耿以才, 黄立新, 陈凌珊, 等. 无人船安全目标追踪与自动避障算法[J]. 计算机测量与控制, 2015，23(7): 2467-2474.[12] 葛增鲁. 无人艇航向运动控制器的设计与实现[D].辽宁大连: 大连海事大学, 2016.。