浅析螺旋桨空泡的避免或延缓措施

摘要：在船尾非定常流动中工作的螺旋桨，常常由于桨叶负荷过大而产生空泡，从而引起强烈辐射噪声，降低舰船隐身性能，必须从螺旋桨设计入手，在额定工作状态下，避免或延缓空泡发生。增加螺旋桨空泡斗宽度，控制空泡发生范围，尽量避免泡状空泡发生。本文介绍空泡产生原因，空泡对螺旋桨性能的影响和避免或延缓空泡发生的措施。

关键词：螺旋桨；空泡；避免；延缓

中图分类号：U664.33文献标识码：A文章编号：1009-9166（2008）10-0060-01

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，压力临界值即为该温度时水的汽化压力（pv或称饱和蒸汽压力）。这种现象在高速重负荷船舶的导管桨都可能产生，会影响推进效率，缩短桨叶寿命，同时引起噪声、振动等危害。近代对螺旋桨空泡研究结果表明，空泡现象与其负荷、空泡数和盘面处伴流分布有关，与桨叶要素关系密切。发现空泡现象时，按不同空泡位置，就其不同空泡机制，采用不同预防。

一、空泡产生的原因：现以桨叶某半径处切面（或普通的机翼切面）的运动说明产生空泡的情况。如图1，设水为理想流体并在远处以流速V0，攻角αk流向叶切面。叶背上的水流速度大于V0，压力小于p0，形成“吸力”。而叶背上的水流速度小于V0，压力大于p0，形成“压力”在叶背上取一点B，设该处的压力为pb，流速为vb，与切面远前方的A点位于同一线上。运动是定常的，在A，B两点应用伯努力方程：pb+1/2ρvb2=p0+1/2ρv02,定义减压系数为ξ=(p0-pb)/(½ρv02)=(vb/v0)-1。如ξ0表示压力降低。

当B点的压力降至水的汽化压力及饱和增气压力pv时，开始出现空泡，条件为：pb≤pv令空泡数为：σ=(p0-pv)/ρv02，其中：静压力p0=pa+γhs；

Pa-大气压力（10330kgf/m2）；Hs-桨轴或叶切面沉深。如ξ≥σ则pb≤pv，产生空泡如ξ

空泡：气化空泡-水中空气逸出到气核，汽化空泡-水爆发式汽化，似是空泡-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。

三、避免或延缓螺旋桨空泡发生的措施：1、从降低最大减压系数ξmax着手：（1）增加盘面比，减低单位面积上平均推力，使叶背上ξ值下降。盘面比增加相当于叶切面弦长加大，故可用较小攻角产生同样升力，从而ξmax值降低。（2）采用弓型切面或压力分布较均匀的其他切面形式。弓型切面压力分布较均匀，ξmax值相应较小，对延缓空泡发生有利。（3）减小叶根附近切面的螺距。单螺旋桨船在叶根部分伴流较大，易产生空泡现象，故可将根部切面的螺距适当减小，使该处最大减压系数ξmax值降低，并宜保持相当叶宽以免厚度过大。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的叶剖面参数有：叶剖面的最大拱度，最大厚度，拱度分布，厚度分布。但其中最大厚度是由叶剖面的强度要求确定，一般在叶剖面的设计过程中是不可任意改变的。且最大拱度，一般是由叶剖面升力来确定，也不可任意改变。但利用升力的重新分配方法，最大拱度是可改变的。这样在设计中，最大拱度，拱度，厚度分布是可任意选择的参数。（1）当最大拱度向尾缘移动时，空泡斗的宽度将增加，从而改善叶剖面的空泡特性。（2）与拱度变化对空泡特性影响相反，当最大厚度位置向尾缘移动时，空斗宽度将变窄，对空泡特性不利。因此，最大厚度应向导缘移动。（3）增加最大拱度可将空泡斗向上移动，利用这一特性可据每个叶剖面在船后伴流工作的实际情况，向上或向下移叶剖面的空泡斗以便覆盖更多或全部的工作点。改善整体螺旋桨的空泡性能。（4）最大厚度靠近导缘的厚度分布与最大拱度靠近尾缘的拱度分布结合，可获得较大的空泡斗宽度。3、打洞法――防止桨叶根部空泡剥蚀。由于船体线型、机舱布置及使用上的要求，使螺旋桨轴不平行于船的基线，因此尾部水流的方向与螺旋桨轴线之间形成某一角度，此时螺旋桨在斜流中运转。在斜流中工作的螺旋桨与在轴向水流工作时比较，相对最大周向线速度增加，攻角较大，这就是说斜流将使空泡较早出现。通常的情况是叶梢部分易生背气泡，叶根部分易生面空泡。因此斜流中工作的螺旋桨要加大空泡裕度20%左右，才能避免叶梢部的背空泡；但其根部的面空泡则将依然如故，此时最佳办法就是根部打1、2个或3个孔。孔的位置一般打在剥蚀起始位置前。孔的作用是使压力面的水流通向吸力面，使压力降得到补偿，改善该切面的降压系数，避免面空泡产生。4、其他方法：从提高螺旋桨空泡数σ着手，在条件许可情况下，尽量增加螺旋桨的浸没深度，以增大空泡数σ。减小螺旋桨转速，即尽可能选用低转速主机。另外，速船舶在采取措施后仍难以避免剥蚀，可考虑用抗剥蚀材料或抗剥蚀涂料。

作者单位：黑龙江哈尔滨工程大学船舶工程学院

参考文献：

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