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螺旋桨空泡成因、影响和应对

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

气压(kg/m2)
10330
2031
1258
752
433
238
174
125
89
温度(℃)
100
60
50
40
30
20
15
10
5
表1 水的沸点与气压的关系[9]
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。

3螺旋桨工作时空泡产生过程

图1叶元体周围的流动和压力[1]
Fig.1 the flow and pressure around blade element

由螺旋桨工作原理已知， 螺旋桨工作时桨叶相当于一个在旋转产生的切向速度与前进速度合成下的机翼。不同半径处的叶元体对应不同的迎流速度和攻角。此时叶元体的叶面处的压力升高， 叶背处的压力降低， 形成升力（如图1所示）。随着迎流速度的提高和攻角的增大， 叶背处的压降显著， 当叶背处某点的压降达到饱和气压时， 就会在该处出现空泡。由于叶背上各点的压降是不同的， 所以空泡总是在局部先开始出现。当最大压降处压强降低到当时水温的饱和气压时， 叶背在该处形成空泡。而对整个桨叶而言， 在叶元体上某处压力下降到达饱和气压以下时就会在此率先产生空泡。具体空泡产生过程分为以下两个阶段：

图2空泡的两个形成阶段[3]
Fig.2 two stages of cavitation

1第一阶段空泡
在叶背某处的压力降低至该水温下的汽化压力时，则该点的水质点就首先形成空泡，因此时的空泡只占据叶面的小部分，称局部空泡。局部空泡产生后，随着桨叶的运动及水流的冲刷，空泡产生位置后移，进入压强大于汽化压强的场所。空泡受压直至产生破裂，这种破裂现象据测定大约发生在百分之一秒至干分之一秒的瞬间，因而对桨叶表面产生了可高达4000 kgf/cm2的冲击力。此种冲击力在空泡不断生成与消失过程中反复集中于叶背某一范围，致使桨叶表面金属材料受到剥蚀而追损坏，减少了桨叶断面面积，降低了螺旋桨的强度。但它对螺旋桨的效率影响不大。

图3螺旋桨叶面压力分布和空泡示意[1]
Fig.3 the pressure and cavitation distribution on propeller

　　2第二阶段空泡
若螺旋桨在运动过程中，叶背的负压力继续增加，而且范围也有所扩展，如图2右侧所示。于是在叶背某点先前所产生的局部空泡，此时尽管由于水流的冲刷而后移，但后移区域的压力条件仍然适合空泡产生或存在的条件。于是局部空泡就在叶背宽度方向逐渐扩展，可达60％一70％叶背面积，形成了片空泡。如图3所示，片空泡生成后，局部空泡的剥蚀现象开始消失转而使螺旋桨叶背的大部分或全部被空泡所笼罩，使螺旋桨的水动力特性恶化，影响了螺旋桨的效率。[4]

4螺旋桨空泡的类型和特征
空泡有多种类型。空泡可在流体中的物体表面发生，亦可在流体中发生。空泡形状有球状和片状。片空泡有光滑、透明的，也有多气泡、不透明的。根据Van der Mullen 的意见， 翼剖面空泡可分为4 类: 球空泡、片空泡、片-云空泡和涡-云空泡。如图4所示，对于水翼和桨叶上的空泡根据成因、形状和位置的不同一般可分为以下几种[3]：
1. 球空泡(Bubble cavitation)；
2. 片状空泡(Sheet cavitation)；
3. 梢涡空泡和毂涡空泡(Tip and hub vortex cavitation)；
4. 云状空泡(Cloud cavitation)
对于螺旋桨桨叶的空化范围，有分局部空泡(partial cavitation)和超空泡(super cavitation)。

图4 螺旋桨桨叶和桨毂上各类空泡[5]
Fig.4 Different kinds of cavitation on the propeller blade and hub

图5 球空泡
Fig.5 Bubble cavitation
图6 片状空泡
Fig.6 Sheet cavitation

图7 梢涡空泡和毂涡空泡
Fig.7 Tip and hub vortex cavitation
图8 云状空泡
Fig.8 Cloud cavitation

通常，球空泡、片-云空泡造成严重的空蚀及强烈的噪声 。云空泡会破坏推进装置结构。各类空泡的成因、定义及常见特征如下： 
球空泡是指气核进入液体低压区域，导致爆发式的汽化，进入高压区域时又迅速消失。球空泡一般发生在螺旋桨叶背上切面最大厚度处，呈泡沫状。其产生的原因是因前后压力变化，形成发生、溃灭、再生、再溃灭直至消失的变化过程。球空泡对螺旋桨的性能影响不大，但桨叶材料的剥蚀特别严重。[6]
片状空泡一般附着于螺旋桨桨叶。流体在螺旋桨桨叶导边处发生分离时，易发生附着于其表面的片状空泡，形成汽化膜片状，整个空泡面呈沿导边的凹状。当空泡延伸至随边以外， 使整个叶切面全覆盖在空泡之中， 构成“ 全空泡” 流动，则螺旋桨性能将会恶化，当空泡在随边之前结束，形成叶切面的“ 局部空泡” 流动时， 螺旋桨性能将不受影响， 但叶片表面将受到剥蚀损伤。
对于局部空化，空泡末端在叶面处是封闭的；超空化面在尾流处也是封闭的。但是空泡末端不稳定，会产生脱落现象。当螺旋桨在不均匀流场中工作时， 有时产生大量气泡，呈周期性变化；有时产生大尺度空泡脱落现象，呈周期性变化，并产生云状空泡。 云状空泡是指空泡的周期性的产生和消失，这种空泡的实现时隐，消失时被水流冲向后方形成雾状的空泡。云空泡对螺旋桨性能无明显影响， 但是一种十分强烈的噪声源，造成严重的剥蚀现象，危害甚大。[7]
涡空泡常出现在桨叶的叶梢和桨毂处。桨叶泄出的自由涡片的不稳定性，在尾端不远处会形成两股旋涡，在桨叶的叶梢处形成梢涡，在桨毂处的涡汇集一起形成毂涡，在叶梢处泄出的尾涡由于压力降低，气核溶入涡内形成气泡且彼此合并，最终形成螺旋状内部汽化的涡管。由于流体的粘性作用，涡最终会被驱散，涡核处的压力不能达到汽化压力时，涡空泡就会溃灭消失。这个过程是非常剧烈的，会产生强烈的噪声。因为其是在桨叶下游处发生的，对桨叶的性能并无明显的影响，也不会对桨叶产生剥蚀。但是有可能对桨毂会产生腐蚀。 涡空泡的主要危害是使螺旋桨的噪声明显增大。

5空泡的应对措施
　　螺旋桨空蚀损伤的典型实例是法国“戴高乐号”核动力航空母舰，该舰造价达800 亿法郎， 航速27节， 功率84 000马力， 1999年1月开始海上试验， 发现螺旋桨空蚀噪声巨大， 达到影响水兵睡眠的程度；2000年11月初发现4台螺旋浆均遭遇严重空蚀， 其中3台已无法继续运行；2002 年3 月换上新螺旋浆重新下水， 但不久又发生桨叶断裂事故。[8]
螺旋桨空蚀损伤现象普遍存在于各类舰艇， 同时巨大的空蚀噪声也严重影响舰艇(特别是潜艇)航行的隐蔽性。潜艇航速每增加1节， 噪声增加2dB， 为降低噪声对航行隐蔽性的影响， 潜艇往往仅以3节左右的速度航行(设计航速27节， 临界航速19节)， 大大降低了威慑力。[9]
由各种类型空泡的特征所引起的危害整理如下表所示：
危害
对应主要空泡类型
螺旋桨性能下降功率降低
超空泡下的片状空泡
剥蚀
球空泡、局部空泡下的片状空泡、云空泡
空蚀振动与噪声
云空泡、涡空泡
表2 螺旋桨空泡危害与对应主要空泡类型
Tab.2 Propeller cavitation damage and corresponding main cavity types

大型高速集装箱船、滚装船和客滚船等。这些船对快速性要求较高，注意阻力、螺旋桨空泡、船体振动和噪音等问题; 积极在设计阶段就予以重视并寻找解决方案。[5]

剥蚀预测
螺旋桨的空泡剥蚀程度通常是按试用船长期使用的情况加以评定的， 而且只有在评定之后才能采取避免和减轻破坏的措施。根据对螺旋桨空泡剥蚀破坏情况定期检查所取得的资料可以估计出螺旋桨能继续安全使用的时间[10]。然而， 要在设计螺旋桨时得到关于螺旋桨空泡剥蚀的资料是不可能的，需要在试验室对空泡剥蚀进行加速试验研究。

螺旋桨优化
1优化螺旋桨数量、形状及几何尺寸
Ø 减小螺旋桨桨叶单位面积上的推力，延缓空泡的发生。如：在直径一定时，适当增加叶数，以加大盘面比，或在一定盘面比时加大直径。如潜艇的螺旋桨的多为大斜七叶。[11]

图9增加叶数
Fig.9 Increased leaf number
Ø 必要时增加螺旋桨数量。

图10增加螺旋桨数
Fig.10 Increased propeller number

Ø 选择有利于推迟空泡产生的叶剖面形状，使剖面最大压降系数减小，即叶背压降分布更均匀。如：采用平凸弓形或某些特殊机翼型，用较小的相对厚度等。

图11叶背压降分布更均匀
Fig.11 Back pressure distribution more uniform

Ø 在叶根处打孔。对一些在叶根处经常出现剥蚀的高速桨， 可以采用此法以消除叶根处的剥蚀。由于该孔形成由叶面至叶背的一股水流， 此水流在叶背出口处较早地形成一片空泡， 沿孔出口向下游稳定地覆盖在叶背上形成空泡垫， 使桨叶产生的空泡在其上经过， 而不直接与叶背接触， 故在溃灭时， 其冲击压力作用在此空泡垫上， 而避免作用在叶背上。
Ø 导边在叶根处稍向上翘[12]。有时叶根的剥蚀发生在叶面上， 这往往是由于在叶面导边附近产生负压所致， 可以使导边在叶根处稍向上翘， 以减小局部的负攻角。

图12导边在叶根处稍向上翘
Fig.12 Leading edge slightly curling at the blade root
2尽量避免伴流不均匀和斜流
Ø 优选螺旋桨的布置位置和船尾线型[13]，或加设某些附件如导流罩、泵喷等加以改善。

图13加设导流鳍、导流罩
Fig.13 Add diversion fins, fairing

3 采用抗剥蚀材料或抗剥蚀涂料
Ø 有些高速船舶在采取以上措施后仍难以避免剥蚀， 则可考虑用抗剥蚀材料或抗剥蚀涂料。目前已知抗剥蚀性能好的材料是钛合金和碳纤维复合材料。[14]俄罗斯已有用钛合金制作螺旋桨的例子， 也可用涂钛的办法。目前国外已有可用于螺旋桨的抗剥蚀涂料， 国内已有的涂料可用于船底板或舵等处，以防由螺旋桨脱离下的空泡引起对它们的剥蚀。但用于高速旋转的螺旋桨， 其附着力尚有待改进。

图14表面涂钛
Fig.14 The surface of titanium

4 提高加工精度
Ø 螺旋桨加工的不对称， 会引起流动不均匀， 也可以导致剥蚀， 因而必须提高加工精度， 尤其是在叶根部位， 特别是叶根导边附近， 如果稍有突肩， 就会引起局部剥蚀。

螺旋桨优化实例（潜艇用螺旋桨）
Ø 大侧斜七叶螺旋桨：直径往往较大，能获得同等转速下更高的动力输出，就相当于同等航速下减少转速，减少空化噪声产生。
Ø 复合材料螺旋桨：使用非传统的材料制造，通过减少螺旋桨空泡来达到降噪目的。
Ø 泵水推进螺旋桨，泵水推进螺旋桨目前正逐步代替大侧斜七叶螺旋桨。泵水螺旋桨能减少空蚀噪声。[15]
利用空泡减阻
空化产生气泡在对螺旋桨产生各种不利影响的同时，也有其有利的一面，目前利用超空泡技术可以实现对水下武器的减阻。[16]在船舶领域，利用超空泡或通气超空泡减阻正引起越来越多的重视。

参考文献
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