螺旋桨空泡试验指导书.pdf

螺旋桨模型空泡试验指导书 一、试验目的和意义试验目的和意义 由于桨叶负荷过重以及船尾流场的不均匀而产生的螺旋桨空泡，是导致桨叶剥蚀损伤和船尾强烈振动的重要原因。避免螺旋桨空泡激振，已成为近代商船螺旋桨设计中必须考虑的一个重要因素。因此，对空泡的机理、尺度效应、预测方法及防止对策等问题的研究就显得日趋重要了。螺旋桨模型空泡试验是进行上述研究的一个重要手段。试验一般在空泡试验筒或减压水池中进行，螺旋桨模型的进流可以是均匀来流或模拟船尾伴流。通过本试验可以观察和测量桨叶上空泡的初生、消灭及空泡区域、体积随时间的变化情况，测量不同空泡数时螺旋桨模型的水动力性能等。本教学试验的目的是使学生对螺旋桨空泡现象有一个感性认识，并初步掌握螺旋桨模型空泡试验的方法。二、相似定律相似定律 用模型试验来研究螺旋桨的空泡现象时，除应满足敞水试验的相似条件外，还必须考虑空泡现象的模拟问题。表征空泡现象的系数是空泡数：20021Vppv=其中，sahpp+=0。若两几何相似的螺旋桨进速系数相等，则在实桨和桨模对应点处的速度成比例，各对应点处的减压系数：1)/(2120200=VVVppbb 必将一一对应相等。若能满足对应点空泡数相等，则各对应点处的减压系数与空泡数的关系保持一致，因而空泡现象得到了模拟。在未产生空泡时，两几何相似的螺旋桨只要满足进速系数相等的条件，便可通过伯努利方程推导出压力相似的条件。但在产生空泡以后，尚需满足空泡数相等的条件。综上所述，实桨和桨模空泡相似的条件为：mSJJ=ms=式中，下标 s 和 m分别代表实桨和桨模所对应的值。现进一步讨论满足上述相似条件时，实桨进速与桨模进速，以及实桨转速与桨模转速之间的关系。由进速系数相等的条件可以导出：1.smAsAmnnVV=其中msDD/=为模型的缩尺比。满足空泡数相等的条件为：20202121AssvssAmmvmmVppVpp=设sm=，则有 vssvmmAsAmppppVV=00 假设试验在敞露的水池中进行，且桨模的沉没深度与实桨相等，则smpp00=；在常温下进行试验时，vsvmpp=。此时，根据空泡数相等的条件有AsAmVV=，将此结果代入进速系数相等的条件，则有.smnn=。也就是说，若在敞露的水池中进行空泡试验，则要求拖车的速度与实桨的进速相等，而桨模的转速应为实桨的倍。此外，桨模的沉没深度尚需与实桨相同。这些条件实际上是难以实现的。因此，有必要采用某种特殊的装置来进行螺旋桨模型的空泡试验，例如空泡试验筒或减压水池。在空泡试验筒中，可以通过调压装置来调节静压力mp0，有时也可改变水的温度来调节汽化压力vmp。因此在空泡试验筒中进行试验时是依靠调节压力而满足空泡数相等的条件。以下将对空泡试验筒中的空泡试验方法作简要介绍。三、空泡试验筒简介空泡试验筒简介 由于桨模的进速AmV总是小于实桨的进速AsV，故要求sm=可能的途径是减小)(0vmmpp。一般借助调压装置来调节静压力mp0，空泡试验筒就是为此目的而建造的试验设备。空泡试验筒（简称空泡水筒）的筒体由密封的管子构成，图 1 为上海交通大学的空泡水筒结构简图。图中之水由底部的水泵驱动使之循环不息，在筒内各转角处设有导流片，以避免水流在转弯时产生漩涡。试验工作段之前装有整流格栅及收缩管，使水流进入工作段时均匀稳定且具有较高的速度。水流速度由装于试验工作段略前处之水流测速仪（如 U 刑管或水银差压计等）量得。调压箱（或称空气箱）与压力调节器相连接，借抽气泵以调节水筒内得压力。螺旋桨模型由电动机带动，模型的推力和转距由推力仪和转距仪分别量得。在工作段两侧开有观察窗，可借频闪仪观察空泡发生的情况。当频闪仪的闪光频率与模型的转数相等时，所见到的螺旋桨模型及其附近水流情况好像处于静止状态。利用现代高速摄影机在观察窗前摄制照片，可以从照片中详细观察和研究桨叶上空泡发生、扩展和压缩的全部过程。空泡水筒都是垂直放置的，且循环水泵置于底部，目的在于加大循环水泵处的静水压头，避免工作时在水泵叶片上产生空泡。四、试验方法及测量数据的处理试验方法及测量数据的处理 在空泡水筒中进行螺旋桨模型试验时，常保持筒内水流速度（即螺旋桨进速）不变，调节转速以得到不同的进速系数，因而无法得到进速系数0=J及其附近的数据。用空气箱压力调节器调节模型处的压力，以获得所需的空泡数。通常将模型分别在不同的空泡数及大气压力情况下（相当于敞水情况）进行试验，以便分析空泡对于螺旋桨性能的影响。试验测量项目有：1)来流速度即进速AV(m/sec)；2)螺旋桨模型的转速 n（rps）；3)螺旋桨推力 T（kgf）；4)螺旋桨转距 Q（kgf.m）；5)桨轴处的静压力 p0（kgf/m2）；6)水的温度 t（C0）。由试验时的水温可以查出水的密度以及汽化压力 pv，用以计算空泡数。根据测量的结果，可以绘制进速 VA一定时不同空泡数下的螺旋桨推力 T，转距 Q 与转速 n 的关系曲线，如图 2 所示。进一步将测量所得的数据折算成无因次的进速系数 J、推力系数 KT、转距系数 KQ及效率0，据此可以绘制不同空泡数时螺旋桨的性征曲线，如图 3 所示。五、试验要求试验要求 本试验课是同学进一步从感性上认识空泡现象，巩固和加深理解书本知识，并了解空泡试验的方法和过程的极好机会。希望同学在试验中仔细观察空泡现象，认真记录试验数据，并做好试验报告。螺旋桨空泡试验性征计算表 螺旋桨编号 水的密度 饱和蒸汽压（毫巴）e 桨径 D（米）扭矩计算式38.0107015.005=MNQM字 扭矩修正值 M0 桨叶数 推力计算式）（字12hh02.03.0+=TT,12hh 水银测压管测得之筒试验段轴线处压力与大气压差（汞柱高）。筒体水温Ct0 空泡数：0120)()(81.0Hhhep=，=1.004(桨前)；0.978（桨盘）大气压（毫巴）Pa （1）（2）（3）（4）（5）（6）（7）（8）（9）序 号 测定水速)sec(mvp 进速系数 nDvpP=测得推力 mesT 推力系数 42DnTKT=测得扭矩 mecM 扭矩系数 52DnMKQ=附件（导管、舵等）力测定值 附 件 力系数 空泡数 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 年 月 日