1、本次课主要教学内容本次课主要教学内容1 1、空泡的成因、空泡的成因船舶推进第六章船舶推进第六章 螺旋桨的空泡现象螺旋桨的空泡现象 2 2、螺旋桨的空泡现象及其对性能的影响、螺旋桨的空泡现象及其对性能的影响3 3、空泡校核、空泡校核4 4、螺旋桨强度的规范校核法、螺旋桨强度的规范校核法本次课主要教学要求本次课主要教学要求1 1、了解空泡的成因、空泡的种类及其特、了解空泡的成因、空泡的种类及其特点。点。这是本次课的一个教学难点。这是本次课的一个教学难点。船舶推进第六章船舶推进第六章 螺旋桨的空泡现象螺旋桨的空泡现象 2 2、理解理解螺旋桨的空泡现象及其对性能的影螺旋桨的空泡现象及其对性能的影响。响
2、。这是本次课的一个教学重点和难点。这是本次课的一个教学重点和难点。3 3、了解螺旋桨空泡校核方法。、了解螺旋桨空泡校核方法。4 4、掌握螺旋桨强度的规范校核法的基本、掌握螺旋桨强度的规范校核法的基本思想。思想。这是本次课的另一个教学重点。这是本次课的另一个教学重点。第六章第六章 螺旋桨的空泡现象螺旋桨的空泡现象一、船舶发展的两种趋势一、船舶发展的两种趋势1 1、军用船舶主机不断向高转速和大功率方向、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。船舶的螺旋桨上空泡往往在所难免。船舶推进第六章船舶
3、推进第六章 螺旋桨的空泡现象螺旋桨的空泡现象 2 2、船舶大型化和高速化。由于螺旋桨负荷不、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。往往伴有强烈的尾部振动。二、需要研究的课题二、需要研究的课题1 1、空泡的机理是什么？、空泡的机理是什么？船舶推进第六章船舶推进第六章 螺旋桨的空泡现象螺旋桨的空泡现象 2 2、空泡到底有没有尺度效应？、空泡到底有没有尺度效应？3 3、空泡为什么会产生剥蚀及其防止、空泡为什么会产生剥蚀及
4、其防止的对策？的对策？4 4、叶切面的空泡程度和性能究竟如、叶切面的空泡程度和性能究竟如何预测？何预测？船舶推进第六章船舶推进第六章 螺旋桨的空泡现象螺旋桨的空泡现象 6-1 6-1 空泡的成因空泡的成因一、空泡的定义一、空泡的定义 螺旋桨在水中工作时，浆叶的叶背压力降低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形成吸力面，若某处的压力降至临界值以下时，时，导致爆发式的汽化，水汽通过界面，进导致爆发式的汽化，水汽通过界面，进入气核并使之膨胀，形成气泡入气核并使之膨胀，形成气泡，称为空泡。，称为空泡。一般认为，压力的临界值即为该温度时水的一般认为，压力的临界值即
5、为该温度时水的汽化压力汽化压力PvPv（或称饱和蒸汽压力）。（或称饱和蒸汽压力）。船舶推进第六章船舶推进第六章 螺旋桨的空泡现象螺旋桨的空泡现象 二、减压系数二、减压系数 1 1、应用伯努利方程有、应用伯努利方程有船舶推进第六章船舶推进第六章 螺旋桨的空泡现象螺旋桨的空泡现象 2 2、产生空泡的条件、产生空泡的条件 表示压力增高表示压力增高 表示压力降低表示压力降低船舶推进第六章船舶推进第六章 螺旋桨的空泡现象螺旋桨的空泡现象 三、空泡数三、空泡数显然产生空泡的条件也可写成：显然产生空泡的条件也可写成：四、判断准则四、判断准则船舶推进第六章船舶推进第六章 螺旋桨的空泡现象螺旋桨的空泡现象 五、
6、影响减压系数的因素五、影响减压系数的因素减压系数只与该处的流速减压系数只与该处的流速与来流速度的比值有关。与来流速度的比值有关。故在绕流条件下，减压系故在绕流条件下，减压系数随数随切面形状切面形状、入射角入射角及及B B点的位置点的位置而变。而变。船舶推进第六章船舶推进第六章 螺旋桨的空泡现象螺旋桨的空泡现象 1 1、不同入射角时减压系数的分布曲线、不同入射角时减压系数的分布曲线船舶推进第六章船舶推进第六章 螺旋桨的空泡现象螺旋桨的空泡现象 船舶推进第六章船舶推进第六章 螺旋桨的空泡现象螺旋桨的空泡现象 2 2、不同切面形状的压力分布情况、不同切面形状的压力分布情况结论：结论：改变叶切面上减压
7、系数只能从改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。变叶切面形状和入射角入手。船舶推进第六章船舶推进第六章 螺旋桨的空泡现象螺旋桨的空泡现象 六、影响空泡数的因素六、影响空泡数的因素空泡数与来流速度、空泡数与来流速度、水的汽化压力及静压水的汽化压力及静压力有关，而与浆叶切力有关，而与浆叶切面几何特征无关。面几何特征无关。1 1、当、当 为一定值时，来流速度越大，则为一定值时，来流速度越大，则空泡数也越大。空泡数也越大。2 2、当、当 一定，水温越高，汽化压力一定，水温越高，汽化压力 越大，则空泡数越小。越大，则空泡数越小。船舶推进第六章船舶推进第六章 螺旋桨的空泡现象螺旋桨的空泡
8、现象 3 3、当、当 和和 为一定时，浆叶的沉没深度越为一定时，浆叶的沉没深度越大，则空泡数也越大。大，则空泡数也越大。4 4、当转速、当转速n n和进速和进速 较大，其合成速度较大，其合成速度 也大，则空泡数较小。也大，则空泡数较小。如果忽略诱导速度，则如果忽略诱导速度，则来流速度可表示为：来流速度可表示为：船舶推进第六章船舶推进第六章 螺旋桨的空泡现象螺旋桨的空泡现象 七、不发生空泡数的极限条件七、不发生空泡数的极限条件对于叶切面来说，最大减压系数越大者越易对于叶切面来说，最大减压系数越大者越易发生空泡；对空泡数来说，空泡数愈小愈发生空泡；对空泡数来说，空泡数愈小愈易易发生空泡。发生空泡。
9、物体做高速运动时，若速度超过极限物体做高速运动时，若速度超过极限 值值 ，则必然发生空泡现象。，则必然发生空泡现象。船舶推进第六章船舶推进第六章 螺旋桨的空泡现象螺旋桨的空泡现象 八、空泡的种类八、空泡的种类1 1、气化空泡：、气化空泡：是指原溶解于水中的气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。长到肉眼能看见的程度。气核：气核：研究表明，在液体中产生空泡是研究表明，在液体中产生空泡是因液体内本身存在某种因液体内本身存在某种“缺陷缺陷”或或“弱弱点点”所致，
10、这种所致，这种缺陷或弱点缺陷或弱点就是气核。就是气核。船舶推进第六章船舶推进第六章 螺旋桨的空泡现象螺旋桨的空泡现象 3 3、似是空泡：、似是空泡：是指原来以各种方式存在于水是指原来以各种方式存在于水中的中的气核气核，虽然没有任何水汽或气体逸入，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但当外界压力降低时，它本身也能膨胀到肉眼可见的程度。眼可见的程度。剥蚀现象：剥蚀现象：由于空泡溃灭，产生内爆，这种由于空泡溃灭，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。材料被反复剥蚀材料被剥蚀而损坏的现象。材料被反
11、复剥蚀后会形成后会形成多孔海绵状麻点多孔海绵状麻点。2 2、汽化空泡：、汽化空泡：是指液体分子因降压到所谓的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。界面，进入气核并使之膨胀。船舶推进第六章船舶推进第六章 螺旋桨的空泡现象螺旋桨的空泡现象 6-2 6-2 螺旋桨的空泡现象及其螺旋桨的空泡现象及其对性能的影响对性能的影响一、螺旋桨的空泡现象一、螺旋桨的空泡现象 1 1、涡空泡、涡空泡涡空泡发生在叶梢和毂部。浆叶随边出现的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自由涡片的不稳定
12、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。一临界压力时就产生空泡。船舶推进第六章船舶推进第六章 螺旋桨的空泡现象螺旋桨的空泡现象 2 2、泡状空泡、泡状空泡泡状空泡通常指在叶背上切面最大厚度处所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。产生的空泡，呈泡沫状。这时叶切面的攻角这时叶切面的攻角较小，导边没未出现负压峰。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，但对浆泡状空泡对螺旋桨的性能影响不大，但对浆叶材料有
13、剥蚀作用。叶材料有剥蚀作用。船舶推进第六章船舶推进第六章 螺旋桨的空泡现象螺旋桨的空泡现象 3 3、片状空泡、片状空泡片状空泡通常指在浆叶外半径部分导边附近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。最容易产生这类空泡。1 1）超空泡流动：）超空泡流动：若空泡从叶切面导边一直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。盖。影响螺旋桨性能而无剥蚀作用。2 2）局部空泡：）局部空泡：若空泡起源于导边而在到随若空泡起源于导边而
14、在到随边之前结束。对螺旋桨有剥蚀作用。边之前结束。对螺旋桨有剥蚀作用。船舶推进第六章船舶推进第六章 螺旋桨的空泡现象螺旋桨的空泡现象 二、空泡对螺旋桨性能的影响二、空泡对螺旋桨性能的影响第一阶段空泡第一阶段空泡对螺对螺旋桨的水动力性能旋桨的水动力性能不产生影响，但使不产生影响，但使叶面产生剥蚀。叶面产生剥蚀。第二阶段空泡第二阶段空泡对螺对螺旋桨的水动力性能旋桨的水动力性能产生影响，但对叶产生影响，但对叶面无剥蚀作用。面无剥蚀作用。船舶推进第六章船舶推进第六章 螺旋桨的空泡现象螺旋桨的空泡现象 三、延缓螺旋桨空泡发生的措施三、延缓螺旋桨空泡发生的措施1 1、从降低最大减压系数入手、从降低最大减压
15、系数入手1)1)减小叶根附近切面的螺距。减小叶根附近切面的螺距。单浆船在叶根单浆船在叶根部分的拌流较大，易产生空泡现象，故可将部分的拌流较大，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大减压系数值降低，并易保持相当的叶宽以免厚度过大。免厚度过大。船舶推进第六章船舶推进第六章 螺旋桨的空泡现象螺旋桨的空泡现象 2)2)采用弓形切面或压力分布较均匀的其它切采用弓形切面或压力分布较均匀的其它切面形式面形式，有利于延缓空泡的发生。，有利于延缓空泡的发生。船舶推进第六章船舶推进第六章 螺旋桨的空泡现象螺旋桨的空
16、泡现象 3)3)增加螺增加螺旋桨的盘旋桨的盘面比面比，以，以减低单位减低单位面积上的面积上的平均推力，平均推力，使叶背上使叶背上的减压系的减压系数降低数降低。船舶推进第六章船舶推进第六章 螺旋桨的空泡现象螺旋桨的空泡现象 2 2、从提高螺旋桨的空泡数入手、从提高螺旋桨的空泡数入手1)1)尽量增加螺旋桨的浸没深度。尽量增加螺旋桨的浸没深度。2)2)减小螺旋桨的转速，即尽可能选用低转速减小螺旋桨的转速，即尽可能选用低转速的主机。的主机。3)3)提高浆叶的加工精度。提高浆叶的加工精度。4)4)改善船尾部分的形状与正确安装浆轴位置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。可减
17、小斜流拌流不均匀性的影响等。船舶推进第六章船舶推进第六章 螺旋桨的空泡现象螺旋桨的空泡现象 对高速船，特别是高速军舰而言，往往螺旋对高速船，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：桨空泡在所难免。一般做如下处理：A A、允许浆叶上有部分空泡存在，在使用过、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。程中应根据其剥蚀情况予以调换。B B、速度再高时，干脆设法促使其在第二阶、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）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。螺旋桨的设计问题。3 3、其它措施、其它措施船舶推进第
18、六章船舶推进第六章 螺旋桨的空泡现象螺旋桨的空泡现象 6-3 6-3 空泡校核空泡校核一、空泡校核方法一、空泡校核方法 1 1、螺旋桨、螺旋桨模型空泡试验模型空泡试验或大量实船资或大量实船资料整理所得的料整理所得的图谱图谱。2 2、由统计数据归纳而成的、由统计数据归纳而成的近似公式近似公式进进行空泡校核。行空泡校核。船舶推进第六章船舶推进第六章 螺旋桨的空泡现象螺旋桨的空泡现象 二、校核注意事项二、校核注意事项 由于试验或近似公式往往仅限于某一类型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，否则难以获得正图谱
19、或公式的使用范围，否则难以获得正确的结果。确的结果。空泡校核的方法很多，目前螺旋桨图谱设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计中常用的界限方法-柏利尔界限线。柏利尔界限线。船舶推进第六章船舶推进第六章 螺旋桨的空泡现象螺旋桨的空泡现象 三、螺旋桨空泡校核建议三、螺旋桨空泡校核建议1 1、采用柏利尔的商船界限线、采用柏利尔的商船界限线船舶推进第六章船舶推进第六章 螺旋桨的空泡现象螺旋桨的空泡现象 船舶推进第六章船舶推进第六章 螺旋桨的空泡现象螺旋桨的空泡现象 2 2、对于大马力船舶，一般据瓦根宁根水、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池界限线所得出的展
20、开面积再加5%-10%5%-10%的裕度。的裕度。3 3、采用图、采用图6-226-22所示空泡界限线（此图由所示空泡界限线（此图由日本松尾幸一和矢崎敦生在日本松尾幸一和矢崎敦生在中小型船舶中小型船舶螺旋桨设计方法及参考图表集螺旋桨设计方法及参考图表集中提供，中提供，实际上是根据柏利尔的商船界限线整理而实际上是根据柏利尔的商船界限线整理而成的，但较清晰，便于应用成的，但较清晰，便于应用）。）。船舶推进第六章船舶推进第六章 螺旋桨的空泡现象螺旋桨的空泡现象 船舶推进第六章船舶推进第六章 螺旋桨的空泡现象螺旋桨的空泡现象 6-4 6-4 螺旋桨强度的螺旋桨强度的规范规范校核校核一、螺旋桨受力的复杂
21、性一、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螺旋桨在工作时作用在浆叶上的流体动力有力有轴向的推力轴向的推力及与及与转向相反的阻力转向相反的阻力，两者都使浆叶产生弯曲和扭转。此外浆两者都使浆叶产生弯曲和扭转。此外浆叶上也可能叶上也可能受到意外的突然载荷受到意外的突然载荷，同时，同时螺旋桨处于不均匀的尾流场中工作，使螺旋桨处于不均匀的尾流场中工作，使浆叶浆叶受力产生周期性变化受力产生周期性变化。船舶推进第六章船舶推进第六章 螺旋桨的空泡现象螺旋桨的空泡现象 二、校核强度的必要性二、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在设计螺旋桨时必须进行强度计算和确定浆叶的厚度
22、分布，以确保螺旋桨在正常工作时叶的厚度分布，以确保螺旋桨在正常工作时不致损坏或断裂。不致损坏或断裂。三、强度的计算方法三、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。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。法来进行螺旋桨的强度计算。船舶推进第六章船舶推进第六章 螺旋桨的空泡现象螺旋桨的空泡现象 四、四、规范规范校核法简介校核法简介为了保证螺旋桨的安全，为了保证螺旋桨的安全，中国船级社中国船级社20012001年年钢制海船入级与建造规范钢制海船入级与建造规范中，对中，对螺旋桨强度要求作了明确的规定。螺旋桨强度要求作了明确的规定。浆叶厚度校核：浆叶厚度校核：式中：式中：K为材料系数，为材料系数，Y为功率系数，为功率系数，X为转为转速系数。速系数。船舶推进第六章船舶推进第六章 螺旋桨的空泡现象螺旋桨的空泡现象 1、材料系数、材料系数K的获得的获得通过查表的方法查得。如下表所示。通过查表的方法查得。如下表所示。船舶推进第六章船舶推进第六章 螺旋桨的空泡现象螺旋桨的空泡现象 2、功率系数、功率系数Y的计算的计算船舶推进第六章船舶推进第六章 螺旋桨的空泡现象螺旋桨的空泡现象 3、转速系数、转速系数X的计算的计算
