螺旋槳空泡與脈動壓力及振動特性研究

陸 芳，陸林章，龐業(yè)珍，顧湘男

（1.中國船舶科學(xué)研究中心船舶振動噪聲重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇無錫214082；2.江蘇省綠色船舶技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇無錫214082）

0 引 言

空泡通常發(fā)生在艦船的推進(jìn)器、減搖鰭、支架和測速儀的表面，其中螺旋槳最容易產(chǎn)生空泡。對于軍用艦艇，空泡引起的水下噪聲一方面降低了自身的隱蔽性，另一方面也降低了自身聲吶系統(tǒng)的工作性能；對于商用船舶，空泡引起的噪聲、振動和剝蝕等，一方面會影響船舶的運(yùn)行性能，另一方面也會影響海洋環(huán)境、海洋生物等[1]。

Friesch 等[2]研究了螺旋槳梢渦空泡引起的寬帶噪聲與高階脈動壓力之間的關(guān)系。Konno 等[3]研究了螺旋槳梢渦空泡猝發(fā)現(xiàn)象的機(jī)理。Bosschers[4]研究了梢渦空泡引起寬帶譜噪聲的機(jī)理等。但由于梢渦空泡非常復(fù)雜，目前對于梢渦空泡的發(fā)展機(jī)理特別是猝發(fā)（bursting）機(jī)理等在理論上很難用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行描述，同時(shí)對寬帶譜噪聲產(chǎn)生的機(jī)理尚不完全清楚。本文分析了3 600 箱集裝箱船實(shí)船測量的梢渦空泡猝發(fā)與脈動壓力及振動特性之間的關(guān)系，獲得梢渦空泡猝發(fā)誘發(fā)船體振動的高階量及寬帶譜特性。這有利于今后進(jìn)行梢渦空泡猝發(fā)特性的研究以及對噪聲特性、船體振動特性的研究。

1 實(shí)船參數(shù)和測量方法

1.1 實(shí)船主要參數(shù)

試驗(yàn)于2013 年6 月在一艘從歐洲（德國漢堡）到南美洲（巴拿馬）大西洋航線的3 600 箱集裝箱船上進(jìn)行，大西洋水質(zhì)清澈、陽光充足，適合進(jìn)行螺旋槳的實(shí)船空泡觀測測量。表1 為船體和螺旋槳的主要特性參數(shù)。

圖1 實(shí)船空泡觀測系統(tǒng)示意圖Fig.1 Test set-up for cavitation observation

1.2 實(shí)船空泡測試

進(jìn)行實(shí)船螺旋槳的空泡觀測和研究有利于建立模型試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)船結(jié)果的相關(guān)關(guān)系，減少根據(jù)模型試驗(yàn)預(yù)報(bào)實(shí)船性能時(shí)空泡“尺度效應(yīng)”的影響。上世紀(jì)70 年代開始，在進(jìn)行空泡及空泡噪聲、空泡剝蝕和空泡振動的研究過程中，為了提高對艦船空泡性能的認(rèn)識以及對空泡與噪聲、剝蝕和振動等的相關(guān)性研究，不斷提高根據(jù)試驗(yàn)預(yù)報(bào)實(shí)船螺旋槳空泡性能的可靠性和正確性，歐美各艦船研究所[5]在與船廠、船東以及船級社的合作下不時(shí)地進(jìn)行實(shí)船螺旋槳的空泡觀測試驗(yàn)研究；隨著造船業(yè)在亞洲的發(fā)展，韓國KRISO 及日本等國[6]的研究所也進(jìn)行了實(shí)船的相關(guān)研究。最初，利用普通照相機(jī)或普通攝像機(jī)進(jìn)行螺旋槳和舵等空泡的記錄和觀測，這種方法周期比較長、成本也比較高，船舶需要進(jìn)塢才能進(jìn)行空泡觀測孔的布置。進(jìn)入21 世紀(jì)，隨著數(shù)碼技術(shù)以及光學(xué)技術(shù)的發(fā)展，可以利用直徑僅為十幾毫米的內(nèi)窺鏡進(jìn)行觀測，還可利用高速攝像機(jī)記錄空泡形態(tài)的變化，空泡觀測孔甚至可以在船舶運(yùn)行過程中進(jìn)行布置，實(shí)船螺旋槳空泡觀測技術(shù)得到了進(jìn)一步的改進(jìn)和發(fā)展。

為了能夠得到與國際水平相當(dāng)?shù)膶?shí)船試驗(yàn)結(jié)果，中國船舶科學(xué)研究中心（CSSRC）采用與國外當(dāng)代水平相當(dāng)?shù)脑囼?yàn)設(shè)備，即內(nèi)窺鏡與高速攝像機(jī)相結(jié)合的方式進(jìn)行實(shí)船空泡觀測和記錄，這種方法具有安裝簡便、使用方便的優(yōu)點(diǎn)。內(nèi)窺鏡安裝于螺旋槳上方的船體艉部，具有圖像增強(qiáng)功能的高速攝像機(jī)與內(nèi)窺鏡連接圖像記錄和處理系統(tǒng)進(jìn)行螺旋槳空泡觀測。圖1為觀測系統(tǒng)示意圖，圖像采集幀率為1 000 f/s。

圖2 空泡觀測孔和脈動壓力測量位置示意圖Fig.2 Test arrangement for cavitation observation and pressure fluctuation measurement

1.3 脈動壓力和振動測量

在進(jìn)行空泡觀測的同時(shí)，還進(jìn)行螺旋槳空泡誘導(dǎo)的船體脈動壓力以及船體振動測量。為使空泡觀測孔與脈動壓力測量孔可以相互使用，在船體尾部螺旋槳上方開了7 個(gè)直徑為14 mm 的孔，相鄰兩孔之間距離為0.15D（D 為螺旋槳直徑），具體布置如圖2 所示。振動加速度傳感器則安裝在脈動壓力傳感器測量位置臨近處，圖3 為脈動壓力傳感器和振動加速度傳感器安裝示意圖。

圖3 脈動壓力和振動傳感器安裝示意圖Fig.3 Set-up of transducers

2 螺旋槳空泡特性

通過用不同觀測角的內(nèi)窺鏡在不同觀測位置的圖像比較，選擇在No.6和No.7位置用不同觀測角（0°和45°）的內(nèi)窺鏡觀測螺旋槳槳葉片空泡以及梢渦空泡，通過高速攝像（1 000 f/s）記錄槳葉空泡的變化形態(tài)。試驗(yàn)在螺旋槳轉(zhuǎn)速為64 r/min、80 r/min 和95 r/min 的工況下測量（分別對應(yīng)航速14.5 kn、18 kn 和21.5 kn）。圖4 為不同工況下槳葉片空泡的空泡形態(tài)圖。圖4（a）顯示轉(zhuǎn)速為64 r/min 時(shí)，槳葉片空泡沒有出現(xiàn)；圖4（b）顯示轉(zhuǎn)速為80 r/min 時(shí)槳葉片空泡出現(xiàn)在0.85R 到梢部，0.9R 半徑位置片空泡在導(dǎo)邊到1/5 弦長區(qū)域；圖4（c）顯示轉(zhuǎn)速為95 r/min 時(shí)槳葉片空泡出現(xiàn)在0.78R 到梢部，0.9R 半徑位置片空泡在導(dǎo)邊到4/5弦長區(qū)域；隨著轉(zhuǎn)速的增加槳葉片空泡區(qū)域增加。圖5為不同工況下槳葉梢渦空泡猝發(fā)的空泡圖，隨著轉(zhuǎn)速的增加槳葉梢渦空泡的強(qiáng)度增強(qiáng)、猝發(fā)烈度增加。

圖4 槳葉片空泡Fig.4 Sheet cavitation on propeller blade

圖5 螺旋槳梢渦空泡猝發(fā)Fig.5 Bursting of tip vortex cavitation

3 脈動壓力和振動特性

圖6-8分別為轉(zhuǎn)速64 r/min、80 r/min和95 r/min工況下的脈動壓力和振動加速度測量結(jié)果。轉(zhuǎn)速為64 r/min 時(shí)（圖6），螺旋槳槳葉葉背片空泡尚未產(chǎn)生，脈動壓力主要由于槳葉運(yùn)動而產(chǎn)生，幅值很小（一階葉頻幅值小于0.5 kPa）。由于梢渦空泡誘導(dǎo)的脈動壓力二階葉頻量的特征也明顯（達(dá)到一階葉頻的2/3)。由梢渦空泡猝發(fā)誘發(fā)的脈動壓力寬帶譜特性也明顯，振動加速度則明顯表現(xiàn)出高階的寬帶譜特性。轉(zhuǎn)速為80 r/min（圖7），槳葉片空泡使得空泡誘導(dǎo)脈動壓力的一階葉頻量明顯增加（1 kPa），梢渦空泡強(qiáng)度增強(qiáng)、猝發(fā)強(qiáng)度增加引起脈動壓力的二階葉頻及更高階葉頻（四階、五階）的幅值明顯增加；梢渦空泡和梢渦空泡猝發(fā)引起的船體振動具有明顯的葉頻高階量特性以及寬帶譜特性。轉(zhuǎn)速為95 r/min 時(shí)（圖8），槳葉片空泡區(qū)域的進(jìn)一步增加使得空泡誘導(dǎo)脈動壓力的一階葉頻量明顯增加（2.5 kPa），梢渦空泡強(qiáng)度增強(qiáng)、猝發(fā)強(qiáng)度增加引起脈動壓力的二階葉頻及更高階葉頻（三階、四階）的幅值明顯增加；梢渦空泡和梢渦空泡猝發(fā)引起的船體振動具有明顯的葉頻高階量（二階、三階、四階）特性，寬帶譜特性不再明顯。

圖6 脈動壓力和振動加速度（轉(zhuǎn)速=64 r/min）Fig.6 Pressure fluctuation and vibration acceleration(rotation speed is 64 r/min)

圖7 脈動壓力和振動加速度（轉(zhuǎn)速=80 r/min）Fig.7 Pressure fluctuation and vibration acceleration(rotation speed is 80 r/min)

圖8 脈動壓力和振動加速度（轉(zhuǎn)速=95r/min）Fig.8 Pressure fluctuation and vibration acceleration(rotation speed is 95 r/min)

4 結(jié) 論

為了盡快彌補(bǔ)在實(shí)船空泡研究方面的空缺，我們開發(fā)了實(shí)船螺旋槳空泡測試技術(shù)并在實(shí)船上得到了成功應(yīng)用。在國內(nèi)首次建立了螺旋槳實(shí)船空泡觀測方法，使用該方法可以清楚地觀測和記錄螺旋槳槳葉空泡的形態(tài)和變化過程，為螺旋槳空泡特性以及由空泡引起的諸如噪聲、振動、剝蝕等特性的研究提供了相應(yīng)的手段。

通過對螺旋槳槳葉片空泡、梢渦空泡發(fā)展以及梢渦空泡猝發(fā)特性與船體空泡誘導(dǎo)的脈動壓力、船體振動等特性的分析和研究可以得到以下結(jié)論：

（1）當(dāng)螺旋槳槳葉片空泡沒有使脈動壓力一階葉頻量明顯增大時(shí)螺旋槳梢渦空泡猝發(fā)會引起船體振動的寬帶譜表現(xiàn)明顯；

（2）螺旋槳空泡引起的船體振動主要表現(xiàn)在二階葉頻以上的頻段，甚至到五階葉頻以上，主要由螺旋槳梢渦空泡以及梢渦空泡的猝發(fā)引起；

（3）隨著螺旋槳轉(zhuǎn)速增加，槳葉片空泡增加，梢渦空泡強(qiáng)度增強(qiáng)，梢渦空泡猝發(fā)更為強(qiáng)烈，脈動壓力高階量增加，并誘發(fā)船體振動高階量增強(qiáng)，這時(shí)會引起船體的劇烈振動。