空化螺旋槳

空化螺旋槳亦稱為空泡螺旋槳（cavitating propeller），是一種設計在部分螺旋槳葉背為空泡所籠罩的條件下正常工作的螺旋槳。在高速艦船上的螺旋槳因空化數太低而難以避免空化；在不均勻程度較嚴重的伴流場中工作的螺旋槳，因伴流變化太大也難以完全避免空化。採用空化螺旋槳只允許葉背有部分空泡，其空泡範圍不致影響螺旋槳的推力和轉矩。空化引起的空蝕，則在使用過程中視材料空蝕損傷情況調換螺旋槳。

基本介紹

• 中文名：空化螺旋槳
• 外文名：cavitating propeller
• 別稱：空泡螺旋槳
• 特點：工作時部分葉背有空泡產生
• 一級學科：船舶工程
• 二級學科：船舶術語

空泡現象

水翼船的一個優勢是具有較高的航速，但是在過高的速度下，水翼將產生空泡，空泡會使水翼的流體動力性能惡化，所以在設計中必須考慮空泡對水翼船性能的影響，對空泡進行校驗，避免空泡的產生。

空泡的影響

水翼在水中運動時，其表面壓力發生變化，當水翼低壓區的壓力降低到臨界值以下時，水開始汽化，產生空泡。一般認為，壓力的l臨界值即為該溫度時水的汽化壓力(或稱飽和蒸汽壓力)。

空泡發展過程分為三個階段。在空泡的第一階段，空泡區域是局部的，空泡在低壓區形成，進入高壓區以後，在水翼隨邊前面的表面處潰滅，對水翼的升力和阻力沒有明顯影響，但對水翼表面產生剝蝕。在空泡第二階段，水翼上表面形成為一個很大的空泡腔，空泡在水翼的後方潰滅，對水翼表面不產生剝蝕作用，但使水翼的升力和阻力都下降。在空泡第三階段，空泡腔覆蓋了整個水翼，這時水翼的上表面全部被氣泡覆蓋，這種狀態也稱為全空泡狀態。此狀態下，由於濕面積減少，水翼升力和阻力均大幅下降。

水翼空泡的校驗

檢驗空泡是否發生的標準就是翼背壓力最低點是否達到該溫度時的飽和蒸汽壓，即p_min≤p_d。

用無因次表示壓降係數為

令產生空泡時的壓力為p_d，則定義空泡數

這時空泡產生的條件為

只要最大壓降係數大於等於空泡數，則水翼翼背就會產生空泡。

圖1

在設計水翼船時，可以通過空泡斗曲線得到不產生空泡的水翼工作區域。空泡斗曲線可以通過理論計算或試驗得到，根據不同的設計需求其形式多樣。有的顯示水翼在 時所對應的水翼攻角和空泡數之間的關係曲線(圖1(a))，有的通過水翼升力係數與航速之間的關係曲線來顯示空泡界線(圖1(b))。水翼船在空泡斗曲線邊界線以內航行才能避免空化，在設計水翼時，需要加上一定的安全裕量。

空泡螺旋槳計算的理論基礎

B．M．拉符倫基耶夫曾假設

人們都知道，理想推進器理論使我們可以根據流體力學的一般定理確立誘導速度、推進器效率和推進器負荷係數之間的關係。如果作一假設，該假設反映了有空泡現象時推進器工作區域中的水流特點，就可以得到空泡推進器的類似的關係式。這些特點中的基本點是產生了空泡，它破壞了水流的連續性，並且增加了水流在葉片區域中的軸向速度。為了近似地反映這個特點，曾經設定了幾個在空泡推進器區域中的簡化了的水流流動圖形。比如說B．M．拉符倫基耶夫曾假設，在空泡螺旋槳區有一與無窮遠處水流垂直的平面，該平面上的壓力是飽和水蒸汽的壓力。這時利用伯努利方程可以得到空泡推進器近前方的臨界流速

現在我們來研究兩個等推力推進器，其中一個是有空泡現象發生的，而另一個是沒有空泡現象發生。由下式確定上述推進器中每一個的推力值

式中：m——流經推進器流管的任意截面的液體質量。

可以按下式確定m的數值

對於無空泡現象的螺旋槳，v由下列二項式表示

如果螺旋槳產生空泡現象，這個數值不應該大於按公式(1)所確定的v值。可能有這樣的情況，即

在這種情況下，流經無空泡現象的推進器盤面的液體質量將是

與此同時，流經有空泡影響之推進器盤面的液體質量將由下式表示

顯然，如果

則

這樣一來，就可以得出結論，等推力空泡推進器的誘導速度應該大於無空泡現象的推進器的誘導速度。因此空泡推進器的效率降低了。

B．M．拉符倫基耶夫曾經給出確定理想空泡推進器效率上界的關係式

巴甫米爾方法

巴甫米爾首先擬定了空泡螺旋槳計算的實用方法。按照這個方法，以下列方式驗算處於空泡現象第二階段的螺旋槳。首先假定螺旋槳上無空泡現象發生，並完成無空泡螺旋槳的驗算。這種計算的結果確定了無空泡現象螺旋槳的推力係數與進速係數的關係。繼而引進關於在固定的進速係數下，葉元體中的每一攻角不依賴空泡現象的發展，而保持常量的假設。此時螺旋槳的誘導速度也不依賴於螺旋槳是否發生空泡現象。上述假設使我們可以認為，葉元體的升力係數與單位推力係數之比是一個常量。

這個條件使巴甫米爾確立了在任意空泡數時的推力降低係數與對應於空泡現象極端發展時的推力降低係數間的關係。用下式表示這種關係

式中： ——空泡螺旋槳的推力降低係數；

——對應於空泡極端發展時的推力降低係數；

——臨界空泡數。

巴甫米爾建議用下面的經驗公式來確定計算所必須的數值 ，該公式是在分析整理空泡翼型風洞試驗數據的基礎上得到的。

實踐表明，對螺旋槳的工況有 >0，因而，所研究的計算方法使得甚至當空泡數等於零時，螺旋槳的推力也是正的。

巴甫米爾認為葉元體的攻角不依賴空泡現象的發展，而是常量的假設，使得他所建議的這個計算方法不夠嚴密。

空泡螺旋槳驗算程式

下面給出了按巴甫米爾方法進行空泡螺旋槳驗算的程式。

假設已知無空泡螺旋槳的關係式 和 。給螺旋槳等值半徑R_e(假設在這個半徑上的螺旋槳特性與整個螺旋槳的特性相同)確定升力係數的概略數值

確定 、 的近似值

為了繼續計算，必須給出空泡數x，然後按下式計算臨界空泡數

式中

確定表征升力係數降低的係數

然後再確定推力係數

巴甫米爾建議採用下面的經驗公式確定表征在發生空泡現象時’的力矩係數降低的係數

H．H．波良霍夫研究

後來，H．H．波良霍夫依據空泡區在離空泡螺旋槳葉片有限距離上就閉合的條件，研究了套用於空泡螺旋槳力學的一般理論。在這裡利用了動量守恆原理和動能定理，他得到了螺旋槳理論的普通公式

研究這些公式，我們可以得出結論，不管是對於空泡螺旋槳，還是對於無空泡螺旋槳，總可以給它找到那樣一個直線形渦線的支承系統，這個系統所形成的自由渦系與螺旋槳形成的自由渦系一樣，並且給出與螺旋槳一樣的拉力和功率數值。

然後，H．H．波良霍夫在公式(12)和(13)的基礎上作出結論，既然空泡螺旋槳和無空泡螺旋槳在相同的幾何攻角下，其葉元體的升力係數不同，那么這些螺旋槳的誘導速度也將是互不相同的。

實際上，H．H．波良霍夫建議在設計空泡螺旋槳時，使用無空泡螺旋槳的一般關係式，只是應該注意到，在計算里必須引進空泡翼型的C_x和C_y的數值。