微顆粒影響螺旋槳噪聲及空蝕損傷試驗研究

邢維升，解學參，姜治芳，陳大融

1 海軍駐大連船舶重工集團有限公司軍事代表室，遼寧大連116005

2 中國艦船研究設計中心，湖北武漢430064

3 清華大學摩擦學國家重點實驗室，北京100084

0 引 言

對工作于水中的船舶螺旋槳，當某處的壓力降至水的汽化壓力以下時，將產生空泡并有可能引起槳葉剝蝕，同時導致噪聲的劇烈增加［1-2］，但上述理論并沒有考慮水中微顆粒對螺旋槳噪聲的影響。不少學者對微顆粒與空蝕發(fā)生的關系進行了相關研究，結果表明微顆粒對空蝕發(fā)生及空蝕程度有重要影響。顏大運等［3-7］的數(shù)值分析及試驗結果表明，微顆粒在空蝕過程中發(fā)揮了不可或缺的作用，微顆粒尺度對材料表面空蝕坑的數(shù)目有直接影響。廖庭庭等［8］從渦與泥沙粒徑的影響關系及空化和空蝕的2 種機械破壞模式、空蝕和磨損的形態(tài)特征等方面入手，分析了空蝕破壞機理，探討了泥沙粒徑對空化空蝕的影響。葛晗等［9］對空蝕噪聲信號進行時、頻域的分析，表征出了黃銅在振動空蝕各階段的頻譜特征。目前，進行螺旋槳噪聲試驗時的水質與螺旋槳實際運行時的水質存在差異，該差異可能會影響模型槳噪聲，進而影響實船螺旋槳噪聲預報，但目前對該影響還未開展相關研究。

本文將采用振動噪聲試驗裝置及旋轉圓盤試驗裝置進行不同水質的銅試樣噪聲及空蝕試驗，驗證微顆粒對空蝕及噪聲的重要影響。并以此為基礎，在循環(huán)水槽中開展實船工況下過濾水及添加微顆粒水中螺旋槳噪聲的對比試驗，驗證不同工況下微顆粒對螺旋槳噪聲的影響，以為后續(xù)螺旋槳試驗方法及實船換算提供有益的探索。

1 水質檢測

我國主要河流及沿海、近海水域都含有大量由微顆粒與絮狀物組成的泥沙，遠離海岸的遠海海水中泥沙含量較少，如圖1 所示。

圖1 衛(wèi)星遙感圖Fig.1 Remote-sensing image of satellite

據(jù)文獻［10］報道，以含量表示的不同水質中泥沙等微顆粒的含量如下：

自來水 0.001%

江河水 0.019%～0.032%

海 水 0.075%～0.15%

為便于清晰地觀測試驗，對空泡水筒及循環(huán)水槽的試驗用水均進行了過濾，濾器網(wǎng)格的尺度約為0.4 μm。為了分析目前試驗介質中微顆粒的含量，分別將自來水和0.4 μm 的過濾水滴于玻璃片上烘干，然后通過電子掃描顯微鏡進行觀察與測量（圖2）。結果表明，過濾后水介質中的微顆粒含量大大降低，0.4 μm以上的所有大顆粒均得到了有效過濾，因此過濾水的微顆粒含量與實際自然水質相比差別較大，會對試驗結果產生一定的影響。

圖2 不同水質中的微顆粒Fig.2 Microparticles in different water

2 試驗設施及方法

2.1 振動空蝕噪聲測量試驗

振動空蝕噪聲測量裝置（圖3）利用超聲波產生的壓力脈沖來使水體振動而產生壓降，水體空化后會產生微空泡，在壓力場下潰滅并形成微射流攻擊試樣，從而產生空蝕噪聲。

圖3 振動空蝕試驗裝置Fig.3 Vibrating cavitation erosion experimental device

噪聲測量采用B&K 公司的8103 型水聽器。該水聽器的結構完全水密，經單獨校準，可以保證在很寬的頻率范圍內具有平坦的頻率響應且無指向性，適于水下噪聲測量，具體如圖4 所示。

圖4 水聽器結構及主要性能Fig.4 Configuration and performance of hydrophone

2.2 旋轉圓盤試驗

旋轉圓盤空蝕試驗裝置是模擬水輪機與螺旋槳葉片空蝕過程的通用試驗裝置，由試驗部分、冷卻部分和動力部分組成，如圖5所示。

圖5 旋轉圓盤結構示意圖Fig.5 Schematic diagram of rotating disk structure

其中，試驗部分是容積30 L 的不銹鋼容器，容器壁中空，壁中加入了冷卻用去離子水。冷卻部分由制冷機和冷卻管路組成，兩者連接構成冷卻循環(huán)回路，以對試驗容器壁中的去離子水進行制冷。動力部分由電機驅動，并帶動轉軸上的圓盤旋轉，在圓盤上距軸心特定距離處有貫穿圓盤厚度的擾流孔。當圓盤于水中高速旋轉時，擾流孔后會產生尾流空化，空化產生的空泡在試樣表面潰滅時將對試樣造成空蝕破壞。試樣用螺釘緊固在圓盤上對稱的兩個凹槽中，沿圓盤轉動方向布置于各擾流孔的后部適當位置。

試驗時，先將試樣于丙酮中超聲清洗5 min，然后將試樣對稱放置于圓盤的凹槽中并用螺釘緊固。各項工作準備完畢后，關上試驗容器蓋，啟動冷水機，為容器冷卻降溫。檢查并調整好整個試驗裝置，啟動電動機，轉速設定為2 000 r/min，試驗時間為50 h，試驗時容器內的溫度為28 ℃。

2.3 大型循環(huán)水槽噪聲對比試驗

不同水質中螺旋槳模型的噪聲試驗在某研究所的大型循環(huán)水槽中進行。循環(huán)水槽的工作段截面為切角矩形，長10.5 m，寬2.2 m，高2 m，截面積4.28 m2。工作段水速的調節(jié)范圍為1.0～15.0 m/s，試驗段中心的壓力調節(jié)范圍為0.005～0.4 MPa。循環(huán)水槽下方有測聲艙，長9.5 m，寬2.2 m，高2.0 m，四壁采用吸聲尖劈進行消聲處理。采用單水聽器進行噪聲測量，循環(huán)水槽的試驗工作段及水聲艙分別如圖6 和圖7 所示。

圖6 大型循環(huán)水槽試驗段Fig.6 Test section of circulating water tunnel

圖7 水聲艙Fig.7 Underwater acoustic cabin

按照圖紙加工主船體、附體及螺旋槳模型，以保證幾何相似。將船—槳模型整體吊裝至循環(huán)水槽中后，先完成船后螺旋槳的水動力性能測試，試驗中，按模型槳和實槳的轉速空泡數(shù)相等進行測試，試驗的進速系數(shù)根據(jù)船后螺旋槳的水動力以等推力系數(shù)kT確定。

試驗時，水聽器位于螺旋槳模型等效中心的正下方。進行噪聲測試時，為盡量降低背景噪聲，螺旋槳模型直接采用一根長軸連接電機驅動。在測量螺旋槳模型噪聲之前，為檢測測量結果的有效性，需首先測量背景噪聲。測量背景噪聲時，用假轂代替螺旋槳模型，并將各個工況對應狀態(tài)下的測量噪聲作為背景噪聲。

2.4 水質模擬

試驗時，自來水直接取用，過濾水取自循環(huán)水槽中經過濾器的水，去離子水則通過蒸餾法獲得，為不含任何微顆粒的水。對自然界河水的模擬，主要是通過在水中添加SiO2顆粒來實現(xiàn)，添加后，水中含微顆粒的質量分數(shù)為10×10-6。為了使粒子混合均勻，在試驗水中加入了活性劑十二烷基硫酸鈉（SDS），加入量為50 mg/L，然后采用超聲法將粒子和活性劑混入水槽試驗水中。而模擬海水則是通過在水中添加NaCl 溶液來實現(xiàn)。

3 試驗結果分析

3.1 振動空蝕噪聲測量試驗

進行銅合金試樣在不同介質中的振動空蝕噪聲測量，以驗證微顆粒對噪聲的影響。為降低試驗數(shù)據(jù)測量誤差，每組試驗進行40 次測量，然后按照算術平均值計算噪聲水平，結果如表1 和圖8所示。

表1 振動空蝕試驗的總聲級差異Tab.1 Difference of overall Sound Pressure Level（SPL）in vibrating cavitation erosion experiment

圖8 不同水質中噪聲譜級對比Fig.8 Comparison of SPL in different water

噪聲測量數(shù)據(jù)表明：試樣在基本不含微顆粒的去離子水中噪聲最低；由于過濾后微顆粒的尺度較小且含量減少，因此過濾水中的噪聲與去離子水中噪聲的差別較小；而在自來水、模擬自然水和模擬海水中，噪聲則是逐漸增加，表明了微顆粒在噪聲發(fā)生中的重要性。模擬淡水與模擬海水中噪聲的差別較大則表明海水中的Cl 離子對噪聲有較大影響，這主要是由于淡水中的金屬材料與微顆粒電位相反，使得微顆粒更趨近金屬表面，而海水中因Cl 離子的加入，使得金屬材料的電位更低，該電位差變大，金屬對微顆粒的吸附更明顯，致使其周圍顆粒數(shù)量增加，隨之參與沖擊金屬表面的微顆粒也增加，因此噪聲提高。

3.2 旋轉圓盤試驗

旋轉圓盤試驗的銅合金試樣如圖9所示。

圖9 旋轉圓盤試樣Fig.9 Sample of rotating disk

不同水質中的試樣噪聲對比如表2 所示。不同水質中的總聲級變化趨勢與振動噪聲試驗一致，進一步驗證了微顆粒對噪聲的影響。

表2 旋轉圓盤試驗的總聲級差異Tab.2 Difference of overall SPL in rotating disk experiment

為檢驗微顆粒對空蝕的影響，試驗完畢后，先用去離子水清洗實驗容器，取下試樣，然后再用丙酮超聲清洗5 min 并干燥存放。最后，用電子天平對比其質量變化，用掃描電子顯微鏡SEM 觀測試樣表面的形貌。

不同水質中的試件失重如圖10 所示，可以看出自來水中的試樣失重比過濾水中的多，表明微顆粒的含量對空蝕有較大影響，微顆粒含量越高，空蝕破壞更嚴重。該結論可以從圖11 所示的2 種水質試樣表明的空蝕破壞中得到驗證，從中可看出自來水中試樣表面空蝕坑的面積及尺度均大于過濾水中的。

圖10 試樣在不同水質中的失重Fig.10 Loss of weight with sample in different water

圖11 空蝕破壞對比Fig.11 Comparison of cavitation erosion damage

3.3 大型循環(huán)水槽噪聲對比試驗

為有效驗證微顆粒對螺旋槳噪聲的影響，以某船為例開展了循環(huán)水槽試驗，該船裝有2 只五葉螺旋槳。試驗用船模采用加強骨架玻璃鋼制作，螺旋槳模型采用銅合金制作，直徑為0.24 m。分別在過濾水及模擬河水中進行了5 個航速下的螺旋槳噪聲測量，該工況涵蓋了無空泡狀態(tài)及空泡充分發(fā)展狀態(tài)。

循環(huán)水槽中，螺旋槳模型噪聲測試的有效頻段為1～80 kHz，結果以該頻段范圍內的1/3 Oct中心頻率聲壓譜級和總聲級給出。試驗中，所有工況的噪聲采樣頻率均為196 kHz，每次的采樣數(shù)據(jù)為4 096×30，每個工況共測量5 個有效樣本，文中給出的試驗結果均為5 個有效樣本進行線性平均后的結果。

由圖12～圖14 所示的不同水質、不同航速下的螺旋槳噪聲譜級試驗結果對比可知，在航速1下，微顆粒主要對螺旋槳噪聲的低頻段有較大影響，該低頻段對應的頻率范圍為1～4 kHz，最大差別約9 dB；在航速2下，于整個頻段內（1～80 kHz）模擬河水中的噪聲明顯高于過濾水中的；由航速3下的噪聲譜級可得，此時微顆粒對噪聲的影響較小，頻譜趨勢一致。

圖12 航速1 下的噪聲譜級對比Fig.12 Comparison of SPL at speed 1

圖13 航速2 下的噪聲譜級對比Fig.13 Comparison of SPL at speed 2

圖14 航速3 下的噪聲譜級對比Fig.14 Comparison of SPL at speed 3

不同航速、不同水質中螺旋槳噪聲的總聲級差異如表3 所示。由表可知，低航速時微顆粒對螺旋槳噪聲有較大的影響，可使螺旋槳噪聲總聲級提高約4 dB，隨著航速的增加，微顆粒的影響減小，航速高于航速3時，試驗所得總聲級差別約1 dB，考慮到±0.5 dB 的試驗誤差，因此可以認為此時微顆粒對螺旋槳噪聲基本無影響。

表3 螺旋槳噪聲總聲級差異（不同航速不同水質時）Tab.3 The difference of overall SPL of propeller（in different speed and different water）

對該螺旋槳進行了過濾水中的空泡觀察試驗，結果表明：在航速1 及航速2 下，螺旋槳處于無空泡狀態(tài)；在航速3 下，螺旋槳處于空泡臨界狀態(tài)；在航速4 及航速5 下，則為空泡充分發(fā)展狀態(tài)。經分析，發(fā)現(xiàn)微顆粒對螺旋槳無空泡噪聲有較大影響，而對空泡狀態(tài)下的噪聲則影響不大，其主要原因為：

1）在無空泡狀態(tài)下，水中微顆粒與微空泡吸附，趨向壁面并在近壁面處潰滅，從而形成極高速的微射流沖擊物體表面并發(fā)出聲音，該沖擊影響主要在低頻段。

2）微顆粒對螺旋槳空泡也有影響，可以降低螺旋槳空泡的起始航速。在航速2 下，添加微顆粒后整個頻段內的噪聲均升高，這可能是由于微顆粒使過濾水中的無空泡狀態(tài)變?yōu)榱丝张轄顟B(tài)，無空泡噪聲轉變?yōu)榱丝张菰肼暋?/p>

3）在航速3 以上的工況下，在過濾水及模擬河水中螺旋槳均產生了空泡且充分發(fā)展，此時的噪聲主要為空泡噪聲，物面受到沖擊而發(fā)生的聲音被掩蓋掉了，但此時微顆粒仍會對螺旋槳的空蝕有影響，2種水質情況下的對比如圖15所示。

圖15 螺旋槳表面空蝕坑對比Fig.15 Comparison of cavitation erosion damage to propeller surface

4 結 論

本文開展了不同水質下的振動噪聲試驗、旋轉圓盤試驗及大型循環(huán)水槽螺旋槳噪聲測量試驗，分析了微顆粒對材料空蝕及噪聲的影響，可為后續(xù)螺旋槳試驗方法及實船換算提供有益的探索。經研究，得出以下結論：

1）微顆粒對噪聲及空蝕的影響較大，添加了微顆粒的介質中噪聲要高于無微顆粒介質中的噪聲，微顆粒含量高，則空蝕破壞也將更嚴重。

2）微顆粒對螺旋槳無空泡噪聲影響較大，其主要原因是在無空泡狀態(tài)下，微空泡吸附微顆粒后會產生微射流沖擊物體表面，或者有可能降低螺旋槳的空泡起始航速。

3）微顆粒對螺旋槳空泡狀態(tài)下的噪聲影響不大，其原因主要是此時空泡噪聲為主要噪聲源，掩蓋了微顆粒對噪聲的影響，但試驗結果表明此時微顆粒仍對空蝕破壞有影響。

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