螺旋槳空泡與脈動壓力及振動特性研究

陸 芳，陸林章，龐業珍，顧湘男

（1.中國船舶科學研究中心船舶振動噪聲重點實驗室，江蘇無錫214082；2.江蘇省綠色船舶技術重點實驗室，江蘇無錫214082）

0 引 言

空泡通常發生在艦船的推進器、減搖鰭、支架和測速儀的表面，其中螺旋槳最容易產生空泡。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行性能，另一方面也會影響海洋環境、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系。Konno 等[3]研究了螺旋槳梢渦空泡猝發現象的機理。Bosschers[4]研究了梢渦空泡引起寬帶譜噪聲的機理等。但由于梢渦空泡非常復雜，目前對于梢渦空泡的發展機理特別是猝發（bursting）機理等在理論上很難用數學模型進行描述，同時對寬帶譜噪聲產生的機理尚不完全清楚。本文分析了3 600 箱集裝箱船實船測量的梢渦空泡猝發與脈動壓力及振動特性之間的關系，獲得梢渦空泡猝發誘發船體振動的高階量及寬帶譜特性。這有利于今后進行梢渦空泡猝發特性的研究以及對噪聲特性、船體振動特性的研究。

1 實船參數和測量方法

1.1 實船主要參數

試驗于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 箱集裝箱船上進行，大西洋水質清澈、陽光充足，適合進行螺旋槳的實船空泡觀測測量。表1 為船體和螺旋槳的主要特性參數。

圖1 實船空泡觀測系統示意圖Fig.1 Test set-up for cavitation observation

1.2 實船空泡測試

進行實船螺旋槳的空泡觀測和研究有利于建立模型試驗結果與實船結果的相關關系，減少根據模型試驗預報實船性能時空泡“尺度效應”的影響。上世紀70 年代開始，在進行空泡及空泡噪聲、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識以及對空泡與噪聲、剝蝕和振動等的相關性研究，不斷提高根據試驗預報實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地進行實船螺旋槳的空泡觀測試驗研究；隨著造船業在亞洲的發展，韓國KRISO 及日本等國[6]的研究所也進行了實船的相關研究。最初，利用普通照相機或普通攝像機進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，船舶需要進塢才能進行空泡觀測孔的布置。進入21 世紀，隨著數碼技術以及光學技術的發展，可以利用直徑僅為十幾毫米的內窺鏡進行觀測，還可利用高速攝像機記錄空泡形態的變化，空泡觀測孔甚至可以在船舶運行過程中進行布置，實船螺旋槳空泡觀測技術得到了進一步的改進和發展。

為了能夠得到與國際水平相當的實船試驗結果，中國船舶科學研究中心（CSSRC）采用與國外當代水平相當的試驗設備，即內窺鏡與高速攝像機相結合的方式進行實船空泡觀測和記錄，這種方法具有安裝簡便、使用方便的優點。內窺鏡安裝于螺旋槳上方的船體艉部，具有圖像增強功能的高速攝像機與內窺鏡連接圖像記錄和處理系統進行螺旋槳空泡觀測。圖1為觀測系統示意圖，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

在進行空泡觀測的同時，還進行螺旋槳空泡誘導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。試驗在螺旋槳轉速為64 r/min、80 r/min 和95 r/min 的工況下測量（分別對應航速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圖。圖4（a）顯示轉速為64 r/min 時，槳葉片空泡沒有出現；圖4（b）顯示轉速為80 r/min 時槳葉片空泡出現在0.85R 到梢部，0.9R 半徑位置片空泡在導邊到1/5 弦長區域；圖4（c）顯示轉速為95 r/min 時槳葉片空泡出現在0.78R 到梢部，0.9R 半徑位置片空泡在導邊到4/5弦長區域；隨著轉速的增加槳葉片空泡區域增加。圖5為不同工況下槳葉梢渦空泡猝發的空泡圖，隨著轉速的增加槳葉梢渦空泡的強度增強、猝發烈度增加。

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Fig.5 Bursting of tip vortex cavitation

3 脈動壓力和振動特性

圖6-8分別為轉速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果。轉速為64 r/min 時（圖6），螺旋槳槳葉葉背片空泡尚未產生，脈動壓力主要由于槳葉運動而產生，幅值很小（一階葉頻幅值小于0.5 kPa）。由于梢渦空泡誘導的脈動壓力二階葉頻量的特征也明顯（達到一階葉頻的2/3)。由梢渦空泡猝發誘發的脈動壓力寬帶譜特性也明顯，振動加速度則明顯表現出高階的寬帶譜特性。轉速為80 r/min（圖7），槳葉片空泡使得空泡誘導脈動壓力的一階葉頻量明顯增加（1 kPa），梢渦空泡強度增強、猝發強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。轉速為95 r/min 時（圖8），槳葉片空泡區域的進一步增加使得空泡誘導脈動壓力的一階葉頻量明顯增加（2.5 kPa），梢渦空泡強度增強、猝發強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（轉速=95r/min）Fig.8 Pressure fluctuation and vibration acceleration(rotation speed is 95 r/min)

4 結 論

為了盡快彌補在實船空泡研究方面的空缺，我們開發了實船螺旋槳空泡測試技術并在實船上得到了成功應用。在國內首次建立了螺旋槳實船空泡觀測方法，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的手段。

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

（1）當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螺旋槳梢渦空泡猝發會引起船體振動的寬帶譜表現明顯；

（2）螺旋槳空泡引起的船體振動主要表現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引起；

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