舰艇螺旋桨空泡试验成果

螺旋桨空泡的危害很多，延缓措施也相应有很多，在设计螺旋桨时应考虑其是否发生空泡或空泡的发展程度，故需进行空泡现象的观测试验，以便确定所设计的螺旋桨是否合乎要求，从而进一步改进空泡性能。

用模型试验来研究螺旋桨的空泡现象时，除应满足螺旋桨敞水性能试验要求的相似条件外，还必须考虑空泡现象的模拟问题。

在未产生空泡现象时，两几何相似螺旋桨只要满足进速系数J相等的条件，便可根据伯努利方程推导出压力相似的条件。但在产生空泡现象后，尚需满足空泡数相等的条件：

式中下标s及m分别代表实桨及桨模所对应的值。

若在敞露的水池中进行空泡试验，则必须使拖车的速度与实桨的进速相等，桨模的转速应为实桨的λ倍，此外，桨模的浸深尚需与实桨相同。上述条件实际上是难以实现的，因此就必须采取某种特殊的装置，例如空泡试验筒或减压水池来进行螺旋桨模型的空泡试验。由于桨模的进速vAm总是小于实桨的进速vAs，故要使σm=σs，可能的途径是减小p0m与pvm的差值。在空泡试验筒中，可以借助调压装置来调节静压力p0m。有时也可改变水的温度来调节汽化压力pvm。因此在空泡试验筒中进行试验时是依靠调节压力来满足空泡数相等的条件的。

空泡试验筒（简称空泡水筒）的筒体由密封的钢结构所构成。筒中的水由底部的水泵驱动而循环不息；在筒内各转角处设有导流片，以避免水流转弯时产生旋涡。试验工作段之前装有整流格栅及收缩管，使水流进入工作段时均匀稳定且具有较高的速度。水流速度是由装于试验工作段略前处的水流测速仪（如U形管或水银差压计等）量得。调压箱（或称空气箱）与压力调节器相连接，借抽气泵以调节水筒内的压力。螺旋桨模型由电动机带动，模型的推力和转矩由推力仪与转矩仪分别量得。在工作段两侧开有观察窗，可借频闪仪观察空泡发生的情况。当频闪仪的闪光频率与模型的转数相等时，所见到的螺旋桨模型及其附近水流情况好像处于静止状态。利用现代高速摄影机在观察窗前摄制照片，可以从照片中详细观察和研究桨叶上空泡发生、扩展和压缩的全部过程。空泡水筒都是铅直放置的，且循环水泵置于底部，其目的在于加大循环水泵处的静水压头，避免工作时在水泵叶片上产生空泡。

在空泡水筒中进行螺旋桨模型试验时，常保持筒内水流速度（即螺旋桨进速）不变，调节转速以得到不同的进速系数，因而无法得到进速系数J=0及其附近工况下的数据。用空气箱压力调节器调节模型处的压力，以获得所需的空泡数。通常分别在不同空泡数及大气压条件下（相当于敞水情况）进行试验，以便分析空泡对螺旋桨性能的影响。在进行试验时应测量水流速度vA、桨模的转速n、推力T、转矩Q、轴线处的静压力p0以及水的温度。在空泡水筒中进行螺旋桨模型试验时观测到的空泡如图13-17所示。

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图13-17　在空泡水筒中观测到的不同形态的空泡

目前空泡的工程应用研究还是主要依赖于模型试验，依据模型试验结果进行优化设计，以避免或减小空泡引起的各种不良后果。但是，由于空泡模型试验中对物理参数的模拟存在许多局限性，无法完全模拟实船的环境条件，因此空泡模型试验存在所谓的“尺度效应”，即模型试验结果与实船的空泡现象存在差别，而这种尺度效应往往引起实船性能预报的不准确性。为了提高实船性能预报的可靠性，必须进行实船螺旋桨的空泡观测和研究，建立模型试验结果与实船结果的相关关系，减少模型试验时空泡“尺度效应”的影响。

最初利用普通照相机或普通摄像机进行螺旋桨、舵等空泡的记录和观测，这种方法周期比较长、成本也比较高，船舶需要进坞才能进行空泡观测孔的布置。进入21世纪后，随着数码技术以及光学技术的发展，可以利用直径仅有十几毫米的内窥镜进行观测，还可利用高速摄像机进行记录空泡的形态变化，空泡观测孔甚至可以在船舶运行过程中进行布置，实船螺旋桨空泡观测技术得到了进一步的改进和发展。如图13-18和图13-19所示为实船螺旋桨空泡观测的系统和测点示意图。

图13-18　实船空泡观测系统示意图

图13-19　空泡观测孔示意图