螺旋桨空泡与脉动压力及振动特性研究

陆 芳，陆林章，庞业珍，顾湘男

（1.中国船舶科学研究中心船舶振动噪声重点实验室，江苏无锡214082；2.江苏省绿色船舶技术重点实验室，江苏无锡214082）

0 引 言

空泡通常发生在舰船的推进器、减摇鳍、支架和测速仪的表面，其中螺旋桨最容易产生空泡。对于军用舰艇，空泡引起的水下噪声一方面降低了自身的隐蔽性，另一方面也降低了自身声呐系统的工作性能；对于商用船舶，空泡引起的噪声、振动和剥蚀等，一方面会影响船舶的运行性能，另一方面也会影响海洋环境、海洋生物等[1]。

Friesch 等[2]研究了螺旋桨梢涡空泡引起的宽带噪声与高阶脉动压力之间的关系。Konno 等[3]研究了螺旋桨梢涡空泡猝发现象的机理。Bosschers[4]研究了梢涡空泡引起宽带谱噪声的机理等。但由于梢涡空泡非常复杂，目前对于梢涡空泡的发展机理特别是猝发（bursting）机理等在理论上很难用数学模型进行描述，同时对宽带谱噪声产生的机理尚不完全清楚。本文分析了3 600 箱集装箱船实船测量的梢涡空泡猝发与脉动压力及振动特性之间的关系，获得梢涡空泡猝发诱发船体振动的高阶量及宽带谱特性。这有利于今后进行梢涡空泡猝发特性的研究以及对噪声特性、船体振动特性的研究。

1 实船参数和测量方法

1.1 实船主要参数

试验于2013 年6 月在一艘从欧洲（德国汉堡）到南美洲（巴拿马）大西洋航线的3 600 箱集装箱船上进行，大西洋水质清澈、阳光充足，适合进行螺旋桨的实船空泡观测测量。表1 为船体和螺旋桨的主要特性参数。

图1 实船空泡观测系统示意图Fig.1 Test set-up for cavitation observation

1.2 实船空泡测试

进行实船螺旋桨的空泡观测和研究有利于建立模型试验结果与实船结果的相关关系，减少根据模型试验预报实船性能时空泡“尺度效应”的影响。上世纪70 年代开始，在进行空泡及空泡噪声、空泡剥蚀和空泡振动的研究过程中，为了提高对舰船空泡性能的认识以及对空泡与噪声、剥蚀和振动等的相关性研究，不断提高根据试验预报实船螺旋桨空泡性能的可靠性和正确性，欧美各舰船研究所[5]在与船厂、船东以及船级社的合作下不时地进行实船螺旋桨的空泡观测试验研究；随着造船业在亚洲的发展，韩国KRISO 及日本等国[6]的研究所也进行了实船的相关研究。最初，利用普通照相机或普通摄像机进行螺旋桨和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，随着数码技术以及光学技术的发展，可以利用直径仅为十几毫米的内窥镜进行观测，还可利用高速摄像机记录空泡形态的变化，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。

为了能够得到与国际水平相当的实船试验结果，中国船舶科学研究中心（CSSRC）采用与国外当代水平相当的试验设备，即内窥镜与高速摄像机相结合的方式进行实船空泡观测和记录，这种方法具有安装简便、使用方便的优点。内窥镜安装于螺旋桨上方的船体艉部，具有图像增强功能的高速摄像机与内窥镜连接图像记录和处理系统进行螺旋桨空泡观测。图1为观测系统示意图，图像采集帧率为1 000 f/s。

图2 空泡观测孔和脉动压力测量位置示意图Fig.2 Test arrangement for cavitation observation and pressure fluctuation measurement

1.3 脉动压力和振动测量

在进行空泡观测的同时，还进行螺旋桨空泡诱导的船体脉动压力以及船体振动测量。为使空泡观测孔与脉动压力测量孔可以相互使用，在船体尾部螺旋桨上方开了7 个直径为14 mm 的孔，相邻两孔之间距离为0.15D（D 为螺旋桨直径），具体布置如图2 所示。振动加速度传感器则安装在脉动压力传感器测量位置临近处，图3 为脉动压力传感器和振动加速度传感器安装示意图。

图3 脉动压力和振动传感器安装示意图Fig.3 Set-up of transducers

2 螺旋桨空泡特性

通过用不同观测角的内窥镜在不同观测位置的图像比较，选择在No.6和No.7位置用不同观测角（0°和45°）的内窥镜观测螺旋桨桨叶片空泡以及梢涡空泡，通过高速摄像（1 000 f/s）记录桨叶空泡的变化形态。试验在螺旋桨转速为64 r/min、80 r/min 和95 r/min 的工况下测量（分别对应航速14.5 kn、18 kn 和21.5 kn）。图4 为不同工况下桨叶片空泡的空泡形态图。图4（a）显示转速为64 r/min 时，桨叶片空泡没有出现；图4（b）显示转速为80 r/min 时桨叶片空泡出现在0.85R 到梢部，0.9R 半径位置片空泡在导边到1/5 弦长区域；图4（c）显示转速为95 r/min 时桨叶片空泡出现在0.78R 到梢部，0.9R 半径位置片空泡在导边到4/5弦长区域；随着转速的增加桨叶片空泡区域增加。图5为不同工况下桨叶梢涡空泡猝发的空泡图，随着转速的增加桨叶梢涡空泡的强度增强、猝发烈度增加。

图4 桨叶片空泡Fig.4 Sheet cavitation on propeller blade

图5 螺旋桨梢涡空泡猝发Fig.5 Bursting of tip vortex cavitation

3 脉动压力和振动特性

图6-8分别为转速64 r/min、80 r/min和95 r/min工况下的脉动压力和振动加速度测量结果。转速为64 r/min 时（图6），螺旋桨桨叶叶背片空泡尚未产生，脉动压力主要由于桨叶运动而产生，幅值很小（一阶叶频幅值小于0.5 kPa）。由于梢涡空泡诱导的脉动压力二阶叶频量的特征也明显（达到一阶叶频的2/3)。由梢涡空泡猝发诱发的脉动压力宽带谱特性也明显，振动加速度则明显表现出高阶的宽带谱特性。转速为80 r/min（图7），桨叶片空泡使得空泡诱导脉动压力的一阶叶频量明显增加（1 kPa），梢涡空泡强度增强、猝发强度增加引起脉动压力的二阶叶频及更高阶叶频（四阶、五阶）的幅值明显增加；梢涡空泡和梢涡空泡猝发引起的船体振动具有明显的叶频高阶量特性以及宽带谱特性。转速为95 r/min 时（图8），桨叶片空泡区域的进一步增加使得空泡诱导脉动压力的一阶叶频量明显增加（2.5 kPa），梢涡空泡强度增强、猝发强度增加引起脉动压力的二阶叶频及更高阶叶频（三阶、四阶）的幅值明显增加；梢涡空泡和梢涡空泡猝发引起的船体振动具有明显的叶频高阶量（二阶、三阶、四阶）特性，宽带谱特性不再明显。

图6 脉动压力和振动加速度（转速=64 r/min）Fig.6 Pressure fluctuation and vibration acceleration(rotation speed is 64 r/min)

图7 脉动压力和振动加速度（转速=80 r/min）Fig.7 Pressure fluctuation and vibration acceleration(rotation speed is 80 r/min)

图8 脉动压力和振动加速度（转速=95r/min）Fig.8 Pressure fluctuation and vibration acceleration(rotation speed is 95 r/min)

4 结 论

为了尽快弥补在实船空泡研究方面的空缺，我们开发了实船螺旋桨空泡测试技术并在实船上得到了成功应用。在国内首次建立了螺旋桨实船空泡观测方法，使用该方法可以清楚地观测和记录螺旋桨桨叶空泡的形态和变化过程，为螺旋桨空泡特性以及由空泡引起的诸如噪声、振动、剥蚀等特性的研究提供了相应的手段。

通过对螺旋桨桨叶片空泡、梢涡空泡发展以及梢涡空泡猝发特性与船体空泡诱导的脉动压力、船体振动等特性的分析和研究可以得到以下结论：

（1）当螺旋桨桨叶片空泡没有使脉动压力一阶叶频量明显增大时螺旋桨梢涡空泡猝发会引起船体振动的宽带谱表现明显；

（2）螺旋桨空泡引起的船体振动主要表现在二阶叶频以上的频段，甚至到五阶叶频以上，主要由螺旋桨梢涡空泡以及梢涡空泡的猝发引起；

（3）随着螺旋桨转速增加，桨叶片空泡增加，梢涡空泡强度增强，梢涡空泡猝发更为强烈，脉动压力高阶量增加，并诱发船体振动高阶量增强，这时会引起船体的剧烈振动。