梢部間隙對(duì)螺旋槳誘導(dǎo)激振力的影響.pdf

1、自上世紀(jì)七十年代起，船舶螺旋槳在船體上誘導(dǎo)的激振力及其引起的船舶劇烈振動(dòng)問(wèn)題，受到船舶研究界的廣泛關(guān)注。在以后的數(shù)十年間，研究人員致力于揭示螺旋槳誘導(dǎo)產(chǎn)生激振力的機(jī)理和規(guī)律，發(fā)展了相關(guān)的理論和試驗(yàn)技術(shù)，為減小螺旋槳在船體上誘導(dǎo)的激振力作了巨大努力。螺旋槳在船體上產(chǎn)生的激振力，特別是螺旋槳空泡在船體表面誘導(dǎo)的脈動(dòng)壓力，是引起船舶劇烈振動(dòng)的原因之一。螺旋槳在船體上產(chǎn)生的激振力大小除了與槳葉的幾何形狀、槳葉的載荷、槳葉空泡數(shù)以及船尾流場(chǎng)形態(tài)有

2、密切關(guān)系外，還與螺旋槳葉梢與船體間隙大小有很大關(guān)系。葉梢間隙比即螺旋槳葉梢到船體表面的距離與螺旋槳直徑之比是激振力在船體表面上大小的一個(gè)重要因素。一般的說(shuō)法是，增大梢隙可減小螺旋槳在船體表面的誘導(dǎo)脈動(dòng)壓力。然而，增大梢隙將改變船體的尾部形狀或減小螺旋槳的直徑，勢(shì)必影響到船舶的推進(jìn)性能。 本文首先從介紹螺旋槳在不均勻流場(chǎng)中運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的激振力的基本概念出發(fā)，對(duì)軸承力和表面力作了解釋。軸承力是螺旋槳葉上的不定常載荷引起的槳軸的縱向力、

3、垂向力、橫向力和力矩，并通過(guò)軸系傳遞到船體；表面力是螺旋槳誘導(dǎo)的壓力場(chǎng)經(jīng)過(guò)水傳遞到船體表面的脈動(dòng)壓力。螺旋槳誘導(dǎo)的軸承力和表面力是船舶振動(dòng)的振源。其中，螺旋槳誘導(dǎo)的在船體表面上的脈動(dòng)壓力的集合作用即表面力是引起船體劇烈振動(dòng)的最主要的誘因。 研究螺旋槳在船體上誘導(dǎo)的激振力有理論方法和試驗(yàn)方法。理論方法中，準(zhǔn)確估算槳葉葉片上的空泡體積及其隨時(shí)間的變化是問(wèn)題的關(guān)鍵。現(xiàn)代先進(jìn)的CFD技術(shù)，在計(jì)算螺旋槳空泡流方面取得了很大的進(jìn)步。但在目前

4、階段，由于流體粘性和空泡機(jī)理的復(fù)雜性，有關(guān)的計(jì)算結(jié)果仍不能令人滿(mǎn)意。用模型試驗(yàn)方法研究螺旋槳激振問(wèn)題，是目前公認(rèn)的非常實(shí)用而可靠的研究手段。 本文根據(jù)模型試驗(yàn)討論了葉梢間隙比與螺旋槳誘導(dǎo)脈動(dòng)壓力之間大小的關(guān)系。對(duì)螺旋槳誘導(dǎo)脈動(dòng)壓力試驗(yàn)方法，本文介紹了有關(guān)的試驗(yàn)研究手段，其中包括：空泡水筒、伴流場(chǎng)模擬、脈動(dòng)壓力測(cè)量系統(tǒng)，模型與實(shí)船間的相似準(zhǔn)則等。試驗(yàn)過(guò)程中，空泡水簡(jiǎn)內(nèi)的水速、壓力信號(hào)和螺旋槳的推力、扭矩信號(hào)經(jīng)放大器放大后送計(jì)算機(jī)進(jìn)

5、行A/D轉(zhuǎn)換并處理，槳軸轉(zhuǎn)速信號(hào)通過(guò)頻率計(jì)同步輸入。對(duì)測(cè)得的脈動(dòng)壓力經(jīng)快速付里葉變換(FFT)處理后，獲得各階葉頻的幅值和脈動(dòng)壓力系數(shù)?？张菟仓写蟛痪鶆虬榱鲌?chǎng)的模擬也是螺旋槳誘導(dǎo)脈動(dòng)壓力研究中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，本文介紹了船后不均勻伴流場(chǎng)的概念，對(duì)在水筒中為何用網(wǎng)格法模擬船后的流場(chǎng)作了敘述。 相對(duì)于其他船型，集裝箱船舶螺旋槳的功率密度較高，誘導(dǎo)的船體激振力引起船舶劇烈振動(dòng)的可能性倍增。為了降低螺旋槳的功率密度和提高推進(jìn)效率，希望

6、采用盡可能大的螺旋槳直徑，但大的螺旋槳直徑會(huì)減小梢隙，反過(guò)來(lái)可能增大螺旋槳在船體上的激振影響。本文以一條集裝箱船舶螺旋槳為例，具體分析與探討梢部間隙對(duì)螺旋槳誘導(dǎo)激振力的影響，對(duì)三個(gè)實(shí)用范圍內(nèi)的不同葉梢間隙比情況，即gt/D=0.25，0.35和0.45，在不同的工況條件下即螺旋槳推力系數(shù)K<,T>=0.10，0.15，0.20，螺旋槳轉(zhuǎn)速空泡數(shù)σ<,n>=1.5，2.5，Atm，在SSSRI空泡水筒，進(jìn)行了模擬不均勻流場(chǎng)中螺旋槳模型的脈

7、動(dòng)壓力測(cè)量。通過(guò)比較分析，找出能進(jìn)一步減少螺旋槳空泡在船體表面誘導(dǎo)的脈動(dòng)壓力合適的梢間隙比。 用網(wǎng)格法在空泡水筒中模擬了對(duì)象集裝箱船舶螺旋槳位置處的不均勻流場(chǎng)。通過(guò)對(duì)網(wǎng)格的多次調(diào)整和對(duì)應(yīng)流場(chǎng)的測(cè)量以及與要求模擬結(jié)果的比較，完成了實(shí)船螺旋槳流場(chǎng)在空泡水筒中的模擬工作。 在脈動(dòng)壓力的測(cè)量試驗(yàn)中，通過(guò)固定螺旋槳轉(zhuǎn)速、調(diào)節(jié)筒壓和流速，達(dá)到空化數(shù)和推力系數(shù)方面的試驗(yàn)要求。測(cè)量螺旋槳脈動(dòng)壓力的五個(gè)傳感器，布置在槳葉上方的一塊平板上。

8、可以調(diào)節(jié)平板到槳葉軸線(xiàn)的距離以達(dá)到葉梢間隙比的試驗(yàn)要求。脈動(dòng)壓力測(cè)量后記錄的數(shù)據(jù)，由快速付里葉變換(FFT)作出處理，得到各階脈動(dòng)壓力系數(shù)，從中進(jìn)行葉梢間隙大小對(duì)脈動(dòng)壓力影響的討論和比較。 通過(guò)對(duì)三個(gè)不同葉梢間隙比(β=0.25，0.35，0.45)、三個(gè)不同推力系數(shù)(K<,T>=0.10，0.15，0.20)和三個(gè)不同空泡數(shù)(σ<,n>=1.5，2.5，Atm)組合的共27組不同狀況下五個(gè)測(cè)點(diǎn)上的螺旋槳誘導(dǎo)的脈動(dòng)壓力試驗(yàn)測(cè)量，

9、對(duì)其測(cè)量數(shù)據(jù)處理后得到的一至五階葉頻諧調(diào)脈動(dòng)壓力系數(shù)K<,PL>(L=1，2，…5)，以推力系數(shù)K<,T>、空泡數(shù)σ<,n>和葉梢間隙比β的函數(shù)形式K<,PL>=f(K<,T>，σ<,n>，β)，用表格數(shù)據(jù)給予了表達(dá)。通過(guò)對(duì)表格數(shù)據(jù)的初步分析、研究后認(rèn)為，脈動(dòng)壓力一階葉頻諧調(diào)分量幅值K<,P1>比較其他各階葉頻諧調(diào)分量幅值為最大，往往可超過(guò)一個(gè)量階以上。因此，在進(jìn)一步的分析比較中，僅對(duì)一階葉頻諧調(diào)脈動(dòng)壓力系數(shù)K<,P1>與葉梢間隙比的關(guān)

10、系進(jìn)行討論。 為了從不同的角度進(jìn)行分析比較，本文分別給出了σ<,n>常數(shù)時(shí)K<,P1>=f(K<,T>，β)和K<,T>常數(shù)時(shí)K<,P1>=f(σ<,n>，β)的圖示曲線(xiàn)。在給出的五個(gè)測(cè)點(diǎn)的一階葉頻諧調(diào)脈動(dòng)壓力系數(shù)K<,P1>與葉梢間隙比關(guān)系曲線(xiàn)中，可找出葉梢間隙比與脈動(dòng)壓力大小影響關(guān)系的一些共同特征。 從相同推力系數(shù)K<,T>不同空泡數(shù)σ<,n>下的一階葉頻諧調(diào)脈動(dòng)壓力系數(shù)K<,P1>比較可以發(fā)現(xiàn)，槳葉空化引起的脈動(dòng)壓

11、力明顯高于因葉片厚度和槳葉負(fù)荷引起的脈動(dòng)壓力；對(duì)空泡數(shù)較大并與負(fù)荷系數(shù)組合后引起的脈動(dòng)壓力不太大的情況下，葉梢間隙比大小對(duì)脈動(dòng)壓力的影響不明顯；對(duì)空泡數(shù)與負(fù)荷系數(shù)組合后主要由槳葉空化引起的脈動(dòng)壓力的情況下，對(duì)中等的螺旋槳空化誘導(dǎo)的脈動(dòng)壓力在葉梢間隙比0.25～0.35的范圍內(nèi)，增加葉梢間隙比β對(duì)降低脈動(dòng)壓力效果不佳，但對(duì)強(qiáng)的螺旋槳空化誘導(dǎo)的脈動(dòng)壓力，增大葉梢間隙比具有良好的降壓效果。 本文還給出了葉梢間隙比在不同螺旋槳負(fù)荷和空泡

12、條件下對(duì)脈動(dòng)壓力大小的影響斜率，在實(shí)踐使用中具有參考價(jià)值。 本文得到有關(guān)間隙比大小對(duì)螺旋槳激振力影響的主要結(jié)論是： (1) 螺旋槳葉梢間隙比對(duì)脈動(dòng)壓力的影響主要與螺旋槳的負(fù)荷和空化水平的組合有關(guān)。 (2) 對(duì)強(qiáng)的螺旋槳空化誘導(dǎo)的脈動(dòng)壓力，增加葉梢間隙比從0.25到0.35或者更大，可有效地降低誘導(dǎo)脈動(dòng)壓力。 (3) 對(duì)中等的螺旋槳空化誘導(dǎo)的脈動(dòng)壓力，增加梢間隙比對(duì)降低脈動(dòng)壓力效果不佳，可應(yīng)用小的0.25左

13、右的梢間隙比。 本論文共分五章，第一章介紹論文題目的提出及其研究的目標(biāo)和范圍，第二章介紹螺旋槳誘導(dǎo)激振力的基礎(chǔ)概念與船舶振動(dòng)的關(guān)系。第三章介紹達(dá)到本文研究目標(biāo)所用的試驗(yàn)手段和方法，第四章給出梢間隙比對(duì)脈動(dòng)壓力研究的具體結(jié)果和分析，第五章給出了相關(guān)的結(jié)論。 因經(jīng)費(fèi)和時(shí)間的限制，本研究?jī)H用了一個(gè)模型，未能實(shí)現(xiàn)同時(shí)在相同轉(zhuǎn)速空化數(shù)和相同速度空化數(shù)下的不同負(fù)荷螺旋槳誘導(dǎo)脈動(dòng)壓力比較。有關(guān)負(fù)荷系數(shù)，空化數(shù)，間隙比與脈動(dòng)壓力系數(shù)之間