潜艇原理第七讲-潜艇的快速性(推进部分)

§5.9 螺旋桨与艇体间的相互作用
§5.10 螺旋桨的空泡与噪声
空泡生成的原因
由螺旋桨的工作原理我们知道，螺旋桨的推力来自于 其叶切面的升力，而升力是桨叶的压差力。当螺旋桨在水 中工作时，叶背的水流速度增加，根据伯努利方程，叶背 压力降低，形成吸力面。反之，叶面的水流速度降低，压 力增加，形成压力面，叶背与叶面的压力差就是桨叶的升 力，升力的大小取决于压表面的压力分布。若某处的压力 降低到水的汽化压力，即饱和蒸汽压力时，该处即开始空 化而出现空泡。这种现象称为螺旋桨的空泡现象。
p0 pv 令空泡数为： 1 V02 2
其中：静压力
p0 pa ghs
V0 Va2 (2nr)2
Pa～大气压力 hs～桨轴或叶切面沉深 如

则
pb pv ，产生空泡
如
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
则
pb pv ，不产生空泡
实验观察径向螺距按常规分布的螺旋桨，在运行工况区的空包 发生、发展情况大致如下： 随着转数及进速的增大，通常首先在桨叶梢部出现空泡，空泡 成螺旋线条状，成为梢涡空泡。随着空泡数进一步下降，空泡 由螺旋桨梢部开始沿径向逐步项桨叶中部延伸。由于桨工况不 同和叶剖面形状的差别，沿径向往内半径发展的空泡，可能起 始于叶剖面的前缘，可能呈片状，也可能沿螺旋桨周向成条形， 或出现大小不一的球状空泡群。顺流而下的空泡，可能在到达 尾部之前消失，也可能淹没在桨叶尾流中。在空泡消失-溃灭 处，可能形成雾状，成为雾状空泡。雾状空泡会造成很强的高 频噪声，也是造成螺旋桨严重剥蚀的主要原因。
涡空泡 出现在叶稍和桨毂，分别称为稍涡和毂涡。桨叶随 边后的自由涡片最终卷成为两股旋涡，即叶稍处的稍涡和 叶根处的旋涡，而各叶根处的旋涡又汇成为一根毂涡。由 于稍涡和毂涡中心的压力极低，因而，很易发生空泡，涡 空泡对螺旋桨的水动力性能没有影响，也不会引起剥蚀， 但在一定条件下，涡空泡的另一端可能贴到桨后的稳定翼、 舵等构件上，引起振动和噪声。
（1）艇体周围的流线运动： 潜艇在水中以速度V向前航行时，艇体周围水流的流线分布情况如 图。首尾处的水流具有向前速度，即产生正伴流，而在舷侧处水流具有向
后速度，故为负伴流。由此而形成的伴流称为形势伴流或势伴流。因流线
离船身不远处即迅速分散，故在艇体略远处其作用不甚显著。
V
§5.8 螺旋桨与艇体间的相互作用
美国USS-212型潜艇，水下 17米处航行，当螺旋桨以 110130r/min运行时，在频率接近 300-500HZ处，约一个 1/3频程区 间内，出现了一个比周围频段高出 18dB的噪声峰（“窄带噪声 峰”）。出现该现象的原因，基本可以断定是由于涡空泡的出 现导致噪声有了明显的增大。
泡状空泡区域长度
在桨叶上出现空泡的同时，随螺旋桨叶根螺距的设计差异，先 后出现从桨榖尾端曳出的榖涡及榖涡空泡。
推进器与船体间涡空泡 Propeller-Hull vortex cavitation 片状空泡 (sheet cavitation)
云雾状空泡 Cloud cavitation
叶梢涡空泡 Tip Vortex cavitation
§5.5 螺旋桨的水动力特性
§5.5 螺旋桨的水动力特性
推力：dT dL cos i dD sin i 阻力：dF dL sin i dD cos i
dQ r dF
§5.5 螺旋桨的水动力特性
当螺旋桨以进速 Va和转速n进行工作时，必须吸收主机提供给 的转矩 Q才能发出推力T。因此，螺旋桨的效率为：
美国核潜艇降噪历程
苏联/俄罗斯潜艇降噪历程
为了研究 空泡所发出的 噪声，前苏联 学者在黑海水 面以下 15-45 米处试验了一 些旋转翼型棒， 获得了一系列 的实验数据。
随着空泡的发生发展，噪声谱的高频部分先增高，随着转数再升高， 空泡发展导致窄带噪声峰出现，当转速升至约2Ni时，整个噪声谱 值升高 25-35dB.

泡状空泡
泡状空泡对螺旋桨水 动力性能影响不大
泡状空泡的破碎会对螺旋桨的表面造成严重的机械损伤
气泡随着水流进入压力高于汽化压力的区域时，一方面由
§5.10 螺旋桨的空泡与噪声
不同温度下水的汽化压力值
产生空泡的条件：
pb pv
饱和蒸汽压
在 A， B两点应用伯努力方程：
1 1 2 pb Vb p0 V02 2 2
定义减压系数为
p0 pb Vb 2 ( ) 1 2 1 V0 V0 2
如 0 表示压力增高 0 表示压力降低
对于二战期间声纳探测到的螺旋桨声是由什么物理现象造成的，
在当时没有得出确切的结论。直到1970年末，在国际水声学会议 上，美国 David-Taylor研究中心的研究学者才公开发表论文，认 定空泡现象是主要的舰船螺旋桨噪声源。
从公开发表的文献中能够找到对苏联潜艇噪声性能的评价，其大致情况如下：
举例来说，在1k Hz处，如果SL≥120dB，则潜艇噪声高，如果SL≤100dB，则潜 艇安静，如果SL≤80dB，则潜艇很安静。
TVa 0 2nQ
进程：螺旋桨旋转一周在轴向前进的距离
进速
Va hP n
转速
进速系数：进程与螺旋桨直径 D的比值
Va / n Va P J (1 s) D nD D
§5.8 螺旋桨与艇体间的相互作用
艇体的伴流 : 潜艇运动带动周围的水一起运动，使其 具有一定的速度，从而导致螺旋桨与水的相对速度和潜艇 的运动速度存在一定差别。 产生伴流的原因:
艇体的伴流
2）水的粘性作用：
因水具有粘性，故当潜艇在运动时沿艇体表面形成边界层，边界 层内水质点具有向前速度，形成正伴流，通常称为摩擦伴流。摩擦伴流 在紧靠艇体表面处最大，由该处向外急剧减小，离艇体不远处即迅速消 失，但在艇后相当距离处摩擦伴流依然存在。下图表示艇体周围的边界 层，边界层在尾部后具有相当的厚度，与螺旋桨直径相差不多，故摩擦 伴流常为总伴流中的主要部分。摩擦伴流的大小与艇型，表面粗糙度、 雷诺数及螺旋桨的位置等有关。
§5.5 螺旋桨的几何形状
螺旋桨通常由若干个桨叶和桨毂构成，螺旋桨与尾轴联接部 分称为桨毂，桨毂是一个截头的锥形体。为了减小水阻力，在桨 毂后端加一整流帽，与桨毂形成一光顺流线形体，称为毂帽。桨
叶固定在桨毂上。普通螺旋桨常为三叶～七叶，二叶螺旋奖仅用 于机帆船或小艇上，现代潜艇多采用六叶或七叶螺旋桨。
T R R
§5.8 螺旋桨与艇体间的相互作用
推力减额
螺旋桨发出的推力中只有（T R ）这一部分是 用于克服阻力R并推船前进的，故称为有效推力 Te
推力减额分数的大小与艇型，螺旋桨尺度，螺旋桨负荷 以及螺旋桨与艇体间的相对位置等因素有关。用理论方法
来计算推力减额是很困难的，通常都是根据艇模自航试验 或 经验 公式 来决 定的 。潜 艇的 推力 减额分 数 t大 致在 0.10~0.18范围。
由于液体具有汽化特性，则当液体在恒压下加热，或在恒温 下用静力或动力方法降低其周围环境压力，都能使液体达到汽化 状态。但在研究空化和空蚀时，对于由这两个不同条件形成的液 体汽化现象在概念上是不同的。任何一种液体在衡定压力下加热， 当液体温度高于某一温度时，液体开始汽化，形成汽泡，这称为 沸腾。当液体温度一定时，降低压力到某一临界压力时，液体也 会汽化或溶解于液体中的空气发育形成空泡，这种现象称为空化。
u
速度 V A 为
VA V u
当航速和螺旋桨转速一定时，伴流的大小直接决定螺旋桨 的进速，进而决定螺旋桨所发出的推力和吸收的力矩。
§5.8 螺旋桨与艇体间的相互作用
推力减额
螺旋桨在艇后工作时，由于它的抽吸作用，使桨盘前方 的水流速度增大。根据伯努利定理，水流速度增大压力必然 下降，故降低了艇尾部分的分布压力，导致艇体压差阻力增 加。此外，艇体尾部水流速度的增大，使摩擦阻力也有所增 加，但其数值远较压差阻力的增加为小。 由于螺旋桨在艇后工作时引起的艇体附加阻力称为阻 力增额 R 。若螺旋桨发出的推力为 T，则其中一部分必须 用于克服艇的阻力R，而另一部分则要克服阻力增额 R 。
§5.8 螺旋桨与艇体间的相互作用
艇体的伴流
（ 3）潜艇的兴波作用： 当潜艇在水面航行时，将会形成波浪，若螺旋桨附近
恰为波峰，则水质点具有向前速度，如恰为波谷，则具有 向后速度。由于潜艇兴波作用而形成的伴流称为波浪伴流， 其数值常较前两者为小。
§5.8 螺旋桨与艇体间的相互作用
艇体的伴流
在利用螺旋桨系列图谱设计螺旋桨时，常用盘面处平 均轴向伴流速度近似地计入伴流的影响。若船速为 V 桨盘 处伴流的平均轴向速度为 ，则螺旋桨与该处水流的相对
泡状空泡 Bubble cavitation 叶根空泡 Blade root cavitation
榖涡空泡 Hub Vortex cavitation
辐射噪声：舰艇在海上活动时，由水中传播出去的水声信息，可能
被敌方发现，从而成为被攻击的目标。 二战时期，声纳监听员能听到的主要是螺旋桨噪声，当时声纳工 作的频段约为6K 赫兹，螺旋桨空化以后的声级可比空化前高出 30-40dB，因此，螺旋桨空泡辐射噪声是潜艇性能关键性技术指 标之一。
韩国玉高级潜艇
PBCF:螺旋桨毂帽鳍安装 在螺旋桨毂帽上，与螺 旋桨桨叶数目相同且一 起旋转的小鳍。是80年 代日本三井、西日本流 体技研和MIKADO螺旋桨 株式会社联合开发的一 种节能装置。
毂帽鳍通过对螺旋桨旋转产生的毂涡进行整流，回收其中的旋转动能，提 高螺旋桨推进效率，减弱毂涡，从而抑制毂涡空泡的产生，有利于降低螺 旋桨噪声。
§5.5 螺旋桨的几何形状
由艇尾后面向前看时所见到的螺旋桨桨叶的一面称为 叶面，另一面称为叶背。桨叶与毂联接处称为叶根，桨叶 的外端称为叶梢。螺旋桨正车旋转时桨叶边缘在前面者称 为导边，另一边称为随边。