空化与空蚀是发生于以液体作为介质的水力机械中的一种特有现象。在某个温度下,压力低到某一值时,液体发生汽化,此压力称为该温度下的汽化压力。液体流动过程中,如果某一部位的压力低于某一临界压力(一般情况下,该临界压力与水的汽化压力接近)时,不溶解于水的气体逸出,形成空泡(空穴)。当空泡随水流运动到压力较高的地方时,空泡迅速凝结而溃灭,空泡的产生、发展与溃灭过程称为空化现象(cavitation phenomenon),因此,空化包括气泡的积聚、流动、分裂到溃灭的整个过程。
螺旋桨在水中工作时,桨叶的叶背压力降低,形成吸力面,当某处的压力降至临界值以下时,将发生爆发式的汽化,水汽通过界面,进入气核并使之膨胀,形成气泡,即是空泡。下面通过三次事件了解一下空泡问题。
(1)1894年,英国240 t的小型驱逐舰“勇敢”号初次试航时,人们发现其转速只能达到384 r/min,比额定转速低1.54%,两台主机发出的总功率为3700马力,比额定功率低7.5%,而航速不超过24 kn,与原定设计航速27 kn相差很多。后来,对螺旋桨做了多次修改设计,但每次试航结果都差别不大,甚至舰艇艉部还发生了剧烈振动。在第六次修改设计中,其他参数基本不变,仅盘面比增加45%,就达到了预定要求。1897年负责建造该舰的总工程师巴纳贝在造船工程师会议上详细地介绍了该舰试航时所遇到的现象,认为最初未达到预期航速之原因是螺旋桨发生了空泡现象。
(2)20世纪70年代中期,我国沿海客货船(浙海403号)发生严重的艉部振动,经过多次修补、加强结构均不见效,经过进一步分析,发现舵机舱内可听到“噼啪”的爆炸声,才知道问题出在螺旋桨空泡上。(www.xing528.com)
(3)我国051舰试航时,仅8小时桨叶根部即出现裂缝,经检查发现螺旋桨和舵有空泡现象发生,后来通过在桨叶根部钻孔,使得桨叶的压力场重新分布,才使问题得以解决。
可见,螺旋桨发生空泡后,会带来很多诸如振动、损伤等方面的危害,因此海军对舰艇性能要求的不断提高,在螺旋桨的设计方面,要求在保证螺旋桨效率的基础上,尽可能改善螺旋桨的空泡性能。对螺旋桨空泡的成因和特性加以分析是提出改善措施的前提。
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