空泡下雙向冰級(jí)槳水動(dòng)力性能試驗(yàn)研究

鄭思潔，周 利，刁 峰，丁仕風(fēng)，劉仁偉

（1.江蘇科技大學(xué)船海學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212003；2.上海交通大學(xué)船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海 200240；3.中國(guó)船舶科學(xué)研究中心，江蘇無(wú)錫 214082）

0 引 言

破冰船在破碎較厚冰層時(shí)，往往會(huì)通過(guò)螺旋槳的正車和倒車實(shí)現(xiàn)破冰船的前進(jìn)和后退，通過(guò)不斷撞擊的方式達(dá)到破冰的目的。螺旋槳正車破冰時(shí)，破碎的冰會(huì)沿著船體表面下滑至螺旋槳前流場(chǎng)，形成不均勻流場(chǎng)，而螺旋槳倒車時(shí)，碎冰在螺旋槳的抽吸作用下，更易造成螺旋槳的冰阻塞。破冰過(guò)程中，由于冰阻力占船舶總阻力的大部分[1]，使得螺旋槳處于高轉(zhuǎn)速而船舶處于低航速的工況中，螺旋槳高速旋轉(zhuǎn)中極易使得槳葉的表面壓力陡降，當(dāng)槳葉的表面壓力低于飽和蒸汽壓時(shí)將產(chǎn)生空泡。

在螺旋槳水池試驗(yàn)方面，Searle等[2]采用EG/AD/S模型冰在加拿大海洋技術(shù)研究所（IOT）冰水池開展了自航試驗(yàn)，結(jié)果顯示螺旋槳的推力和扭矩變化很大，這主要是由于冰-槳間的干擾作用以及與船艏冰載荷有關(guān)；Moores 等[3]以同樣方式對(duì)大傾斜實(shí)槳進(jìn)行了試驗(yàn)，討論了進(jìn)速系數(shù)對(duì)螺旋槳推力系數(shù)和扭矩系數(shù)的影響；Wang 等[4-5]在IOT 冰水池對(duì)吊艙螺旋槳進(jìn)行了模型試驗(yàn)，結(jié)果表明，冰-槳相互作用下的水動(dòng)力性能與螺旋槳形狀、進(jìn)速系數(shù)和槳的攻角有關(guān)，并引入數(shù)值方法對(duì)螺旋槳模型試驗(yàn)進(jìn)行了模擬，通過(guò)模型試驗(yàn)改進(jìn)了數(shù)值模型，數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好；王超等[6-7]在哈爾濱工程大學(xué)循環(huán)水槽中以切削型冰模型為對(duì)象，研究了冰槳間距和流速對(duì)螺旋槳水動(dòng)力性能和冰模型誘導(dǎo)下空泡的影響，隨后研究了自由狀態(tài)冰對(duì)螺旋槳水動(dòng)力性能的影響，發(fā)現(xiàn)了自由狀態(tài)冰后方存在加速區(qū)和阻塞區(qū)；郭春雨等[8]在哈爾濱工程大學(xué)拖曳水池采用非凍結(jié)模型冰，研究了冰-槳軸向、橫向和垂向距離以及進(jìn)速系數(shù)對(duì)螺旋槳水動(dòng)力的影響。

在螺旋槳空泡水筒試驗(yàn)方面，Dan 等[9]在東京大學(xué)空泡水筒開展了冰-槳干擾下的冰級(jí)槳水動(dòng)力載荷研究，研究結(jié)果表明空化減小了吸力載荷，冰阻塞增加了螺旋槳的振蕩；Sampson等[10]在愛默生空泡水筒（ETC）進(jìn)行了不同空泡數(shù)下的冰-槳模型試驗(yàn)，證明了空泡效應(yīng)是影響螺旋槳水動(dòng)力性能的重要因素，且螺旋槳水動(dòng)力性能還與螺旋槳和冰塊幾何、環(huán)境、運(yùn)動(dòng)等有關(guān)；武珅等[11-13]在中國(guó)船舶科學(xué)研究中心空泡水筒開展了系列冰槳空泡性能試驗(yàn)，測(cè)試了均流和冰阻塞環(huán)境中阻塞參數(shù)及不同空泡數(shù)對(duì)螺旋槳模型水動(dòng)力性能以及空泡的影響。

學(xué)者們大多關(guān)注冰級(jí)螺旋槳的正車性能，而很少考慮破冰船沖撞式破冰時(shí)的倒車性能，針對(duì)某一冰級(jí)槳的正車和倒車性能的研究則更少。本文采用螺旋槳模型試驗(yàn)方法，對(duì)均流環(huán)境中不同空泡數(shù)和進(jìn)速系數(shù)下螺旋槳正車和倒車水動(dòng)力性能，以及在冰阻塞環(huán)境中不同空泡數(shù)、進(jìn)速系數(shù)和冰-槳距離下螺旋槳正車和倒車水動(dòng)力性能進(jìn)行研究。

1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c試驗(yàn)設(shè)備

1.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

空泡效應(yīng)下冰級(jí)螺旋槳分別在均流和冰阻塞流中的正車、倒車性能模型試驗(yàn)在中國(guó)船舶科學(xué)研究中心的空泡水筒中開展，螺旋槳試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D1所示，表1為實(shí)槳和模型槳的主要參數(shù)，其中螺旋槳的材料為鋁合金，旋轉(zhuǎn)方向?yàn)橛倚?/p>

表1 螺旋槳主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of propeller

圖1 螺旋槳試驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.1 Propeller test model

為了在空泡水筒中模擬冰阻塞環(huán)境，設(shè)計(jì)并加工了位于螺旋槳模型來(lái)流中前方的冰阻塞物模型。冰阻塞物模型采用不溶于水的長(zhǎng)方體固體物塊，物塊的長(zhǎng)、寬和高分別為430 mm（1.72D）、250 mm（D）和125 mm（0.5D）[14]，冰阻塞物的尺寸及與螺旋槳相對(duì)位置關(guān)系如圖2所示。

圖2 冰阻塞物尺寸及與螺旋槳相對(duì)位置關(guān)系Fig.2 Size of ice block and its relative position to the propeller

冰阻塞物塊與螺旋槳間距離L可通過(guò)軸向驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，螺旋槳模型正車性能試驗(yàn)中螺旋槳正裝正轉(zhuǎn)，而螺旋槳模型倒車性能試驗(yàn)采用反裝正轉(zhuǎn)的裝配方法，將螺旋槳反裝在驅(qū)動(dòng)槳軸上，冰阻塞物和螺旋槳模型在空泡水筒中安裝示意圖如圖3所示。

圖3 冰阻塞物和螺旋槳模型在空泡水筒中安裝示意圖Fig.3 Installation diagram of ice block and propeller model in cavitation tunnel

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

中國(guó)船舶科學(xué)研究中心的空泡水筒工作段直徑為0.8 m，工作段長(zhǎng)度為3.2 m，水速范圍為3～20 m/s，壓力調(diào)整范圍為8～400 kPa，最低空泡數(shù)為0.15。螺旋槳模型試驗(yàn)的測(cè)量?jī)x器和儀表的量程、精度如表2所示。

表2 測(cè)量?jī)x器和儀表及其量程、精度Tab.2 Measuring instruments and their ranges and accuracy

2 模型試驗(yàn)方法

2.1 相似準(zhǔn)則

螺旋槳正車和倒車性能模型試驗(yàn)必須滿足相似準(zhǔn)則，本次模型試驗(yàn)分別從螺旋槳的幾何、運(yùn)動(dòng)、粘性力和空泡方面考慮相似關(guān)系。

（1）幾何相似

嚴(yán)格按縮尺比1:28制作的螺旋槳模型保證了模型和實(shí)物的幾何相似。

（2）運(yùn)動(dòng)相似

通過(guò)對(duì)螺旋槳進(jìn)速系數(shù)J、推力系數(shù)KT、扭矩系數(shù)KQ和敞水效率η0的定義保證運(yùn)動(dòng)相似，定義如下：

式中，V為試驗(yàn)水速，n為螺旋槳轉(zhuǎn)速，D為螺旋槳直徑，T為螺旋槳的推力，Q為螺旋槳的扭矩，ρ為水的密度。

（3）粘性力相似

確保螺旋槳0.75R處槳葉切面弦長(zhǎng)的雷諾數(shù)Rn（0.75R）超過(guò)臨界雷諾數(shù)，即

式中，L0.75R為0.75R處槳葉切面弦長(zhǎng)，ν為水的運(yùn)動(dòng)粘滯系數(shù)。

（4）空泡數(shù)相似

通過(guò)空泡數(shù)來(lái)滿足模型試驗(yàn)的壓力環(huán)境相似，在均勻流環(huán)境中來(lái)流速度恒定，而冰阻塞環(huán)境中螺旋槳旋轉(zhuǎn)速度恒定，則分別需要滿足水速空泡數(shù)σv和轉(zhuǎn)速空泡數(shù)σn相似，定義如下：

式中，P為軸中心壓力，Pv為飽和蒸汽壓。

2.2 試驗(yàn)方案

為探究空泡效應(yīng)對(duì)雙向冰級(jí)螺旋槳在敞水以及冰區(qū)環(huán)境中正車和倒車性能的影響，將分別在均勻流環(huán)境和冰阻塞環(huán)境中進(jìn)行正車和倒車螺旋槳水動(dòng)力性能試驗(yàn)。

2.2.1 均勻流環(huán)境

水動(dòng)力測(cè)試前先用長(zhǎng)軸動(dòng)力儀對(duì)標(biāo)槳進(jìn)行測(cè)量，確認(rèn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可靠后，進(jìn)行螺旋槳模型的水動(dòng)力測(cè)量。分別進(jìn)行正裝和反裝螺旋槳的基線測(cè)量，然后進(jìn)行正裝和反裝螺旋槳在不同空泡數(shù)下的推力和扭矩測(cè)量。測(cè)試工況分為無(wú)空泡狀態(tài)（σv=18.4）和空泡狀態(tài)（σv=5.0、2.5）。試驗(yàn)時(shí)固定水速V=4 m/s，改變螺旋槳轉(zhuǎn)速來(lái)改變進(jìn)速系數(shù)，記錄各個(gè)進(jìn)速系數(shù)下的螺旋槳推力和扭矩?cái)?shù)據(jù)，測(cè)試工況如表3所示。

表3 均勻流環(huán)境螺旋槳試驗(yàn)工況Tab.3 Test conditions of propeller in uniform flow environment

2.2.2 冰阻塞環(huán)境

在螺旋槳來(lái)流前方安裝冰阻塞結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)裝置，標(biāo)定冰阻塞裝置與螺旋槳模型的軸向和垂向相對(duì)位置；調(diào)整冰阻塞物垂向高度至指定要求，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)螺桿驅(qū)動(dòng)冰阻塞物軸向運(yùn)動(dòng)，調(diào)整阻塞物與螺旋槳盤面至指定間距。冰阻塞環(huán)境螺旋槳水動(dòng)力性能測(cè)試采用定轉(zhuǎn)速變水速的方法進(jìn)行，固定螺旋槳轉(zhuǎn)速n=35 r/s，調(diào)整水速和水筒壓力至指定進(jìn)速和轉(zhuǎn)速空泡數(shù)，分別測(cè)量正裝和反裝螺旋槳模型在不同冰槳軸向間距、空泡數(shù)和進(jìn)速系數(shù)下的推力和扭矩系數(shù)，表4 為冰阻塞環(huán)境中螺旋槳正車和倒車性能試驗(yàn)的測(cè)試工況。

表4 冰阻塞環(huán)境螺旋槳試驗(yàn)工況Tab.4 Test conditions of propeller in ice blockage environment

3 均勻流環(huán)境試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 正車性能

空泡水筒中螺旋槳在均勻流環(huán)境下正車試驗(yàn)，探究了螺旋槳正裝正轉(zhuǎn)時(shí)在不同水速空泡數(shù)和進(jìn)速系數(shù)下的敞水性能，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 均勻流中螺旋槳正車試驗(yàn)敞水性能曲線Fig.4 Open-water performance of propeller forward driving test in uniform flow

圖4 為均勻流環(huán)境中水速空泡數(shù)σv=18.4、5.0 和2.5 時(shí)，螺旋槳正車的推力系數(shù)、扭矩系數(shù)和敞水效率隨進(jìn)速系數(shù)變化的曲線。由圖可以看出，當(dāng)空泡數(shù)為18.4時(shí)，推力系數(shù)和扭矩系數(shù)隨進(jìn)速系數(shù)的增加而直線式減小，敞水效率隨進(jìn)速系數(shù)的增加而增加，三者的變化符合一般性的規(guī)律。當(dāng)空泡數(shù)為2.5 時(shí)，推力系數(shù)和扭矩系數(shù)隨進(jìn)速系數(shù)的增加而先增后減，在進(jìn)速系數(shù)從0.35 增加到0.45 時(shí)隨進(jìn)速系數(shù)的增加而增加，在進(jìn)速系數(shù)從0.45增加到0.70時(shí)隨進(jìn)速系數(shù)的增加而減小，且隨著進(jìn)速系數(shù)的增加，推力系數(shù)和扭矩系數(shù)越接近于空泡數(shù)為18.4的值，敞水效率隨進(jìn)速系數(shù)的增加而增加。空泡數(shù)為5.0時(shí)，推力系數(shù)、扭矩系數(shù)和敞水效率都介于空泡數(shù)18.4和2.5之間時(shí)的值。

均勻流環(huán)境中螺旋槳模型試驗(yàn)，采用定水速變轉(zhuǎn)速的方法，當(dāng)水速一定時(shí)，螺旋槳轉(zhuǎn)速隨進(jìn)速系數(shù)的增加而減小，進(jìn)速系數(shù)越小則螺旋槳轉(zhuǎn)速越大，進(jìn)速系數(shù)與螺旋槳轉(zhuǎn)速成反比。當(dāng)空泡數(shù)為18.4時(shí)，進(jìn)速系數(shù)增加，螺旋槳轉(zhuǎn)速減小，推力和扭矩都隨之減小，由于空泡數(shù)大，不易生成空泡，推力系數(shù)和扭矩系數(shù)隨進(jìn)速系數(shù)增加而直線式減小。而空泡數(shù)為2.5 時(shí)，空泡水筒內(nèi)部壓力低，而螺旋槳高速旋轉(zhuǎn)，極易使得螺旋槳表面的壓力低于飽和蒸氣壓力，產(chǎn)生空化現(xiàn)象；進(jìn)速系數(shù)從0.35增加到0.45時(shí)，螺旋槳轉(zhuǎn)速降低，螺旋槳表面空泡減小，空泡對(duì)螺旋槳推力和扭矩的減小效應(yīng)降低，出現(xiàn)推力系數(shù)和扭矩系數(shù)不減小而增加；而隨著進(jìn)速系數(shù)的進(jìn)一步增加，空泡對(duì)螺旋槳的影響進(jìn)一步減小，其推力系數(shù)和扭矩系數(shù)逐漸接近空泡數(shù)為18.4 的值。敞水效率曲線的斜率隨推力系數(shù)和扭矩系數(shù)變化，其斜率為KT/2πKQ，在進(jìn)速系數(shù)為0.35時(shí)，螺旋槳轉(zhuǎn)速高，推力和扭矩大，而空泡數(shù)越小，螺旋槳表面空化越嚴(yán)重，其推力與扭矩的比值越??；隨著進(jìn)速系數(shù)的增加，螺旋槳轉(zhuǎn)速減小，推力和扭矩都減小，其比值也在減小，敞水效率斜率減小。

3.2 倒車性能

空泡水筒中螺旋槳在均勻流環(huán)境下倒車試驗(yàn)，探究螺旋槳倒裝正轉(zhuǎn)時(shí)在不同水速空泡數(shù)和進(jìn)速系數(shù)下的敞水性能，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示，

圖5 均勻流中螺旋槳倒車試驗(yàn)敞水性能曲線Fig.5 Open-water performance of propeller reversing test in uniform flow

圖5 為均勻流環(huán)境中水速空泡數(shù)σv=18.4、5.0 和2.5 時(shí)，螺旋槳倒車的推力系數(shù)、扭矩系數(shù)和敞水效率隨進(jìn)速系數(shù)變化的曲線。由圖可以看出，當(dāng)進(jìn)速系數(shù)為0.35～0.55，水速空泡數(shù)為18.4、5.0 和2.5時(shí)，推力系數(shù)、扭矩系數(shù)和敞水效率隨進(jìn)速系數(shù)的變化同正車的變化一致，而數(shù)值上都小于正車的值，螺旋槳的倒車性能比正車性能差。當(dāng)進(jìn)速系數(shù)繼續(xù)增加，從0.55增加到0.70時(shí)，不同空泡下的敞水效率隨進(jìn)速系數(shù)的增加而迅速減小，由于螺旋槳轉(zhuǎn)速隨進(jìn)速系數(shù)的增加而減小，推力與扭矩的比值快速減小，從而敞水效率減小。即保持一定航速，螺旋槳進(jìn)速系數(shù)增加時(shí)，螺旋槳轉(zhuǎn)速減小，且進(jìn)速系數(shù)和轉(zhuǎn)速成反比，當(dāng)進(jìn)速系數(shù)增加到一定值時(shí)，螺旋槳轉(zhuǎn)速減小，導(dǎo)致推力與扭矩的比值迅速減小，則該螺旋槳在敞水中倒車時(shí)，進(jìn)速系數(shù)不應(yīng)大于0.55。

表5 為均勻流中螺旋槳倒車水動(dòng)力與正車水動(dòng)力差值對(duì)比。由表可以看出，隨著進(jìn)速系數(shù)的增加，螺旋槳在均流中倒車水動(dòng)力與正車水動(dòng)力差值隨之增加，倒車水動(dòng)力性能也越差。且推力系數(shù)的差值比扭矩系數(shù)的差值大，在進(jìn)速系數(shù)為0.7 時(shí)，推力系數(shù)的差值在80%左右；在低進(jìn)速系數(shù)時(shí)，低空泡下的水動(dòng)力差值比無(wú)空泡下的水動(dòng)力差值大。

表5 均勻流中螺旋槳倒車水動(dòng)力與正車水動(dòng)力差值對(duì)比（%）Tab.5 Comparison of the difference between propeller reversing and forward hydrodynamics in uniform flow(%)

4 冰阻塞環(huán)境試驗(yàn)結(jié)果與分析

當(dāng)極地船舶航行于冰區(qū)時(shí)，冰阻力將大大增加船舶總阻力，使得螺旋槳在低進(jìn)速高轉(zhuǎn)速的重載工況下運(yùn)作。由螺旋槳均勻流環(huán)境模型試驗(yàn)可知，螺旋槳進(jìn)速系數(shù)較低時(shí)極易產(chǎn)生空泡，本文將繼續(xù)探究螺旋槳在冰阻塞環(huán)境中，空泡數(shù)為4.0和2.0，進(jìn)速系數(shù)為0.35、0.45和0.55時(shí)，螺旋槳推力系數(shù)、扭矩系數(shù)和敞水效率隨冰阻塞物與螺旋槳間距離的變化規(guī)律。

4.1 正車性能

空泡水筒中螺旋槳在冰阻塞環(huán)境下的正車試驗(yàn)，探究螺旋槳正裝正轉(zhuǎn)時(shí)在不同轉(zhuǎn)速空泡數(shù)、進(jìn)速系數(shù)和冰-槳距離下的水動(dòng)力性能，試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示，

圖6 冰阻塞環(huán)境中螺旋槳正車試驗(yàn)水動(dòng)力性能曲線Fig.6 Hydrodynamic performance of propeller forward driving test in ice blockage environment

圖6為冰阻塞環(huán)境中轉(zhuǎn)速空泡數(shù)σn=4.0和2.0，進(jìn)速系數(shù)為0.35、0.45和0.55時(shí)螺旋槳正車的推力系數(shù)、扭矩系數(shù)和敞水效率隨冰-槳距離變化曲線。由圖可以看出，隨著進(jìn)速系數(shù)的增加，螺旋槳推力系數(shù)和扭矩系數(shù)隨之減小，而敞水效率隨之增加。隨著冰-槳距離的減小，螺旋槳推力系數(shù)和扭矩系數(shù)都隨之增加，而敞水效率呈現(xiàn)減小趨勢(shì)。隨著空泡數(shù)的減小，螺旋槳推力系數(shù)和扭矩系數(shù)隨冰-槳距離的減小而增加的幅度減小。

螺旋槳在冰阻塞環(huán)境中的模型試驗(yàn)，采用定轉(zhuǎn)速變水速的方法。當(dāng)進(jìn)速系數(shù)增加時(shí)，來(lái)流速度隨之增加，螺旋槳受到水流的沖擊力越大，且流速的增加，增加了流場(chǎng)的不均勻性，從而減小了螺旋槳的推力和扭矩。螺旋槳前方來(lái)流受到冰阻塞物的阻礙，使得螺旋槳進(jìn)流速度降低，推力和扭矩都隨之增加，且隨冰-槳距離的減小，冰阻塞物的阻塞作用越明顯。當(dāng)空泡數(shù)減小時(shí)，流場(chǎng)壓力減小，螺旋槳表面空泡增加，空泡減小了螺旋槳與水的接觸面積，受到水的作用力減小，從而減小了推力和扭矩，且空泡降低了螺旋槳推力和扭矩隨冰-槳距離減小的增加量。

4.2 倒車性能

圖7為冰阻塞環(huán)境中轉(zhuǎn)速空泡數(shù)σn=4.0和2.0，進(jìn)速系數(shù)為0.35、0.45和0.55時(shí)螺旋槳倒車的推力系數(shù)、扭矩系數(shù)和敞水效率隨冰-槳距離變化曲線。由圖可以看出，隨著進(jìn)速系數(shù)的增加，螺旋槳推力系數(shù)、扭矩系數(shù)和敞水效率與正車變化一致，且都小于正車的值，在冰阻塞環(huán)境中螺旋槳倒車性能同樣比正車性能差。隨著冰-槳距離的減小，空泡數(shù)為4.0 的螺旋槳推力系數(shù)和扭矩系數(shù)都隨之增加。而空泡數(shù)為2.0的螺旋槳推力系數(shù)和扭矩系數(shù)隨冰-槳距離的減小呈現(xiàn)增加后減小的趨勢(shì)，冰-槳距離從0.70 減小到0.30 時(shí)，螺旋槳推力系數(shù)和扭矩系數(shù)隨冰-槳距離的減小而增加，這是由于冰阻塞物的阻塞作用，降低了來(lái)流速度，從而增加了推力和扭矩；冰-槳距離從0.30 減小到0.20 時(shí)，螺旋槳推力系數(shù)和扭矩系數(shù)隨冰-槳距離的減小而減小，由于冰-槳距離的減小，空泡現(xiàn)象越明顯，嚴(yán)重的空化大大降低了螺旋槳水動(dòng)力性能，使得螺旋槳推力系數(shù)和扭矩系數(shù)隨冰-槳距離的減小而減小。

圖7 冰阻塞環(huán)境中螺旋槳倒車試驗(yàn)水動(dòng)力性能曲線Fig.7 Hydrodynamic performance of propeller reversing test in ice blocking environment

表6為冰阻塞中倒車水動(dòng)力與正車水動(dòng)力差值對(duì)比。由表可以看出，隨著進(jìn)速系數(shù)的增加，螺旋槳倒車水動(dòng)力與正車水動(dòng)力差值隨之增加，而增加幅值小于均流差值增幅；隨著冰-槳距離的增加，螺旋槳倒車水動(dòng)力與正車水動(dòng)力差值隨之增加，但增加幅值較??；推力系數(shù)差值同樣比扭矩系數(shù)差值大。

表6 冰阻塞中螺旋槳倒車水動(dòng)力與正車水動(dòng)力差值對(duì)比（%）Tab.6 Comparison of the difference between propeller reversing and forward hydrodynamics in ice blockage environment(%)

圖8 為σn=2.0、J=0.55 時(shí)冰阻塞環(huán)境中螺旋槳倒車試驗(yàn)圖。由圖可以看出，在螺旋槳的吸力面發(fā)生了嚴(yán)重的空化現(xiàn)象，主要發(fā)生于槳葉吸力面的導(dǎo)邊和葉梢處，且隨著冰-槳距離L/D從0.7 減小到0.3，近冰槳葉表面空化現(xiàn)象越嚴(yán)重，空泡發(fā)生面積越大，且空泡形狀越不規(guī)則。大量的空泡從槳葉分離，并迅速潰滅，而槳葉吸力面的導(dǎo)邊和葉梢的空泡由于螺旋槳高速旋轉(zhuǎn)，其表面壓力低于飽和蒸汽壓力，空泡又不斷地形成。隨著冰-槳距離L/D的減小，空化性能越嚴(yán)重，槳葉表面空泡的出現(xiàn)，減小了水與螺旋槳表面的接觸面積，從而減小了螺旋槳推力和扭矩。而在冰-槳距離減小的同時(shí)，阻塞物減小了來(lái)流速度，使得螺旋槳的推力和扭矩增加。螺旋槳的水動(dòng)力性能是由空泡性能和阻塞性能共同決定的。

圖8 σn=2.0、J=0.55時(shí)冰阻塞環(huán)境中螺旋槳倒車試驗(yàn)圖Fig.8 Propeller reversing test diagram in ice blockage environment when σn=2.0,J=0.55

5 結(jié) 論

本文采用螺旋槳模型試驗(yàn)方法，對(duì)均流環(huán)境中不同空泡數(shù)和進(jìn)速系數(shù)下螺旋槳正車和倒車水動(dòng)力性能，以及在冰阻塞環(huán)境中不同空泡數(shù)、進(jìn)速系數(shù)和冰-槳距離下螺旋槳正車和倒車水動(dòng)力性能進(jìn)行了研究，得到如下結(jié)論：

（1）均勻流環(huán)境中定水速變轉(zhuǎn)速，當(dāng)發(fā)生嚴(yán)重空化時(shí)，螺旋槳的推力、扭矩系數(shù)隨進(jìn)速系數(shù)的減小先增加后減小，空泡效應(yīng)對(duì)推力和扭矩的削減大于由于螺旋槳轉(zhuǎn)速增大而增加的推力和扭矩；螺旋槳倒車時(shí)，轉(zhuǎn)速不能低于一定的值，否則敞水效率會(huì)出現(xiàn)驟降。

（2）冰阻塞環(huán)境中定轉(zhuǎn)速變水速，螺旋槳推力系數(shù)和扭矩系數(shù)隨進(jìn)速系數(shù)的減小和空泡數(shù)的增加而增加；而隨著冰-槳距離的減小，螺旋槳推力和扭矩受到冰阻塞和空泡共同作用，當(dāng)空化嚴(yán)重時(shí)，推力和扭矩不再隨阻塞距離的減小而增加。

（3）本文所采用的雙向螺旋槳的倒車性能要比正車性能差，隨著進(jìn)速系數(shù)的增加，螺旋槳在均流中倒車與正車水動(dòng)力差值隨之增加，進(jìn)速系數(shù)為0.7 時(shí)，水動(dòng)力的差值在80%左右；冰阻塞中隨著冰-槳距離的增加，螺旋槳倒車水動(dòng)力與正車水動(dòng)力差值隨之增加，但增加幅值較??；雙向槳在設(shè)計(jì)中需要考慮倒車性能，提高船舶的機(jī)動(dòng)性。

（4）空泡不斷地在槳葉吸力面的導(dǎo)邊和葉梢處生成，并在與槳葉分離時(shí)快速潰滅，隨著冰-槳距離的減小，近冰槳葉表面空化現(xiàn)象越嚴(yán)重，空泡發(fā)生面積越大，且空泡形狀越不規(guī)則。