论文摘要
自上世纪七十年代起,船舶螺旋桨在船体上诱导的激振力及其引起的船舶剧烈振动问题,受到船舶研究界的广泛关注。在以后的数十年间,研究人员致力于揭示螺旋桨诱导产生激振力的机理和规律,发展了相关的理论和试验技术,为减小螺旋桨在船体上诱导的激振力作了巨大努力。螺旋桨在船体上产生的激振力,特别是螺旋桨空泡在船体表面诱导的脉动压力,是引起船舶剧烈振动的原因之一。螺旋桨在船体上产生的激振力大小除了与桨叶的几何形状、桨叶的载荷、桨叶空泡数以及船尾流场形态有密切关系外,还与螺旋桨叶梢与船体间隙大小有很大关系。叶梢间隙比即螺旋桨叶梢到船体表面的距离与螺旋桨直径之比是激振力在船体表面上大小的一个重要因素。一般的说法是,增大梢隙可减小螺旋桨在船体表面的诱导脉动压力。然而,增大梢隙将改变船体的尾部形状或减小螺旋桨的直径,势必影响到船舶的推进性能。本文首先从介绍螺旋桨在不均匀流场中运转时产生的激振力的基本概念出发,对轴承力和表面力作了解释。轴承力是螺旋桨叶上的不定常载荷引起的桨轴的纵向力、垂向力、横向力和力矩,并通过轴系传递到船体;表面力是螺旋桨诱导的压力场经过水传递到船体表面的脉动压力。螺旋桨诱导的轴承力和表面力是船舶振动的振源。其中,螺旋桨诱导的在船体表面上的脉动压力的集合作用即表面力是引起船体剧烈振动的最主要的诱因。研究螺旋桨在船体上诱导的激振力有理论方法和试验方法。理论方法中,准确估算桨叶叶片上的空泡体积及其随时间的变化是问题的关键。现代先进的CFD技术,在计算螺旋桨空泡流方面取得了很大的进步。但在目前阶段,由于流体粘性和空泡机理的复杂性,有关的计算结果仍不能令人满意。用模型试验方法研究螺旋桨激振问题,是目前公认的非常实用而可靠的研究手段。本文根据模型试验讨论了叶梢间隙比与螺旋桨诱导脉动压力之间大小的关系。对螺旋桨诱导脉动压力试验方法,本文介绍了有关的试验研究手段,其中包括;空泡水筒、伴流场模拟、脉动压力测量系统,模型与实船间的相似准则等。试验过程中,空泡水筒内的水速、压力信号和螺旋桨的推力、扭矩信号经放大器放大后送计算机进行A/D转换并处理,桨轴转速信号通过频率计同步输入。对测得的脉动压力经快速付里叶变换（FFT）处理后,获得各阶叶频的幅值和脉动压力系数。空泡水筒中船后不均匀伴流场的模拟也是螺旋桨诱导脉动压力研究中的一项关键技术,本文介绍了船后不均匀伴流场的概念,对在水筒中为何用网格法模拟船后的流场作了叙述。相对于其他船型,集装箱船舶螺旋桨的功率密度较高,诱导的船体激振力引起船舶剧烈振动的可能性倍增。为了降低螺旋桨的功率密度和提高推进效率,希望采用尽可能大的螺旋桨直径,但大的螺旋桨直径会减小梢隙,反过来可能增大螺旋桨在船体上的激振影响。本文以一条集装箱船舶螺旋桨为例,具体分析与探讨梢部间隙对螺旋桨诱导激振力的影响,对三个实用范围内的不同叶梢间隙比情况,即gt/D=0.25,0.35和0.45,在不同的工况条件下即螺旋桨推力系数KΥ=0.10,0.15,0.20,螺旋桨转速空泡数σn=1.5,2.5,Atm,在SSSRI空泡水筒,进行了模拟不均匀流场中螺旋桨模型的脉动压力测量。通过比较分析,找出能进一步减少螺旋桨空泡在船体表面诱导的脉动压力合适的梢间隙比。我们用网格法在空泡水筒中模拟了对象集装箱船舶螺旋桨位置处的不均匀流场。通过对网格的多次调整和对应流场的测量以及与要求模拟结果的比较,完成了实船螺旋桨流场在空泡水筒中的模拟工作。在脉动压力的测量试验中,通过固定螺旋桨转速、调节筒压和流速,达到空化数和推力系数方面的试验要求。测量螺旋桨脉动压力的五个传感器,布置在桨叶上方的一块平板上。可以调节平板到桨叶轴线的距离以达到叶梢间隙比的试验要求。脉动压力测量后记录的数据,由快速付里叶变换（FFT）作出处理,得到各阶脉动压力系数,从中进行叶梢间隙大小对脉动压力影响的讨论和比较。通过对三个不同叶梢间隙比（β=0.25,0.35,0.45）、三个不同推力系数（KΥ=0.10,0.15,0.20）和三个不同空泡数（σn=1.5,2.5,Atm）组合的共27组不同状况下五个测点上的螺旋桨诱导的脉动压力试验测量,对其测量数据处理后得到的一至五阶叶频谐调脉动压力系数KPL（L=1,2,…5）,以推力系数KΥ、空泡数σn和叶梢间隙比β的函数形式KPL=f（KΥ,σn,β）,用表格数据给予了表达。通过对表格数据的初步分析、研究后认为,脉动压力一阶叶频谐调分量幅值KP1比较其他各阶叶频谐调分量幅值为最大,往往可超过一个量阶以上。因此,在进一步的分析比较中,仅对一阶叶频谐调脉动压力系数KP1与叶梢间隙比的关系进行讨论。为了从不同的角度进行分析比较,本文分别给出了σn常数时KP1=f（KΥ,β）和KΥ常数时KP1=f（σn,β）的图示曲线。在给出的五个测点的一阶叶频谐调脉动压力系数KP1与叶梢间隙比关系曲线中,可找出叶梢间隙比与脉动压力大小影响关系的一些共同特征。从相同推力系数KΥ不同空泡数σn下的一阶叶频谐调脉动压力系数KP1比较可以发现,桨叶空化引起的脉动压力明显高于因叶片厚度和桨叶负荷引起的脉动压力;对空泡数较大并与负荷系数组合后引起的脉动压力不太大的情况下,叶梢间隙比大小对脉动压力的影响不明显;对空泡数与负荷系数组合后主要由桨叶空化引起的脉动压力的情况下,对中等的螺旋桨空化诱导的脉动压力在叶梢间隙比0.25～0.35的范围内,增加叶梢间隙比β对降低脉动压力效果不佳,但对强的螺旋桨空化诱导的脉动压力,增大叶梢间隙比具有良好的降压效果。本文还给出了叶梢间隙比在不同螺旋桨负荷和空泡条件下对脉动压力大小的影响斜率,在实践使用中具有参考价值。本文得到有关间隙比大小对螺旋桨激振力影响的主要结论是（1）螺旋桨叶梢间隙比对脉动压力的影响主要与螺旋桨的负荷和空化水平的组合有关。（2）对强的螺旋桨空化诱导的脉动压力,增加叶梢间隙比从0.25到0.35或者更大,可有效地降低诱导脉动压力。（3）对中等的螺旋桨空化诱导的脉动压力,增加梢间隙比对降低脉动压力效果不佳,可应用小的0.25左右的梢间隙比。本论文共分五章,第一章介绍论文题目的提出及其研究的目标和范围,第二章介绍螺旋桨诱导激振力的基础概念与船舶振动的关系。第三章介绍达到本文研究目标所用的试验手段和方法,第四章给出梢间隙比对脉动压力研究的具体结果和分析,第五章给出了相关的结论。因经费和时间的限制,本研究仅用了一个模型,未能实现同时在相同转速空化数和相同速度空化数下的不同负荷螺旋桨诱导脉动压力比较。有关负荷系数,空化数,间隙比与脉动压力系数之间进一步的定量关系尚待明确。
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标签：螺旋桨叶梢间隙比论文; 诱导脉动压力论文; 激振力论文; 试验方法论文;