[科普中国]-螺旋桨激振力

简介

螺旋桨的激振力分为轴承力和表面力。轴承力是由于螺旋桨叶片在不均匀流畅中产生的变化的升力所致，主要是通过螺旋桨轴传递到船体结构上。轴承力由6个分量组成(推力、横向水平力、垂向力、 横向水扭矩、水平力矩和横向力矩)。表面力是由于螺旋桨叶片在流场中旋转时，叶片相对 横向船体的位置变化而引起附近流场压力变化，传递并作用在船尾外板上的脉动水压力。2

螺旋桨激振力组成螺旋桨激振力包含以下两部分：

轴频激振力轴频激振力是由螺旋桨制造或安装误差导致机械不平衡或水动力不均匀引起的，其变化频率等于轴的旋转频率。3

叶频激振力叶频激振力是螺旋桨在不均匀伴流场中运转时，由作用在桨叶上的流引起的。其变化频率为叶频(桨叶数乘以轴的旋转频率)或倍叶频(叶频的整数倍)。3

确定螺旋桨激振力和激振力矩有3种途径：模型试验、经验公式、理论计算方法。理论计算方法又分为准定常理论计算方法及修正的准定常理论计算法。3

螺旋桨激振力及空泡对海洋运输船而言，螺旋桨的空泡现象对轴承力并无影响，仅对表面力影响较大。高桥、休兹等人对此作了研究，并得出如下结论：

(1)在定常的空泡中，脉动水压力变化不大。

(2)在不均匀流场中，由于非定常空泡的作用，而使脉动水压力显著增加。

(3)有空泡时，在船体表面上各点水压力几乎没有相位差，而且变化规律相同。

(4)由空泡引起的脉动水压力的增加率，对叶片数越多的螺旋桨就越明显。因此，在有空泡时用增加螺旋桨叶片数来减小脉动水压力的办法不能取得效果。

(5)螺旋桨有空泡现象所产生的表面力，与不发生空泡场合相比，有明显的增大。2

减少螺旋桨激振力的措施减少螺旋桨的激振力的措施主要有：

①改进船舶尾部形态，使流人螺旋桨的速度(伴流分布)均匀。瑞典海运研究中心对油船和集装箱船的水池模型试验结果表明：采用球艉及开式艉可使伴流分布均匀，螺旋桨脉动压力大幅下降。但是，也有因为与原船形的船尾流场不匹配，产生相反效果的情况。

②采用大侧斜螺旋桨

采用大侧斜螺旋桨也是减少螺旋桨激振力的一个重要措施。这种螺旋桨可比普通螺旋桨的激振降低50%～75%，作用在螺旋桨上方的，船体表面脉动压力降低30%，当螺旋桨侧斜角增大时，作用更为显著。

③增加螺旋桨叶数

研究发现：螺旋桨本身的各个特征参数中影响激振力最大的是叶数。荷兰船模试验池的系列模型试验结果表明，随桨叶数的增加，螺旋桨脉动压力显著减少。而对高速客船增加螺旋桨叶数还是降低噪音的一种有效办法。

除了上述的几种措施外，瑞典还开发出一种用复合材料制造的柔性变螺距螺旋桨，日本川崎重工业公司研制了一种艉部防震装置—阻尼水箱及装设特殊的设备(如格里姆叶轮)都是降低螺旋桨脉动力的措施。4