2018, Vol. 39
2. 海军上海地区装备修理监修室，上海 200000
2. Naval Shanghai Area Equipment Repair Room, Shanghai 200000, China
水面舰船普通舵位于船舶螺旋桨后方，处于螺旋桨的旋转尾流中，由于其设计时未考虑螺旋桨旋转尾流[1, 2]的影响，舵表面易发生较为严重的空化。舵的操纵力[3, 4]是由舵面压力差形成的，当吸力面发生空化后，舵表面的压力将保持为饱和蒸汽压力[5]，压力差将不能进一步降低，从而降低舵的水动力性能，空化[6]还会对舵面造成严重的剥蚀作用[7~9]，影响舵的使用寿命。另外，舵的空化会引起舵和船体尾部的结构振动，产生较大的噪声[10~12]等一系列不利影响。因此，通过试验方法研究普通舵的空化特性，有利于普通舵的后期优化设计，对于提高舵的水动力性能、抑制空化剥蚀、降低舵空化引起的振动和噪声具有非常重要的军事研究价值。
20世纪50年代，苏联克雷洛夫科学家研究总院在水池中进行了桨舵干扰的系列试验研究[13]，20世纪90年代，陆惠生等[14]在试验水池中进行了敞水舵的水动力试验。上述系列试验主要研究了舵的水动力性能，而针对舵空化问题的研究相对较少。曹彦涛[15]通过试验方法观察了某实船舵在一定航速和一定舵角下的空化试验，获得了实船舵空化出现的位置及程度。为进一步了解实船普通舵空化剥蚀的实际情况，先后收集了美国典型舰船阿利伯克级驱逐舰和已经退役的四桨四舵企业号航母的舵空化剥蚀资料(见图 1，2)。
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Fig. 1 Burke-class destroyer rudder cavitation erosion |
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Fig. 2 Enterprise aircraft carrier cavitation erosion |
阿利伯克级驱逐舰在正常航行状况下，普通舵表面涂层在12~18个月后就会发生严重的空化剥蚀。美国企业号航母航速在33~35kn，易发生空化现象，从图 2可以清楚地看出其普通舵展长方向中心区域的导边附近存在严重的空化剥蚀。同时，为了更加准确地了解普通舵的空化剥蚀资料，作者亲自前往国内船厂针对水面舰船普通舵进行了调研，得到了实船左右舵的空化剥蚀资料(见图 3)。通过以上关于实船舵空化剥蚀现象的论述表明：研究普通舵的空化是非常有必要的。
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Fig. 3 Rudder cavitation erosion |
通过借鉴循环水洞模型试验的相关文献[16~21]，本文基于桨后舵模型的空泡观察试验来研究普通舵的空化特性。通过研究实船舵空化的形状、位置以及空化区域的面积与实船航速之间的规律，为实船舵空化的研究以及普通舵的改进设计提供参考依据。
2 试验设备调试 2.1 试验设备仪器本试验在海军工程大学循环水洞中完成，空泡水洞长12m，高8m，空泡水洞的整体三维示意图如图 4所示，其中空泡水洞试验室的工作段长2.6m，宽0.6m，高0.6m(见图 5)。
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Fig. 4 Cavitation water tunnel |
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Fig. 5 Working section window |
主要的试验仪器有螺旋桨长轴动力仪、频闪仪、舵安装定位及舵角控制装置(见图 6)。舵角控制装置由舵角控制电机模块和大盖板组成，舵角控制电机通过法兰与大盖板连接。舵安装定位则通过定位孔和定位杆的机械定位方式来确保舵零度位置的精度。另外，舵控制电机最小量程为0.01°，保证了舵角的精确度。
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Fig. 6 Experimental apparatus |
根据以往海军工程大学循环水洞中进行螺旋桨空泡试验的经验，选择循环水洞空泡试验中允许的最大螺旋桨模型尺寸，确定桨舵模型与实船桨舵的缩尺比，加工螺旋桨及舵模型。舵剖面为对称翼型，舵模型的展长L(舵高)为198.7mm，螺旋桨模型直径D为240mm。舵轴与螺旋桨桨盘面中心的纵向距离为210.5mm，横向距离为29.5mm，桨和舵的模型相对位置及及桨舵的安装如图 7所示。
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Fig. 7 Relative position of propeller and rudder model |
在试验设备调试过程中，通过移动长轴动力仪纵向位置来调节舵轴与桨盘面的纵向距离，桨舵的横向距离则是在盖板设计图纸中提前设计好舵轴开孔位置，从而保证桨舵的横向相对位置要求。
3 试验研究 3.1 试验方法在研究普通舵空化问题方面，以往文献只是对敞水舵的水动力性能进行研究，关于桨后舵空泡试验的研究文献较少。由于舵位于螺旋桨后方，普通舵周围流场主要受螺旋桨影响。因此，在桨舵模型与实船桨舵满足几何相似的基础上，只要保证螺旋桨模型的进速系数、空泡数σ和实船桨相等，即可以保证模型舵与实船舵对应点的速度成比例，各对应点处的减压系数ξ和空泡数σ能对应相等，使普通舵模型空泡观察试验能够满足模拟实船舵空化现象的要求。综上所述，实船桨及其桨模型满足空泡相似的条件为
| $ {J_{\rm{s}}} = {J_{\rm{m}}} $ | (1) |
| $ {\sigma _{{\rm{ns}}}} = {\sigma _{{\rm{nm}}}} $ | (2) |
式中下标s，m分别代表实桨及桨模所对应的值，J为螺旋桨进速系数，σn为螺旋桨的转速空泡数。
实船桨与模型桨在进速系数相等的情况下，进速与转速之间的关系为
| $ {J_{\rm{s}}} = \frac{{{V_{\rm{s}}}}}{{{n_{\rm{s}}}{D_{\rm{s}}}}} = \frac{{{V_{\rm{m}}}}}{{{n_{\rm{m}}}{D_{\rm{m}}}}} = {J_{\rm{m}}} $ | (3) |
| $ \frac{{{V_{\rm{s}}}}}{{{V_{\rm{M}}}}} = \frac{{{n_{\rm{s}}}{D_{\rm{s}}}}}{{{n_{\rm{m}}}{D_{\rm{m}}}}} = \lambda \frac{{{n_{\rm{s}}}}}{{{n_{\rm{m}}}}} $ | (4) |
式中λ = Ds/Dm为模型的缩尺比，n为螺旋桨转速，V为桨进速。实船桨和模型桨空泡速分别为
| $ {\sigma _{{\rm{ns}}}} = \frac{{{p_{\rm{a}}} + {\rho _{\rm{s}}}{h_{\rm{s}}}g-{p_{\rm{v}}}}}{{0.5{\rho _{\rm{s}}}{{\left( {{n_{\rm{s}}}{D_{\rm{s}}}} \right)}^2}}} $ | (5) |
| $ {\sigma _{{\rm{nm}}}} = \frac{{{p_0} + {\rho _{\rm{m}}}{h_{\rm{m}}}g-{p_{{\rm{vm}}}}}}{{0.5{\rho _{\rm{m}}}{{\left( {{n_{\rm{m}}}{D_{\rm{m}}}} \right)}^2}}} $ | (6) |
式中ρm为淡水的密度，取ρm=1000kg/m3；ρs为海水的密度，取ρs=1026kg/m3；hm为水洞试验中自由液面离舵轴高度方向的中心处的高度，1.3m；hs为实桨螺旋桨轴线沉深；Dm为桨模的直径，0.24m；Ds为桨模的转速；nm为实船螺旋桨的转速；ns为试验时水的饱和蒸气压，3169Pa；pvm为海水的饱和蒸气压；pvs为大气压，101325Pa；pa为水洞试验自由液面压力，Pa，po=pa，α为真空度系数。
3.2 试验技术研究根据空泡机理的研究文献表明，空泡主要分为气化空泡、汽化空泡、似是空泡。在舵空泡观察试验中研究的舵空化现象，主要是由于舵表面的压力低于水的饱和蒸汽压力导致空泡，即汽化空泡。而所谓的气化空泡是指溶解于水中的气体，由于降压或升温的方式使得水中气核成长到肉眼可见程度，似是空泡是指液体中原本以各种方式存在的气核，在外界压力降低时，气核本身也会膨胀到肉眼可见的程度。因此，在试验之前需要对空泡水洞中的水进行除气，降低水中的气核数，尽量降低气化空泡和似是空泡对观察汽化空泡现象干扰。
(1) 当空泡水洞被灌满水后，由于水筒为立式，循环水洞底部压力大于上端压力，将水放置一天左右，水中气泡有充足时间在水的重力挤压下往上端压力较低区域移动，有利于真空泵抽除。
(2) 在试验开始前，首先使用真空泵对循环水洞进行抽真空降压到设定值，由于循环水洞中气泡附着在洞壁上，靠一次抽真空是无法除掉水中气泡及降低气核数，需要在降压的状态下，开动循环水洞主机使水发生运动，充分地使附着在洞壁上的气泡溶解到水中，有利于再次抽真空排除。综合上述方法，反复多次对循环水洞进行抽真空，直到循环水洞中的压力值保持在定计值，且压力值能保持稳定。
(3) 在试验时，启动主水泵调节来流速度，待循环水洞水流速度到达设计流速后，再启动长轴动力仪，调节螺旋桨转速，通过舵角控制装置操舵角，待螺旋桨转数和来流速度稳定以后，对舵空化现象进行采集。
(4) 在试验后，核对试验数据、检查螺旋桨转速、来流速度、循环水洞中压力值，若数据无误则进行下一工况试验，反之则检查设备，重新进行试验。
3.3 试验工况设计在实船实际航行中，航速越快普通舵越容易发生空化，循环水洞中模拟相应工况的空化现象越明显，但是由于循环水洞螺旋桨转速、水洞主机转速以及循环水洞承受最大负压的限制，选择在试验设备允许条件下对某舰船最常见的航行工况进行模拟，如表 1所示。
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Table 1 Design conditions |
根据循环水洞空泡观察试验得到一系列舵空化现象数据，可以分析出某舰船舵空化的一般规律。在20kn航速下，3°舵角时基本没有舵空化现象(见图 8(a))，随着舵角增大，在7°舵角开始有轻微的舵空化现象(见图 9(a))，在10°和15°舵角舵空化现象更加明显(见图 10(a)、11(a))。在21.5kn和23kn航速下依然有相同的规律。另一方面，在相同的舵角下随着航速的增大，舵表面的空化面积也相应增大，在23kn航速3°舵角工况下，普通舵表面已经出现比较明显的舵空泡现象，如图 8(c)所示。
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Fig. 8 Rudder cavitation phenomenon of 3° rudder angle at different speed |
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Fig. 9 Rudder cavitation phenomenon of 7° rudder angle at different speed |
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Fig. 10 Rudder cavitation phenomenon of 10° rudder angle at different speed |
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Fig. 11 Rudder cavitation phenomenon of 15° rudder angle at different speed |
根据不同航速不同舵角下的舵空化现象，沿舵展长方向分析空化位置及范围。从试验观察结果可以看出，舵空泡发生位置主要集中在舵展向下端区域范围内。从螺旋桨和舵纵向相当位置(见图 7(a))可以分析出，舵展向下端区域离螺旋桨更近，受螺旋桨尾流场影响相对更大，更容易发生空化。而舵展向上端区域离螺旋桨相对较远，并且受到壁面对流场影响，导致流速相对更低，使得舵展向上端区域不容易发生空化。
4.2 舵空化规律特性研究根据试验观察得到一系列不同工况下的舵空泡现象，对不同航速、舵角工况下的舵空化位置和面积进行，分析方法如图 12所示。以舵下端面为起点，舵高(展长)为L，对舵空泡位置进行量化，得出了舵空化位置及面积的分析结果，如表 2所示。
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Fig. 12 Position and area of the rudder cavitation |
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Table 2 Analysis of the position and area of rudder cavitation |
舵空化位置及空泡面积的分析结果表明：普通舵在展长0.2~0.6L区域最容易发生空化，造成空化剥蚀，主要原因是该区域位置相对螺旋桨更近，受螺旋桨尾流场影响比较明显。因此，在解决实船普通舵空化问题时，应重点针对普通舵展长0.2~0.6L区域，进行舵翼优化设计或者重点增加防腐涂层，增强普通舵的抗空化性能。
4.3 舵空化剥蚀分析对某舰船舵空化剥蚀的面积以及位置进行量化，如图 13所示。舵空化剥蚀范围主要集中在舵展长0.10~0.67L区域，这与舵模型空泡试验分析(见表 2)得到普通舵在展长0.2~0.6L区域最容易发生空化剥蚀的结论基本吻合，间接的验证了循环水洞舵空泡试验的可靠性。
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Fig. 13 Position and extent of the cavitation erosion of real ship rudder |
普通舵空化剥蚀面积与航速、舵角有着密切联系，根据舵模型空泡试验得出不同工况下舵空化面积与航速、舵角的变化关系，如图 14，15所示。通过分析得出以下结论：
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Fig. 14 Relationship between rudder cavitation area and rudder angle at different speed |
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Fig. 15 Relationship between cavitation area and speed of the rudder under different angles |
(1) 在20kn和21.5kn航速下，随着舵角增大，舵空化面积的增长速率也相应的增大(见图 14)；但当航速增大到23kn时，舵空化面积的增长速率随着舵角的增大反而降低，这说明当舰船达到一定航速时，普通舵表面已经存在比较严重的空化，舵角对舵空化面积的影响将降低。
(2) 在3°，7°和10°舵角工况下，航速提高对舵空化面积及其增长速率的增大有比较明显的作用(图 15)。在15°舵角时，航速增大舵空化面积的增长速率反而降低(见图 15)，这说明当舵角增大到一定程度以后，航速对舵空化面积及其增长速率的影响作用会降低。
(3) 舵表面空化剥蚀区域的面积是实船在各种航行状态下舵空化作用长时间累积的结果，但舵表面的最大空化剥蚀面积与舵发生空化的最大范围应是一致的。另一方面，舰船在日常任务中高速航行时，舵角一般在15°范围内(除了比较少见的紧急情况外)。综合上述分析，结合图 14，15的分析，得出结论，初步估算出舰船在比较常见的舵角和航速工况最大空化面积为0.12L2左右，这与(图 13)测量得到的实船舵空化剥蚀面积0.1123L2非常接近，这说明通过舵模型空泡观察试验方法可以初步研究实船舵空化剥蚀问题。
4.4 舵空化的起始舵角分析保持来流速度、螺旋桨转速、环境压力不变，调整舵角，从0°舵角开始，依次调整舵角(每次增加1°舵角)，观察舵上空泡形态，比较确定舵发生空化的起始角度，3种航速工况下舵空化起始舵角观察结果，如图 16~18所示。舵空化起始舵度分析结果，如表 3所示。
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Fig. 16 Observation results of the initial rudder angle at 20kn speed |
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Table 3 Initial rudder angle of the rudder cavitation |
根据普通舵空化起始舵角分析结果可以看出，在20kn航行时，普通舵在打6°舵角时会出现空化现象；在21.5kn航速下，普通舵在3°舵角就会发生空化；在23kn航速0°舵角时，普通舵表面已经存在比较明显的空泡，并且随着实船航速的继续增大，普通舵在打0°舵角时的空化现象将更加严重。
结合上述试验分析结果和舰船在直航过程中一般需在-5°~+5°舵角进行操舵的情况，可以分析出：舰船在超过21.5kn航速直航时，普通舵表面不可避免会有空化现象的发生。
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Fig. 17 Observation results of the initial rudder angle at 21.5kn speed |
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Fig. 18 Observation results of the initial rudder angle at 23kn speed |
通过本文研究，得到以下结论：
(1) 普通舵在舵展长0.2~0.6L区域最容易发生空化，与实船舵空化剥蚀区域基本吻合。并且实船舵空化剥蚀面积与舵模型空泡试验分析的结果很接近，验证了舵模型空泡试验可靠性。
(2) 实船在23kn航速时，普通舵在0°舵角即发生空化，随着航速的增加，舵空化的范围会进一步增大。但随着舵角的增大，航速对普通舵空化面积增大的影响会降低。
(3) 结合普通舵空化的起始舵角规律以及舰船直航时的操舵角范围，可以分析出舰船在超过21.5kn航速直航时，普通舵表面会发生空化现象。
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