Кавитация лодочных винтов в

Следить за появлением новых статей:

Явление кавитации да способы борьбы с ней




В 1894 г. английские корабелы впервые углубленно столкнулись от необъяснимым да неприятным явлением. Только почто построенный миноноска «Дэринг» развил на ходовых испытаниях полную скорость 24 уз возмещение 27 уз, предусмотренных проектом.

Поначалу предполагали, что сие вызвано повышенным сопротивлением корпуса и неполадками в работе главных двигателей. Однако британский ученый Уильям Фруд выдвинул другую гипотезу, теоретически предсказанную еще Л. Эйлером. Тщательно проанализировав результаты испытаний миноносца, он пришел к заключению, что лишение скорости вызвана неизвестным до этих пор явлением, которое он назвал «кавитацией» (от латинского cavitas — пустота). Когда на том но году от этим явлением столкнулся да Чарлз Парсонс, создатель первого паротурбинного судна «Турбиния», следственно очевидно, аюшки? У. Фруд прав (Попутно отметим, который английскому ученому потребовались незаурядные смелость равным образом мужество, с тем доказать консервативным лордам Адмиралтейства, что ремиз скорости вызван не просчетами инженеров alias огрехами строителей корабля, однако новым неизвестным явлением.) Получай кавитацию непременно пришлось убедить внимание. Ее стали прослеживать , чтобы осознать, как вместе с нею бороться.

Суть явления кавитации (на примере гребного винта) заключается в следующем. По мере увеличения частоты вращения темп потока воды на засасывающей стороне лопасти (т. е. на стороне, обращенной ко носу судна) возрастает, потом давление падает. Когда колебание вращения винта достигает определенного значения, принуждение на засасывающей стороне лопасти падает поперед давления парообразования. Вода вскипает, а нате лопасти начинают образовываться пузырьки — полости, заполненные по двое воды равно растворенными во ней газами.

После сего увеличение частоты вращения винта не приводит к дальнейшему снижению давления на засасывающей стороне лопасти. А приближенно как акцент винта создается в большей степени вслед счет разрежения на засасывающей стороне лопастей и на меньшей — за счисление повышения давления на их нагнетающей стороне, то позже возникновения кавитации упор винта уже невыгодный растет.

Кавитационные полости, называемые также кавернами, образуются вовремя всего у входящей кромки лопасти, затем потом еще захватывают всю засасывающую сторону. Пока каверны невелики, существенного влияния для работу гребного винта они не оказывают. Его гидродинамические характеристики нате этой стадии, которую пристало называть первой стадией кавитации, практически до сего времени не изменяются, однако плохо другое: почти воздействием высокого давления на точках, идеже лопаются пузырьки, происходит эрозионное разрушение лопастей Кроме того, на этой стадии появляется кавитационный гомон в результате схлопывания пузырьков, возрастает выпинг, передаваемая винтом на соединение. Кавитация возникает не всего лишь на гребных винтах, же и получай любых профилированных элементах, движущихся под вплавь с великий скоростью Этак, появляясь для рулях да крыльевых системах быстроходных судов, она видать снижает их эффективность. Рядом определенных условиях кавитация возникает и во трубопроводах, вызывая характерный рокот и эрозионное разрушение внутренней поверхности труб.

С дальнейшим увеличением частоты вращения винта наступает вторая стадия кавитации: засасывающая зеркало лопасти на деле охваченной одной большой полостью. При этом эрозионных разрушений уже отнюдь не возникает, приближенно как полость замыкается безграмотный на самой лопасти, ан в потоке позади нее, но видоизменение картины обтекания винта приводит к тому, что его упор равным образом вращающий время уменьшаются да КПД винта падает, кое-когда на 10—20%.

С конца прошлого века явление кавитации постоянно приковывало внимание ученых разных стран. Было проведено немало исследований, выдвинуто пропасть гипотез. Оказалось, что суд этот неизмеримо шире да многообразнее, нежели приведенный больше пример.

Во настоящее миг под кавитацией понимают физическое явление, заключающееся в фолиант, что возле понижении давления внутри жидкости или в ее границах образуются каверны, т. е. полости, заполненные газообразной средой и имеющие такую форму и размер, которые существенны для рассматриваемых процессов. Возьмем, появление пузырьков газа быть понижении давления в бутылке с минеральной водой приёмом после ее откупоривания является кавитацией, которую часто называют газовой. На газированных напитках — сие заранее запланированный и пользительный процесс, отчего в этом случае кавитацию можно вычислять полезной.

Же тот но самый до сути эксплуатация становится неуправляемым и здорово опасным на случае круглым счетом называемой кессонной болезни, когда-когда после длительного пребывания нате большой глубине под значительным давлением ньюф без должных предосторожностей аллегро поднимается сверху поверхность равным образом растворившиеся быть повышенном давлении в его крови ветры при понижении давления образуют значительные до размеру пузыри, способные спутать планы нормальному кровообращению.

По сравнению с описанной газовой кавитацией, возникающей возле понижении давления в насыщенных или близких к насыщению растворах, гораздо большее практическое значение имеет так называемая паровая кавитация, возникающая на потоках жидкости в районе, где принуждение понижается поперед соответствующей критической величины. Приблизительно как на этом случае обычно интенция растворенных газов в жидкости мало, машина появления каверн связан безграмотный столько вместе с диффузией растворенных газов, как с инерционным ростом кавитационных зародышей другими словами ядер кавитации, которые сообразно гипотезе Эпштейна-Гарвея обязательно присутствуют в реальной жидкости.

По временам паровую кавитацию называют «холодным кипением». Поясним, что в этом месте имеется во виду. Для рисунке изображена диаграмма состояния для обыкновенной воды. Пересадка из жидкого агрегатного состояния в газообразное может случаться тремя способами. Во-первых, толком нагревания возле постоянном давлении (линия АВ на рисунке) — текущий процесс называется кипением. На втором месте, путем понижения давления возле постоянной температуре (линия СД на рисунке) — таковой процесс называется паровой кавитацией или холодным кипением. Лакомиться, наконец, равным образом третий, сильнее сложный метода , в отвод критической точки, не пересекая кривую кипения: повышать влияние воды больше критического (218,5 атм), в дальнейшем нагревать вплоть до температуры повыше критической (374 °С), инак затем по порядку понижать напор и температуру до необходимых значений во области водяного пара (линия СЕКМ держи рисунке). Завершающий случай представляет чисто «академический» интерес равно практического значения не имеет, однако животрепещуще отметить, в чем дело? только во этом случае переход воды из жидкого в газообразное состояние невыгодный связан не без; образованием каких-либо кипящих пузырей или каверн. Жидкость переходит в газообразное состояние одновременно во во всем объеме равным образом наличие во ней ядер кавитации для переход никак не влияет.

Во случаях но кипения либо — либо кавитации, напротив, роль указанных ядер иначе говоря зародышей ужас велика. Изжитие жидкости с примесей, предварительное обжатие ее повышенным давлением и тщательная очистка смачиваемых поверхностей, соприкасающихся с жидкостью, приводит ко значительной задержке указанных процессов (например, пунктирная линия получи рисунке). Беспричинно, при специальной обработке воды кавитация безграмотный начинается пусть даже при аспидски больших отрицательных давлениях, равных — 280 атм, что-нибудь объясняется наличием значительных сил молекулярного взаимодействия.

На гребных винтах миноносца «Дэринг» имела место паровая кавитация, которая понижала отдача движителей. Аналогичная потеря эффективности гребных винтов за отсчет кавитации впредь до значений, небось, более низких, чем 25%, была обнаружена в 1932 г. для глиссерах «Мисс Англия-III» равно «Мисс Америка-Х» при установлении ими абсолютных мировых рекордов скорости получай воде (192,8 км/ч да 201,02 км/ч соответственно). Двухместный глиссирующий катер «Мисс Америка-Х» имел двигатели суммарной мощностью в 6400 л. с., но буква мощность, во вкусе мы знаем, использовалась как собака неэффективно. Общо , как само собой разумеется, глиссирующие катера с водяным винтом достигли к 1952 г. рекордной скорости на 287,38 км/ч, после зачем, начиная со 1955 г., когда появился знаменитый глиссирующий катер «Блюбёрд-I» Дональда Кэмпбелла с реактивным двигателем, всё-таки абсолютные мировые рекорды скорости на воде стали подходить с использованием реактивных двигателей, проблемы кавитации для которых естественно, никак не существует.

В духе уже отмечалось, огромный потеря неуправляемая паровая кавитация, возникающая на гребных винтах быстроходных кораблей да судов, приносит в тех случаях, когда-никогда образовавшиеся каверны замыкаются на пределах лопастей и вызывают их эрозионное разрушение.

Водительство одного с соединений германского флота до сего времени в 1932 г. на своем докладе сообщало, что-нибудь на винтах торпедных катеров и миноносцев через 24 часа полного хода появляются следы эрозии, которые следовать 8 дней превращаются на раковины величиной с вампир, требующие обязательной смены винта.

Долгое промежуток времени механизм кавитационной эрозии был непонятен. Во настоящее эпоха считается, сколько главной причиной разрушения материала при кавитации является механическое воздействие ото волны давления и гидравлического удара кумулятивной струйки, движущейся со скоростью более 100 м/с равно образующейся на зоне замыкания кавитационных пузырьков.

Интересный, инда забавный проба для оценки величины местных импульсов давлений, возникающих близ замыкании кавитационных паровых пузырьков, провел именитый советский научник Л. Но. Эпштейн. Дьявол поместил во зону кавитации свою собственную руку равно ощутил избыток уколов, напоминающих укол швейной иглой. Впоследствии этого лишенный чего особого труда ему посчастливилось найти силу (около 1 Н), вместе с которой требуется давить нате швейную иглу, чтобы парестезия укола оказалось близким ко тому, которое было около кавитации. Таким образом ученому удалось определить, что принуждение в малой зоне замыкания парового кавитирующего пузырька площадью примерно 0,01 мм2 может достигать 1000 атмосфер.

Поза с кавитационной эрозией осложняется еще равно тем, что-то она обнаруживается не только лишь на гребных винтах быстроходных судов равно катеров, же и в винтах крупнотоннажных танкеров да сухогрузов, безвыгодный отличающихся большущий скоростью На выдержку, лопасти гребных винтов танкеров типа «Прага» имели кавитационные повреждения размерами 20X30 см, причем ради 3 годы глубина их достигла 1 см. Причиной возникновения неуправляемой паровой кавитации в этом случае является сильная окружная неравномерность полина скоростей во районе гребного винта, приводящая к значительным колебаниям углов атаки сечений за единодержавно оборот на процессе их движения соответственно окружности.

Выпинг корпусных конструкций, вызванная неуправляемой паровой кавитацией, может присутствовать очень значительной. Так, фрэнчовый лайнер «Нормандия» водоизмещением 80 000 тонн после своего первого рейса в 1935 г., нет слов время которого был завоеван приз «Голубая Лента Атлантики» и достигнута рекордная прыть (средняя) 30 уз, был поставлен на док интересах смены гребных винтов, где-то как винты кавитировали равно вызывали вибрацию, угрожавшую корпусным конструкциям равно делавшую бытие пассажиров во кормовых помещениях судна на деле невозможным.

Смотри как описали свои ощущения И. Ильф и Е. Петров, которые плыли бери «Нормандии».

«Все задрожало получи и распишись корме, идеже мы помещались. Дрожали палубы, стены, глаза шезлонги, стаканы над умывальником, сам мойдодыр. Вибрация парохода была настоль сильной, ась? начали печатать звуки даже если такие предметы, от которых никак сего нельзя было ожидать. В первый раз в жизни мы слышали, как красиво полотенце, мыльная продукция, ковер в полу, кейрецу на столе, занавески, воротничок, брошенный получай кровать. Звучало и гремело все, который находилось на каюте. Стоит было пассажиру на один момент задуматься да ослабить мускулы лица, что у него начинали звучать зубы. Всю ночь казалось, что черт знает кто ломится на двери, стучит в окна, тяжко хохочет. Мы насчитали сотню различных звуков, которые издавала наша каюта.»

Брось говоря неуправляемая паровая кавитация — антагонист, явление в такой мере вредное, аюшки? примеры использования этого явления обычно воспринимаются как курьезы, не имеющие большого практического значения. Впрочем такие упражнения есть, да сфера их практического применения будет расширяться.

Это вредное явление может с успехом использоваться, так, для остатки поверхности корпуса от старой краски, продуктов обрастания равно ржавчины по образу в условиях сухого эксперт, так равно под водным путем . Советский совершенствователь В. П. Родионов предложил использовать пользу кого этого затопленную струю обыкновенной воды диаметром 2 мм со скоростью на срезе специально профилированного сопла 32 м/с. Ударяясь перпендикулярно об обрабатываемую пандус, струя растекается во совершенно стороны. На месте встречи (в районе критической точки) давление вопрос жизни и смерти возрастает, происходит интенсивное схлопывание кавитационных пузырьков, что приводит к эрозии, выполняющей работу по очистке поверхности. Ясность кавитации подбирается так, с целью ненужное компенсирование разрушалось, ан сама зеркало корпуса оставалась неповрежденной. Высокий практический следствие при таковский очистке заключается еще равно в книжка, что по причине наличия камеры, заполненной водным путем и окружающей струю, регулировка при работе сама присасывается к обрабатываемой поверхности равно не требует немалых физических сил к ее удержания, как сие имеет луг в обычных установках гидравлической очистки.

Другой породы пример использования управляемой паровой кавитации добро бы и безвыгодный связан из судостроением, а представляет совершенный интерес. На 1986 г. под руководством профессора Во . М. Ивченко был проведен такой исследование. Помидоры во теплице были разбиты держи две одинакие группы, одну из которых поливали обычной водой, однако другую кавитационно обработанной, т. е. прошедшей через кавитационный реактор специальной конструкции, обеспечивающий достаточную ряд развития паровой кавитации. Во результате двухмесячного эксперимента урожайность помидоров получи участке, идеже использовалась кавитационно обработанная содовая, оказалась вне на 33%, что окупило затраты бери энергию, составившие около 10 кВт·ч в обработку 1 м3 воды. Полное освещение этому явлению пока и помину нет , однако ненатуральный анализ кавитационно обработанной воды показывает, аюшки? содержание кислорода в ней заметно свыше , чем во необработанной.

Ан как а бороться не без; кавитацией гребного винта, в отдельных случаях она — враг? Во-первых, к чему пришли инженеры, это отлучение начала кавитации за контокоррент правильного выбора характеристик гребного винта. Намерение это было найдено давно: инженеры английской верфи, построившей миноносец «Дэринг», все-таки сдали корабль Адмиралтейству, для зачем им пришлось изготовить новые гребные винты с несравненно большей площадью лопастей. Вследствие повышению площади лопастей (вдвое) удалось прибавить разрежение получи и распишись их засасывающей поверхности да тем самым избежать появления больших кавитационных каверн.

Такое решение на течение долгого времени оставалось единственным чрез борьбы вместе с кавитацией. Деятельность конструкторов были направлены для наиболее сообразный выбор распределения шага в области радиусу равно формы профиля поперечных сечений лопасти, затем также прирост площади лопастей. Вот зачем на быстроходных катерах нашли применение широколопастные гребные винты.

Кроме того, чем глубже расположена носитель, тем подле большей частоте вращения винта начинается кипение и педалирование газа, т. е. тем позже начинается кавитация. Близ расчете гребных винтов сии и оставшиеся факторы во что бы то ни стало учитываются.

Все при скоростях свыше 50 уз непременно наступает минута, когда сей путь становится неприемлемым. Дальнейшее увеличение площади лопастей приводит к существенным потерям мощности на преодоление их сопротивления трения. С этого места непосредственно вытекает идея проектирования винтов, сознательно приспособленных ко работе во режиме кавитации с целью получения наивысшей в сих условиях эффективности. Эта днесь очевидная тезис была впервой высказана во 1940 г. академиком Во . Л. Поздюниным, причем получила признание за тридевять земель не зараз. Суть ее заключалась во следующем. Вспомним, что у обычных винтов, как равным образом у подводного крыла, большая часть возникающей на элементе лопасти подъемной силы (до 2/3) создается за отсчет разрежения нате засасывающей поверхности и меньшая — из-за счет давления на нагнетаюшей поверхности. Подле сильно развитой кавитации, нет-нет да и вся засасывающая поверхность лопасти охвачена каверной, основная доза упора гребного винта создается за расчёт давления нате нагнетающей поверхности. В. Л. Поздюнин равным образом предложил совершать винты от такой геометрией лопастей, возле которой кавитационное сопротивление ради образования каверны было бы значительно менее сопротивления трения.

Идеи Во . Л. Поздюнина были опосля развиты другими учеными равно получили практическое применение сверху быстроходных глиссирующих катерах, в судах получай подводных крыльях и скеговых судах в воздушной подушке. В Канаде был построен глиссирующий катер водоизмещением 8.5Д с газотурбинной установкой мощностью 1800 л. с., которая вращала трехлопастной суперкавитирующий гребной винт. Дьявол обеспечивал резвость 50 уз при частоте вращения гребного вала 3000 об/мин. На Англии равным образом были построены несколько быстроходных катеров (55—60 уз) со суперкавитирующими гребными винтами. Во США такие винты были установлены возьми экспериментальном судне «Денисон». Одновальная газотурбинная настройка мощностью 14000 л. от. обеспечивала ему скорость недалеко 60 уз. Как как я погляжу из сих примеров, скорости судов, равным образом , в частности, судов в подводных крыльях, оборудованных суперкавитирующими гребными винтами, ограничены величиной порядка 60 уз.

Близ дальнейшем увеличении скоростей возникает кавитационный черта уже получи крыльевых системах.

Значительный движение вперед в создании быстроходных судов был достигнут в результате создания во США 100-тонного скегового судна на воздушной подушке «SES-100В», которое во апреле 1977 г. показало рекордную чтобы таких крупных судов темп, равную 90 уз. Во качестве движителя на этом судне был установлен полупогруженный суперкавитирующий гребной винт. Паровая кавитация держи его лопастях вообще никак не возникала, т. к. за полупогруженности во зону разрежения на лопастях прорывался воздушный воздух равным образом именно настоящий воздух заполнял каверны.

Гляди тут пишущий эти строки подошли ко идее, которая на ранний взгляд может показаться парадоксальной: борьба не без; кавитацией подле помощи... кавитации. Но неравно разобраться, никакого парадокса туточки нет. Положительные качества суперкавитирующего винта проявляются только близ его работе на расчетном режиме, т. е. рано или поздно обтекание лопастей происходит рядом полностью развитой кавитации. Получи промежуточных но режимах, около меньших скоростях, эффективность суперкавитирующего винта падает. Именно про улучшения пропульсивных качеств суперкавитирующих винтов возьми промежуточных скоростях и привлекается искусственная кавитация. в кавитационную полость подается воздух либо — либо иной метан , благодаря чему гидродинамические характеристики винта изменяются в желаемом направлении, да гребной бутылка получает обозначение вентилируемого.

Сие не одинарный пример использования искусственной кавитации в судостроении. В 1970 г. ветврач технических наук А. Но. Бутузов получил авторское св-во № 288576 на конструкция для создания воздушной «смазки» на поверхности плоского днища судна. Иными словами — системы искусственных каверн, расположенных друг ради другом да покрывающих возле эксплуатационной скорости всю основную часть днища цилиндрической вставки корпуса На образования указанных каверн получай днище предусмотрена система поперечных кавитаторов (козырьков), ограниченных со стороны скуловых образований корпуса вертикальными килями. Воздух подается насосом на отверстия на днище. Действительность такого способа была проверена в натурных условиях.

На 1965 г. было переоборудовано и проверено несамоходное сухогрузное речное речной трамвай водоизмещением 3270 т, длиной 84,6 м, шириной 14 м равно осадкой 3,2,м. На нем пришлось учредить 7 кавитаторов по длине и свершить 14 отверстий для подачи воздуха Трата воздуха нет слов время испытаний составил 135л/с, причем развитие его подачи не приводило к дальнейшему снижению сопротивления. Испытания показали, что приложение управляемой кавитации приводит ко снижению сопротивления баржи держи 23—26% близ скорости буксировки 16—18 км/ч

В 1967 г. были проведены аналогичные испытания из использованием самоходного теплохода вроде «Волго-Дон» полным водоизмещением 6730 т, длиной 135 м, шириной 16,5 м равно осадкой 3,2 м. Во результате испытаний указанные информация подтвердились Трата воздуха быть этом составил 230 л/с, а общий выигрыш во расходуемой сверху движение судна мощности, вместе с учетом мощности, потребляемой воздуходувкой, составил 16—17% при скорости судна 20 км/ч.

Интересные исследования за применению искусственной кавитации сверху днище быстроходного глиссирующего катера водоизмещением 24 т, проведенные А. Ан. Бутузовым, показали, что возле скорости 55 км/ч не запрещается получить понижение сопротивления сверху 35%, на то миг как энергетические затраты получи и распишись поддув воздуха не должны превосходить 2% мощности двигателя При этом воздух подается под днище катера от некоторым избыточным давлением, которое компенсирует подле 60% веса самого катера. Кроме того, днищевая пустота приводит ко улучшению характеристик мореходности, что-то свидетельствует относительно перспективности постройки морских быстроходных судов от каверной возьми днище. Совершение этой идеи на катерах позволила повысить в должности их резвость по сравнению с традиционными на 8,5,уз.

А. Ачкинадзе, звание Ленинградского кораблестроительного института, соперник технических наук.





Ссылка на эту статью во различных форматах

Комментарии к этой статье





Понравилась ли вам каста статья?
818 5 227
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: