Jaký je vliv kavitace na lodní šrouby

Kavitace lodního šroubu způsobuje snížení účinnosti a tahu a generuje nadměrný hluk a vibrace. Může vést k erozi a poškození vrtulových listů a ohrozit strukturální integritu vrtule. Kavitace navíc ovlivňuje manévrovatelnost lodi v důsledku nevyváženého rozložení tahu, což může snížit její celkový výkon a životnost.

Co je kavitace vrtule

Kavitace jsou bubliny způsobené nadměrnými otáčkami nebo zatížením vrtule. Voda se vypařuje nebo vaří v důsledku extrémního snížení tlaku na zadní straně vrtulového listu. Mnoho lodních šroubů při běžném provozu částečně kavituje, ale nadměrná kavitace může mít za následek fyzické poškození povrchu listu lodního šroubu v důsledku kolapsu mikroskopických bublinek na listu.

Příčina kavitace vrtule

Vysoké rychlosti: S rostoucími otáčkami vrtule roste i pravděpodobnost výskytu kavitace. Při vysokých rychlostech může být rozdíl tlaků mezi nízkotlakou a vysokotlakou stranou vrtulového listu značný, což vede ke vzniku dutin naplněných párou.

Nedostatečné ponoření: Při nedostatečném ponoření vrtule do vody, například při provozu v mělkých vodách nebo při zrychlování plavidla, klesá tlak vody nad listy vrtule. Tento pokles tlaku může vyvolat kavitaci.

Nesprávná konstrukce čepele: Nevhodná konstrukce vrtulových listů, včetně nadměrného zakřivení nebo tloušťky, může přispívat ke kavitaci. Špatně navržené lopatky nemusí plynule zpracovávat proud vody, což vede k místním oblastem nízkého tlaku, které podporují kavitaci.

Rozbouřené vodní podmínky: Rozbouřené moře nebo rozbouřená voda mohou vytvářet nepravidelné proudění kolem vrtule, což zvyšuje pravděpodobnost kavitace. Náhlé změny tlaku vody a poruchy proudění mohou podpořit vznik dutin naplněných párou.

Poškození nebo znečištění: Poškození vrtulových listů, jako jsou promáčkliny, vrypy nebo nerovnosti povrchu, může narušit plynulé proudění vody a vést ke kavitaci. Podobně může přítomnost mořských porostů nebo znečištění na vrtuli narušit proudění vody a vyvolat kavitaci.

Typy kavitace

Kavitace plechu:

Kavitace listu nastává, když se podél povrchu vrtulového listu vytvoří velký, rozšířený list nebo vrstva dutin. Tento typ kavitace se obvykle vyskytuje při nízkých úhlech náběhu a vyznačuje se hladkou a souvislou strukturou připomínající list. Listová kavitace může způsobit snížení účinnosti vrtule a zvýšení hluku a vibrací.

Kavitace mraků:

Kavitace v oblaku, známá také jako superkavitace, je charakterizována tvorbou velkého množství malých dutin nebo bublinek kolem vrtulového listu. Tyto dutiny jsou náhodně rozmístěné a neustále se tvoří a hroutí. Kavitace v oblaku se může vyskytovat při vyšších úhlech náběhu a je často spojena s vysokorychlostními vrtulemi nebo s vrtulemi pracujícími v podmínkách nerovnoměrného proudění. Může vést ke snížení tahu, zvýšení hlučnosti a erozi povrchu vrtulových listů.

Bublinková kavitace:

Bublinková kavitace znamená tvorbu ojedinělých větších dutin nebo bublin na vrtulovém listu. Tyto bubliny se obvykle vytvářejí při vysokých úhlech náběhu a ve srovnání s kavitací v oblaku jsou sporadičtější. Bublinová kavitace může způsobit vážné poškození vrtulových listů v důsledku kolapsu bublin, což vede k tvorbě důlků, erozi a únavě povrchu.

Vírová kavitace:

K vírové kavitaci dochází, když se kolem náběžné hrany vrtulového listu vytvářejí víry. Tyto víry mohou vyvolat kolísání tlaku, které způsobuje vznik kavitace. Vírová kavitace je běžně pozorována u vysoce zatížených vrtulí pracujících při nízkých průtocích nebo u vrtulí s ostrými náběžnými hranami. Může vést k erozi lopatek a vzniku hluku.

Prostředky pro zamezení kavitace

1. zmenšení úhlu listu vrtule a úhlu klesání lze dosáhnout úpravou průměru vrtule.

2.To zabránit zadní straně vrtulového listu zatěžovací plocha je příliš vysoká, může být použit více rovnoměrný tvar tlakového rozhraní

3.Aby se zabránilo nadměrnému vrcholu přední části vrtule, lze vhodně upravit úhel náklonu a tvar vstupu vzduchu.

4.Nastavte otáčky vrtule. Správné nastavení otáček může snížit kavitaci, ale také ztrátu rychlosti.

O přívěsné vrtuli se říká, že je plně kavitující, když je celá její zadní část pokryta listovou kavitací. Tento jev se také nazývá superkavitace. Poté, co je zadní část zcela pokryta vodou, nelze zvýšením otáček za minutu snížit

tlak, a proto záda nemohou vytvářet žádný dodatečný vztlak. Na čelní straně však tlak s vyššími otáčkami nadále roste a s ním i celkový tah, i když pomaleji než před začátkem kavitace.

Vliv kavitace na výkon

Vliv kavitace na výkon může být významný. Kavitace obvykle začíná na špičkách lopatek a postupně se šíří po celých lopatkách, jak se zvyšuje zatížení vrtule. Pokud se kavitace rozšíří na poloměr přibližně 0,75, zjistí se výrazná ztráta tahu a následně pokles točivého momentu, což v praxi znamená výrazné zvýšení otáček při daném výkonu. Protože k přerušení tahu dochází rychleji než ke změně točivého momentu, může to mít za následek výrazné snížení účinnosti. 

Závěr o vlivu kavitace na lodní vrtuli

Kavitace má významný vliv na lodní šrouby a může ovlivnit jejich výkon a životnost. Ke kavitaci dochází, když se kolem vrtulových listů vytvoří nízký tlak, což vede k tvorbě bublinek páry, které se následně rozpadají a způsobují poškození. Tento jev může mít za následek snížení tahu, zvýšení hlučnosti, vibrace a erozi povrchu vrtule.

Ke zmírnění negativních účinků kavitace lze použít různé konstrukční úpravy a techniky, jako je správná geometrie lopatek, výběr materiálu a účinná hydrodynamická optimalizace. Kromě toho je pro minimalizaci škodlivého vlivu kavitace a zajištění optimálního výkonu lodních pohonných systémů zásadní pravidelná údržba, včetně kontroly a oprav lodních šroubů.

Často kladené dotazy týkající se vlivu kavitace na lodní šroub

Otázka: Co způsobuje kavitaci lodních šroubů?
Odpověď: Kavitace v lodních šroubech je způsobena především tím, že se kolem lopatek vytvářejí nízkotlaké oblasti v důsledku vysokorychlostní rotace nebo neefektivní konstrukce.

Otázka: Je kavitace vratná, nebo má na vrtuli trvalé následky?
Odpověď: Kavitace může mít vratné i trvalé účinky. Mezi vratné účinky patří snížení výkonu, zatímco mezi trvalé účinky patří eroze a poškození povrchu vrtule.

Otázka: Může kavitace způsobit vibrace lodi?
Odpověď: Ano, kavitace může v lodi vyvolat vibrace, které jsou důsledkem kolapsu bublinek páry a nerovnoměrného rozložení tahu způsobeného kavitací.

Otázka: Existují nějaké varovné příznaky, které signalizují kavitaci lodního šroubu?
Odpověď: Ano, mezi příznaky kavitace patří zvýšená hlučnost, snížená rychlost nebo tah, vibrace a viditelná eroze nebo důlky na lopatkách vrtule.

Otázka: Může kavitace vrtule vést k poškození motoru?
Odpověď: Kavitace vrtule sama o sobě sice motor přímo nepoškozuje, ale může ho nepřímo ovlivnit snížením účinnosti vrtule a celkového výkonu.

Otázka: Je možné opravit vrtuli poškozenou kavitací?
Odpověď: V mnoha případech lze poškození vrtule kavitací opravit různými technikami, jako je svařování, plnění nebo obnova, v závislosti na závažnosti poškození.

Otázka: Může změna provozních podmínek lodi zabránit kavitaci?
Odpověď: Úprava provozních podmínek lodi, například úprava trimu, snížení rychlosti nebo změna rozložení hmotnosti, může někdy pomoci minimalizovat účinky kavitace, ale nemusí problém zcela odstranit.