Який вплив кавітації на гребний гвинт човна

Кавітація на морському гребному гвинті призводить до зниження ефективності та тяги, генеруючи надмірний шум і вібрацію. Вона може призвести до ерозії та пошкодження лопатей гребного гвинта і порушити структурну цілісність гвинта. Крім того, кавітація впливає на маневреність човна через незбалансований розподіл тяги, що потенційно знижує його загальну продуктивність і довговічність.

Що таке пропелерна кавітація

Кавітація - це бульбашки, спричинені надмірною швидкістю гвинта або навантаженням. Вода випаровується або закипає через різке зниження тиску на задній частині лопаті гребного гвинта. Багато гребних гвинтів частково кавітують під час нормальної роботи, але надмірна кавітація може призвести до фізичного пошкодження поверхні лопаті гребного гвинта через руйнування мікроскопічних бульбашок на лопаті.

Причина кавітації пропелера

Високі швидкості: Зі збільшенням швидкості обертання гвинта зростає ймовірність виникнення кавітації. На високих швидкостях різниця тиску між стороною низького тиску і стороною високого тиску лопаті гвинта може бути значною, що призводить до утворення порожнин, заповнених парою.

Недостатнє занурення: Коли гвинт не повністю занурений у воду, наприклад, при роботі на мілководді або під час прискорення судна, тиск води над лопатями гвинта зменшується. Це падіння тиску може викликати кавітацію.

Неправильна конструкція лопаті: Неадекватна конструкція лопатей гвинта, включаючи надмірний вигин або товщину, може сприяти виникненню кавітації. Погано спроектовані лопаті можуть не справлятися з потоком води плавно, що призводить до утворення локальних зон низького тиску, які сприяють кавітації.

Неспокійні водні умови: Неспокійне море або турбулентна вода можуть створювати нерегулярні потоки навколо гвинта, збільшуючи ймовірність кавітації. Раптові зміни тиску води і збурення потоку можуть сприяти утворенню порожнин, заповнених парою.

Пошкодження або забруднення: Пошкодження лопатей гребного гвинта, такі як вм'ятини, зазубрини або нерівності поверхні, можуть порушити плавний потік води, що призводить до кавітації. Аналогічно, наявність морських водоростей або забруднень на гребному гвинті може порушити потік води і спровокувати кавітацію.

Типи кавітації

Листова кавітація:

Листова кавітація виникає, коли вздовж поверхні лопаті гребного гвинта утворюється великий, протяжний лист або шар порожнин. Цей тип кавітації зазвичай виникає при низьких кутах атаки і характеризується гладкою і безперервною листовою структурою. Листова кавітація може спричинити зниження ефективності гвинта та збільшення шуму і вібрації.

Хмарна кавітація:

Хмарна кавітація, також відома як суперкавітація, характеризується утворенням великої кількості маленьких порожнин або бульбашок навколо лопаті гвинта. Ці порожнини розподілені випадковим чином і постійно утворюються і руйнуються. Хмарна кавітація може виникати при великих кутах атаки і часто пов'язана з високошвидкісними гвинтами або гвинтами, що працюють в умовах неоднорідного потоку. Це може призвести до зменшення тяги, збільшення шуму та ерозії поверхні лопаті гвинта.

Бульбашкова кавітація:

Бульбашкова кавітація - це утворення ізольованих великих порожнин або бульбашок на лопаті гвинта. Ці бульбашки зазвичай утворюються під високими кутами атаки і є більш спорадичними порівняно з хмарною кавітацією. Бульбашкова кавітація може спричинити серйозні пошкодження лопатей гвинта через руйнування бульбашок, що призводить до піттінгу, ерозії та поверхневої втоми.

Вихрова кавітація:

Вихрова кавітація виникає, коли вихори утворюються навколо передньої кромки лопаті гвинта. Ці вихори можуть викликати коливання тиску, які призводять до утворення кавітації. Вихрова кавітація зазвичай спостерігається у високонавантажених гвинтах, що працюють при низьких швидкостях потоку, або у гвинтах з гострими передніми кромками. Вона може призвести до ерозії лопатей і генерації шуму.

Засоби уникнення кавітації

1. зменшення кута нахилу лопаті гвинта і кута зниження можна досягти, регулюючи діаметр гвинта

2. щоб запобігти занадто високій поверхні завантаження задньої сторони лопаті гвинта, можна використовувати більш рівномірну форму інтерфейсу тиску

3. щоб уникнути надмірного піку передньої частини гвинта, кут розвалу і форма повітрозабірника можуть бути відрегульовані відповідним чином

4. Відрегулюйте швидкість гвинта. Правильне регулювання швидкості може зменшити кавітацію, але також і втрату швидкості

Кажуть, що підвісний гвинт повністю кавітує, коли вся його спинка покрита листовою кавітацією. Це явище також називається суперкавітацією. Після того, як задня частина секції стала повністю позбавленою води, збільшення кількості обертів на хвилину не може зменшитися

тиск там більше не зростає, і тому спина не може генерувати додаткову підйомну силу. Однак з боку обличчя тиск продовжує зростати з вищими обертами, як і загальна тяга, хоча і повільніше, ніж до початку кавітації.

Вплив кавітації на продуктивність

Вплив кавітації на продуктивність може бути значним. Кавітація зазвичай починається на кінчиках лопатей і поступово поширюється по всій довжині лопатей зі збільшенням навантаження на гвинт. Якщо кавітація поширилася приблизно до 0,75 радіуса, виявляється значна втрата тяги, за якою слідує зниження крутного моменту, що на практиці означає значне збільшення обертів при заданій потужності. Оскільки розрив тяги відбувається швидше, ніж зміна крутного моменту, це може призвести до значного зниження ефективності. 

Висновок про вплив кавітації на гребний гвинт човна

Кавітація має значний вплив на гребні гвинти човнів і може вплинути на їхню продуктивність і довговічність. Кавітація виникає, коли навколо лопатей гребного гвинта утворюється низький тиск, що призводить до утворення бульбашок пари, які згодом руйнуються і спричиняють пошкодження. Це явище може призвести до зниження тяги, збільшення шуму, вібрацій та ерозії поверхні гребного гвинта.

Для зменшення негативних наслідків кавітації можна використовувати різні модифікації конструкції та методи, такі як правильна геометрія лопатей, вибір матеріалів та ефективна гідродинамічна оптимізація. Крім того, регулярне технічне обслуговування, включаючи огляд і ремонт гребних гвинтів, має вирішальне значення для мінімізації негативного впливу кавітації і забезпечення оптимальної роботи рушійних систем човнів.

Поширені запитання про вплив кавітації на гребний гвинт човна

З: Що викликає кавітацію в гребних гвинтах?
В: Кавітація в гребних гвинтах в першу чергу викликана областями низького тиску, що утворюються навколо лопатей через швидкісне обертання або неефективну конструкцію.

З: Чи є кавітація оборотною, чи вона має постійний вплив на гвинт?
В: Кавітація може мати як оборотні, так і незворотні наслідки. Оборотні ефекти включають зниження продуктивності, в той час як постійні ефекти включають ерозію і пошкодження поверхні гвинта.

З: Чи може кавітація викликати вібрації в човні?
В: Так, кавітація може викликати вібрації в човні, що виникають внаслідок руйнування бульбашок пари і нерівномірного розподілу тяги, спричиненого кавітацією.

З: Чи є якісь попереджувальні ознаки, які вказують на кавітацію на гребному гвинті човна?
В: Так, ознаками кавітації є підвищений шум, зниження швидкості або тяги, вібрації і видима ерозія або виразки на лопатях гвинта.

З: Чи може кавітація гвинта призвести до пошкодження двигуна?
В: Хоча кавітація гвинта сама по собі безпосередньо не пошкоджує двигун, вона може опосередковано впливати на нього, знижуючи ефективність гвинта і загальну продуктивність.

З: Чи можна відремонтувати гвинт, пошкоджений кавітацією?
В: У багатьох випадках кавітаційні пошкодження гребних гвинтів можна усунути за допомогою різних методів, таких як зварювання, заливка або відновлення, залежно від тяжкості пошкодження.

З: Чи може зміна умов експлуатації човна запобігти кавітації?
В: Зміна умов експлуатації човна, наприклад, регулювання диференту, зменшення швидкості або зміна розподілу ваги, іноді може допомогти мінімізувати кавітаційні ефекти, але це не може повністю усунути проблему.