КАВИТАЦИЯ ГРЕБНЫХ ВИНТОВ

Кавитацией называется явление парообразования и выделе­ния воздуха и газов, обусловленное понижением давления в жидкости до давления насыщенных паров. Появлению кави­тации способствуют растворенные в воде воздух и газы, кото­рые выделяются при уменьшении давления. Пары жидкости и выделившиеся из нее воздух и газы образуют полости, назы­ваемые навигационными кавернами.

Существуют три вида кавитации винта: пузырчатая, пленоч­ная и вихревая.

При пузырчатой кавитации каверны расположены на лопа­сти группами и отделены друг от друга. По мере развития про­цесса они переходят в пленочную кавитацию, при которой каверны существуют в виде тонких длинных полос, расположен­ных часто параллельными группами. В ядрах вихрей возникает вихревая кавитация. Природу развития кавитации можно про­следить на примере профиля крыла, обтекаемого под углом атаки а потоком со скоростью и давлением на бесконечности соответственно v₀ и р₀ (рис. 3.35). На засасывающей стороне крыла возникает разрежение, а на нагнетательной — повышен­ное давление. Для линии тока, проходящего через точку В на засасывающей поверхности, уравнение Бернулли запишется

где р\ и v\—давление и скорость в рассматриваемой точке В.

Условием возникновения кавитации в определенной точке является равенство числа кавитации х коэффициенту разрежения ƹ.

На рис 3.36 представлена эпюра коэффициентов разрежения на поверхности на поверхности профиля крыла.

До определенного предела увеличения размеров каверны площадь эпюры не меня­ется, а только перераспределя­ется, — срезается верхушка эпюры _х и увеличивается разрежение ⁰ в хвостовой части профиля. Так как площадь эпюры характеризует _х подъемную силу, то из рис. 3.36 следует, что до какого-то момента х₂развития кавитации коэффициент подъемной силы С_у не меняется. При увеличении скорости потока, когда каверна охватывает всю за­сасывающую поверхность, коэффи­циент Су уменьшается, т. е. сни­жаются гидродинамические харак-— теристики крыла. Коэффициент профильного сопротивления от чис­ла кавитации зависит в меньшей степени. Представим себе, что на Рис. 3.36. Схема распределения засасывающей стороне лопастей давления на профиле крыла гребного винта имеет место разре­на входящей кромке засасывающей стороны возни­кает кавитация. С увеличением скорости потока кавитационная каверна начинает распространяться от края лопастей к сере­дине и от входящих кромок к выходящим. Кавитацпонные ка­верны, охватывающие часть засасывающей поверхности, при переходе лопасти из области повышенного разрежения в область более высокого давления трансформируются. Происходит кон­денсация паров и так называемое захлопывание (замыкание) пузырьков каверны. При замыкании каждого пузырька внутри него возникают в течение миллисекунд и даже микросекунд вы­сокие давления. Вследствие малой площади пузырьков и вы­соких давлений импульсного характера в материале винта воз­никают напряжения, во много раз превосходящие его предел текучести. Происходит выкол материала, появляются трещины, интенсифицируется процесс коррозии. Такое разрушение ма­териала гребного винта называется навигационной эрозией. Наблюдают две стадии кавитации. Для первой стадии, при которой кавитационная каверна распространяется лишь на части засасывающей поверхности и коэффициенты подъемной силы С_у и профильного сопротивления С_х не меняются, наи­более серьезным для практики обстоятельством является кави­тационная эрозия. При второй стадии кавитации, когда каверны охватывают всю засасывающую поверхность, уменьшается ко­эффициент подъемной силы, а следовательно, и коэффициенты \ пора и момента гребного винта, причем снижается КПД винта. Падение момента влечет за собой повышение частоты вращения, что уменьшает поступь и еще боль­ше снижает КПД винта. Иллюст­рация влияния снижения упора и скорости судна для гребного винта, кавитирующего во второй стадии, приведена на рис. 3.37.

Гребные винты транспортных < удов могут работать в условиях первой стадии кавитации или вбли-ш нее. Кавитационная эрозия, как правило, наблюдается на перифе­рийной части засасывающей сторо­ны, где окружные скорости больше, либо в корневой части засасываю­щей стороны, где лопастные сече­ния толще, а следовательно, боль­ше разрежение. Разрушения мате­риала гребного винта при кавитационной эрозии представляют собой в наиболее тяжелых случаях сквозные отверстия, борозды, канавки, иногда охватывающие значительные площади. Вслед-с пню кавитационной эрозии увеличивается шероховатость ло­пастей, что также влечет за собой падение КПД винта.

При проектировании гребного винта стремятся отдалить явление кавитации, для чего прежде всего необходимо, не снижая упора гребного винта, уменьшить пик разрежения па засасывающей поверхности. При заданном диаметре винта это достигается рациональным подбором дискового отношения, исклю­чающим кавитацию. Увеличение дискового отношения снижает удельное давление на лопасть, уменьшает относительную толщину профиля и, следовательно, разрежение на его засасывающей стороне, а также угол атаки а_]ф.

Другой мерой предотвращения кавитации является обеспечение безударного входа за счет рационального выбора средней .линии кривизны профиля.

Учитывая, что периферийные сечения расположены ближе к свободной поверхности и вероятность развития кавитации на них больше, чем на корневых, во многих систематических се-

риях предусматривают периферийные сечения с сегментной, а средние и корневые сечения с авиационной формой профиля.

Существуют различные формулы и экспериментальные дан­ные для расчета минимально допустимого из условий кавитации дискового отношения. В качестве примера может быть приве­дена формула Вагенингенского бассейна, регламентирующая минимальную суммарную площадь лопастей гребного винта,