Кавитация гребных винтов

Кавитация — гидродинамический процесс разрыва сплошности жидкости, сопровождаемый появлением отдельных пузырьков и полостей, заполненных смесью пара, и выделившихся из воды ранее растворенных в ней газов. Кавитация наступает, когда давление в жидкости достигает критического значения — давления насыщенных паров. Для воды при комнатной температуре это давление p_v = = 2,3 кПа, что составляет чуть более двух процентов от атмосферного.

В соответствии с законом Бернулли давление на поверхности тела, движущегося в жидкости, падает с ростом скорости. Чем выше скорость, тем быстрее давление снижается до критического значения и на большей площади возникает кавитация. С особыми проблемами сталкиваются при проектировании высокоскоростных судов, предотвратить кавитацию отдельных элементов которых (крыльев, стоек, кронштейнов и т. д.) стоит большого труда. То же можно сказать и о гребных винтах, лопасти которых движутся со значительными скоростями.

Кавитация лопастей винта.

Практически лопасть представляет собой несущее крыло сложной формы. Соответственно процессы возникновения и развития кавитации на лопасти имеют много общего с таковыми у крыла.

Различают три вида кавитации крыла: вихревую, пузырчатую и пленочную. Первая имеет место в ядрах, сбегающих с концов крыла вихрей, где давление достигает критического значения. Эти ядра заполняются паром и газом, становятся видимыми. Дальнейший рост скорости приводит к снижению до величины p_v давления на небольших участках поверхности крыла — образуются отдельные пузыри, ограниченные по размерам полости. Когда давление становится равным критическому на большей части крыла, образуется каверна, охватывающая значительную поверхность, — пленочная кавитация. По мере увеличения скорости растут и размеры каверны, которая может замыкаться далеко за пределами крыла.

Рассмотрим условия возникновения и развития кавитации на засасывающей поверхности крыла. Запишем уравнение Бернулли для линии тока, проходящей через некоторую точку этой поверхности:

гдер₀, р₀ — давление и скорость в потоке на бесконечности; p_v v_x — то же в точке А.

Из курса гидромеханики известно, что коэффициент разрежения (коэффициент давления с обратным знаком) в точке А:

не зависит от скорости движения и определяется только формой крыла и его углом атаки. Условия для возникновения кавитации в точке А создадутся, когда давление в ней снизится до давления насыщенных паров воды: р, = а коэффициент разрежения станет равен числу кавитации о:

Коэффициент разрежения не зависит от скорости, число кавитации падает с ее ростом. Таким образом, при фиксированном значении р_А всегда найдется такая скорость, при которой будет иметь место равенство (4.70), т. е. на крыле возникнет кавитация. Прежде всего это произойдет в той точке профиля, где разрежение максимально: Р ~ Райх'

В начальной стадии кавитация (вихревая, пузырчатая) не оказывает заметного влияния на ГДХ крыла. При развитой, или, как ее еще иногда называют, суперкавитации, каверна охватывает практически всю поверхность крыла, коэффициенты подъемной силы и сопротивления уменьшаются.

Окружная скорость элементов лопасти зависит от радиуса, на котором они расположены. Соответственно изменяется вдоль радиуса и число кавитации элемента, которое, пренебрегая в (4.23) вызванными скоростями, можно записать.

где о₀ — осевое число кавитации [см. (4.38)]; r-r/R — относительный радиус элемента.

Из (4.71) следует, что кавитации подвержены прежде всего периферийные сечения (г «1) и что при прочих равных условиях она ранее наступит при малых значениях поступи. Кроме того, число кавитации элемента всегда меньше осевого. Для рабочих радиусов винта (г >0,5) и рабочих поступей (J < 1) отношение о₀/с₅ может достигать 10 и более (см. пример 4.6).

Пример 4.6. Найдем число кавитации элемента лопасти, расположенного на радиусе г = 0,75. Исходные данные те же, что и в примерах 4.4 и 4.5; дополнительно известно погружение оси винта Л_в — 5,9 м; относительная поступь J — 0,630, атмосферное давление р_п — 101 кПа. По (4.28) находим осевое число кавитации:

а по (4.17) число кавитации элемента.

т. е. различие в числах кавитации достигает 15 раз.

Отсюда следует, что кавитация винта начнется значительно раньше, чем у эквивалентного крыла. Известно, что несущие крылья СП К обтекаются безотрывно до скоростей v_s = 60+80 уз, в то время как избежать кавитации винтов этих судов практически невозможно уже при v_s > 40 уз.

Как и для крыльев, для винтов принято различать две стадии кавитации. В первой ГДХ гребного винта практически не изменяются, во второй наблюдается заметное падение коэффициентов упора и момента и менее выраженное снижение КПД.

В расчетном режиме работы гребного винта элементы лопасти, как правило, имеют нулевые либо малые положительные углы атаки. При этом возникает рассмотренная выше кавитация засасывающей поверхности лопасти. При отрицательных углах атаки может

наблюдаться кавитация нагнетающей поверхности, а для выпукло-вогнутого профиля большой кривизны при, а * 0 кавитация может захватить и обе поверхности.

При работе за корпусом в существенно неравномерном поле скоростей гребной винт может за один оборот подвергаться всем перечисленным видам кавитации — углы атаки элементов лопасти в отдельные промежутки времени будут принимать существенно различные значения.