Кавитация гребных винтов - Судовые движители
Природа кавитации. Кавитацией называется явление разрыва сплошности течения капельной жидкости при понижении местного давления до некоторого критического значения рКр. Область разрыва (Кавитационная каверна) представляет собой объем, заполненный парами жидкости и растворенными в ней газами. Давление внутри каверны близко к давлению насыщенных паров рD при данной температуре. Отсюда кавитацию гребного винта обычно рассматривают как явление вскипания воды в потоке, вызванном винтом, при снижении местных давлений до давления насыщенных паров, полагая рКр РD.
Природу кавитации можно проследить на примере элемента лопасти обтекаемого под углом атаки потоком жидкости, имеющим на бесконечности в точке А скорость х0 и давление р0 (рис.117). Выделим на одной линии тока с точкой А точку В у поверхности элемента лопасти. Скорость и давление в точке В обозначим соответственно через х1 и р1. Тогда уравнение Бернулли для линии тока запишется так:
Р0 + сх0/2 = р1 + сх1/2,
Или
Др = р1 - р0 = [1 - (х1/х0)2].
Из формулы видно, что в тех точках поверхности элемента, где х1>х0 , давление понижается др<0; в местах, где х1<х0 давление повышается др>0. В результате на нагнетающей стороне лопасти вращающегося винта создается зона повышенного давления, на засасывающей стороне - зона пониженного давления.
Характерное распределений давлений на засасывающей и нагнетающей поверхности лопасти работающего гребного винта показано на рис.117. Как следует из рисунка, площадь эпюры давлений, а следовательно, и величина упора, развиваемого гребным винтом, на 7080% определяется разряжением на засасывающей поверхности и только на 2030% - повышением давления на нагнетающей поверхности лопасти.
Рис.117. Схема обтекания элемента крыла
При определенной частоте вращения гребного винта скорость обтекания лопасти достигает значения в 35 раз превышающего поступательную скорость судна. При этом давление на засасывающей поверхности понижается до давления насыщенных паров. В результате холодного кипения воды из нее выделяются растворенные газы. Пары и газы оттесняют воду от поверхности лопасти и образуют на ее засасывающей стороне кавитационную каверну.
Стадии кавитации и влияние кавитации на работу гребного винта. Различают две стадии кавитации. Первая характерна тем, что каверна захватывает только часть засасывающей поверхности лопасти, где скорость частиц наибольшая. На этой стадии гидродинамические характеристики гребного винта изменяются незначительно по сравнению с их значениями при безкавитационном обтекании. Объясняется это тем, что площади эпюр давлений при безкавитационной работе винта и в условиях первой стадии кавитации практически равны. Однако первая стадия кавитации нежелательна, так как является причиной механического разрушения материала лопасти - Эрозии. Пары воды, переходя из области каверны в область более высоких давлений, конденсируются. Процесс конденсации пара и смыкания (разрушения) кавитационных пузырьков происходит с большой скоростью. В момент конденсации пузырьков пара вода мгновенно заполняет образующую пустоту, нанося по лопасти гидродинамические удары, причем местные давления достигают больших значений. В результате, в местах замыкания каверны, поверхность лопасти разрушается.
На второй стадии кавитационная каверна захватывает всю засасывающую сторону лопасти и замыкается в потоке за гребным винтом. На этой стадии кавитации эрозии не происходит, так как пары конденсируются за пределами лопасти. Однако гидродинамические качества винта по сравнению с безкавитационным обтеканием заметно ухудшаются. Увеличение частоты вращения винта уже не приводит к уменьшению давления на засасывающей поверхности лопасти, где р рD, отчего упор винта практически не растет. Кроме того, потоком обтекается профиль более низкого гидродинамического качества (за счет каверны). Это вызывает увеличение вращающего момента, приложенного к винту, и уменьшение КПД движителя. Представление об ухудшении гидродинамических качеств винта, можно составить по кривым действия винта, отвечающим безкавитационному обтеканию и кавитации различной степени развития (рис.118). Сплошными линиями нанесены зависимости коэффициентов упора, момента, и КПД зР винта от относительной поступи лР при безкавитационнном обтекании и в первой стадии кавитации. Пунктирные линии представляют те же зависимости при наступлении второй стадии кавитации. Видно, что ухудшение гидродинамических характеристик наблюдается с уменьшением лР (например, с увеличением частоты вращения винта n при хP = const), что обусловлено увеличением углом атаки на лопастях. Величины, и зР во второй стадии кавитации зависят не только от лР, но и от параметра ч, называемого Числом кавитации. Последнее характеризует величину предельного разряжения на лопасти, (в долях скоростного напора), которое может быть достигнуто в воде в заданных условиях:
Ч = ,
Где рА - атмосферное давление; hС - глубина погружения винта (рис.117).
Рис.118.Кривые действия кавитирующего винта
Число кавитации определяется только внешними факторами (рА, hС Плотностью и температурой воды от которой зависит рD), поступательной скоростью хP и не зависит от геометрических элементов гребного винта.
Критическое число кавитации чКр соответствует возможному наибольшему разрежению на лопастях при докавитационных режимах их обтекания. Начало кавитации гребного винта определяется условием ч = чКр. При ч > чКр кавитация отсутствует, при ч < чКр винт кавитирует, причем тем больше, чем меньше число ч по сравнению чКр (рис.118).
В какой бы стадии не протекала кавитация, она всегда приводит к нежелательным последствиям: усиливает шум работающего винта, вызывает эрозию лопастей, снижает гидродинамические характеристики гребного винта, увеличивает неравномерность загрузки лопастей, что является одной из причин вибрации гребного вала и, как следствие, корпуса судна. Поэтому при проектировании винтов стремятся обеспечить их безкавитационную работу. С этой целью применяют профили с более равномерным распределением давлений по лопасти, увеличивают дисковое отношение, уменьшают относительную толщину лопасти, повышают давление на засасывающей стороне лопасти за счет погружения оси винта и т. п.
Для быстроходных судов (глиссирующие катера, катера на подводных крыльях и т. п.) во многих случаях не удается избежать кавитации гребных винтов, поэтому они оборудуются суперкавитирующими винтами (СКВ). Под Суперкавитацией понимают сильно развитую вторую стадию кавитации, когда обтекание лопастей винта происходит со срывом струй и каверна уходит за пределы лопастей. Исходя из того, что при суперкавитации основная часть упора создается за счет давления на нагнетающей поверхности лопасти и форма засасывающей поверхности не играет существенной роли, СКВ имеют клиновидный профиль сечения лопасти и искривленную нагнетающую поверхность (рис.119). Такая форма лопасти, с одной стороны, способствует образованию каверны оптимальных размеров, с другой - обладает наименьшим сопротивлением вращению гребного винта. В условиях суперкавитации такие винты обладают более высокими гидродинамическими качествами по сравнению с некавитирующими гребными винтами.
Рис.119.Профили сечений лопастей суперкавитирующих винтов
Конструктивной особенностью СКВ является также острая входящая кромка лопасти и смещение наибольшей толщины профиля к выходящей кромке. Клиновидные профили такой формы позволяют уменьшить толщину каверн, образующихся в междулопастном пространстве, снизить их взаимное влияние и тем самым повысить гидродинамические характеристики винта. СКВ имеют сравнительно небольшое дисковое отношение И = 0,400,55, узкие лопасти, их число z = 23, что уменьшает возможность взаимного влияния каверн каждой лопастей.
Положительные качества СКВ проявляются при работе их на расчетном режиме в условиях полностью развитой кавитации. Для режимов, отличных от расчетных, когда кавитация отсутствует или развита частично, происходит повышенное вихреобразование позади тупой выходящей кромки лопасти СКВ, вследствие чего его КПД становится ниже, чем у обычных винтов. Начиная с ч = 0,4 и выше, СКВ уже уступают обычным гребным винтам.
Похожие статьи
-
Гидродинамические характеристики гребного винта - Судовые движители
На выделенный элемент лопасти, который обтекается со скоростью х под углом атаки (см. рис.38), действуют гидродинамические силы. Результирующую этих сил...
-
Геометрические характеристики гребного винта - Судовые движители
Рабочими органами винта являются лопасти, расположенные радиально на равных угловых расстояниях друг от друга и укрепленные на ступице, насаживаемой на...
-
Взаимодействие гребного винта и корпуса судна. Пропульсивный коэффициент - Судовые движители
Винт и корпус судна находятся в сложном гидродинамическом взаимодействии. Сущность его заключается в следующем: - на винт, работающий за корпусом,...
-
Кинематические характеристики гребного винта - Судовые движители
При изучении работы винта каждая лопасть рассматривается как совокупность отдельных элементов, обтекаемых независимо друг от друга плоским потоком...
-
Диаграммы для расчета гребных винтов - Судовые движители
Диаграммы для расчета гребных винтов позволяют решать многие эксплуатационные задачи, в том числе задачи, необходимые судоводителю. В частности, с...
-
Работа гребного винта на разных режимах - Судовые движители
Для оценки условий работы двигателей судна надо знать основные характеристики винта: упор Р, момент М и к. п. д. зР на разных режимах, т. е. при любых...
-
Общие сведения о судовых движителях - Судовые движители
Для обеспечения движения судна необходимо приложить к его корпусу движущую силу - силу тяги, равную по величине и противоположную по направлению силе...
-
Проверочный расчет на кавитацию - Расчет центробежного насоса конденсатной системы судна
Критический кавитационный запас энергии: , Где =1,67 - абсолютная скорость на входе в межлопастные каналы рабочего колеса; - коэффициент кавитации,...
-
Конструктивные элементы - Судовые системы
Любая судовая система состоит из следующих конструктивных элементов: труб с путевыми соединениями (трубопроводов), арматуры с приводами, механизмов и...
-
Проверка форсунок - Судовые дизельные установки
Техническое состояние форсунок определяет надежность и экономичность работы двигателя. Снижение плотности и неудовлетворительное распыливание приводят к...
-
Форсунки с многодырчатыми распылителями - Судовые дизельные установки
Распыливание топлива Факел топлива, вылетающего с большими скоростями из соплового отверстия, состоит из центральной части - струи, включающей грубо...
-
Судовой валопровод - Расчет параметров судовой энергетической установки
Судовой валопровод представляет собой систему валов и различных конструктивных элементов, соединяющих гребной винт с главным двигателем. О назначение...
-
Общие указания В летнем режиме (режиме охлаждения) в общем случае необходимо рассчитать следующие теплопритоки, Вт: теплопритоки из окружающей среды...
-
Процесс топливоподачи - Судовые дизельные установки
Основные понятия и параметры процесса топливоподачи 1. Цикловая подача - подача топлива за один рабочий цикл GЦ = (gE NE m / 60 n i) г/цикл, Где: m -...
-
Притирка иглы и седла - Судовые дизельные установки
После выявления состояния запирающего пояска возможны несколько вариантов дальнейших действий. Вариант 1. Уплотняющий поясок занимает правильное...
-
Подготовка к притирке распылителя - Судовые дизельные установки
Операцию по притирке приходится производить при каждой плановой ревизии форсунок и тем более при наличии отказов. Используемые при этом приемы и...
-
Проверка и регулировка топливной форсунки - Судовые дизельные установки
Проверять работу форсунки можно при помощи топливного насоса, установленного на двигателе; или лучше на специальном стенде (Рис. 6.4.7.). Передвигая...
-
Теплота, поступающая в помещение (теряемая помещением) через остекленные поверхности Qoct . Вт, определяется по формуле: Где - Теплота, поступающая в...
-
Особенности конструкции форсунки двигателей MAN&;amp;BW L-MC - Судовые дизельные установки
Конструкцию распылителя форсунки судовых дизелей Бурмейстер и Вайн (рис. 6.4.5., а) с незначительными изменениями применяли до тех пор, пока не была...
-
Тепловое состояние и охлаждение форсунок - Судовые дизельные установки
В общем случае, количество подводимого к распылителю форсунки тепла определяется температурой газов t газ в камере сгорания и величиной площади их...
-
Прочие тепловыделения - Проектирование судовой системы комфортного кондиционирования воздуха
К прочим явным тепловыделениям в режиме охлаждения можно отнести тепловыделения от горячей пищи в обеденных залах столовой или ресторана тепловыделения...
-
Форсунка - Судовые дизельные установки
Форсунки служат для непосредственного впрыскивания топлива в цилиндр двигателя, распыливания его на частицы с размером не более 5-30 мк и распределения...
-
Основы конструкции топливных насосов - Судовые дизельные установки
Топливные насосы, обычно называемые топливными насосами высокого давления (ТНВД), выполняют следующие функции: 1. Отмеривание (дозирование) порции...
-
13. Уголь принимается от железных дорог только маршрутами одной марки, а антрациты - не более четырех марок в маршруте. Прием маршрутов с углем...
-
Оборудование судовых систем - Судовые системы
Компрессоры и вентиляторы Компрессор . Предназначен для преобразования механической энергии двигателя в потенциальную и кинетическую энергию газа....
-
Газоотводная система - Судовые системы
На танкерах для отвода из танков в атмосферу излишних паров нефтепродуктов, образующихся при повышении давления, или ввода в танки воздуха при понижении...
-
Расчет изменения параметров главных двигателей при работе их по винтовой характеристике в табличной форме. Таблица 2 Расчет параметров главных двигателей...
-
Составление карты смазки судовых механизмов - Разработка судовой энергетической установки
В течении гарантийного срока эксплуатации двигателей следует руководствоваться инструкциями по эксплуатации завода изготовителя. По окончании...
-
Для выбора схемы обеспечения судна электроэнергией и теплом на ходу необходимо рассчитать значение эффективного КПД энергетической установки зЭу при...
-
Проверка и регулировка угла опережения подачи топлива - Судовые дизельные установки
Своевременность сгорания топлива обуславливается углом опережения подачи топлива. От его величины зависят продолжительность периода задержки...
-
Основные неисправности форсунки - Судовые дизельные установки
Форсунка топливный дизельный двигатель Неисправности в работе форсунок всегда приводят к ухудшению смесеобразования, в результате чего скорость сгорания...
-
Увлажнители воздуха - Проектирование судовой системы комфортного кондиционирования воздуха
В судовых СКВ получили широкое применение паровые увлажнители типа УВП, в которых воздух увлажняется насыщенным водяным паром давлением 0,3ч0,5 Мпа....
-
Тепловой поток ВО, необходимый для расчета площади теплообменной поверхности: QВо = QОхл = 7,52 кВт. Плотность теплового потока для непосредственного...
-
Расчет основных элементов валопровода - Расчет параметров судовой энергетической установки
Проектирование судового валопровода дизельной установки проводится в соответствии с требованиями Правил Морского Регистра Судоходства. Промежуточный вал....
-
Характер деформирования крупногабаритных шин низкого давления движителей тракторов класса 5
Введение. Функции колесного движителя сельскохозяйственного трактора настолько многообразны, что выполнение их возможно лишь на основе комплекса...
-
Потребная холодопроизводительность установки (тепловая нагрузка воздухоохладителя) определяется по формуле, кВт . Где = L T - количество приточного...
-
Балластные судовые системы - Судовые системы
Балластные системы предназначены для приема в цистерны водяного балласта, перекачки и удаления его с судна в целях изменения осадки и остойчивости судна...
-
Выбор типа установки для проектируемого судна обычно производится на основе сравнительной оценки наиболее перспективных вариантов СЭУ, удовлетворяющих...
-
Трюмные и балластные судовые системы - Судовые системы
Трюмные системы . Группа систем, предназначенных для удаления за борт воды, скапливающейся в отсеках и трюмах в процессе эксплуатации судна из-за...
-
Неисправности топливной системы - Судовые дизельные установки
При пуске коленчатый вал вращается с частотой, достаточной для пуска, но вспышек топлива в цилиндрах нет или они происходят с перебоями и дизель...
Кавитация гребных винтов - Судовые движители