3. Кавитация гребных винтов

   1. Понятие кавитации и ее виды

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 = 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 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 [1].

2. Способы борьбы с кавитацией

Экспериментальные исследования кавитации гребных винтов показывают, что кавитация начинается у края лопасти и распространяется по направлению к ступице узкой полосой по входящей кромке засасывающей поверхности лопасти авиационного профиля, и в районе наибольшей толщины, если профиль сечения сегментный. Такая картина соответствует первой стадии кавитации винта.

Хотя гидродинамические характеристики винта практически не меняются, но пузыри схлопываются, вызывая кавитационную эрозию, вследствие чего лопасти теряют прочность

При дальнейшем возрастании скорости наступает вторая стадия кавитации, когда каверна захватывает всю засасывающую поверхность лопасти, и поэтому эрозия отсутствует, но существенно меняются гидродинамические характеристики винта и резко падает его КПД.

Для того чтобы не возникала кавитация, гребной винт должен работать на ходовом режиме при числе оборотов, на 10-15% меньше, чем .

Для устранения последствий, связанных с первой стадией кавитации, стремятся устранить или отдалить ее появление, путем увеличения дискового отношения θ и изменяя профиль сечения лопастей. Полностью устранить первую стадию кавитации не удается, поэтому выбирают дисковое соотношение, исключающее появление второй стадии кавитации.

Гребные винты с толстыми лопастями более подвержены кавитации.

Чем глубже погружен винт, тем меньше вероятность его кавитации, так как давление столба жидкости увеличивается с ростом глубины погружения.

Последствия кавитации приводят к ухудшению пропульсивных качеств, разрушению лопастей, эрозии, шуму и вибрации гребного винта [1].