Негативные последствия кавитации и способы ее устранения

В первой стадии кавитационные полости имеют небольшую длину и замыкаются в пределах лопасти. В районе замыкания каверна разрушается, пузырьки, заполненные паром, сносятся в область повышенного давления и почти мгновенно схлапываются, когда пар конденсируется. Происходит гидравлический удар, в области которого давление и температура достигают настолько больших величин, что в материале лопасти возникают напряжения, существенно превосходящие предел прочности. Периодически повторяясь, этот процесс ведет к выкрашиванию из материала микроскопических частиц и, как следствие, к разрушению лопасти. Описанное явление носит название кавитационной эрозии и доставляет массу хлопот при проектировании и эксплуатации гребных винтов. Известны случаи, когда гребные винты быстроходных судов разрушались за считанные часы работы.

При меньшей интенсивности кавитационная эрозия приводит к существенному увеличению шероховатости лопастей и заметно снижает КПД гребного винта.

Неравномерность поля скоростей за корпусом способствует усилению пульсации каверны, что, в свою очередь, делает более интенсивным процесс кавитационной эрозии. Вначале она поражает корневые сечения лопасти, где относительная толщина максимальна, затем периферийные, где максимума достигают скорости обтекания элементов. Первый случай чреват опасностью обламывания лопастей, второй — снижением КПД.

Кавитационной эрозии невозможно противостоять, однако избежать ее можно благодаря следующим мероприятиям: сверлению отверстий в корневых сечениях лопасти, уменьшению неравномерности поля скоростей, подводу к гребному винту воздуха или газа. Однако кардинальным способом борьбы с эрозией является устранение причины ее порождающей — первой стадии кавитации. Основной путь — отдаление кавитации засасывающей поверхности лопасти за счет уменьшения максимального коэффициента разрежения. При неизменном значении заданного упора гребного винта этого можно достичь уменьшением угла атаки и одновременным увеличением площади лопастей, т. е. повышая дисковое отношение. Если последнее близко к пределу, то некоторый эффект получают, используя профили с более равномерным распределением коэффициента разрежения, например сегментные, NASA-66 и др. Желаемый результат может быть достигнут за счет увеличения диаметра гребного винта и одновременного снижения частоты его вращения и углов атаки элементов лопастей. Уменьшение числа лопастей также приводит к положительному эффекту — снижается относительная толщина лопасти, а вместе с нею и величина Р^. Отдаляет начало кавитации и увеличение погружения оси гребного винта.

Легко заметить, что все перечисленные выше способы снижения опасности кавитации в реальных условиях имеют весьма жесткие ограничения: дисковое отношение не может превышать предельного значения, максимальный диаметр винта и погружение его оси диктуются осадкой судна, возможность уменьшения числа лопастей также не беспредельна, а кроме того, это мероприятие существенно увеличивает виброактивность гребного винта. В тех случаях, когда все пути исчерпаны, а вывести гребной винт из первой стадии не удается, остается использовать другие движители либо специальные сильнокавитирующие винты (см. § 4.9).

На основании обобщения опыта эксплуатации судов и экспериментальных исследований работы гребных винтов разрабатываются рекомендации по выбору дискового отношения, минимально допустимого с точки зрения отсутствия вредных последствий кавитации. В отечественной практике широкое распространение получила формула.

где Z_p — число лопастей; Z — число гребных валов; D — диаметр гребного винта.