Способ борьбы с кавитацией

Способы борьбы с кавитацией

Основным способом борьбы с кавитацией является максимальное снижение разрежения в зонах возможной кавитации, которое частично может быть достигнуто за счет повышения окружающего давления. В частности, в борьбе с кавитацией во всасывающей камере насосов основным является обеспечение на всасывании такого давления, которое способно было бы преодолеть без разрыва потока жидкости гидравлические потери во всасывающей магистрали и в самой камере всасывания, включая сопротивление, обусловленное инерцией жидкости.

Очевидно, что для того, чтобы жидкость развила в рабочей камере насоса (в цилиндре и пр.) необходимое ускорение, требуемое для предотвращения отрыва ее от всасывающего элемента (поршня и пр.), к ней необходимо приложить соответствующее давление. Сила Р инерции жидкости при этом определится так:

где m – масса рассматриваемого объекта движущейся жидкости;

j – максимальное ее ускорение.

Для преодоления этой силы на входе во всасывающую камеру насоса должно действовать давление , где F – сечение потока.

Повышение давления достигается наддувом бака гидросистемы газом (поддавливанием), а также установкой подкачивающих насосов, эжекторов и прочими средствами.

В общем случае условие бескавитационной работы насоса можно выразить уравнением

где Р_б – давление в жидкостном баке, питающем насос;

h – разность между уровнем жидкости в баке и выходным штуцером насоса;

Σр_n – сумма потерь напора во всасывающей магистрали;

Р_i – потеря напора, обусловленная ускорением жидкости во всасывающих каналах насоса и подводящем трубопроводе;

u_вх– скорость жидкости во входном окне (канале) насоса;

γ – объемный вес жидкости;

Р_к – критическое давление, при котором наступает активное выделение из жидкости пузырьков воздуха; это давление зависит от вязкости жидкости и ее температуры, а также от степени насыщения жидкости воздухом.

Ввиду трудности вычисления величины инерционной потери-напора р_i она обычно учитывается запасом р_а, значение которого обычно принимается для распространенных насосов и режимов их работы равным 300—400 мм рт. ст.

С целью снижения потерь напора во всасывающем трубопроводе необходимо устанавливать насос как можно ближе к питающему баку и ниже уровня жидкости в нем, а также увеличивать сечение трубопровода и уменьшать количество местных гидравлических сопротивлений на пути течения жидкости от бака к насосу.

Для обеспечения бескавитационных условий работы насосов применяют также различные конструктивные усовершенствования. Одним из радикальных способов борьбы с кавитацией в насосах является повышение давления на входе в насос, достигаемое применением вспомогательных насосов для подкачки или искусственного наддува газом жидкостных резервуаров, а также применением прочих средств, одним из которых является использование энергии потока жидкости в сливной магистрали гидросистемы с помощью эжекторов (рис. 21).

Рис. 21. Расчетная схема эжектора

Расчет эжектора (при q = Q₁/Q₂ = 0 ÷ 1,5) обычно производят по эмпирической формуле (без учета потерь)

где q = Q₂/Q₁ – коэффициент смешения жидкостей (Q₁ и Q₂ – объемный расход эжектирующей и эжектируемой жидкости);

Δh – разность давлений в смесительной камере а и на выходе из диффузора b, в мм рт. ст.;

– скоростной напор эжектируемого потока в мм. рт. ст.;

u₁ – скорость эжектируемого потока в м/сек;

– коэффициент, характеризующий отношение площади F₀ сечения смесительного трубопровода к площади F₁ сечения сопла нам выходе.

Длина смесительного трубопровода принимается равной (8 ÷ 10)d. При предварительных расчетах пользуются также упрощенной эмпирической формулой

Для уменьшения действия кавитации применяют коррозионно-стойкие материалы (стали с добавкой хрома и никеля) при одновременной тщательной обработке их поверхностей, омываемых кавитируемой жидкостью. Применяют также покрытия деталей материалом, стойким против кавитационного разрушения (бронзой, хромом и пр.).

Как правило, стойкость материалов кавитационному разрушению повышается с увеличением механической и химической (окислительной) стойкости, причем лучшие результаты дают материалы, в которых совмещаются оба эти качества. Наименьшую стойкость имеют чугун и углеродистая сталь и наибольшую стойкость — бронза и нержавеющая сталь. Наиболее стойким из известных материалов является титан.

Увеличение твердости материала повышает, как правило, антикавитационную стойкость. Так, например, увеличение твердости нержавеющей стали от НВ 150 до НВ 400—420 повышает ее антикавитационную стойкость в 10 раз и более. Увеличением твердости можно также несколько повысить антикавитационную стойкость углеродистых сталей, однако детали из этих сталей не могут обеспечить приемлемый ресурс времени при возможных твердостях.

Полностью устранить разрушительное действие кавитации путем применения стойких против коррозии материалов не представляется возможным. Разрушению, хотя и менее интенсивному, подвергаются при известных условиях детали из таких материалов как стекло, золото и пр., что свидетельствует о преобладании в рассматриваемом процессе их разрушения механических факторов.

Источник

Кавитация в насосах. Причины, последствия и как её избежать.

В этой статье я хотел бы снова коснуться такой важной темы при работе насосного оборудования, как кавитация. Однажды мы уже рассматривали вопрос кавитации и способ борьбы с ней, который предложил производитель Blackmer. Вы можете посмотреть эту статью здесь https://tehnogrupp.com/blog/kavitatsiya-v-nasosnykh-ustanovkakh

В этой же статье мы рассмотрим вопрос кавитации более полно, не привязываясь к конкретному производителю. В процессе работы мы очень часто сталкиваемся со следующими вопросами наших Покупателей: «Насос работает на жидкости без абразива и твердых включений (в некоторых случаях перекачивает очищенную питьевую воду), но насос почему-то щелкает, трещит, как будто перекачивает камни, а при разборе насоса у него такое состояние, что складывается впечатление, что он правда камни перекачивал. В чем причина?» Фото разобранного насоса представлено ниже:

А причина здесь в таком физическом явлении, как кавитация. Удивительно, но многие пользователи насосного оборудования вообще не слышали о таком явлении, хотя насосов оно отправило на свалку не мало. И всегда находилось какое-то оправдание данной поломке. То фильтр не тот установили, то качество насоса плохое, то жидкость не ту перекачивали. Хотя, пожалуй, после неправильной центровки вала это следующая по распространённости причина поломки насосов.

В чем причина возникновения кавитации и как она «ломает» насос?

0,3 бар и вода начинает закипать уже при температуре около 70С. Так и на стороне всасывания насоса давление может быть значительно ниже атмосферного. В итоге жидкость начинает «закипать» с образованием пузырьков пара. Затем жидкость перемещается в область нагнетания насоса, где давление выше атмосферного и пузырьки «схлапываются» с образованием ударной волны. В некоторых случаях давление при таком гидроударе может превышать 10000 бар. Естественно, что насосное оборудование не рассчитано на такие нагрузки и возникают повреждения, которые мы уже видели на фото выше.

Как бороться с кавитацией?

Стоит отметить, что чугун, из которого производится большая часть насосов, справляется с кавитацией плохо из-за быстрого разрушения графитных включений. Из относительно доступных материалов кавитации некоторое время может противостоять нержавеющая сталь. Также для уменьшения физических последствий кавитации используют различные твердые напыления и закалку наиболее уязвимых частей насоса, чтобы повысить сопротивление деформации верхнего слоя металла. Стоит отметить, что в производстве насосов данные методы используются нечасто, т.к. они дороги и неэффективны. Даже самый прочный материал не способен долго противостоять кавитации, а использование более стойких материалов, в большинстве случаев, нужно лишь для того, чтобы минимизировать ущерб насосу, если по той или иной причине он начал «кавитировать».

К счастью, кавитацию в насосе можно предупредить и для этого существуют специальные формулы. Кроме того, каждый насос имеет заявленный производителем кавитационный запас (NPSH: Net Positive Suction Head — чистый гидравлический напор). Различают NPSHа и NPSHr, где первое реальное значение подпора на всасывающем патрубке, а второе – требуемое давление подпора для работы насоса с кавитационным запасом. Мы определяем NPSHа по следующей формуле:

Из данной формулы видно, что кавитация будет менее вероятна, если будет увеличена высота подпора (или снижена высота всасывания, для самовсасывающих насосов), будет увеличено давление на поверхности жидкости (например, если ёмкость герметична, то можно повысить давление в емкости). Чем плотнее жидкость, тем выше вероятность кавитации. Также чем выше давление насыщенного пара, тем вероятность кавитации выше. Также кавитацию повышают потери напора на линии всасывания. Обобщая все вышесказанное, чтобы избежать кавитации, необходимо обеспечить «сплошной поток». Фото ниже наглядно демонстрирует, как при снижении давления на линии всасывания увеличивается ударная волна вследствие кавитации.

Для более полного понимания расчета кавитации приведу пример задачи:

Оцените NPSHa для насосной системы, которая рассчитана на откачку 200 м3/ч воды. Водный поток идет из бака, который находится при атмосферном давлении и температуре 250C. Минимальный уровень воды в баке над всасывающим патрубком насоса составляет 3 метра. Линия всасывания имеет диаметр 6 дюймов (

150 мм) и длину 10 метров. Насос должен перекачивать воду в другой бак с верхним соединением для впуска воды. Максимальная высота нагнетательного трубопровода (от также имеет диаметр 6 дюймов) над нагнетательным патрубком насоса составляет 12 метров. Разгрузочный бак работает под давлением 3 бара. В линии нагнетания нет регулирующего клапана. Предполагается, что линия нагнетания имеет длину 100 м, учитывая все фитинги и клапаны.

Решение:

1. Сначала определим физические показатели системы. 1.1 Плотность воды при 250C составляет

994,72 кг/м3 1.2 Давление паров при 250C = 0,032 бар (Эти данные можно взять из различных справочников)

2. Вторым этапом расчета NPSHA является определение потери давления в результате трения в линии всасывания. В данном случае перепад давления на всасывающей и нагнетательной линиях 6 дюймов составляет около 5 бар/км. Для линии всасывания 10 м перепад давления составляет 0,05 бар. Для расчета потери давления на линии всасывания можно использовать различные программы подбора насосного оборудования. Практически каждый производитель предоставляет такую программу расчета. В этом примере падение давления в сетчатом фильтре составляет около 0,09 бар. В случае установки нового фильтра, производитель фильтра должен дать значение для максимально возможного падения давления на фильтре. Это значение можно использовать для расчета расчета NPSH.

3. Подставим цифровые значения в обозначенную выше формулу. Где HL — потеря напора, P0 — давление на поверхности воды, PV — давление пара для жидкости при определенной температуре (в нашем случае 250C), Z -высота столба жидкости, ρ — плотность жидкости, а g — гравитационное ускорение. NPSHA = (1,013 — 0,032) × 10 5 /( 994,72 × 9,81) + 3,0 — 0,5124 = 12,54 м

Т.е. для обеспечение работы без кавитации подойдет насос с кавитационным запасом NPSHr меньше 12,54 м

Москва,
проспект Андропова, 22, оф. 1815
Санкт-Петербург,
Новочеркасский пр-т, 58, оф. 511

Источник

Явление кавитации и способы борьбы с ней

В 1894 г. английские корабелы впервые вплотную столкнулись с необъяснимым и неприятным явлением. Только что построенный миноносец «Дэринг» развил на ходовых испытаниях полную скорость 24 уз вместо 27 уз, предусмотренных проектом.

Поначалу предполагали, что это вызвано повышенным сопротивлением корпуса и неполадками в работе главных двигателей. Однако английский ученый Уильям Фруд выдвинул другую гипотезу, теоретически предсказанную еще Л. Эйлером. Тщательно проанализировав результаты испытаний миноносца, он пришел к заключению, что потеря скорости вызвана неизвестным доселе явлением, которое он назвал «кавитацией» (от латинского cavitas — пустота). Когда в том же году с этим явлением столкнулся и Чарлз Парсонс, создатель первого паротурбинного судна «Турбиния», стало очевидно, что У. Фруд прав (Попутно отметим, что английскому ученому потребовались незаурядные смелость и мужество, чтобы доказать консервативным лордам Адмиралтейства, что недобор скорости вызван не просчетами инженеров или огрехами строителей корабля, а новым неизвестным явлением.) На кавитацию волей-неволей пришлось обратить внимание. Ее стали изучать, чтобы понять, как с нею бороться.

Суть явления кавитации (на примере гребного винта) заключается в следующем. По мере увеличения частоты вращения скорость потока воды на засасывающей стороне лопасти (т. е. на стороне, обращенной к носу судна) возрастает, а давление падает. Когда частота вращения винта достигает определенного значения, давление на засасывающей стороне лопасти падает до давления парообразования. Вода вскипает, а на лопасти начинают образовываться пузырьки — полости, заполненные парами воды и растворенными в ней газами.

После этого увеличение частоты вращения винта не приводит к дальнейшему снижению давления на засасывающей стороне лопасти. А так как упор винта создается в большей степени за счет разрежения на засасывающей стороне лопастей и в меньшей — за счет повышения давления на их нагнетающей стороне, то после возникновения кавитации упор винта уже не растет.

Кавитационные полости, называемые также кавернами, образуются прежде всего у входящей кромки лопасти, а потом уже захватывают всю засасывающую сторону. Пока каверны невелики, существенного влияния на работу гребного винта они не оказывают. Его гидродинамические характеристики на этой стадии, которую принято называть первой стадией кавитации, практически еще не изменяются, однако плохо другое: под воздействием высокого давления в точках, где лопаются пузырьки, происходит эрозионное разрушение лопастей Кроме того, на этой стадии появляется кавитационный шум в результате схлопывания пузырьков, возрастает вибрация, передаваемая винтом на корпус. Кавитация возникает не только на гребных винтах, но и на любых профилированных элементах, движущихся под водой с большой скоростью Так, появляясь на рулях и крыльевых системах быстроходных судов, она заметно снижает их эффективность. При определенных условиях кавитация возникает и в трубопроводах, вызывая характерный шум и эрозионное разрушение внутренней поверхности труб.

С дальнейшим увеличением частоты вращения винта наступает вторая стадия кавитации: засасывающая поверхность лопасти оказывается охваченной одной большой полостью. При этом эрозионных разрушений уже не возникает, так как каверна замыкается не на самой лопасти, а в потоке позади нее, но изменение картины обтекания винта приводит к тому, что его упор и вращающий момент уменьшаются и КПД винта падает, иногда на 10—20%.

С конца прошлого века явление кавитации постоянно приковывало внимание ученых разных стран. Было проведено немало исследований, выдвинуто множество гипотез. Оказалось, что процесс этот гораздо шире и многообразнее, чем приведенный выше пример.

В настоящее время под кавитацией понимают физическое явление, заключающееся в том, что при понижении давления внутри жидкости или на ее границах образуются каверны, т. е. полости, заполненные газообразной средой и имеющие такую форму и габариты, которые существенны для рассматриваемых процессов. Например, появление пузырьков газа при понижении давления в бутылке с минеральной водой сразу после ее откупоривания является кавитацией, которую часто называют газовой. В газированных напитках — это заранее запланированный и полезный процесс, поэтому в этом случае кавитацию можно считать полезной.

Но тот же самый по сути процесс становится неуправляемым и смертельно опасным в случае так называемой кессонной болезни, когда после длительного пребывания на большой глубине под значительным давлением водолаз без должных предосторожностей быстро поднимается на поверхность и растворившиеся при повышенном давлении в его крови газы при понижении давления образуют значительные по размеру пузыри, способные помешать нормальному кровообращению.

По сравнению с описанной газовой кавитацией, возникающей при понижении давления в насыщенных или близких к насыщению растворах, значительно большее практическое значение имеет так называемая паровая кавитация, возникающая в потоках жидкости в районе, где давление понижается до соответствующей критической величины. Так как в этом случае обычно содержание растворенных газов в жидкости мало, механизм появления каверн связан не столько с диффузией растворенных газов, сколько с инерционным ростом кавитационных зародышей или ядер кавитации, которые согласно гипотезе Эпштейна-Гарвея обязательно присутствуют в реальной жидкости.

Иногда паровую кавитацию называют «холодным кипением». Поясним, что здесь имеется в виду. На рисунке изображена диаграмма состояния для обыкновенной воды. Переход из жидкого агрегатного состояния в газообразное может происходить тремя способами. Во-первых, путем нагревания при постоянном давлении (линия АВ на рисунке) — этот процесс называется кипением. Во-вторых, путем понижения давления при постоянной температуре (линия СД на рисунке) — этот процесс называется паровой кавитацией или холодным кипением. Есть, наконец, и третий, более сложный способ, в обход критической точки, не пересекая кривую кипения: повышать давление воды выше критического (218,5 атм), потом нагревать до температуры выше критической (374 °С), а затем последовательно понижать давление и температуру до необходимых значений в области водяного пара (линия СЕКМ на рисунке). Последний случай представляет чисто «академический» интерес и практического значения не имеет, однако важно отметить, что только в этом случае переход воды из жидкого в газообразное состояние не связан с образованием каких-либо кипящих пузырей или каверн. Жидкость переходит в газообразное состояние сразу во всем объеме и наличие в ней ядер кавитации на переход не влияет.

В случаях же кипения или кавитации, наоборот, роль указанных ядер или зародышей очень велика. Избавление жидкости от примесей, предварительное обжатие ее повышенным давлением и тщательная очистка смачиваемых поверхностей, соприкасающихся с жидкостью, приводит к значительной задержке указанных процессов (например, пунктирная линия на рисунке). Так, при специальной обработке воды кавитация не начинается даже при очень больших отрицательных давлениях, равных — 280 атм, что объясняется наличием значительных сил молекулярного взаимодействия.

На гребных винтах миноносца «Дэринг» имела место паровая кавитация, которая понижала эффективность движителей. Аналогичная потеря эффективности гребных винтов за счет кавитации до значений, по-видимому, более низких, чем 25%, была обнаружена в 1932 г. на глиссерах «Мисс Англия-III» и «Мисс Америка-Х» при установлении ими абсолютных мировых рекордов скорости на воде (192,8 км/ч и 201,02 км/ч соответственно). Двухместный глиссирующий катер «Мисс Америка-Х» имел двигатели суммарной мощностью в 6400 л. с., но эта мощность, как мы знаем, использовалась крайне неэффективно. Вообще, как известно, глиссирующие катера с водяным винтом достигли к 1952 г. рекордной скорости в 287,38 км/ч, после чего, начиная с 1955 г., когда появился знаменитый глиссирующий катер «Блюбёрд-I» Дональда Кэмпбелла с реактивным двигателем, все абсолютные мировые рекорды скорости на воде стали устанавливаться с использованием реактивных двигателей, проблемы кавитации для которых естественно, не существует.

Как уже отмечалось, огромный вред неуправляемая паровая кавитация, возникающая на гребных винтах быстроходных кораблей и судов, приносит в тех случаях, когда образовавшиеся каверны замыкаются в пределах лопастей и вызывают их эрозионное разрушение.

Командование одного из соединений германского флота еще в 1932 г. в своем докладе сообщало, что на винтах торпедных катеров и миноносцев через 24 часа полного хода появляются следы эрозии, которые за 8 дней превращаются в раковины величиной с кулак, требующие обязательной смены винта.

Долгое время механизм кавитационной эрозии был непонятен. В настоящее время считается, что главной причиной разрушения материала при кавитации является механическое воздействие от волны давления и гидравлического удара кумулятивной струйки, движущейся со скоростью более 100 м/с и образующейся в зоне замыкания кавитационных пузырьков.

Интересный, даже забавный эксперимент для оценки величины местных импульсов давлений, возникающих при замыкании кавитационных паровых пузырьков, провел известный советский ученый Л. А. Эпштейн. Он поместил в зону кавитации свою собственную руку и ощутил множество уколов, напоминающих укол швейной иглой. После этого без особого труда ему удалось найти силу (около 1 Н), с которой надо давить на швейную иглу, чтобы ощущение укола оказалось близким к тому, которое было при кавитации. Таким образом ученому удалось установить, что давление в малой зоне замыкания парового кавитирующего пузырька площадью примерно 0,01 мм2 может достигать 1000 атмосфер.

Положение с кавитационной эрозией осложняется еще и тем, что она обнаруживается не только на гребных винтах быстроходных судов и катеров, но и на винтах крупнотоннажных танкеров и сухогрузов, не отличающихся большой скоростью Например, лопасти гребных винтов танкеров типа «Прага» имели кавитационные повреждения размерами 20X30 см, причем за 3 года глубина их достигла 1 см. Причиной возникновения неуправляемой паровой кавитации в этом случае является сильная окружная неравномерность поля скоростей в районе гребного винта, приводящая к значительным колебаниям углов атаки сечений за один оборот в процессе их движения по окружности.

Вибрация корпусных конструкций, вызванная неуправляемой паровой кавитацией, может быть очень значительной. Так, французский лайнер «Нормандия» водоизмещением 80 000 тонн после своего первого рейса в 1935 г., во время которого был завоеван приз «Голубая Лента Атлантики» и достигнута рекордная скорость (средняя) 30 уз, был поставлен в док для смены гребных винтов, так как винты кавитировали и вызывали вибрацию, угрожавшую корпусным конструкциям и делавшую пребывание пассажиров в кормовых помещениях судна практически невозможным.

Вот как описали свои ощущения И. Ильф и Е. Петров, которые плыли на «Нормандии».

«Все задрожало на корме, где мы помещались. Дрожали палубы, стены, иллюминаторы шезлонги, стаканы над умывальником, сам умывальник. Вибрация парохода была столь сильной, что начали издавать звуки даже такие предметы, от которых никак этого нельзя было ожидать. Впервые в жизни мы слышали, как звучит полотенце, мыло, ковер на полу, бумага на столе, занавески, воротничок, брошенный на кровать. Звучало и гремело все, что находилось в каюте. Достаточно было пассажиру на секунду задуматься и ослабить мускулы лица, как у него начинали стучать зубы. Всю ночь казалось, что кто-то ломится в двери, стучит в окна, тяжко хохочет. Мы насчитали сотню различных звуков, которые издавала наша каюта.»

Короче говоря неуправляемая паровая кавитация — враг, явление настолько вредное, что примеры использования этого явления обычно воспринимаются как курьезы, не имеющие большого практического значения. Однако такие примеры есть, и сфера их практического применения будет расширяться.

Это вредное явление может с успехом использоваться, например, для очистки поверхности корпуса от старой краски, продуктов обрастания и ржавчины как в условиях сухого дока, так и под водой. Советский изобретатель В. П. Родионов предложил использовать для этого затопленную струю обыкновенной воды диаметром 2 мм со скоростью на срезе специально профилированного сопла 32 м/с. Ударяясь перпендикулярно об обрабатываемую поверхность, струя растекается во все стороны. В месте встречи (в районе критической точки) давление существенно возрастает, происходит интенсивное схлопывание кавитационных пузырьков, что приводит к эрозии, выполняющей работу по очистке поверхности. Интенсивность кавитации подбирается так, чтобы ненужное покрытие разрушалось, а сама поверхность корпуса оставалась неповрежденной. Важный практический эффект при такой очистке заключается еще и в том, что из-за наличия камеры, заполненной водой и окружающей струю, установка при работе сама присасывается к обрабатываемой поверхности и не требует немалых физических сил для ее удержания, как это имеет место в обычных установках гидравлической очистки.

Другой пример использования управляемой паровой кавитации хотя и не связан с судостроением, но представляет несомненный интерес. В 1986 г. под руководством профессора В. М. Ивченко был проведен такой опыт. Помидоры в теплице были разбиты на две одинаковые группы, одну из которых поливали обычной водой, а другую кавитационно обработанной, т. е. прошедшей через кавитационный реактор специальной конструкции, обеспечивающий достаточную степень развития паровой кавитации. В результате двухмесячного эксперимента урожайность помидоров на участке, где использовалась кавитационно обработанная вода, оказалась выше на 33%, что окупило затраты на энергию, составившие около 10 кВт·ч на обработку 1 м 3 воды. Полное объяснение этому явлению пока отсутствует, однако химический анализ кавитационно обработанной воды показывает, что содержание кислорода в ней заметно больше, чем в необработанной.

А как же бороться с кавитацией гребного винта, когда она — враг? Первое, к чему пришли инженеры, это отдаление начала кавитации за счет правильного выбора характеристик гребного винта. Решение это было найдено давно: инженеры английской верфи, построившей миноносец «Дэринг», все-таки сдали корабль Адмиралтейству, для чего им пришлось изготовить новые гребные винты с гораздо большей площадью лопастей. Благодаря повышению площади лопастей (вдвое) удалось снизить разрежение на их засасывающей поверхности и тем самым избежать появления больших кавитационных каверн.

Такое решение в течение долгого времени оставалось единственным путем борьбы с кавитацией. Усилия конструкторов были направлены на наиболее рациональный выбор распределения шага по радиусу и формы профиля поперечных сечений лопасти, а также увеличение площади лопастей. Вот почему на быстроходных катерах нашли применение широколопастные гребные винты.

Кроме того, чем глубже расположена ось, тем при большей частоте вращения винта начинается парообразование и выделение газа, т. е. тем позже начинается кавитация. При расчете гребных винтов эти и другие факторы обязательно учитываются.

Однако при скоростях свыше 50 уз неизбежно наступает момент, когда этот путь становится неприемлемым. Дальнейшее увеличение площади лопастей приводит к существенным потерям мощности на преодоление их сопротивления трения. Отсюда непосредственно вытекает идея проектирования винтов, специально приспособленных к работе в режиме кавитации с целью получения наивысшей в этих условиях эффективности. Эта сегодня очевидная идея была впервые высказана в 1940 г. академиком В. Л. Поздюниным, причем получила признание далеко не сразу. Суть ее заключалась в следующем. Вспомним, что у обычных винтов, как и у подводного крыла, большая часть возникающей на элементе лопасти подъемной силы (до 2/3) создается за счет разрежения на засасывающей поверхности и меньшая — за счет давления на нагнетаюшей поверхности. При сильно развитой кавитации, когда вся засасывающая поверхность лопасти охвачена каверной, основная часть упора гребного винта создается за счет давления на нагнетающей поверхности. В. Л. Поздюнин и предложил делать винты с такой геометрией лопастей, при которой кавитационное сопротивление вследствие образования каверны было бы значительно меньше сопротивления трения.

Идеи В. Л. Поздюнина были впоследствии развиты другими учеными и получили практическое применение на быстроходных глиссирующих катерах, на судах на подводных крыльях и скеговых судах на воздушной подушке. В Канаде был построен глиссирующий катер водоизмещением 8.5Д с газотурбинной установкой мощностью 1800 л. с., которая вращала трехлопастной суперкавитирующий гребной винт. Он обеспечивал скорость 50 уз при частоте вращения гребного вала 3000 об/мин. В Англии также были построены несколько быстроходных катеров (55—60 уз) с суперкавитирующими гребными винтами. В США такие винты были установлены на экспериментальном судне «Денисон». Одновальная газотурбинная установка мощностью 14000 л. с. обеспечивала ему скорость около 60 уз. Как видно из этих примеров, скорости судов, и, в частности, судов на подводных крыльях, оборудованных суперкавитирующими гребными винтами, ограничены величиной порядка 60 уз.

При дальнейшем увеличении скоростей возникает кавитационный барьер уже на крыльевых системах.

Значительный прогресс в создании быстроходных судов был достигнут в результате создания в США 100-тонного скегового судна на воздушной подушке «SES-100В», которое в апреле 1977 г. показало рекордную для таких крупных судов скорость, равную 90 уз. В качестве движителя на этом судне был установлен полупогруженный суперкавитирующий гребной винт. Паровая кавитация на его лопастях вообще не возникала, т. к. из-за полупогруженности в зону разрежения на лопастях прорывался атмосферный воздух и именно этот воздух заполнял каверны.

Вот тут мы подошли к идее, которая на первый взгляд может показаться парадоксальной: борьба с кавитацией при помощи. кавитации. Но если разобраться, никакого парадокса тут нет. Положительные качества суперкавитирующего винта проявляются только при его работе на расчетном режиме, т. е. когда обтекание лопастей происходит при полностью развитой кавитации. На промежуточных же режимах, при меньших скоростях, эффективность суперкавитирующего винта падает. Именно для улучшения пропульсивных качеств суперкавитирующих винтов на промежуточных скоростях и привлекается искусственная кавитация. в кавитационную полость подается воздух или иной газ, благодаря чему гидродинамические характеристики винта изменяются в желаемом направлении, а гребной винт получает название вентилируемого.

Это не единственный пример использования искусственной кавитации в судостроении. В 1970 г. доктор технических наук А. А. Бутузов получил авторское св-во № 288576 на устройство для создания воздушной «смазки» на поверхности плоского днища судна. Иными словами — системы искусственных каверн, расположенных друг за другом и покрывающих при эксплуатационной скорости всю основную часть днища цилиндрической вставки корпуса Для образования указанных каверн на днище предусмотрена система поперечных кавитаторов (козырьков), ограниченных со стороны скуловых образований корпуса вертикальными килями. Воздух подается насосом в отверстия в днище. Эффективность такого способа была проверена в натурных условиях.

В 1965 г. было переоборудовано и испытано несамоходное сухогрузное речное судно водоизмещением 3270 т, длиной 84,6 м, шириной 14 м и осадкой 3,2,м. На нем пришлось установить 7 кавитаторов по длине и сделать 14 отверстий для подачи воздуха Расход воздуха во время испытаний составил 135л/с, причем увеличение его подачи не приводило к дальнейшему снижению сопротивления. Испытания показали, что использование управляемой кавитации приводит к снижению сопротивления баржи на 23—26% при скорости буксировки 16—18 км/ч

В 1967 г. были проведены аналогичные испытания с использованием самоходного теплохода типа «Волго-Дон» полным водоизмещением 6730 т, длиной 135 м, шириной 16,5 м и осадкой 3,2 м. В результате испытаний указанные данные подтвердились Расход воздуха при этом составил 230 л/с, а суммарный выигрыш в расходуемой на движение судна мощности, с учетом мощности, потребляемой воздуходувкой, составил 16—17% при скорости судна 20 км/ч.

Интересные исследования по применению искусственной кавитации на днище быстроходного глиссирующего катера водоизмещением 24 т, проведенные А. А. Бутузовым, показали, что при скорости 55 км/ч можно получить снижение сопротивления на 35%, в то время как энергетические затраты на поддув воздуха не должны превосходить 2% мощности двигателя При этом воздух подается под днище катера с некоторым избыточным давлением, которое компенсирует около 60% веса самого катера. Кроме того, днищевая каверна приводит к улучшению характеристик мореходности, что свидетельствует о перспективности постройки морских быстроходных судов с каверной на днище. Реализация этой идеи на катерах позволила повысить их скорость по сравнению с традиционными на 8,5,уз.

Источник