Jaki jest wpływ kawitacji na śrubę napędową łodzi?

Kawitacja na śrubie okrętowej powoduje spadek wydajności i siły ciągu, generując nadmierny hałas i wibracje. Kawitacja może prowadzić do erozji i uszkodzeń łopat śruby napędowej oraz zagrażać integralności strukturalnej śruby. Ponadto kawitacja wpływa na manewrowość łodzi z powodu niezrównoważonego rozkładu ciągu, potencjalnie zmniejszając jej ogólną wydajność i żywotność.

Czym jest kawitacja śmigła

Kawitacja to pęcherzyki spowodowane nadmierną prędkością lub obciążeniem śmigła. Woda odparowuje lub gotuje się z powodu ekstremalnego spadku ciśnienia z tyłu łopaty śruby napędowej. Wiele śrub napędowych częściowo kawituje podczas normalnej pracy, ale nadmierna kawitacja może spowodować fizyczne uszkodzenie powierzchni łopaty śruby napędowej łodzi z powodu zapadania się mikroskopijnych pęcherzyków na łopacie.

Przyczyna kawitacji śmigła

Wysokie prędkości: Wraz ze wzrostem prędkości obrotowej śmigła wzrasta również prawdopodobieństwo wystąpienia kawitacji. Przy dużych prędkościach różnica ciśnień między stroną niskociśnieniową a stroną wysokociśnieniową łopaty śmigła może być znaczna, co prowadzi do powstawania wnęk wypełnionych parą.

Niewystarczające zanurzenie: Gdy śruba napędowa nie jest całkowicie zanurzona w wodzie, np. podczas pracy na płytkich wodach lub podczas przyspieszania statku, ciśnienie wody nad łopatami śruby spada. Ten spadek ciśnienia może wywołać kawitację.

Niewłaściwa konstrukcja łopaty: Nieodpowiednia konstrukcja łopaty śmigła, w tym nadmierne pochylenie lub grubość, może przyczyniać się do kawitacji. Źle zaprojektowane łopaty mogą nie radzić sobie z płynnym przepływem wody, powodując lokalne obszary niskiego ciśnienia, które sprzyjają kawitacji.

Warunki wzburzonej wody: Wzburzone morze lub burzliwa woda mogą tworzyć nieregularne wzorce przepływu wokół śruby napędowej, zwiększając prawdopodobieństwo kawitacji. Nagłe zmiany ciśnienia wody i zakłócenia przepływu mogą sprzyjać powstawaniu wnęk wypełnionych parą.

Uszkodzenia lub zanieczyszczenia: Uszkodzenia łopat śmigła, takie jak wgniecenia, wyszczerbienia lub nierówności powierzchni, mogą zakłócać płynny przepływ wody, prowadząc do kawitacji. Podobnie, obecność porostów morskich lub zanieczyszczeń na śrubie napędowej może zakłócić przepływ wody i wywołać kawitację.

Rodzaje kawitacji

Kawitacja arkusza:

Kawitacja arkuszowa występuje, gdy wzdłuż powierzchni łopaty śmigła tworzy się duży, rozciągnięty arkusz lub warstwa wgłębień. Ten rodzaj kawitacji występuje zazwyczaj przy niskich kątach natarcia i charakteryzuje się gładką i ciągłą strukturą przypominającą arkusz. Kawitacja arkuszowa może powodować spadek wydajności śmigła oraz wzrost hałasu i wibracji.

Kawitacja w chmurze:

Kawitacja chmurowa, znana również jako superkawitacja, charakteryzuje się tworzeniem dużej liczby małych wnęk lub pęcherzyków wokół łopaty śmigła. Wnęki te są losowo rozmieszczone i stale tworzą się i zapadają. Kawitacja chmurowa może występować przy wyższych kątach natarcia i jest często związana ze śmigłami o dużej prędkości lub śmigłami pracującymi w niejednolitych warunkach przepływu. Może to prowadzić do zmniejszenia siły ciągu, zwiększenia hałasu i erozji powierzchni łopaty śmigła.

Kawitacja pęcherzykowa:

Kawitacja pęcherzykowa odnosi się do powstawania pojedynczych, większych wgłębień lub pęcherzyków na łopacie śmigła. Pęcherzyki te zazwyczaj tworzą się przy wysokich kątach natarcia i są bardziej sporadyczne w porównaniu do kawitacji chmurowej. Kawitacja pęcherzykowa może powodować poważne uszkodzenia łopat śmigła z powodu zapadania się pęcherzyków, powodując wżery, erozję i zmęczenie powierzchni.

Kawitacja wirowa:

Kawitacja wirowa występuje, gdy wokół przedniej krawędzi łopaty śmigła tworzą się wiry. Wiry te mogą wywoływać wahania ciśnienia, które powodują powstawanie kawitacji. Kawitacja wirowa jest powszechnie obserwowana w bardzo obciążonych śmigłach pracujących przy niskich prędkościach przepływu lub w śmigłach z ostrymi krawędziami natarcia. Może to prowadzić do erozji łopaty i generowania hałasu.

Sposoby unikania kawitacji

1. zmniejszenie kąta łopaty śmigła i kąta opadania można osiągnąć poprzez regulację średnicy śmigła

2. aby zapobiec zbyt wysokiemu obciążeniu tylnej strony łopaty śmigła, można zastosować bardziej jednolity kształt interfejsu ciśnienia

3. aby uniknąć nadmiernego szczytu przedniej części śmigła, kąt pochylenia i kształt wlotu powietrza można odpowiednio wyregulować

4. wyregulować prędkość śmigła. Odpowiednia regulacja prędkości może zmniejszyć kawitację, ale także utratę prędkości

O śrubie zaburtowej mówi się, że jest w pełni kawitacyjna, gdy cały grzbiet jest pokryty kawitacją arkuszową. Zjawisko to nazywane jest również superkawitacją. Po całkowitym usunięciu wody z tylnej części sekcji, wzrost obrotów na minutę nie może zmniejszyć kawitacji.

Nie ma tam już ciśnienia, więc tył nie może generować dodatkowej siły nośnej. Jednak na powierzchni czołowej ciśnienie nadal rośnie wraz z wyższymi obrotami, podobnie jak całkowity ciąg, choć w wolniejszym tempie niż przed rozpoczęciem kawitacji.

Wpływ kawitacji na wydajność

Wpływ kawitacji na osiągi może być znaczący. Kawitacja zwykle zaczyna się na końcach łopatek i stopniowo rozprzestrzenia się na łopatki wraz ze wzrostem obciążenia śmigła. Jeśli kawitacja rozszerzy się do około 0,75 promienia, wykrywana jest znaczna utrata ciągu, a następnie spadek momentu obrotowego, co w praktyce oznacza znaczny wzrost obrotów na minutę dla danej mocy. Ponieważ zerwanie ciągu następuje szybciej niż zmiana momentu obrotowego, może to skutkować znacznym spadkiem wydajności. 

Wnioski dotyczące wpływu kawitacji na śrubę napędową łodzi

Kawitacja ma znaczący wpływ na śruby napędowe łodzi i może wpływać na ich wydajność i żywotność. Kawitacja występuje, gdy wokół łopat śruby napędowej tworzy się niskie ciśnienie, co prowadzi do powstawania pęcherzyków pary, które następnie zapadają się i powodują uszkodzenia. Zjawisko to może skutkować zmniejszonym ciągiem, zwiększonym hałasem, wibracjami i erozją powierzchni śruby napędowej.

Aby złagodzić negatywne skutki kawitacji, można zastosować różne modyfikacje konstrukcyjne i techniki, takie jak odpowiednia geometria łopatek, dobór materiałów i skuteczna optymalizacja hydrodynamiczna. Ponadto regularna konserwacja, w tym kontrola i naprawa śrub napędowych, ma kluczowe znaczenie dla zminimalizowania szkodliwego wpływu kawitacji i zapewnienia optymalnej wydajności układów napędowych łodzi.

Najczęściej zadawane pytania dotyczące wpływu kawitacji na śrubę napędową łodzi

P: Co powoduje kawitację w śrubach napędowych łodzi?
O: Kawitacja w śrubach napędowych łodzi jest głównie spowodowana przez obszary niskiego ciśnienia tworzące się wokół łopatek z powodu dużej prędkości obrotowej lub nieefektywnej konstrukcji.

P: Czy kawitacja jest odwracalna, czy też ma trwały wpływ na śmigło?
O: Kawitacja może mieć zarówno odwracalne, jak i trwałe skutki. Odwracalne skutki obejmują zmniejszenie wydajności, podczas gdy trwałe skutki obejmują erozję i uszkodzenie powierzchni śmigła.

P: Czy kawitacja może powodować wibracje na łodzi?
O: Tak, kawitacja może wywoływać wibracje w łodzi, wynikające z zapadania się pęcherzyków pary i nierównomiernego rozkładu ciągu spowodowanego kawitacją.

P: Czy istnieją jakieś znaki ostrzegawcze wskazujące na kawitację na śrubie napędowej łodzi?
O: Tak, oznaki kawitacji obejmują zwiększony hałas, zmniejszoną prędkość lub ciąg, wibracje oraz widoczną erozję lub wżery na łopatach śmigła.

P: Czy kawitacja śmigła może prowadzić do uszkodzenia silnika?
O: Chociaż kawitacja śmigła sama w sobie nie powoduje bezpośredniego uszkodzenia silnika, może pośrednio wpływać na silnik poprzez zmniejszenie wydajności śmigła i ogólnej wydajności.

P: Czy możliwa jest naprawa śmigła uszkodzonego przez kawitację?
O: W wielu przypadkach uszkodzenia kawitacyjne śmigieł mogą być naprawiane za pomocą różnych technik, takich jak spawanie, wypełnianie lub regeneracja, w zależności od stopnia uszkodzenia.

P: Czy zmiana warunków pracy łodzi może zapobiec kawitacji?
O: Modyfikacja warunków pracy łodzi, takich jak dostosowanie trymu, zmniejszenie prędkości lub zmiana rozkładu masy, może czasami pomóc zminimalizować efekty kawitacji, ale może nie wyeliminować problemu całkowicie.