Qual é o efeito da cavitação na hélice do barco?

A cavitação em uma hélice marítima causa uma diminuição na eficiência e no empuxo, gerando ruído e vibração excessivos. Ela pode causar erosão e danos nas pás da hélice e comprometer a integridade estrutural da hélice. Além disso, a cavitação afeta a capacidade de manobra do barco devido à distribuição desequilibrada do empuxo, reduzindo potencialmente seu desempenho geral e sua longevidade.

O que é cavitação da hélice

Cavitação são bolhas causadas por velocidade ou carga excessiva da hélice. A água vaporiza ou ferve devido à redução extrema da pressão na parte traseira da pá da hélice. Muitas hélices cavitam parcialmente durante a operação normal, mas a cavitação excessiva pode resultar em danos físicos à superfície da pá da hélice do barco devido ao colapso de bolhas microscópicas na pá.

Causa da cavitação da hélice

Altas velocidades: À medida que a velocidade de rotação da hélice aumenta, a probabilidade de ocorrência de cavitação também aumenta. Em altas velocidades, a diferença de pressão entre o lado de baixa pressão e o lado de alta pressão da pá da hélice pode ser significativa, levando à formação de cavidades cheias de vapor.

Submergência insuficiente: Quando a hélice não está totalmente submersa na água, como ao operar em águas rasas ou durante a aceleração da embarcação, a pressão da água acima das pás da hélice diminui. Essa queda de pressão pode provocar a cavitação.

Projeto inadequado da pá: O projeto inadequado da pá da hélice, incluindo curvatura ou espessura excessivas, pode contribuir para a cavitação. As pás mal projetadas podem não lidar com o fluxo de água suavemente, resultando em áreas locais de baixa pressão que estimulam a cavitação.

Condições de águas agitadas: Mar agitado ou água turbulenta podem criar padrões de fluxo irregulares ao redor da hélice, aumentando a probabilidade de cavitação. Mudanças repentinas na pressão da água e distúrbios no fluxo podem promover a formação de cavidades cheias de vapor.

Danos ou incrustações: Os danos às pás da hélice, como amassados, cortes ou irregularidades na superfície, podem interromper o fluxo suave da água, levando à cavitação. Da mesma forma, a presença de crescimento marinho ou incrustação na hélice pode perturbar o fluxo de água e provocar a cavitação.

Tipos de cavitação

Cavitação de chapas:

A cavitação em folha ocorre quando uma folha grande e estendida ou uma camada de cavidades se forma ao longo da superfície da pá da hélice. Esse tipo de cavitação geralmente ocorre em baixos ângulos de ataque e é caracterizado por uma estrutura lisa e contínua em forma de folha. A cavitação em folha pode causar uma diminuição na eficiência da hélice e um aumento no ruído e na vibração.

Cavitação de nuvens:

A cavitação em nuvem, também conhecida como supercavitação, é caracterizada pela formação de um grande número de pequenas cavidades ou bolhas ao redor da pá da hélice. Essas cavidades são distribuídas aleatoriamente e estão constantemente se formando e colapsando. A cavitação em nuvem pode ocorrer em ângulos de ataque mais altos e é frequentemente associada a hélices de alta velocidade ou a hélices que operam em condições de fluxo não uniforme. Ela pode levar à redução do empuxo, ao aumento do ruído e à erosão da superfície da pá da hélice.

Cavitação de bolhas:

A cavitação de bolhas refere-se à formação de cavidades ou bolhas isoladas e maiores na pá da hélice. Essas bolhas geralmente se formam em altos ângulos de ataque e são mais esporádicas em comparação com a cavitação em nuvem. A cavitação de bolhas pode causar danos graves às pás da hélice devido ao colapso das bolhas, resultando em corrosão, erosão e fadiga da superfície.

Cavitação de vórtice:

A cavitação por vórtice ocorre quando os vórtices são formados em torno da borda de ataque da pá da hélice. Esses vórtices podem induzir flutuações de pressão que causam a formação da cavitação. A cavitação por vórtice é comumente observada em hélices altamente carregadas que operam com baixas taxas de fluxo ou em hélices com bordas de ataque afiadas. Ela pode levar à erosão da pá e à geração de ruído.

Meios de evitar a cavitação

1. reduza o ângulo da lâmina da hélice e o ângulo de descida pode ser alcançado ajustando o diâmetro da hélice

2. para evitar que a parte traseira da superfície de carga da pá da hélice seja muito alta, pode-se usar um formato de interface de pressão mais uniforme

3. para evitar o pico excessivo da seção frontal da hélice, o ângulo de curvatura e o formato da entrada de ar podem ser ajustados adequadamente

4. ajuste a velocidade da hélice. O ajuste adequado da velocidade pode reduzir a cavitação, mas também a perda de velocidade

Diz-se que uma hélice de popa está totalmente cavitando quando toda a parte traseira está coberta por uma folha de cavitação. Esse fenômeno também é chamado de supercavitação. Depois que a parte traseira da seção estiver completamente desnudada de água, o aumento das rotações por minuto não poderá reduzir

A pressão não está mais lá e, portanto, nenhuma elevação adicional pode ser gerada pela parte traseira. Na face, entretanto, a pressão continua a aumentar com rotações mais altas, assim como o empuxo total, embora em uma taxa mais lenta do que antes do início da cavitação.

O efeito da cavitação no desempenho

O efeito da cavitação no desempenho pode ser significativo. A cavitação geralmente começa nas pontas das pás e se espalha gradualmente pelas pás à medida que a carga da hélice aumenta. Se a cavitação tiver se expandido até cerca de 0,75 raio, será detectada uma perda significativa de empuxo, seguida de uma diminuição do torque, o que, na prática, significa um aumento significativo de RPM para uma determinada potência. Como a ruptura do empuxo ocorre mais rapidamente do que a mudança no torque, isso pode resultar em uma redução significativa na eficiência. 

Conclusão sobre o efeito da cavitação na hélice do barco

A cavitação tem um efeito significativo nas hélices de barcos e pode afetar seu desempenho e longevidade. A cavitação ocorre quando uma baixa pressão se forma ao redor das pás da hélice, levando à formação de bolhas de vapor que, posteriormente, colapsam e causam danos. Esse fenômeno pode resultar em redução do empuxo, aumento do ruído, vibrações e erosão da superfície da hélice.

Para atenuar os efeitos negativos da cavitação, podem ser empregadas várias modificações e técnicas de projeto, como a geometria adequada da pá, a seleção de materiais e a otimização hidrodinâmica eficaz. Além disso, a manutenção regular, incluindo inspeção e reparo de hélices, é fundamental para minimizar o impacto prejudicial da cavitação e garantir o desempenho ideal dos sistemas de propulsão de barcos.

Perguntas frequentes sobre o efeito da cavitação na hélice do barco

P: O que causa a cavitação nas hélices de barcos?
R: A cavitação nas hélices de barcos é causada principalmente pela formação de regiões de baixa pressão ao redor das pás devido à rotação em alta velocidade ou ao projeto ineficiente.

P: A cavitação é reversível ou tem efeitos permanentes na hélice?
R: A cavitação pode ter efeitos reversíveis e permanentes. Os efeitos reversíveis incluem a diminuição do desempenho, enquanto os efeitos permanentes incluem erosão e danos à superfície da hélice.

P: A cavitação pode causar vibrações no barco?
R: Sim, a cavitação pode induzir vibrações no barco, resultantes do colapso das bolhas de vapor e da distribuição desigual do empuxo causada pela cavitação.

P: Há algum sinal de alerta que indique cavitação em uma hélice de barco?
R: Sim, os sinais de cavitação incluem aumento do ruído, redução da velocidade ou do empuxo, vibrações e erosão visível ou corrosão nas pás da hélice.

P: A cavitação da hélice pode causar danos ao motor?
R: Embora a cavitação da hélice em si não danifique diretamente o motor, ela pode afetar indiretamente o motor reduzindo a eficiência da hélice e o desempenho geral.

P: É possível consertar uma hélice danificada por cavitação?
R: Em muitos casos, os danos causados pela cavitação nas hélices podem ser reparados por meio de várias técnicas, como soldagem, enchimento ou recondicionamento, dependendo da gravidade do dano.

P: Mudar as condições de operação do barco pode evitar a cavitação?
R: Modificar as condições de operação do barco, como ajustar o trim, reduzir a velocidade ou alterar a distribuição de peso, às vezes pode ajudar a minimizar os efeitos da cavitação, mas pode não eliminar totalmente o problema.