Как вода «съедает» корабельный винт — и откуда у пузырьков такая сила

7 фото
источник

Бронзовый винт может покрыться глубокими язвами, даже если ни разу не задел дно. Лопасть выглядит так, словно по ней долго били мелким зубилом. Повреждения оставляют пузырьки, возникающие возле вращающегося винта.

Это кавитация. Вода у лопасти превращается в пар, хотя море остаётся холодным. Затем паровые полости схлопываются, и металл получает короткие сильные удары. С этой проблемой столкнулись ещё создатели первых быстроходных судов.

Как вскипятить холодную воду


Привычные 100 °C — температура кипения воды при обычном атмосферном давлении. Если давление снизить, она закипит при меньшей температуре. Поэтому в горах вода кипит раньше, а при достаточно низком давлении — даже без подогрева.

При 10 °C для этого нужно давление около 1,2 килопаскаля — примерно в 80 раз ниже атмосферного. Такие условия могут возникать возле работающего винта.

Лопасть действует подобно крылу: при обтекании на её сторонах создаётся разное давление. Если местами оно падает достаточно сильно, вода превращается в пар. Мельчайшие пузырьки газа, уже находящиеся в воде, помогают этому процессу начаться.

Паровые полости появляются поодиночке, собираются в облака или вытягиваются вдоль лопасти. Но видимые пузырьки ещё не означают, что металл непременно разрушается: важно, где и как они схлопнутся.

Кавитацию легко спутать с воздухом, который винт затягивает с поверхности. Однако это другой процесс — вентиляция. При кавитации пар возникает прямо в воде.

Кто бьёт по бронзе


Поток уносит паровую полость туда, где давление выше. Пар конденсируется, окружающая вода устремляется внутрь, и пузырёк стремительно сжимается. Энергию удара даёт движущаяся вода.

В 1917 году физик лорд Рэлей рассчитал схлопывание сферической полости. По его упрощённой модели пузырёк диаметром два миллиметра при перепаде давления в одну атмосферу исчезает примерно за десятую долю миллисекунды. Это расчёт для идеальных условий, но масштаб времени он показывает хорошо.

Массивная лопасть кажется неуязвимой. Но кавитация повреждает металл крошечными участками — удар за ударом.

Возле твёрдой поверхности пузырёк может сжиматься неравномерно. В него врывается тонкая струйка воды, пробивает полость и ударяет в стенку. Скорость таких микроструй в отдельных экспериментах достигает сотен метров в секунду. Дополнительную нагрузку создают волны давления, возникающие при схлопывании.

Секрет разрушительной силы — в маленькой площади и коротком времени удара. Массивную лопасть целиком сдвигать не нужно: достаточно деформировать крошечный участок поверхности.

Отдельный удар может оставить микроскопическую вмятину. При повторении нагрузок появляются трещины, частицы сплава отделяются, повреждения растут. Так развивается кавитационная эрозия — постепенное разрушение поверхности.

Кавитационные повреждения рабочего колеса гидроцикла. Тот же механизм разрушает и гораздо более крупные судовые винты.

Зачем одному судну девять винтов


В конце XIX века инженер Чарльз Парсонс испытывал «Турбинию» — экспериментальное судно с паровой турбиной. Двигатель обещал большую скорость, но первые результаты разочаровали: передать мощность воде мешала кавитация.

Парсонс построил установку, в которой можно было наблюдать небольшой винт при пониженном давлении. Опасный режим воспроизводили на модели: каждый раз отправлять судно в море больше не требовалось.

В итоге «Турбиния» получила три вала и по три винта на каждом. Девять винтов помогли распределить нагрузку. В 1897 году судно продемонстрировало свою скорость на морском параде в честь юбилея королевы Виктории.

Просто поставить двигатель помощнее оказалось недостаточно. Если винт работает с развитой кавитацией, дополнительные обороты могут принести шум, вибрацию и потери вместо ожидаемого разгона.

«Турбиния» в музее Ньюкасла. Чтобы передать воде мощность паровой турбины, судно оснастили девятью винтами на трёх валах.

Как защищают винт


Один из способов — увеличить площадь лопастей, чтобы снизить нагрузку на каждый участок. Форму подбирают так, чтобы уменьшить опасные провалы давления. Помогает и большее заглубление: чем выше окружающее давление, тем труднее воде превратиться в пар.

Для крупных винтов часто используют никель-алюминиевую бронзу. Она хорошо сопротивляется морской коррозии и кавитационным повреждениям. Но даже удачный сплав не исправит неудачную форму лопасти или неподходящий режим работы.

Модели испытывают в кавитационных туннелях. Там регулируют скорость потока и давление, снимают происходящее у лопастей, измеряют шум и нагрузки. Так можно сравнить несколько конструкций до изготовления большого винта.

Кавитация выдаёт судно ещё и звуком: множество схлопывающихся полостей создаёт подводный шум. Для подлодки это проблема скрытности. Для обычного корабля — источник шума и вибраций, с которыми тоже приходится бороться.

Креветка использует тот же приём


Креветка-щелкун резко закрывает большую клешню и выбрасывает быструю струю воды. В ней возникает кавитационный пузырёк, схлопывание которого помогает оглушать добычу.

В исследовании 2000 года скоростная съёмка и подводный микрофон показали: громкий щелчок совпадает именно со схлопыванием пузырька. Половинки клешни к этому моменту уже сомкнуты.

Когда пузырьки укрепляют металл


Инженеры научились применять кавитацию для обработки деталей. Дозированные удары создают в поверхностном слое остаточные сжимающие напряжения. Проще говоря, обработанный слой мешает трещинам раскрываться и расти.

В одном из опытов Хитоси Соямы из Университета Тохоку усталостная прочность нержавеющей стали после такой обработки выросла примерно на четверть. Речь о способности выдерживать повторяющиеся нагрузки; результат относится к конкретной стали и условиям испытания. Это механическое упрочнение, которое не следует путать с закалкой нагревом и охлаждением.

Разница с разрушением винта — в режиме обработки. Инженер подбирает силу воздействия и вовремя останавливает процесс. На работающей лопасти удары могут повторяться часами. Если кавитация развивается в опасном месте, металл постепенно выкрашивается — хотя винт всё это время соприкасается только с водой.

Способы борьбы с кавитацией гребных винтов


Кавитация — одно из главных опасных явлений, снижающих эффективность гребных винтов и разрушающих их лопасти. В представленной схеме предлагаются два активных гидродинамических метода защиты.

Способ «а»: Подача воды через щелевые сопла. Вблизи выходящих кромок лопастей (зоны наибольшего риска кавитации) устанавливаются щелевые сопла. Через них подается вода, которая выравнивает давление вдоль поверхности лопасти и предотвращает образование кавитационных пузырей.

Способ «б»: Создание «водяной подушки». Вода подается непосредственно к «носику» профиля (передней кромке лопасти), где давление потока максимально. Это создает защитный слой — так называемую «водяную подушку», которая изменяет распределение давления, отодвигает зону кавитации и защищает металл от эрозии.

Оба метода являются активными: в конструкцию винта интегрируются каналы, по которым вода нагнетается в наиболее уязвимые зоны обтекания.