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La cavitación de la hélice de un buque es un fenómeno que puede reducir en gran medida la eficiencia de propulsión de un buque y, al mismo tiempo, provocar una rápida degradación de la hélice.

Para aprender más sobre la cavitación, necesitamos familiarizarnos o actualizar nuestros conocimientos sobre las fases de vapor líquido.

  • Sólido (hielo)
  • Líquido (agua)
  • Vapor (vapor)

Las fases de líquido y vapor están influenciadas por la temperatura y la presión. Normalmente se observa que el agua cambia de estado a forma de vapor cuando su temperatura se eleva a más de 100 grados centígrados a presión atmosférica. El agua también puede vaporizarse cuando la presión se reduce en condiciones normales de temperatura. A temperaturas físicas del mar, esto requiere una presión inferior a aproximadamente 1,5 a 2,0 kN / m2.

Causa de la cavitación de la hélice

Las palas de una hélice desarrollan una fuerza total en una dirección determinada en virtud de estar fijadas en un pequeño ángulo de «incidencia» con respecto a la dirección resultante del flujo de agua que pasa a través de la hélice.

 Velocidades relativas del Agua

Velocidades relativas del Agua

El efecto del flujo que pasa por las palas es causar una presión positiva en la cara y una presión o succión reducida en la parte posterior debido al aumento de las velocidades de flujo. Este aumento de velocidad se debe a la forma de la sección de la pala de la hélice. Efecto del flujo a través de las palas

La suma total de estas distribuciones de presión produce la fuerza total cuyo componente axial da la fuerza de empuje de la hélice. Sucede que en condiciones normales de trabajo de la hélice de un barco, la fuerza de succión en la parte posterior de la pala representa aproximadamente el 80% de la fuerza total.

 Presión dinámica debida al flujo de agua

Presión dinámica debida al flujo de agua

En la región de trabajo de la hélice, la presión neta en cualquier punto del agua es la suma algebraica de la presión atmosférica, la presión debida al caudal de agua y la presión dinámica inducida por el funcionamiento de la hélice.

 Presión neta

Presión neta en un punto dado

Si la presión neta se reduce a un valor inferior a la presión de vapor 9e), el agua se vaporizará y se formarán cavidades. La creación de estas cavidades se conoce como cavitación.

Por lo tanto, la cavitación se produce si:

p(a) + p (h) ± Δp < e

Esto solo puede ocurrir cuando Δp es suficientemente negativa.

Dado que la cavitación se ve afectada por la presión y la temperatura, es más probable que ocurra en hélices que operan cerca de la superficie en aguas cálidas.

Por lo tanto, si el agua de mar que atraviesa la parte posterior de la cuchilla se encuentra con la región de succión y la presión neta de las cascadas por debajo de la presión de vapor del agua a esa temperatura, se forman burbujas de cavidad. Las cavidades se expanden a medida que se reduce la presión, luego se contraen a medida que aumenta la presión y el vapor se convierte de nuevo en líquido.

 Formación de burbujas de cavitación

Formación de burbujas de cavitación

Tipos de Cavitación

  1. ‘La cavitación de lámina o lámina toma la forma de una lámina delgada estacionaria que generalmente comienza en el borde de ataque de las cuchillas.
     Cavitación Laminar o en Hoja

    Cavitación Laminar o en hoja

  2. En ciertas condiciones, la cavitación de la hoja se descompone detrás de la hoja en una forma conocida como cavitación de ‘niebla’ o ‘nube’.
  3. La cavitación de burbujas, como su nombre lo indica, es la formación de cavidades de burbujas distintivas.
     Cavitación de burbujas

    Cavitación de burbujas

  4. ‘La cavitación de Vortex tiene la apariencia de una cuerda trenzada y puede estar presente en las puntas de las cuchillas o en el jefe.
     Cavitación de Vórtice

    Cavitación de Vórtice

La cavitación aumenta con la mayor carga de las cuchillas, es decir, con ángulos de incidencia más grandes o con diferentes formas de sección de las cuchillas.

Efectos de la cavitación

Los efectos de la cavitación pueden enumerarse como :

  1. Rendimiento reducido
  2. Erosión de la cuchilla
  3. Vibración
  4. Ruido

Rendimiento

Los efectos de la cavitación en el rendimiento pueden ser considerables. La cavitación generalmente comienza en las puntas de las palas y se extiende gradualmente por todas las palas a medida que aumenta la carga de la hélice. Cuando la cavitación se ha extendido a aproximadamente 0,75 del radio, se encuentra que hay una pérdida considerable de empuje seguida de una reducción en el par, lo que significa en la práctica que habrá un marcado aumento de las revoluciones para una potencia dada. Dado que la ruptura de empuje se produce más rápidamente que el cambio en el par, puede haber una pérdida considerable de eficiencia.

Erosión

La erosión es un efecto potencialmente grave. Las burbujas de cavitación, cuando se forman, no pueden persistir si se arrastran a una región en la que la presión neta vuelve a un valor superior a la presión de vapor del agua. Esto puede ocurrir hacia el borde de salida de la cuchilla o a medida que la cuchilla se mueve de la parte superior a la parte inferior del círculo ganando presión hidrostática. La forma en que colapsan introduce un nuevo fenómeno, las burbujas se contraen a un tamaño muy pequeño antes de desaparecer y toda la energía del colapso & cambio de estado se concentra en un área muy pequeña. Se ha estimado que la presión final en el punto de colapso puede superar los 2,3 x 109 N / m2. Obviamente, esto tiene un efecto grave en la superficie del metal de las cuchillas, que se puede erosionar rápidamente.

En las etapas iniciales del ataque, el metal tiene la apariencia de haber sido golpeado rápidamente con un pequeño martillo de «granallado» y se ven pequeñas hendiduras circulares en la superficie que marcan el punto de colapso de las burbujas sucesivas. Si la cavitación es más extensa o persiste por un período de tiempo más largo, entonces resulta en una corrosión por picaduras grave del metal que causa un cráter definido o una serie de cráteres en la superficie de las cuchillas, dejando la apariencia de esponja que es características de la erosión por cavitación avanzada.

Las puntas de la pala de la hélice y los bordes de salida son particularmente susceptibles a la erosión y pueden estar completamente erosionados y arrancados por los efectos de la cavitación. En algunos casos, las picaduras continuas hacen que todo el grosor de las cuchillas se corroa y finalmente se haga un agujero a través de la cuchilla hacia la cara.

La erosión debida a la cavitación puede ocurrir en cualquier parte de una pala de hélice donde la succión es alta, pero en común en tres regiones significativas:

  1. En la punta donde la velocidad de rotación es más alta,
  2. A 0.7 radio donde la carga suele ser máxima,
  3. Hacia la raíz de la cuchilla, donde las secciones son necesariamente muy gruesas y la distribución de la presión se ve afectada negativamente por el pequeño espacio entre las cuchillas.

Vibración

La vibración se crea debido a la naturaleza inestable de la cavitación y se denomina desviación periódica de la estructura de manera vertical, horizontal o torsional.

Ruido

Las cavidades que colapsan producen efectos de ruido que, acompañados de vibraciones de alta frecuencia, pueden ser extremadamente desagradables para los pasajeros y la tripulación si están situados en el extremo de popa del alojamiento del buque.

Medios para evitar la cavitación

  1. Aumentar el área total de la cuchilla y, por lo tanto, el empuje por unidad de área de la superficie de la cuchilla para el mismo empuje total. Esto se puede lograr aumentando la relación de área de las palas a un diámetro constante o aumentando el diámetro de la hélice con una reducción resultante de las revoluciones.
  2. Reduzca los ángulos de las cuchillas y el ángulo de incidencia adoptando diámetros ligeramente más grandes.
  3. Varíe el paso a lo largo de la hoja para disminuir la carga en regiones críticas.
  4. Evitar la aparición de secciones excesivamente altas en la parte posterior de las cuchillas utilizando formas de sección que proporcionen una distribución de presión más uniforme.
  5. Diseñe la popa para lograr un campo de vigilia lo más uniforme posible.
  6. Evite la incidencia de picos de succión locales cerca del borde de ataque utilizando cantidades adecuadas de curvatura y una forma adecuada de la entrada.
  7. Reduzca el grosor de las cuchillas utilizando materiales más fuertes y resistentes a los efectos de la cavitación.
  8. Proporciona la máxima inmersión posible.
  9. Reduzca las revoluciones por minuto. Dado que el empuje de una hélice varía como el cuadrado de las revoluciones, reducir las revoluciones reducirá la cavitación, pero también resultará en una pérdida de velocidad.

Se dice que una hélice está cavitando completamente cuando toda la parte posterior está cubierta de cavitación de láminas. Este fenómeno también se llama super cavitación. Una vez que la parte posterior de la sección se ha despojado completamente de agua, el aumento de las revoluciones por minuto ya no puede reducir la presión allí, por lo que la parte posterior no puede generar elevación adicional. En la cara, sin embargo, la presión continúa aumentando con revoluciones más altas y también lo hace el empuje total, aunque a un ritmo más lento que antes de que comenzara la cavitación. – P. V. O. J. D. van Manen

Cavitación - ¡Fácil de explicar!

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