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Cavitazione di una nave ad elica è fenomeni che possono ridurre notevolmente una nave efficienza propulsiva, mentre allo stesso tempo, portare ad una rapida degradazione del propellor.

Per saperne di più sulla cavitazione, abbiamo bisogno di acquisire familiarità o aggiornare le nostre conoscenze riguardanti le fasi del vapore liquido.

  • Solido (ghiaccio)
  • Liquido (acqua)
  • Vapore (vapore)

Le fasi di liquido e vapore sono influenzate dalla temperatura e dalla pressione. Normalmente si osserva che l’acqua cambia il suo stato in forma di vapore quando la sua temperatura viene elevata a oltre 100 gradi C a pressione atmosferica. L’acqua può anche vaporizzare quando la pressione è ridotta in condizioni normali di temperatura. A temperature fisiche del mare, ciò richiede una pressione inferiore a circa 1,5-2,0 kN / m2.

Causa della cavitazione dell’elica

Le pale di un’elica sviluppano una forza totale in una certa direzione in virtù di essere impostate ad un piccolo angolo di “incidenza” rispetto alla direzione risultante del flusso d’acqua che passa attraverso l’elica.

Velocità relative dell'acqua

Velocità relative dell’acqua

L’effetto del flusso oltre le lame è quello di causare una pressione positiva sul viso e una pressione ridotta o aspirazione sul retro a causa di una maggiore velocità di flusso. Questa maggiore velocità è dovuta alla forma della sezione della lama dell’elica. Effetto del flusso oltre le pale

La somma totale di queste distribuzioni di pressione produce la forza totale la cui componente assiale dà la forza di spinta dell’elica. Accade così che in normali condizioni di lavoro dell’elica di una nave la forza di aspirazione sul retro della lama rappresenta circa l ‘ 80% della forza totale.

Pressione dinamica dovuta al flusso d'acqua

Pressione dinamica dovuta al flusso d’acqua

Nella regione di lavoro dell’elica, la pressione netta in qualsiasi punto dell’acqua è la somma algebrica della pressione atmosferica, della pressione dovuta alla testa dell’acqua e della pressione dinamica indotta dal funzionamento dell’elica.

Pressione netta

Pressione netta in un dato punto

Se la pressione netta si riduce ad un valore inferiore alla pressione di vapore 9e), l’acqua si vaporizzerà e si formeranno delle cavità. La creazione di queste cavità è nota come cavitazione.

Quindi, la cavitazione si verifica se:

p(a) + p (h) ± Δp < e

Ciò può verificarsi solo quando Δp è sufficientemente negativo.

Poiché la cavitazione è influenzata dalla pressione e dalla temperatura, è più probabile che si verifichi nelle eliche che operano vicino alla superficie in acque calde.

Quindi, se l’acqua di mare che passa attraverso la parte posteriore della lama, incontra la regione di aspirazione e la pressione netta delle cascate al di sotto della pressione di vapore dell’acqua a quella temperatura, si formano bolle di cavità. Le cavità si espandono quando la pressione si riduce, quindi si contraggono quando la pressione aumenta e il vapore si converte in liquido.

Formazione di bolle di cavitazione

Formazione di bolle di cavitazione

Tipi di cavitazione

  1. ‘La cavitazione del foglio’ o ‘laminare’ assume la forma di un sottile foglio stazionario che di solito inizia sul bordo anteriore delle lame.
     Foglio o cavitazione laminare

    Foglio o cavitazione laminare

  2. In determinate condizioni, la cavitazione del foglio si rompe dietro la lama in una forma nota come cavitazione “nebbia” o “nuvola”.
  3. La cavitazione “bolla” come suggerisce il nome, è la formazione di cavità di bolle distintive.
     Cavitazione della bolla

    Cavitazione della bolla

  4. ‘La cavitazione di Vortex ha l’aspetto di una corda intrecciata e può essere presente sia sulle punte della lama che sul boss.
    Cavitazione a vortice

    Cavitazione a vortice

La cavitazione aumenta con il carico più elevato delle lame, cioè con angoli di incidenza più grandi o con diverse forme di sezione della lama.

Effetti della cavitazione

Gli effetti della cavitazione possono essere elencati come :

  1. Prestazioni ridotte
  2. Erosione della lama
  3. Vibrazioni
  4. Rumore

Prestazioni

Gli effetti della cavitazione sulle prestazioni possono essere considerevoli. La cavitazione comincia solitamente alle punte della lama e si sparge gradualmente sopra le intere lame mentre il carico dell’elica è aumentato. Quando la cavitazione si è estesa a circa 0,75 del raggio si scopre che c’è una notevole perdita di spinta seguita da una riduzione della coppia che significa in pratica che ci sarà un marcato aumento dei giri per una data potenza. Poiché la rottura della spinta procede più rapidamente della variazione della coppia, ci può essere una notevole perdita di efficienza.

Erosione

L’erosione è un effetto potenzialmente grave. Le bolle di cavitazione, una volta formate, non possono persistere se vengono spazzate in una regione in cui la pressione netta ritorna ad un valore superiore alla pressione di vapore dell’acqua. Ciò può accadere verso il bordo di uscita della lama o mentre la lama si muove dall’alto verso il basso del cerchio guadagnando pressione idrostatica. Il modo in cui collassano introduce un nuovo fenomeno, le bolle si contraggono a una dimensione molto piccola prima che scompaiano e l’intera energia del collasso & cambiamento di stato è quindi concentrata in un’area molto piccola. È stato stimato che la pressione finale nel punto di collasso può superare 2,3 x 109 N/m2. Ciò ha ovviamente un grave effetto sulla superficie del metallo delle lame che può essere rapidamente eroso.

Nelle fasi iniziali dell’attacco, il metallo assume l’aspetto di essere stato colpito rapidamente con un piccolo martello di “pallinatura” e si vedono piccole rientranze circolari sulla superficie che segnano il punto di collasso delle bolle successive. Se la cavitazione è più estesa o persiste per un periodo di tempo più lungo, si traduce in una grave corrosione del metallo che causa un cratere definito o una serie di crateri nella superficie delle lame, lasciando l’aspetto simile a una spugna che è caratteristiche dell’erosione avanzata della cavitazione.

Le punte della lama dell’elica e dei bordi finali sono particolarmente sensibili all’erosione e possono essere completamente erose e strappate dagli effetti della cavitazione. In alcuni casi il continuo vaiolatura causare l’intero spessore delle lame per essere mangiato via e, infine, facendo un foro attraverso la lama di nuovo a faccia.

L’erosione dovuta alla cavitazione può verificarsi in qualsiasi parte di una pala dell’elica in cui l’aspirazione è elevata ma in comune in tre regioni significative:

  1. Alla punta dove la velocità di rotazione è più alta,
  2. A 0.7 raggio dove il carico è solitamente al massimo,
  3. Verso la radice della lama dove le sezioni sono necessariamente molto spesse e la distribuzione della pressione è influenzata negativamente dal piccolo spazio tra le lame.

Vibrazione

La vibrazione viene creata a causa della natura instabile della cavitazione e viene definita come la deviazione periodica della struttura in modo verticale, orizzontale o torsionale.

Rumore

Le cavità collassanti provocano effetti sonori che, accompagnati da vibrazioni ad alta frequenza, possono essere estremamente sgradevoli per i passeggeri e l’equipaggio se si trovano all’estremità poppiera della sistemazione della nave.

Mezzi per evitare la cavitazione

  1. Aumentare l’area totale della lama e quindi la spinta per unità di superficie della lama per la stessa spinta totale. Ciò può essere realizzato aumentando il rapporto di area della lama al diametro costante o aumentando il diametro dell’elica con una riduzione risultante dei giri.
  2. Ridurre gli angoli della lama e l’angolo di incidenza adottando diametri leggermente più grandi.
  3. Variare il passo sulla lunghezza della lama al fine di diminuire il carico nelle regioni critiche.
  4. Evitare il verificarsi di sezioni eccessivamente alte sul retro delle lame utilizzando forme di sezione che danno una distribuzione più uniforme della pressione.
  5. Design poppa per ottenere come uniforme un campo scia possibile.
  6. Evitare l’incidenza di picchi di aspirazione locali vicino al bordo d’attacco utilizzando adeguate quantità di camber e una forma adeguata dell’ingresso.
  7. Ridurre lo spessore delle lame utilizzando materiali che sono più forti e più resistenti agli effetti della cavitazione.
  8. Fornire la massima immersione possibile.
  9. Ridurre i giri al minuto. Poiché la spinta di un’elica varia come il quadrato delle rivoluzioni, quindi riducendo le rivoluzioni si riduce la cavitazione, ma si tradurrà anche in una perdita di velocità.

Si dice che un’elica sia completamente cavitante quando l’intera parte posteriore è coperta dalla cavitazione del foglio. Questo fenomeno è anche chiamato super cavitazione. Dopo che la parte posteriore della sezione è stata completamente denudata dall’acqua, l’aumento dei giri al minuto non può più ridurre la pressione e quindi non può essere generato alcun sollevamento aggiuntivo dalla parte posteriore. Sulla faccia, tuttavia, la pressione continua ad aumentare con giri più alti e così fa la spinta totale, anche se ad un ritmo più lento rispetto a prima che iniziasse la cavitazione. – P. V. O. J. D. van Manen

 Cavitazione-Facilmente spiegabile!

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