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Die Kavitation eines Schiffspropellers ist ein Phänomen, das die Effizienz des Schiffsantriebs erheblich verringern und gleichzeitig zu einer raschen Verschlechterung des Propellers führen kann.

Um mehr über Kavitation zu erfahren, müssen wir uns mit flüssigen Dampfphasen vertraut machen oder unser Wissen auffrischen.

  • Fest (Eis)
  • Flüssig (Wasser)
  • Dampf (Dampf)

Die Phasen von Flüssigkeit und Dampf werden durch Temperatur und Druck beeinflusst. Es wird normalerweise beobachtet, dass Wasser seinen Zustand in die Form von Dampf ändert, wenn seine Temperatur bei Atmosphärendruck auf über 100 Grad C erhöht wird. Wasser kann auch verdampfen, wenn der Druck unter normalen Temperaturbedingungen reduziert wird. Bei physikalischen Meerestemperaturen erfordert dies einen Druck von weniger als etwa 1,5 bis 2,0 kN / m2.

Ursache der Propellerkavitation

Die Flügel eines Propellers entwickeln eine Gesamtkraft in einer bestimmten Richtung, indem sie in einem kleinen Einfallswinkel zur resultierenden Strömungsrichtung des durch den Propeller fließenden Wassers eingestellt werden.

Relativgeschwindigkeiten des Wassers

Relativgeschwindigkeiten des Wassers

Die Strömung an den Schaufeln vorbei bewirkt aufgrund erhöhter Strömungsgeschwindigkeiten einen Überdruck auf der Stirnseite und einen verminderten Druck oder Sog auf der Rückseite. Diese erhöhte Geschwindigkeit ist auf die Form des Propellerblattabschnitts zurückzuführen.Wirkung der Strömung an den Schaufeln vorbei

Die Summe dieser Druckverteilungen ergibt die Gesamtkraft, deren axiale Komponente die Propellerschubkraft ergibt. Es kommt also vor, dass unter normalen Arbeitsbedingungen eines Schiffspropellers die Saugkraft auf der Rückseite des Blattes etwa 80% der Gesamtkraft ausmacht.

 Dynamische Druck aufgrund wasser fluss

Dynamische Druck aufgrund wasser fluss

In die arbeits bereich der propeller, die net druck an jedem punkt in die wasser ist die algebraische summe der atmosphärischen druck, druck aufgrund der kopf von wasser und die dynamische druck induzierte durch die arbeits der propeller.

Nettodruck

Nettodruck an einem bestimmten Punkt

Wenn der Nettodruck auf einen Wert unter dem Dampfdruck 9e)sinkt, verdampft das Wasser und es bilden sich Hohlräume. Die Bildung dieser Hohlräume wird als Kavitation bezeichnet.

Somit tritt Kavitation auf, wenn:

p(a) + p(h) ± Δp < e

Dies kann nur auftreten, wenn Δp ausreichend negativ ist.

Da Kavitation durch Druck und Temperatur beeinflusst wird, ist es wahrscheinlicher, dass sie in Propellern auftritt, die in warmen Gewässern oberflächennah arbeiten.

Wenn also das Meerwasser, das über den Schaufelrücken strömt, auf den Saugbereich trifft und der Nettodruck der Wasserfälle unter dem Dampfdruck des Wassers bei dieser Temperatur liegt, bilden sich Hohlraumblasen. Die Hohlräume dehnen sich aus, wenn der Druck abnimmt, ziehen sich dann zusammen, wenn der Druck steigt, und der Dampf wandelt sich wieder in Flüssigkeit um.

Kavitationsblasenbildung

Kavitationsblasenbildung

Arten von Kavitation

  1. ‚ Blatt‘ oder ‚Laminar‘ Hohlraumbildung nimmt die Form eines dünnen stationären Blattes an, das normalerweise an der Vorderkante der Blätter beginnt.
    Platten- oder Laminarkavitation

    Platten- oder Laminarkavitation

  2. Unter bestimmten Bedingungen zerfällt die Blechkavitation hinter der Klinge in eine Form, die als Nebel- oder Wolkenkavitation bekannt ist.
  3. ‚Bubble‘ Kavitation wie der Name schon sagt, ist die Bildung von markanten Blasenhöhlen.
     Blase Kavitation

    Blase Kavitation

  4. ‚ Die Kavitation von Vortex hat das Aussehen eines verseilten, verdrehten Seils und kann entweder an den Schaufelspitzen oder am Boss vorhanden sein.
    Wirbelkavitation

    Wirbelkavitation

Die Kavitation nimmt mit der höheren Belastung der Schaufeln zu, d.h. mit größeren Einfallswinkeln oder mit unterschiedlichen Schaufelabschnittsformen.

Auswirkungen der Kavitation

Die Auswirkungen der Kavitation können wie folgt aufgeführt werden :

  1. Reduzierte Leistung
  2. Messererosion
  3. Vibration
  4. Lärm

Leistung

Die Auswirkungen von Kavitation auf die Leistung können erheblich sein. Die Kavitation beginnt normalerweise an den Blattspitzen und breitet sich allmählich über die gesamten Blätter aus, wenn die Propellerbelastung erhöht wird. Wenn sich die Kavitation auf etwa 0,75 des Radius ausgedehnt hat, wird festgestellt, dass ein beträchtlicher Schubverlust auftritt, gefolgt von einer Verringerung des Drehmoments, was in der Praxis bedeutet, dass die Umdrehungen für eine gegebene Leistung deutlich zunehmen. Da der Schubdurchbruch schneller abläuft als die Drehmomentänderung, kann es zu einem erheblichen Wirkungsgradverlust kommen.

Erosion

Erosion ist ein potenziell schwerwiegender Effekt. Die Kavitationsblasen können, wenn sie gebildet werden, nicht bestehen bleiben, wenn sie in einen Bereich gefegt werden, in dem der Nettodruck auf einen Wert zurückkehrt, der den Dampfdruck des Wassers übersteigt. Dies kann in Richtung der Hinterkante der Klinge oder als die Klinge bewegt sich von oben nach unten des Kreises gewinnt hydrostatischen Druck auftreten. Die Art und Weise, wie sie kollabieren, führt zu einem neuen Phänomen, die Blasen ziehen sich auf eine sehr winzige Größe zusammen, bevor sie verschwinden, und die gesamte Energie des Kollapses & Zustandsänderung ist daher auf eine sehr kleine Fläche konzentriert. Es wurde geschätzt, dass der Enddruck am Kollapspunkt 2,3 x 109 N / m2 überschreiten kann. Dies hat offensichtlich gravierende Auswirkungen auf die Oberfläche des Metalls der Klingen, die schnell erodiert werden können.

In der Anfangsphase des Angriffs sieht das Metall so aus, als wäre es schnell mit einem kleinen Strahlhammer geschlagen worden, und auf der Oberfläche sind winzige kreisförmige Vertiefungen zu sehen, die den Punkt des Zusammenbruchs aufeinanderfolgender Blasen markieren. Wenn die Kavitation ausgedehnter ist oder über einen längeren Zeitraum anhält, führt dies zu einer schwerwiegenden Lochfraßkorrosion des Metalls, die einen bestimmten Krater oder eine Reihe von Kratern in der Oberfläche der Schaufeln verursacht und das schwammartige Aussehen hinterlässt, das Merkmale einer fortgeschrittenen Kavitationserosion aufweist.

Die Spitzen des Propellerblattes und die Hinterkanten sind besonders erosionsanfällig und können durch Kavitation vollständig erodiert und abgerissen werden. In einigen Fällen führt das kontinuierliche Lochfraß dazu, dass die gesamte Dicke der Klingen weggefressen wird und schließlich ein Loch durch die Klinge zurück zum Gesicht gemacht wird.

Erosion aufgrund von Kavitation kann an jedem Teil eines Propellerblatts auftreten, an dem die Saugkraft hoch ist, jedoch gemeinsam in drei signifikanten Bereichen:

  1. An der Spitze, wo die Drehzahl am höchsten ist,
  2. Bei 0.7 radius, wo die Last normalerweise maximal ist,
  3. Zum Schaufelfuß, wo die Abschnitte notwendigerweise sehr dick sind und die Druckverteilung durch den kleinen Spalt zwischen den Schaufeln beeinträchtigt wird.

Vibration

Vibration entsteht durch die instationäre Natur der Kavitation und wird als periodische Auslenkung der Struktur in vertikaler, horizontaler oder torsionaler Weise bezeichnet.

Lärm

Die einstürzenden Hohlräume verursachen Lärmeffekte, die, begleitet von hochfrequenten Vibrationen, für Passagiere und Besatzung äußerst unangenehm sein können, wenn sie sich am hinteren Ende der Schiffsunterkunft befinden.

Mittel zur Vermeidung von Kavitation

  1. Erhöhen Sie die gesamte Schaufelfläche und damit den Schub pro Flächeneinheit der Schaufeloberfläche bei gleichem Gesamtschub. Dies kann erreicht werden, indem das Blattflächenverhältnis bei konstantem Durchmesser erhöht wird oder der Durchmesser des Propellers mit einer resultierenden Verringerung der Umdrehungen erhöht wird.
  2. Reduzieren Sie die Schaufelwinkel und den Einfallswinkel, indem Sie etwas größere Durchmesser verwenden.
  3. Variieren Sie die Steigung über die Länge der Klinge, um die Belastung in kritischen Bereichen zu verringern.
  4. Vermeiden Sie das Auftreten übermäßig hoher Abschnitte auf der Rückseite der Schaufeln, indem Sie Profilformen verwenden, die eine gleichmäßigere Druckverteilung ermöglichen.
  5. Konstruieren Sie Heck, um ein möglichst gleichmäßiges Nachlauffeld zu erreichen.
  6. Vermeiden Sie das Auftreten lokaler Saugspitzen in der Nähe der Anströmkante, indem Sie geeignete Mengen an Wölbung und eine geeignete Form des Eintritts verwenden.
  7. Reduzieren Sie die Dicke der Klingen, indem Sie Materialien verwenden, die stärker und widerstandsfähiger gegen die Auswirkungen von Kavitation sind.
  8. Bieten die maximale immersion möglich.
  9. Reduzieren Sie die Umdrehungen pro Minute. Da der Schub eines Propellers als Quadrat der Umdrehungen variiert, verringert die Verringerung der Umdrehungen die Kavitation, führt aber auch zu einem Geschwindigkeitsverlust.

Ein Propeller soll vollständig kavitieren, wenn der gesamte Rücken mit Blattkavitation bedeckt ist. Dieses Phänomen wird auch Superkavitation genannt. Nachdem die Rückseite des Abschnitts vollständig von Wasser entblößt ist, kann die Erhöhung der Umdrehungen pro Minute dort den Druck nicht mehr reduzieren, so dass kein zusätzlicher Auftrieb durch die Rückseite erzeugt werden kann. Im Gesicht nimmt der Druck jedoch mit höheren Umdrehungen weiter zu, ebenso wie der Gesamtschub, wenn auch langsamer als vor Beginn der Kavitation. – P. v. O. J.D. van Manen

Kavitation - Einfach erklärt!

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