Влияние кавитации на работу винта

Подъемная сила на лопасти создается за счет перепада давлений на ее нагнетательной и засасывающей поверхности; распределение давлений иллюстрирует рис. 5.2. Пока площадь, ограниченная двумя этими кривыми, постоянна, неизменным будет и упор винта (точнее, безразмерный коэффициент упора).
Коэффициент момента также в первом приближении можно считать неизменным, точнее, он, как правило, незначительно падает благодаря снижению сопротивления трения лопастей (хотя их сопротивление формы, наоборот, несколько возрастает). КПД в первой стадии кавитации, таким образом, может незначительно (примерно на 1 %) увеличиться.
Во второй стадии из-за уменьшения площади диаграммы быстро уменьшается коэффициент упора (хотя сам упор и растет за счет повышения давления на нагнетательной поверхности, величина упора на засасывающей поверхности при этом не меняется), несколько медленнее - коэффициент момента, еще медленнее - КПД.
Казалось бы, выгодно эксплуатировать винты в первой стадии кавитации. Но при этом возникает кавитационная эрозия - разрушение лопастей винта, которое может наступить в течение нескольких (8-12) часов. Считается, что основная причина кавитационной эрозии - механическое воздействие. Известно, что винт работает в неравномерном попутном потоке: в верхнем положении (у одновинтовых судов) он достигает максимума, а вблизи нижнего положения -минимума. Соответственно меняются и усилия, действующие на лопасть, они максимальные, когда лопасть проходит верхнее положение, и минимальные - в нижнем. Гидростатическое же давление в верхнем положении меньше, чем в нижнем. Следовательно, кавитация усиливается в верхнем положении лопасти и ослабевает или вообще исчезает в нижнем. Уменьшение размеров кавитационной каверны сопровождается "схлопыванием" кавитационных пузырьков и гидравлическими ударами, подобными тем, что иногда происходят в трубах. Лопасть вначале меняет цвет, затем возникает наклеп, появляются трещины, раковины, из которых выкрашивается металл. В конечном итоге появляются сквозные отверстия и может произойти полное разрушение.
Некоторое влияние на скорость эрозии оказывают химическая (от растворенного в воде кислорода) и электрохимическая (поскольку морская вода - слабый электролит) коррозия.
Во второй стадии кавитации разрушения кавитационных пузырьков на лопасти не происходит, винт может работать довольно долго (но на переходных режимах, когда будет наблюдаться первая стадия кавитации, эрозия будет наблюдаться).
Кавитационная эрозия может возникать в различных местах: у корня, у края лопасти, в районе выходящих кромок, чаще всего на засасывающей поверхности, но при работе сечений с отрицательными углами атаки - также на нагнетательной поверхности.
Кавитация сопровождается сильным шумом, который в значительной мере обусловлен колебаниями размеров кавитационной каверны.
Борьба с кавитационными разрушениями велась различными способами. Например, у корня лопасти могут делаться специальные противоэрозионные отверстия, через которые происходит перетекание воды с нагнетательной поверхности лопасти на засасывающую. При этом кавитация усиливается (хотя давления несколько выравниваются), каверна выходит за пределы лопасти. Такой способ применяют, в частности, при значительном угле наклона гребного вала. На больших радиусах такая мера неприменима из-за значительной потери упора.
Делались попытки смягчить гидравлические удары с помощью податливых покрытий лопастей, но, вероятно, они не дали удовлетворительных результатов. Наибольший эффект дает применение высокопрочных материалов для изготовления винтов (возможно также поверхностное упрочнение материала), если эрозионный процесс не слишком интенсивный. В противном случае необходима корректировка геометрических элементов винтов, в частности, кривизны и шага сечений. Положительного эффекта можно добиться уменьшением дискового отношения или увеличением числа лопастей - это приведет к усилению кавитации и переходу ее во вторую стадию.
Еще один способ - подача в диск винта воздуха, который смягчает гидравлические удары при схлопывании пузырьков. Но количество воздуха должно быть небольшим во избежание чрезмерного ухудшения гидродинамических характеристик винта.
Уменьшению эрозии способствует выравнивание поля скоростей в диске винта за счет совершенствования обводов кормовой оконечности судна и выступающих частей.