Стадии кавитации элемента лопасти

Давление воды при обтекании засасывающей поверхности лопасти неравномерно распределяется по ее поверхности. Характер кривой распределения давлений вдоль винтовой линии (вдоль лопастного сечения) показан на рис. 5.2.
Верхняя кривая на рисунке относится к засасывающей, нижняя - к нагнетательной поверхности. Вид кривых зависит от формы профиля лопастного сечения и от угла атаки. Верхняя кривая показывает величины коэффициента местного разрежения, в точке максимума этот коэффициент достигает максимального значения, т.е. в этой точке профиля давление воды будет минимальным. При малых скоростях обтекания минимальное давление ненамного меньше атмосферного, по мере увеличения скорости давление падает. Как только оно станет равным pd, вода закипит - наступит кавитация.

Рис. 5.2. Схема распределения давлений по лопасти

Введем в рассмотрение коэффициент общего разрежения:

 ( 5.4 )

От коэффициента местного разрежения он отличается только тем, что вместо p1 содержит pd. Но это, казалось бы, небольшое отличие радикально меняет свойства коэффициента: он не зависит ни от формы профиля, ни от угла атаки и положения точки на профиле, от которых зависит коэффициент местного разрежения, но зависит от скорости потока: чем больше скорость, тем он меньше. На диаграмме (см. рис. 5.2) он изобразится в виде горизонтальной прямой.
С ростом скорости эта прямая будет опускаться, приближаясь к оси абсцисс. Пока кавитации нет, прямая располагается выше кривой разрежений. В момент наступления кавитации она коснется указанной кривой - в соответствующей точке профиля возникнет кавитационная каверна, вначале в виде небольшого пузырька. По мере увеличения скорости обтекания профиля и развития кавитации прямая будет опускаться, отрезая от диаграммы разрежения верхнюю часть, поскольку давление в воде не может быть ниже pd, а тем более отрицательным. Кавитационная каверна будет сноситься потоком к выходящей кромке профиля, в результате чего срезанный участок диаграммы переместится вдоль потока, причем площадь диаграммы останется неизменной.
Кавитация распространяется очень быстро. Вскоре наступает момент, когда прямая линия, соответствующая Р, опустится настолько, что диаграмма разрежения превратится в прямоугольник - при этом коэффициент общего разрежения равен критическому (Р = Рк). Каверна охватывает весь элемент лопасти. Если продолжать увеличивать скорость, каверна будет замыкаться за лопастью, а диаграмма разрежения будет в виде прямоугольника, площадь которого с ростом скорости уменьшается.
Итак, кавитация отсутствует, если выполняется условие:

При условии

наблюдается 1-я стадия кавитации - частичная кавитация. Если

кавитация распространяется на всю засасывающую поверхность - наблюдается 2-я стадия кавитации.
Заметим, что мы рассматривали лишь элемент лопасти, а не всю лопасть, по отношению к которой вводятся те же стадии.
Иногда вводят в рассмотрение стадию суперкавитации: если винт кавити-рует далеко во второй стадии. Вместо этого используют также термин «сильно-кавитирующие винты».
Скорость судна, при которой начинается кавитация винта, приближенно можно оценить по эмпирической формуле

где h0 - глубина погружения гребного вала.