Ликбез. Самые секретные кадры в этом ЖЖ - безкавитационный винт

[aiden-ko.livejournal.com]

Оригинал взят у aiden_ko в Ликбез. Самые секретные кадры в этом ЖЖ - безкавитационный винт

Посмотрите на картинку. Что в ней секретного?



Пост с изменениями (изм. 1)
Вроде все понятно. Видео на Ютубе про 971 проект. Кстати, рекомендую посмотреть. Но не забывайте об одном:


Секретное на скриншоте, как и в видео - это винт лодки. Никогда винты лодок не показывают на камеру, даже при постановке в док винт лодки закрывают маскировочными сетями, дабы никто не смог сфотографировать, а тем более исследовать его геометрию. Потому что для подводных лодок форма винта - это фактор бесшумности, скрытности. Я удивился, что такой кадр проскочил в передаче телеканала Россия "Планета". Ведь проект 971 современный, ему лет 10-12 с момента спуска на воду. Это "флотилия зверей" - Пантера, Леопард, Гепард, Волк, Вепрь (названия лодок 971 проекта) - целая стая охотников за подводными лодками, и вот вам винты - пожалуйста!

Давайте посмотрим, что есть бесшумный (противокавитационный) винт и откуда секретность.

Сначала поговорим, что есть кавитация. Это относительно просто, и я, не прибегая к википедии постараюсь на пальцах объяснить это явление.

Кавитация - это явление фактически кипения воды при небольших температурах в следствие понижения давления в ней и выхода растворенных до этого в ней газов. Кавитация возникает, когда местная скорость участка лопасти винта больше скорости звука в среде, т.е. в воде (изм. 1)

Что такое гребной винт? Это две поверхности лопасти - всасывающей и нагнетающей. Всасывающая снижает давление за ней (подобно верхней части крыла самолета, из-за большей кривизны), вторая поднимает давление жидкости, за счет чего и образуется пропульсивный момент. Проблема в том, что при снижении давления больше определенного предела возникает кавитация - выделение из жидкости растворенных в ней газов с образованием пузырьков, которые при схлопывании порождают большой шум (как чайник шумит при закипании) и разрушение лопастей винта. Меньше кавитация - меньше шума (закипевший чайник шумит много меньше чем только закипающий). Но по аналогии, если пузыри газов не схлопываются в воде, то они выходят на поверхность (аналог закипевшего чайника), и демаскируют лодку - за ней идет пузырьковый след. Проблема в том, что шумность должна быть минимальна, а след недопустим. Как этот вопрос решить?

Решить это можно многими способами. Был вариант при использовании интегрированной поглощающей дизельной установки выдувать газы через ступицу винта. Были варианты использования дизелей по замкнутому циклу. Но пришел Атом. И лодки стали ходить под водой со скоростями 30-60 узлов. Кавитация стала проблемой.

Было принято решение исследовать кавитацию как явление. Данные по этой теме секретны, но результаты этих разработок, как мы видим, находятся в открытом доступе. Результатом стали безкавитационные, то есть бесшумные винты. Вот еще пример из открытых источников (я не знаю, что это за лодка):



Почему-то у всех винтов, 7 лопастей. В природе, это я со школы помню, семь - цифра-изгой, нету в природе ничего семи...А тут есть.

В общем, секретность. Обычно это выглядит так:



АПЛ Северодвинск, спуск на воду

Винт секретный и один он укрыт. Ну вот вам и ликбез ))

UPD 15-03-2014 (изм. 1)
Так что же такое безкавитационный винт? Это винт, не допускающий или снижающий вероятность появления кавитации. Как это можно сделать? С учетом того, что кавитация - это физический эффект, то и справиться с ним можно только согласно законам физики.

Вариантов два. 1) повысить скорость звука в среде, окружающей винт; 2) снизить окружную скорость вращения винта. первое можно достигнуть, если, например, вбрасывать до каверны жидкость, имеющую меньшую плотность, нежели вода.
Ну, керосин, например. Выход ли это для подводной лодки? Да, выход. На поверхность. Демаскирована и уже безопасна, да и запасы жидкости надо иметь конские, да и в воде она не растворяется, и, вероятно, до мест возникновения кавитационной каверны не дойдет. В общем, не вариант.

Второй вариант интереснее. Снизить частоту вращения винта. Но ведь упадет и пропульсивный момент! А вот тут уже работа для инженеров, вернее поиск компромисса между пропульсивным моментом и частотой вращения, где граничным условием является скорость звука в воде. Ну-ка, уважаемые инженеры, с наскока просчитайте =)

Так и родился безкавитационный винт. Он имеет большой угол откидки (более 25 градусов от касательной к линии наибольших толщин в районе комля лопасти к касательной к этой же линии на краю лопасти), то есть "серповидный". Момент импульса, как следует из конструкции винта, у него большой (вода больше времени воспринимает давление от лопасти в следствие ее большей длины), значит и пропульсивный момент при ламинарном обтекании такой лопасти будет больше. А ламинарность потока, как мы помним, определяется числом Рейнольдса, за критическим значением которого наступает турбулентное течение (и кавитация, как следствие). Вот так мы изменили граничное условие нашего уравнения: теперь граничное условие - число Рейнольдса, а не скорость звука в воде, которая меняется в зависимости от глубин. Стало проще.

Следующая задача - спроектировать такой винт. Но это уже вне моей компетенции, я не могу ничего про это рассказать. Тема секретная, и я ничего об этом не знаю. Давайте подумаем вместе над рядом вопросов:

1) Почему лопастей у БКВ всегда 7? Или не всегда?
2) Как по фото можно восстановить геометрию (почему винты лодок - это самый охраняемый объект)?
3) Как еще (даже гипотетически) можно избежать кавитации или использовать ее в своих целях в области кораблестроения?

С уважением, инженер по качеству ОАО "82 Судоремонтный завод".

Comments

[drvit.livejournal.com]

Надо бы ещё изменения внести: "кавитация - выделение из жидкости растворенных в ней газов"... Определение кавитации за время работы на заводе в справочнике можно было бы хоть раз да посмотреть. Пар воды это, конечно, тоже газ, и, может, в каком-то смысле, пар воды растворён в жидкой воде, но это уже какая-то казуистика.
Вероятно отсюда в тексте смешение двух проблем: собственно, кавитационной, и утилизации выхлопных газов двигателя.. Нить повествования сильно неоднородна, читать сложно. Может, просто это была правка большого текста и два куска случайно перемешались?

Также далеко не всякое турбулентное течение кавитационно, да и вообще кавитация может возникнуть и при нулевой скорости.
Кавитация, к слову, ещё очень сильно уменьшает ресурс гребного винта, тоже актуальная проблема. Может, даже более важная, чем проблема кавитационного шума.

"Семь - цифра-изгой" лучше даже не комментировать, это вообще что-то из области религии и нумерологии. Странно, что на крупных заводах инженеры -- в идеале, люди с трезвым рассудком и критическим образом мировосприятия -- таким страдают.

[aiden-ko.livejournal.com]

Хм. Вы дали почву для размышлений. Текст писал я в рамках проекта "Хроники ОТК" своего ЖЖ, так что "правки большого текста" не было.

У меня есть несколько вопросов.
"Пар воды это, конечно, тоже газ, и, может, в каком-то смысле, пар воды растворён в жидкой воде, но это уже какая-то казуистика" - откуда вы взяли про пар? Да, я сравнил это явление с кипением чайника, но указал предварительно: "я, не прибегая к википедии постараюсь на пальцах объяснить это явление." Извините.

"Семь - цифра-изгой" - никакой нумерологии. Чистый практический интерес. Как известно, большинство технических решений человек взял от природы. А в природе, как МЕНЯ учили в школе в 1994 году, нечасто встречается цифра 7, то есть нет семицветиков. Вот я чисто с инженерной точки зрения и интересуюсь, а почему на всех БКВ 7 лопастей? И на российских, и на американских (вероятно, есть исключения). Не более.

За сумбурность повествования простите. Чукча писатель, но не сильно искушенный ))

[drvit.livejournal.com]

Просто прочитайте и поймите, что такое кавитация. И, надеюсь, в голове всё встанет на свои места.
Сейчас это какие-то "занимательные и неправдоподобные рассказы о гребных винтах на потеху скучающей гуманитарной общественности".

[aiden-ko.livejournal.com]

Взаимно. БСЭ.
Кавитация (от лат. cavitas — пустота), образование в капельной жидкости полостей, заполненных газом, паром или их смесью (так называемых кавитационных пузырьков, или каверн). Кавитационные пузырьки образуются в тех местах, где давление в жидкости становится ниже некоторого критического значения pkp (в реальной жидкости pkp приблизительно равно давлению насыщенного пара этой жидкости при данной температуре). Если понижение давления происходит вследствие больших местных скоростей в потоке движущейся капельной жидкости. то К. называют гидродинамической,. а если вследствие прохождения акустических волн — акустической.

Гидродинамическая кавитация. Поскольку в реальной жидкости всегда присутствуют мельчайшие пузырьки газа или пара, то, двигаясь с потоком и попадая в область давления р < ркр, они теряют устойчивость и приобретают способность к неограниченному росту (рис. 1). После перехода в зону повышенного давления и исчерпания кинетической энергии расширяющейся жидкости рост пузырька прекращается и он начинает сокращаться. Если пузырёк содержит достаточно много газа, то по достижении им минимального радиуса он восстанавливается и совершает нескольких циклов затухающих колебаний, а если газа мало, то пузырёк захлопывается полностью в первом периоде жизни. Т. о., вблизи обтекаемого тела (например, в трубе с местным сужением, рис. 2) создаётся довольно четко ограниченная "кавитационная зона", заполненная движущимися пузырьками.

[drvit.livejournal.com]

Энциклопедия под рукой, уже хорошо. Продолжаем: какой газ находится в увеличившемся кавитационном пузырьке? Как вариант вопроса: какой газ булькает пузырями, когда чайник кипит?
Это всё вопросы имеющие непосредственное отношение к вашему "кавитация - выделение из жидкости растворенных в ней газов".

[aiden-ko.livejournal.com]

Водяной пар. И газы, парциальное давление которых ниже, чем давление в пузыре. Азот, кислород, углекислый газ... Это экзамен?

[drvit.livejournal.com]

К чему вы написали про парциальное давление? Парциальное давление каждого газа в смеси газов меньше суммарного давления, есть такой газовый закон, да. Только к чему это было написано?

Это не экзамен, а попытка наводящими вопросами подвести вас к мысли о том, что "выделение из жидкости растворенных в ней газов" это совсем не определение термина "кавитация" (полагаю, из этой ошибки идёт и смешение с проблемой "выделение выхлопных газов"). Для понимания этого можно вспомнить о времени жизни кавитационного пузырька и сравнить это со скоростью газовой диффузии, или погуглить по термину "параметр газосодержания".

И ещё один наводящий вопрос о "выделении газов": вы сами говорите о кавитационном шуме. Так он откуда берётся? Что именно шумит?

[wormball.livejournal.com]

> Странно, что на крупных заводах инженеры -- в идеале, люди с трезвым рассудком и критическим образом мировосприятия -- таким страдают.

Я вообще заметил, что главные адепты нумерологии, уфологии, креационизма, альтернативной истории, парапсихологии и т. п. - это технари. И главный неопровержимый аргумент - я технарь, я знаю всё!

[aiden-ko.livejournal.com]

Мне кажется что глупо пост, написанный для людей далеких от технологии, чисто в интересах ЛикБеза, оценивать с точки зрения справочников. И никакой нумерологии нет, я об этом уже говорил. Задал вопрос - получил ответ, не более.
И о том, что далеко не все знаю я писал уже в комментах. И не стесняюсь этого, учусь.

Не принимайте свои доводы так близко к сердцу - всегда есть шанс ошибиться в суждениях =))

[drvit.livejournal.com]

А мне кажется.. нет, я даже уверен, что глупо упираться и так и не исправлять ошибок в исходном посте. Да, это про ""кавитация - выделение из жидкости растворенных в ней газов".

[drvit.livejournal.com]

Главные адепты, может, и технари. Но это не значит, что главные технари -- адепты. Но конкретно автор этой публикации -- ненастоящий технарь, негодный. Он даже системой базовых определений не владеет. Самозванец, в общем :)