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

[ya-miha.livejournal.com]

В музыке 7 нот.
Музыка - это львиная часть уже нашей вселенной.
Такое ли уж оно и изгой?
Вся гармоничность музыки крутится на семерке.
А если копнуть глубже, то это число преследует нас почти везде.

p.s. сколько цветов у радуги?

[aiden-ko.livejournal.com]

Цветов у радуги много, все зависит от вашего мировоззрения. Я так думаю, что 32 бита радугу опишут достоверно, это более 16 миллионов цветов )
И как музыкант, скажу, что нот не 7, а 12 (альтерацию надо тоже учитывать), да и в разных октавах. Так что количество нот надо считать по количеству клавиш на фоно или комбинаций на гитаре (я гитарист). На этом и базируется разнообразие музыки. А гармоничность - вообще отдельный вопрос. Вы любите китайскую музыку? Или вьетнамскую? Они не привязаны к темперу, то есть к "7 нотам", но для аборигенов гармонична )

Кстати, в природе нет 7-ми нот. Это придумано человеком. На этом делении базируется сборник "Хорошо Темперированный Клавир" Баха, оттуда мода и пошла. А я про природу.

[ya-miha.livejournal.com]

Вот жеж вы спорщик какой! :)
Остальные ноты (5) как вы говорите - это полутона.
И по крайней мере никто еще не додумался массово играть четвертьтонами музыку.
Китайская музыка в последнее время все больше идет куда-то в жанр New Age (хотя это мое субъективное восприятие скорее всего).

Радуга в классике имеет ровно 7 цветов. Хорошо гуглится.
Что еще в голову приходит: 7 дней в неделе, семь чудес света. Конечно это все может быть совпадение.

7-ка по нумерлогии это число полноты, число единства и наполненности.

Но музыка и семь основных тонов - это ведь основа. Семь нот, на базе которых уже формируются и полутона. При чем фа-бемоль это по сути нота ми. Не мне вам музыканту рассказывать :).

[aiden-ko.livejournal.com]

Вот вы абстрактными категориями мыслите.. 7 чудес света (а почему не 8?), фа-бемоль - ми, согласен. Но я-то писал про другое. Я не писал, что человек придумал про цифру 7 что-то типа чудес или нот. Я писал, что в природе нет ничего семилапого, семикрылого, семилистного, семи-чего-то там. А технические идеи типа принципов полета, подводного плавания, те же ласты, человек взял от природы.

Вот и спросил, почему на БКВ 7 лопастей? Именно 7, а не 8 или 15? И никакой нумерологии. Я серьезно.

[ya-miha.livejournal.com]

Мне тоже интересно почему. Но приходит в голову мысль - эффективное КПД.

[aiden-ko.livejournal.com]

КПД винта определяется весьма сложно, и количество лопастей не есть определяющий фактор. Но может быть

[ya-miha.livejournal.com]

У нас же как определяют эффективность - строят разные модели и проводят реальные тесты. Можно так же строить в миниатюрном виде копии винтов и тестировать в икусственных средах.
Это ж только Тесла (по слухам) умел моделировать в уме меняя детали механизма и только потом строил в реальной жизни :).

[aiden-ko.livejournal.com]

Согласен, эмпирика никуда не девается. Но я имел в виду именно определение теоретического КПД, на основе расчетов. Да и один и тот же винт будет давать разные показатели при изменении линии толщин лопастей, а это - бесконечный поиск. Но без него тоже не обойтись, не спорю.

[e-pipe.livejournal.com]

Не надо формировать полутона - все 12 тонов любой октавы хорошо укладываются в простую математическую формулу.
Равномерно темперированный строй:
Hz = 440 * 2^(Нота/12)
Нота = 12 * ln(Hz/440) / ln(2)
Здесь ноты отсчитываются от ля 1-й октавы (440 Гц).

Если бы в действительности существовали полутона (т.е., семь нот равномерно распределены по октаве и среди них неравномерных пять промежуточных) то формула была бы двойная, отдельно для тонов и полутонов. А сейчас интервал имеет соотношение частот 1 : 2^(1/12).

[aiden-ko.livejournal.com]

Проблема в одном. 440 герц - это ля 1 октавы. И это эмпирическая зависимость, то есть математики и физики в этой формуле нет по определению. Формула эмпирическая.

[e-pipe.livejournal.com]

"Золотое сечение" - тоже эмпирическая формула.
Можешь отвязаться от 440 Гц. Взяв за основу принятые в промышленности и звукотехнике 50, 400 или 1000. И построить по формуле f₍₊₁₎= f*2^(1/12) на них свою гамму. Она будет непривычной, но столь же гармоничной, как и общепринятая.

[aiden-ko.livejournal.com]

Именно, будет. Но я могу вывести формулу гармоник для октавы в 13 нот без проблем. будет гармонично, но непривычно, а может мейнстримом станет лет через 5 )) Не будем спорить? Или продолжим?

[e-pipe.livejournal.com]

Ряда f₍₊₁₎= f*2^(1/13) сейчас не существует, в отличии от самого известного f₍₊₁₎= f*2^(1/12) с базовой точкой в 440 Гц.

[aiden-ko.livejournal.com]

а все проще решается. В музыке. Высоцкий играл на расстроенной гитаре и в этом случае формул может быть много, а толку от них?

[e-pipe.livejournal.com]

"остальные ноты" - не полутона. Все 12 нот равномерно размещены в октаве. Каждая следующая нота (хоть белая, хоть черная) имеет частоту в 2^(1/12) раз больше, чем предыдущая.

[glasblaster.livejournal.com]

Хорошо также гуглится, зачем сэру Ньютону понадобилось притягивать за уши седьмой цвет.

[aiden-ko.livejournal.com]

Я не стал об этом говорить ) Знал, что найдется человек знающий )

[e-pipe.livejournal.com]

Видимо, к семи известным в то время планетам...

[roquefort-tln.livejournal.com]

Полутонов 12. Из них выбрано 7 для основной гаммы. (С шагом Тон тон потутон тон тон тон полутон для мажорной гаммы)

[miutu.livejournal.com]

Всё довольно просто. В природе нет числа 7, и вообще мало нечётного, потому что всё основано на бинарности и чётности. Так проще что-либо вырастить и развить, методом делеции и раздвоения. Там всё начинается с клеточного или даже хромосомного уровня, когда чётность наиболее проста в освоении. Половые хромосомы те же. Это если в максимально общих чертах.

[aiden-ko.livejournal.com]

я в дебри не лезу.

[miutu.livejournal.com]

Заметно по вашему уровню.

[aiden-ko.livejournal.com]

взаимно )

[h-moll.livejournal.com]

Хорошо темперированный клавир совсем не на 7 нотах базируется, уж простите. И "мода" пошла совсем не от него. Новая система темперации позволила играть в любых тональностях с любым количеством ключевых знаков, количество нот в октаве как было 12, так и осталось.