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

[biglebowsky.livejournal.com]

Ничего не знаю о бескавитационных винтах, все тезисы ниже являются некими "мыслями вслух" и могут быть полностью ошибочны.

1) Скорость звука в воде не имеет ни малейшего отношения к данной задачке.
2) Кавитация возникает при слишком низком давлении. Т.е., чтобы убрать кавитацию на винте, нужно.
2.1) Увеличивать общую площадь лопастей винта (чтобы распределить силу на как можно большую площадь.
2.2) Проектировать лопасти так, чтобы не было участков с очень низким давлением.
К примеру, у типичного авсиационного профиля основная подъемная сила создается в передней части профиля, измения давления в задней части сравнительно не велики. На пассажирских самолетазх, летающих с околозвуковыми скоростями, приходится этот "горб" пониженного давления "растягивать" ппочти по всей верхней поверхности крыла, чтобы уменьшить абс. величину этого понижения давления (см. "суперкритический профиль")
3) Полагаю, серповидность лопастей и их число определяются крестообразным хвостовым оперением подводной лодки. От оперения идет возмущенный поток. Такой вариант, что в какой-то момент вся лопасть окажется совпадающей в продольной проекции с оперением, нас не устроит. Лопати лучше пересекать это дело под углом. Отсюда - сильная серповидность.
Рассуждения о хвостовом опрении могут объяснить нечетность числа лопастей винта. Почему именно 7 лопастей, а не, скажем, 3, или не 9, у меня нет особых мыслей.
Единственно, что могу предположить. Мы пытаемся получить очень равонмерное обтекание хвотосвой оконечности, без особых пульсаций давления. Значит, желательно сделать лопасти так, чтобы они заполняли / почти заполняли всю плоскость винта. Теперь, если не ошибаюсь (а могу и ошибаться) у нас вылезает ограничение, что, в случае неогражденного винта, каждой лопасти желательно иметь большое удлинение. Т.е., на 3 лепестка наш диск лучше не резать - лопасти получатся слишком короткими. Кроме того, как было упомянуто, ограничение на ширину лопастей может вылезать из чила Рейнольдса. Вроде бы (я не уверен), ламинарное обтекание проще обеспечить на 2 узких лопастях, чем на цельной лопасти удвоенной ширины.

[aiden-ko.livejournal.com]

Спасибо за комментарий.

1) имеет. Закон Бернулли никто не отменял.
2.1) Теоретически да, но потери на трение тоже считать надо
2.2) У лопастей нет участков "с низким давлением", они работают в потоке в переменном режиме. Избегают создания областей с низким давлением при номинальной частоте вращения винта. В приближении к бесконечности частоты вращения все винты не просто кавитируют, но могут и воду кипятить )
3) я не знаю.

[biglebowsky.livejournal.com]

Re: (2.2)

Под распределением давления вдоль профиля и имел в виду картинки наподобие


http://www.flightlab.net/Flightlab.net/Ground_School.html

[aiden-ko.livejournal.com]

Это набегающий ламинарный поток. Закрылки - да. Задача проста, т.к. поток считается прямолинейным, перпендикулярным сечению крыла. Сложнее, когда появляются циркуляционные нагрузки. AirFlow это анализировать не умеет, к сожалению. Да, впрочем, и мы собрались не знаниями меряться, а общаться ))