127004804 94665353 kavitacija vijčanog propelera

SVEUILITE JOSIPA JURJA STROSSMAYERA U OSIJEKU STROJARSKI FAKLTET U SLAVONSKOM BRODU

ZAVOD ZA STROJARSKE KONSTRUKCIJE Katedra za elemente strojeva i konstruiranje

Tribologija elemenata strojeva KAVITACIJA VIJANOG PROPELERA

Seminarski rad

Ivan Loonc 12083810

Slavonski Brod, sijeanj 2012

TRIBOLOGIJA ELEMENATA STROJEVA Kavitacija vijanog propelera

2 | I v a n L o o n c

S A D R A J

1. UVOD ............................................................................................................... 3 1.1 Openito o vijanom propeleru ........................................................................................ 3 1.2 Openito o kavitaciji ......................................................................................................... 4

2. TRIBOLOGIJA VIJANOG PROPELERA .............................................. 5 2.1 Pojava kavitacije kod vijanog propelera ......................................................................... 5

2.1.1 Tipovi kavitacije brodskog vijka .............................................................................................8 2.1.2 Nastanak implozije i kavitacijskih mjehuria..........................................................................9

2.2 Kavitacijska erozija ........................................................................................................ 10 2.3 Mogunost sprjeavanja kavitacije ................................................................................. 13

3. LITERATURA .............................................................................................. 14



1. UVOD 1.1 Openito o vijanom propeleru

Brodski vijak ili vijani propeler je najraireniji tip brodskog propulzora. Moe imati dva do est krila a najei oblik je s tri ili etiri krila. Konstrukcija propelera je vrlo jednostavna, trajnost mu je vea od trajnosti broda, trokova odravanja praktiki nema, a nabavna cijena je relativno niska. Stupanj djelovanja vijanog propelera je relativno dobar, te upravo zbog svih tih prednosti veina dananjih brodova ima pogon pomou vijanog propelera, [1].

Terminologija propelera

o Nalije krila prednja strana krila (povrina okrenuta prema pramcu), naziva se jo i usisna strana propelera.

o Lice krila stranja strana krila (povrina okrenuta prema krmi), naziva se jo i tlana strana ili Strana uspona.

o Broj krila jednak broju krila propelera. o Korijen krila podruje prijelaza krila u glavinu. o Vrh krila maksimalni doseg krila od sredita glavine. Odvaja ulazne i izlazne

bridove.

Slika 1.1.1 Terminologija krila propelera o Glavina vrsti cilindar smjeten u sreditu propelera. Izbuen za smjetanje osovine

motora. Oblik glavine moe biti cilindrian, konusni i zakrivljen. o Ulazni brid brid krila propelera prema prednjem kraju glavine. Ako gledamo

propeler od krme, ovaj brid je najdalji. Ulazni brid zahvaa vodu pri porivu prema naprijed.



o Izlazni brid brid krila propelera prema stranjem kraju glavine. Ako gledamo propeler od krme, ovaj brid je najblii. Izlazni brid prestaje zahvaati vodu pri porivu prema naprijed.

Slika 1.1.2 Ulazni i izlazni brid propelera

o Uspon uspon se definira kao teoretski pomak propelera prema naprijed za vrijeme jednog okretaja pod pretpostavkom da nema "skliza" izmeu krila propelera i vode.

o Skliz razlika izmeu stvarnog i teorijskog puta propelerskih krila kroz vodu. Pravilno odabran propeler moe se pomicati prema naprijed za oko 80 90 % teorijskog uspona, [2]

1.2 Openito o kavitaciji

Kavitacija (lat. Cavitare isprazniti, stvoriti upljinu) je stvaranje i ponovno nestajanje upljina unutar tekuina. Navedena pojava uzrokovana je oscilacijom tlaka. Postoje dva granina sluaja izmeu kojih postoje razliiti prijelazni oblici. Kod parne ili tzv. tvrde kavitacije, upljine sadre paru nastalu od okolne tekuine. Takve upljine pod utjecajem vanjskog pritiska esto implodiraju (tzv. mikroskopski parni udar). Kod meke, tj. plinske kavitacije u kavitaciju ulaze otopljeni plinovi, te isparavaju ili sprjeavaju kolaps kavitacije.

Najei uzrok kavitacije su objekti koji se brzo kreu u vodi, kao to su dijelovi razliitih crpki, turbina ili propeleri. Prema Bernullijevom zakonu statiki tlak u tekuini toliko je nii, koliko je brzina vea. U sluaju da statiki tlak padne ispod tlaka isparivanja odreene tekuine nastaju mjehurii pare ili plina. Porastom statikog tlaka, para u upljinama kondenzira velikom brzinom. Tokom tog procesa pojavljuju se ekstremno visoke temperature, kao i oscilacije tlaka.



Djelovanje kavitacije

Mehanika oteenja uzrokovana kavitacijom: Ako kavitacija nastupi na povrini vrstih tijela (kao to su npr. brodski vijci), pod odreenim okolnostima moe doi do tzv. kavitacijske korozije. Povrinski materijal se zbog mehanikih optereenja deformira na mikroskopskoj razini. Nakon odreenog vremena iz povrine se esto odlome vei dijelovi. Proces nastajanja navedenih oteenja jo nije detaljno razjanjen.

Nastanak zvuka tokom kavitacije: Zvuk koji nastaje prilikom implozije (udar, pucketanje) prije je esto razotkrio poziciju podmornica podmornice su se u tom sluaju mogle locirati pasivnim sonarom. Otkad su razvijeni brodski vijci sa smanjenom kavitacijom, kavitacija igra za podmornice samo sporednu ulogu do odreene brzine u ovisnosti sa dubinom ronjenja. Brodski vijci sa smanjenom kavitacijom mogu se prepoznati po izrazito savinutim krajevima, pomou kojih mnogo njenije i tie prolaze kroz vodu. Kod visokih brzina u malim dubinama i brodski vijci sa smanjenom kavitacijom gube sposobnost spreavanja, tj. smanjivanja kavitacije. Podmornica tada mora dublje zaroniti, kako bi se povisio pritisak vode ili smanjiti brzinu.

Hladna fuzija kod kavitacije: Kontroverzno se diskutira o tome, see li energija osloboena procesom kavitacije u nuklearno podruje, tj. moe li ona uzrokovati nuklearnu fuziju, u navedenom sluaju tzv. fuziju mjehuria. Kod navedene pojave nastaje svjetlost, pojava je prvi put promatrana 1934. pod nazivom sonolumiscencija, svjetlost dokazuje da se kod te pojave pobuuju elektroni. Na povrini mjehuria koji kolabiraju izmjerene su temperature vee od 10.000 C. U godinama 2002. , 2004. i 2005. navodno je fuzija mjehuria eksperimentalno dokazana. Drugi znanstvenici su i dalje skeptini, uglavnom na temelju tehnikih pitanja kod mjerenja. Navedeni eksperimenti se za sada ne mogu ponoviti s istim rezultatima, [3]



2. TRIBOLOGIJA VIJANOG PROPELERA 2.1 Pojava kavitacije kod vijanog propelera

Kavitacijom propelera se naziva pojava stvaranja mjehura ili praznog prostora na krilu vijka. U struji tekuine kavitacija nastaje kad u pojedinim tokama strujnog polja tlak padne ispod pritiska isparavanja tekuine, uslijed ega na tim mjestima tekuina prelazi u paru i time poremeti homogeno strujanje, [8].

Slika2.1.1 Kavitacija brodskog vijka

Na brodskom vijku nastaje kavitacija na mjestima gdje dolazi do naglog porasta brzine strujanja tekuine. Poremeaj strujanja oko krila vijka, izazvan kavitacijom, virtualno mijenja svojstva profila krila, uslijed ega se povea broj okretaja vijka, a smanjuje poriv, moment, te stupanj djelovanja vijka, pa je za istu brzinu broda potrebna vea snaga pogonskog stroja, [1].

Mnogi propeleri djelomino kavitiraju za vrijeme normalnog rada, ali pretjerana kavitacija moe izazvati fizika oteenja na povrini krila propelera zbog bombardiranja mikroskopskih mjehuria na krilima. Postoje brojni uzroci kavitacije poput netonog odabira propelera s obzirom na primjenu, netonog uspona, fizikog oteenja bridova krila, itd, [2].



Slika 2.1.2 Kavitacija na brodskim vijcima tijekom rada

Osim nepovoljnog utjecaja na stupanj djelovanja vijka, kavitacija moe imati i erozijsko razaranje materijala vijka. Mehanizam tog razaranja jo nije potpuno razjanjen i postoji nekoliko teorija o djelovanju kavitacijske erozije.

Kao posljedica kavitacije mogu nastati vibracije vijka. Stalne oscilacije tlaka i brzina du krila izazvane kavitacijom dovode do vibracija itavog vijka. Te se vibracije mogu prenijeti i na krmeni dio brodskog trupa i uzrokovati lom krila vijka ili propelerske osovine.



2.1.1 Tipovi kavitacije brodskog vijka

Oblike kavitacije vijanog propelera moemo podijeliti u dvije osnovne skupine:

STACIONARNA KAVITACIJA

o Plona kavitacija o Vrtlona kavitacija

NESTACIONARNA KAVITACIJA

o Mjehurasta kavitacija o Pjenasta kavitacija

STACIONARNA KAVITACIJA nije naroito opasna. Ona ne izaziva vibracije vijka, a eroziju koju izaziva je mineralna ili je niti nema, jer je kavitacijska upljina odijeljena od povrine krila tankim slojem tekuine pa ne dolazi do kolapsa kavitacijskih mjehura na samom krilu vijka, [1].

Plona kavitacija izgleda kao srebrnasta ploha, a nastaje na krilima s tankim i otim profilima kad se kut pritjecanja vode razlikuje od ulaznog kuta profila. U izvanrednim sluajevima plona kavitacija moe ak i poveati uzgon krila, jer korigira male netonosti profila.

Vrtlona kavitacija je posljedica smanjenog tlaka u sreditu vrtloga, a javlja se na vrhu krila gdje se odljepljuje vrni vrtlog, i na vrhu glavine vijka.

Mjehurasta kavitacija nastaje na krilima sa tupim i debelim profilima u sluaju sudarnog pritjecanja vode. Nagli pad tlaka izaziva kavitaciju, ali ne i odljepljenje kavitacijskog sloja i strujnica od krila vijka kao kod plone kavitacije, pa su kavitacijski mjehuri u direktnom dodiru s povrinom krila.

Pjenasta kavitacija je najtetniji i najopasniji tip kavitacije. Nastaje iza podruja plone ili mjehuraste kavitacije ako zona kavitacije vie ne slijedi konturu profila. Sastoji se od oblaka sitnih kavitacijskih mjehuria. Ovakav oblik kavitacije u vrlo kratkom roku razara materijal krila, a osim toga znatno smanjuje stupanj djelovanja vijka, jer vijak vie ne radi u homogenoj tekuini ve u razrijeenoj smjesi zasiene pare, zraka i tekuine, [1].



Slika 2.1.2.1 Prikaz tipova kavitacije vijanog propelera, [4] (1 mjehurasta kavitacija, 2 plona kavitacija; 3,4 pjenasta kavitacija; 5,6,7 vrtlona kavitacija)

2.1.2 Nastanak implozije i kavitacijskih mjehuria

Voda pri tlaku od 1013,25 hPa, koji odgovara normalnom tlaku zraka isparava na 100 C. Kod veeg tlaka je i temperatura isparivanja vea. Tako da voda pri tlaku od samo 23,37 hPa isparava ve na temperaturi od 20 C.

Slika 2.1.2.1 Mjehuri pare u fazi implozije, [5]



Kod isparavanja u vodi nastaju mjehurii, budui da vodena para na 20 C zauzima mnogo vei prostor od tekue vode. Do kada pritisak vode raste, stupanj isparivanja prestaje i vodena para nastala u kavitacijskom mjehuriu kondenzira na vanjskoj stjenci vodenog mjehuria i ve stvoreni mjehurii pare odjednom implodiraju. Ve prije nastali prostor se odjednom smanjuje, voda mora prostor ponovno ispuniti i implozijski struji natrag u novo nastali prostor. Prilikom toga u vodi nastaju najjai, iako kratkotrajni udari veliine 100 Mpa. Tokom navedenog procesa nastaju valovi s visokim amplitudama. Ako se mjehurii pare nalaze u blizini ili direktno na vrstom zidu, npr. lopaticama brodskog vijka, kod implozije nastaje zraka tekuine (mikro jet) koji sa vrlo visokom brzinom pogaa zid, odnosno lopaticu brodskog vijka i na taj nain uzrokuje ekstremna kratkotrajna optereenja. To objanjava materijalna optereenja u obliku kratera kod potpuno izgraene kavitacije, [2].

Slika 2.1.2.2 Proces nastajanja zrake tekuinei oteenja povrine, [5]

2.2 Kavitacijska erozija

Kavitacijska erozija je troenje krutog tijela pri strujanju kapljevina u kavitacijskom reimu tj. uz nastajanje i naglo implodiranje mjehuria pare to izaziva visoke lokalne udarne tlakove ili temperature, [6].

(1) funkcionalni dio (3) fluid

Slika 2.2.1 Shema procesa erozije estica



Relativno gibanje se moe opisati kao strujanje. Postoji sljedei stupanj opasnosti od pojedinih mehanizma troenja:

o Umor povrine - jako visoki o Tribokorozija niski

Pokazatelj otpornosti na troenje je dinamika izdrljivost povrine.

Karakteristini primjeri djelovanja kavitacijske erozije su:

propeleri

propelerske turbine centrifugalne pumpe

Mogue promjene iznosa troenja pri eroziji kapljevinom prikazane su dijagramom:

Slika 2.2.2 Procesi troenja pri kavitacijskoj eroziji, [6]

Krivulja 1 normalno troenje Pravac 2 prekomjerna tribokorozija Krivulja 3 prerani umor povrine



Slika 2.2.3 Prikaz kavitacijske erozije propelera, [6]

Mehanizam erozijskog razaranja jo nije u potpunosti razrijeen i postoji nekoliko teorija o djelovanju kavitacijske erozije. Prema nekim teorijama primarni razlog erozijskog razaranja materijala vijka su mehaniki udari koji nastaju uslijed implozije kavitacijskih mjehura na krilu vijka. Druga teorija uzima kao primarne uzroke mehaniko kemijska, elektrokemijska ili termoelektrina djelovanja izazvana oscilacijskim promjenama veliine kavitacijskih mjehura ili njihovom implozijom, [1].

Slika 2.2.4 kavitacijska erozija na brodskom vijku

Eksperimentom je utvreno da kavitacijska erozija nastaje i na materijalima kao to su staklo, bakelit, itd., kod kojih je iskljueno elektrokemijsko ili termoelektrino djelovanje. Prema tome je najvjerojatnija pretpostavka da je uzrok poetnog oteenja zamor materijala izazvana velikim lokalnim tlanim djelovanjem koji nastaju smanjivanjem kavitacijskog mjehura na krilu vijka.



2.3 Mogunosti sprjeavanja kavitacije propelera

Mjere za izbjegavanje kavitacijske erozije su:

konstrukcijske mjere izbor materijala dovoljne dinamike izdrljivosti povrine i dovoljne korozijske

postojanosti dodavanje aditiva za smanjenje napetosti povrine rashladne tekuine

Konstrukcijskim mjerama je svrha eliminacija ili smanjenje uzroka, tj. kavitacijskog reima strujanja, [8]. Potpuno nove lopatice propelera mogu se zatititi sa raznim premazima otpornim na ekstremnu kavitaciju. Na slici 2.3.1 prikazan je prvi popravak cijele povrine lopatica propelera u svijetu koritenjem zavrnog premaza Belzonom 2141, [7].

Slika 2.3.1 Zatita listova propelera od kavitacije



3. LITERATURA

[1] Izdanje i naklada Jugoslavenskog leksikonskog zavoda: Tehnika enciklopedija. Zagreb MCMLXIII; svezak 2, str. 205 213.

[2] Terminologija propelera URL: http://www.scam-marine.hr/upload/propellerTerminology1hrv.pdf (19.01.2012.)

[3] Kavitacija (srijeda, 23. srpnja 2008.) URL: http://radicalproject.blogspot.com/2008/07/kavitacija.html (19.01.2012.)

[4] Cavitation, wikimedia. (09.10.2008.) URL: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Cavitation.svg (19.01.2012.)

[5] Tehniki fakultet Sveuilita u Rijeci: PUMPE, DINAMIKE PUMPE,brodski pomoni strojevi i ureaji, dio 5. [PowerPoint prezentacija].

[6] Grilec, Kreimir; Ivui, Vinko: Tribologija. Zagreb, 2011. [autorizirana predavanja]; Sveuilite u Zagrebu FSB, Zavod za materijale, 112,113 i 115. str.

[7] Zatita listova propelera od kavitacije URL: http://belzona.hr/aplikacije/brodovi-i-pomorske-konstrukcije/lopatice-propelera-zasticene-od-erozije/ (20.01.2012.)

[8] Kavitacija propelera, openito URL: http://www.marineaccessoriesplus.net/?s=cavitation&x=0&y=0 (21.01.2012.)

127004804 94665353 kavitacija vijčanog propelera

Documents