PALUBA

More, pomorstvo i unutrašnji plovni putevi => Brodogradnja => Topic started by: Boro Prodanic on March 21, 2010, 06:49:55 pm



Title: Kavitacija
Post by: Boro Prodanic on March 21, 2010, 06:49:55 pm
Definicija iz Enciklopedije Britanike: kavitacija je pojava formiranja mehurića gasa u tečnosti, na mestima sniženog pritiska, koja se javlja kod strujanja tečnosti velikim brzinama. Najčešće se sreće kod centrifugalnih pumpi, vodenih turbina i brodskih propelera. Kavitacija je nepoželjna pojava zbog toga što izaziva preteranu eroziju rotacionih delova uređaja, dodatnu buku i vibracije, kao i značajno smanjenje efikasnosti uređaja u kojem se javlja, zbog toga što menja krivulju protoka. Kavitacija nastaje kada se pritisak tečnosti koja struji (teče) smanji ispod pritiska isparavanja tečnosti, mehurići se šire sve dok pritisak opada, i onda naglo implodiraju.

[attachment=1]
Kombinacija ograničenja pritisaka i temperature rezultovaće pojavom kavitacije u svakom dinamičkom hidrauličnom sistemu. Ni jedan korisnik ne želi u svom tehničkom sistemu pumpe koje rade u kavitacionom režimu, jer kavitacija konstantno oštećuje uređaj u kojem se javlja. Stvaranje gasnih mehurića izaziva pojavu glasne, praskave buke prilikom implozije mehurića. Zbog toga dolazi čak do nadzvučne brzine kretanja tečnosti. Unutar svake pumpe nalazi se pogonski uređaj koji "tera" tečnost sa usisne na potisnu stranu pumpe. Pri normalnom radu, tečnost prolazi kroz pumpu sa nekom svrhom - obavljanjem određenog rada u nekom drugom delu tehničkog sistema. Kavitacija se pojavljuje uz površinu radnog kola i narušava normalni rad pumpe. Pri rotaciji, radno kolo se kreće kroz tečnost i stvara lokalne razlike u pritiscima duž svog krila. Ista pojava javlja se na propelerima brodova i podmornica. Zbog razlike u pritiscima, na mestima nižeg pritiska stvaraju se mehurići koji prilikom implozije imaju toliku energiju da "prave" kaverne u metalu radnog kola ili krila propelera, tako da krilo izgleda kao "Mesečeva površina", puno sitnih kratera, koji se vremenom povećavaju i spajaju.

[attachment=3]
Postoje dve osnovne vrste kavitacije koje se javljaju u različitim fazama rada pumpe, ali obe su rezultat iste pojave:

Usisna ili klasična kavitacija javlja se na impeleru pumpe prilikom usisa i potiskivanja tečnosti ka potisnom ventilu/komori. Uslove za kavitaciju stvara kretanje impelera kroz pumpanu tečnost.

[attachment=4]

[attachment=2]
Potisna ili recirkulaciona kavitacija je rezultat promene pritiska prilikom izlaska tečnosti iz pumpe, na potisnom ventilu. Javlja se zbog toga što ventil tehnički ne može da propusti svu tečnost da izađe u jednom trenutku, tako da različite brzine kretanja tečnosti izazivaju minijaturne promene u inače jednakom pritisku tečnosti. Čak i tako male varijacije pritiska dovoljne su da dođe do pojave kavitacije.

[attachment=5]


Title: Re: Kavitacija
Post by: Boro Prodanic on March 21, 2010, 07:58:58 pm
Neki autori dele kavitaciju na inercijalnu ili kratkotrajnu i neinercijalnu.

Inercijalna kavitacija

Prvi naučnik koji je proučavao kavitaciju bio je Lord Rayleigh, krajem 19-og veka. On je uočio pojavu kavitacije kod tečenja vode u rekama, posebno ispod vodopada - gde voda zbog ove pojave izaziva znatnu eroziju u kamenju na koje pada.

Kasnije je uočeno da kavitacija nastaje pri svakom snažnom impulsnom udaru energije u čvrstu prepreku - tako postoje optička kavitacija, koja nastaje udarom snažnog zraka lasera i električna kavitacija - na primer na svećicama vozila na benzinski pogon.

Ovde treba napomenuti da je energija kavitacije neverovatno visoka: prilikom implozije mehurića gasa temperatura iznosi nekoliko hiljada stepeni Celzijusa, a pritisak nekoliko stotina bara! Ma koliko ovi podaci izgledali neverovatni, ustanovljeni su pri laboratorijskim merenjima kavitacije, jer je njeno sprečavanje jedno od glavnih područja interesovanja hidrodinamike, obzirom da rad u kavitacionom režimu izaziva znatna oštećenja i nepouzdanost u radu hidrodinamičkih uređaja, te se po svaku cenu nastoji izbeći.

Oštećenja hidrodinamičkih uređaja i njihovih delova prikazana su na sledećim slikama:

[attachment=1]
[attachment=2]
[attachment=3]
[attachment=4]
Neinercijalna kavitacija

Neinercijalna kavitacija je proces kontrolisanog nastajanja sitnih mehurića gasa uz dovođenje energije spolja - najčešće akustične (zvučne). Ova energija prisiljava mehuriće gasa da osciliraju određenom frekvencijom i po određenom obrascu pre implozije, i na taj način vrše koristan rad. Ovako nastaje mnogo manja pojava erozije, a koristi se u ultrazvučnim kadama za čišćenje precizno izrađenih delova od osetljivih materijala, na primer delova hidrodinamičkih upravljačkih sistema - ventila i slično, silikonskih zaptivki i drugih delova čija je izrada vrlo precizna i skupa, a materijal osetljiv na druge načine čišćenja i reparacije.

Primer neinercijalne kavitacije:

http://www.youtube.com/watch?v=0oNZcLyCR_Q


Title: Re: Kavitacija
Post by: Boro Prodanic on March 21, 2010, 08:56:47 pm
Hidrodinamička kavitacija

Obzirom na vojni karakter foruma, najinteresantnija je pojava hidrodinamičke kavitacije na propelerima brodova i podmornica, kao podvrste inercijalne kavitacije.

Proces nastajanja ove pojave je već objašnjen, tako da ćemo ovde prikazati oštećenja brodskih propelera usled kavitacije i reći nešto više o mogućnostima izbegavanja ove pojave radi povećanja efikasnosti brodskih propelera.

Evo dva kratka videa na kojima se jasno vide mehurići gasa nastali zbog rada propelera u kavitacionom režimu:

http://www.youtube.com/watch?v=mQvbispmUF4

http://www.youtube.com/watch?v=KExSxt-lo5c

Još nekoliko slika gasnih mehurića koji uzrokuju kavitaciju pri velikom broju obrtaja brodskih propelera:

[attachment=1]
[attachment=2]
[attachment=3]
Slika oštećenog propelera:

[attachment=4]

U novije vreme, kavitacija se izbegava konstrukcijom posebnog oblika krila brodskih propelera. Napred je već rečeno da kavitacija "zahteva" površinu na kojoj bi se desila implozija, pa da ispolji svoj negativni efekat na materijal propelera. Posebnom konstrukcijom hidrodinamičkog krila, pojava kavitacija se dešava "u praznom prostoru iza propelera", te tako ne oštećuje propeler:

[attachment=5]

Kavitacija u motorima

Verovatno je manje poznato da pojava kavitacije uzrokuje oštećenja i u većim dizel motorima. U motorima do kavitacije dolazi zbog visokog stepena kompresije i male površine zidova cilindara. Vibracije zidova cilindara koje zbog toga nastaju, uzrokuju pojavu oblasti niskog i visokog pritiska u rashladnoj tečnosti motora, što izaziva kavitaciju spoljnjih zidova cilinadarskih prostora u motoru. Rezultat je pojava "pittinga" - ljuštenja zidova cilindara, što u uznapredovaloj fazi može da dovede do prodora rashladne tečnosti u cilindar. Ovu pojavu moguće je izbeći dodavanjem određenih hemikalija u rashladnu tečnost, koje formiraju zaštitni film na zidu cilindra. Taj film jeste izložen kavitaciji, ali se iznova sam izgrađuje dok god u rashladnoj tečnosti ima dovoljno hemikalije.

Težnja za smanjivanjem gabarita motora bila je uzrok projektovanja manjih zapremina rashladne tečnosti koja zbog toga mora da struji većom brzinom. Počevši od 1980. godine, zbog navedenog je primećen uticaj kavitacije i kod manjih benzinskih motora, posebno na delove motora izrađene od aluminijuma i njegovih legura. Sprečavanje ove pojave kod manjih motora vrši se dodavanjem inhibitora korozije (na bazi silikata) u rashladnu tečnost. Krajnji rezultat je ipak, povremeno stvaranje dubokih kratera koji čak mogu da probiju glavu motora ako motor dugo radi na visokim brojevima obrtaja a time i na visokim temperaturama rashladne tačnosti. Dalja istraživanja pokazala su da se ova pojava može sprečiti dodavanjem organskih inhibitora korozije, a najbolje je projektovati motor tako da rashladna tečnost isti ne hladi u kavitacionom režimu, dakle veća količina rashladne tečnosti u motoru, što joj omogućuje da funkciju hlađenja motora obavi strujeći manjom brzinom.


Title: Re: Kavitacija
Post by: Boro Prodanic on March 21, 2010, 09:12:04 pm
Za kraj ovog kratkog prikaza pojave kavitacije, nešto što je vrlo interesantno a verujem malo poznato:

Kavitacija kod živih bića u moru

Kao što kavitacioni mehurići izazivaju eroziju propelera koji radi u kavitacionom režimu, ista pojava se dešava na repovima i perajama morskih životinja i riba - brzih plivača, posebno kada plivaju blizu površine mora.

Snažnim i brzim plivačima, kao što su na primer delfin i tuna, kavitacija je ograničavajući faktor brzine kojom plivaju. Čak iako imaju snage u mišićima da plivaju brže, delfini ograničavaju brzinu svog kretanja kroz vodu zbog pojave kavitacionih mehurića na njihovim repovima što im izaziva jak bol. Isto tako, kavitacija usporava tune, ali zbog drugačijeg razloga. Za razliku od delfina, tune ne osećaju bol zbog kavitacije jer su im peraja sastavljena uglavnom od kostiju, bez nervnih završetaka. Ipak, zbog kavitacije ne mogu brže plivati jer vazdušni mehurići nastali usled ove pojave stvaraju svojevrstan film oko njihovih peraja koji im smanjuje brzinu kretanja. U prilog navedenom, zabeleženi su slučajevi ulova starijih i krupnijih tuna sa kavitacionim oštećenjima na perajama i repu.

Međutim, neka morska stvorenja su evolucijom kavitaciju upotrebila kao oružje za lov: rak "pistol" (pištolj) razvio je takva klešta čije "škljocanje" izaziva lokalni kavitacioni udar koji ubija manje ribe, kojima se ova vrsta hrani. Drugi primer je rak "mantis" - ravnokrilac, koji koristi kavitaciju da ošamuti, smrvi i tako otvori školjke kojima se hrani.

Čak su i ljudi iskoristili kavitaciju kao podvodno oružje, doduše za sada samo za zaštitu od opasnih morskih stvorenja: na sledećem videu prikazana je animacija rada podvodne puške koja na principu kavitacije ošamućuje ajkulu i time je tera od ronioca:

http://www.youtube.com/watch?v=DIY2brkCzB4

Mislim da nećemo dugo čekati dok se ovakva puška ne usavrši dovoljno da se može koristiti i za borbu protiv ronioca i diverzanata protivničke strane prilikom borbe pod morem. Mada, ako uspeva da ošamuti ajkulu, mislim da je i sada dovoljno snažna da isti efekat ispolji i na ronioca.


Title: Re: Kavitacija
Post by: Boro Prodanic on March 23, 2010, 09:27:29 pm
Konstruisanje brodskih propelera u odnosu na kavitaciju

Kod projektovanja brodskih propelera, posebna pažnja mora se obratiti na to da li će i pri kojim brojevima okretaja propeler raditi u kavitacionom režimu.

Zbog toga se svaki proverava, uglavnom empirijski - u hidrodinamičkim tunelima.

Postoje i neke metode, kao što je metoda Burill-a za proračun karakteristika (dimenzija) propelera u odnosu na pojavu kavitacije na njemu. Ova metoda podrazumeva da se odredi takav odnos prečnika krila i prečnika glavčine propelera, kod kojeg će pojava kavitacije biti ograničena na što uži pojas broja okretaja propelera. Za proračun se koriste koeficijent potiska koji ostvaruje propeler, faktor konverzije rezultatne brzine strujanja vode na prečniku krila propelera (obično se uzima faktor 0,7), statički pritisak na osu brodske osovine i statički i dinamički pritisak na propelersku osovinu broda. Sama metoda proračuna je suviše "matematička" za potrebe ove prezentacije.

Nakon određivanja geometrijskih odnosa dimenzija propelera, nastavlja se proračun potrebne čvrstoće i poprečnog preseka krila propelera.

U teoriji i praksi, što je propeler "tanji", koeficijent korisnog dejstva biće veći. Ali, što je propeler "tanji", veća je mogućnost pojave kavitacije. Osim toga, tanji list propelera više je podložan oštećenjima i havariji pri radu u stresnim okolnostima - prilikom naglih manevara i promena opterećenja, što je kod ratnih brodova češći slučaj nego kod brodova za civilne namene. Sa druge strane, ako je krilo propelera previše "debelo", koeficijent korisnog dejstva propelera biće nizak, tako da će propeler biti manje efikasan i ekonomičan. Zbog toga se radi proračun potrebne čvrstoće i površine poprečnog preseka krila, u kojem se koristi Taylor-ova metoda iz više matematike. Cilj ovog proračuna je odrediti optimalni poprečni presek i čvrstoću krila - lista propelera.

Izvor: Charles Roring in Manokwari of West Papua - Indonesia


Title: Re: Kavitacija
Post by: Boro Prodanic on March 24, 2010, 08:05:34 am
Nešto o kavitaciji, što je, verujem, malo poznato:

Kavitacija u tkivima biljaka

Kavitacija se dešava i u biljnim tkivima, posebno u tkivu koje se naučno zove "xylem", a koje se nalazi unutar sitnih cevčica kojima biljka vrši transport vode kroz stablo i grane. Kada pritisak vode na tkivu xylem-a postane tako nizak da vazduh koji se normalno nalazi otopljen u vodi počinje da se izdvaja u mehurićima, mehurići počinju da zatvaraju puteve vode kroz biljna tkiva, posebno one manjeg preseka, što izaziva oštećenja na xylem-u. Biljke su uglavnom sposobne da regeneracijom "poprave" štetu koju nanosi kavitacija, ali moraju da troše svoje resurse na ponovnu izgradnju xylem-skog sloja. Kod biljaka koje nisu veće visine od 50 cm, pritisak iz korena biljke može biti dovoljan za ponovno otapanje vazduha u vodi, što dovodi do smanjivanja efekata kavitacije. Veće biljke moraju da "ubacuju" vodene rastvore u xylem-ske ćelije, čime postižu ponovno otapanje mehurića vazduha u "svežoj" vodi.

Kod nekih vrsta drveća, rad kavitacije praktično može da se čuje, posebno tokom leta, kada je pojava isparavanja vazduha iz vode koja se nalazi unutar biljnih tkiva najveća.

Listopadno drveće odbacuje lišće tokom jeseni, uglavnom zbog toga što je efekat štete koju nanosi kavitacija obrnuto proporcionalan temperaturi, dakle veći je kad je okolna temperatura niža. Na taj način ove vrste drveća izbegavaju štetu koju bi ima nanela kavitacija tokom hladnijeg zimskog perioda. Četinari, zbog manje površine listova, imaju manje problema sa kavitacijom, pa mogu da zadrže lišće tokom cele godine.


Title: Re: Kavitacija
Post by: duje on March 24, 2010, 08:22:38 am
Boro, hvala na opširnom i stručnom objašnjenju. Ako se sječaš, oštečenja na propelerima (govorim o TČ na njima sam bio), pokušali su sanirati sa tekučim metalom - no rezultati nisu bili najbolji (70-tih godina), možda su kasnije našli bolji sistem?
Duje


Title: Re: Kavitacija
Post by: Boro Prodanic on March 24, 2010, 08:27:50 am
I početkom osamdesetih na isti način smo "krpili" rupe na propelerima dok se tako moglo. Kad bi rupe od kavitacije postale prevelike, propeler smo skidali, davali na navarivanje, brušenje i balansiranje.

Edit: Materijal za popunjavanje rupa na propelerima od kavitacije zvao se u žargonu "dijamant git" - dvokomponentni, prva komponenta metal u prahu (sličan veoma sitnim opiljcima mesinga ili bronze), a druga providno vezivo. Nakon mešanja u određenom odnosu, nanosio bi se na oštećenu površinu. Sušenje je bilo dosta brzo. Nakon sušenja, površina koja je obrađena je obrušena i ispolirana.


Title: Re: Kavitacija
Post by: ACHTUNG on March 31, 2010, 09:45:37 am
U teoriji i praksi, što je propeler "tanji", koeficijent korisnog dejstva biće veći. Ali, što je propeler "tanji", veća je mogućnost pojave kavitacije. Osim toga, tanji list propelera više je podložan oštećenjima i havariji pri radu u stresnim okolnostima - prilikom naglih manevara i promena opterećenja, što je kod ratnih brodova češći slučaj nego kod brodova za civilne namene. Sa druge strane, ako je krilo propelera previše "debelo", koeficijent korisnog dejstva propelera biće nizak, tako da će propeler biti manje efikasan i ekonomičan. Zbog toga se radi proračun potrebne čvrstoće i površine poprečnog preseka krila, u kojem se koristi Taylor-ova metoda iz više matematike. Cilj ovog proračuna je odrediti optimalni poprečni presek i čvrstoću krila - lista propelera.

Skorije, kada su Rumuni radili revitalizaciju svojih agregata na Đerdapu, obratili su se Švajcarcima umesto Rusima, što je bila dotadašnja praksa. Ovi su napravili super tanke lopatice, u težnji da što više povećaju stepen korisnosti turbine. Profesor sa moje katedre, Benišek, ih je upozoravao na prevelike napone koji će se pojaviti u lopatici. Elem, oni su to zanemarili. Rezultati su im bili odlični, hidraulički stepen korisnosti im je bio bolji od naših turbina. Ipak, posle nekog vremena su se pojavile naprsline, pa je počela silna kuknjava.

Mi smo se držali dosadašnjih partnera, tako da se ove stvari sigurno neće desiti. Fazon u stepenu korisnosti jeste ukupna proizvedena količina struje koja se deli između nas i Rumuna - razlika u trećoj decimali donosi ogromne razlike na godišnjem nivou.


Title: Re: Kavitacija
Post by: Boro Prodanic on March 31, 2010, 01:13:57 pm
ACHTUNG, u ovom slučaju Rumuni su očito uzeli samo jedan parametar - koeficijent korisnog dejstva, pri proračunu debljine zida lopatica turbine. Čudi me to, jer se radi o ozbiljnom poslu i ne malim finansijskim sredstvima - da zanemare potrebu optimizacije između koeficijenta korisnog dejstva i naprezanja lopatica (naravno. mora se uzeti u obzir i materijal od koga se izrađuju lopatice, način izrade i još nekoliko manje važnih faktora). Ali - dešava se, sa kakvim posledicama - vidi se. Mogu samo da zamislim koliko košta prevremeni remont ili zamena turbinskih lopatica...

Hvala za izvrstan primer i pomoć!  :super


Title: Re: Kavitacija
Post by: Pera on June 09, 2010, 10:18:51 pm
Nekoliko finih klipova koji mogu da podkrepe temu...

http://www.youtube.com/watch?v=mQvbispmUF4

http://www.youtube.com/watch?v=KExSxt-lo5c

http://www.youtube.com/watch?v=GpklBS3s7iU


Title: Re: Kavitacija
Post by: Gazda on June 09, 2010, 11:11:05 pm
evo,baš mučim muku s kavitacijom.propa mi je propeler na barci,sutra ga nosim na navarivanje..


Title: Re: Kavitacija
Post by: Patriot on June 10, 2010, 09:05:37 am
evo,baš mučim muku s kavitacijom.propa mi je propeler na barci,sutra ga nosim na navarivanje..
Nemoj se mučit, evo te dva nova čekaju u Rijeci ...

PS: komplimenti temi, nevjerojatan je onaj dio o kavitaciji u biljaka. Također, tu možemo dodati i teoretsku "prepoznatljivost" i "potpis" zamalo svakog broda/podmornice. A za što ima zasluge i kavitiranje ... (nadam se da ove slike neće biti OT, i tako nisam znao gdje da ih stavim)


Title: Re: Kavitacija
Post by: Gazda on June 10, 2010, 02:15:10 pm
azipod propulzori?od čega je ovo?


Title: Re: Kavitacija
Post by: Patriot on June 10, 2010, 03:03:42 pm
Biće za kakav trajekt, za što bi drugo ...