CAVITAÇÃO NA HÉLICE DO NAVIO
Quando uma hélice gira rapidamente, uma área de baixa pressão é criada nas pás. Essa diminuição da pressão faz com que a água ferva sem esquentar e produz bolhas de vapor, isso é chamado de cavitação.
Para aprender mais sobre a cavitação, precisamos nos familiarizar ou atualizar nosso conhecimento sobre as fases de vapor líquido.
- Sólido (gelo)
- Água líquida)
- Vapor (vapor)
As fases de líquido e vapor são influenciadas pela temperatura e pressão. A água é normalmente observada mudando seu estado para a forma de vapor quando sua temperatura é elevada acima de 100 graus C à pressão atmosférica. A água também pode vaporizar quando a pressão é reduzida em condições normais de temperatura. Nas temperaturas físicas do mar, isso requer uma pressão inferior a aproximadamente 1,5 a 2,0 kN/m2.
Causa da cavitação da hélice
As pás de uma hélice desenvolvem uma força total em uma certa direção em virtude de serem colocadas em um pequeno ângulo de 'incidência' em relação à direção resultante do fluxo de água que passa pela hélice.
Assim, a Cavitação ocorre se:
p(a) + p(h) ± Δp < e
Isso só pode ocorrer quando Δp for suficientemente negativo.
Como a cavitação é afetada pela pressão e temperatura, é mais provável que ocorra em hélices que operam perto da superfície em águas quentes.
Assim, se a água do mar que passa pela parte de trás da pá encontra a região de sucção e a pressão líquida das cachoeiras abaixo da pressão de vapor da água naquela temperatura, bolhas de cavidade são formadas. As cavidades se expandem à medida que a pressão diminui, depois se contraem à medida que a pressão aumenta e o vapor se converte novamente em líquido.
Tipos de Cavitação
- A cavitação ' folha ' ou ' laminar ' assume a forma de uma fina folha estacionária geralmente começando na borda de ataque das pás.
Folha ou Cavitação Laminar
- Em certas condições, a cavitação da folha se decompõe atrás da lâmina em uma forma conhecida como cavitação ' névoa ' ou ' nuvem '.
- Cavitação ' Bolha ' como o nome indica, é a formação de cavidades de bolhas distintivas.
Bolha da Cavitação
- A cavitação ' Vortex ' tem a aparência de uma corda trançada encalhada e pode estar presente nas pontas das pás ou na saliência.
Cavitação de vórtice
A cavitação aumenta com a maior carga das pás, ou seja, com maiores ângulos de incidência ou com diferentes formatos de seção de pá.
Efeitos da Cavitação
Os efeitos da cavitação podem ser listados como:
- Desempenho Reduzido
- Erosão da Lâmina
- Vibração
- Ruído
Efeitos
Os efeitos da cavitação no desempenho podem ser consideráveis. A cavitação geralmente começa nas pontas das pás e se espalha gradualmente por todas as pás à medida que a carga da hélice aumenta. Quando a cavitação se estendeu para cerca de 0,75 do raio, verifica-se que há uma perda considerável no empuxo seguida de uma redução no torque, o que significa, na prática, que haverá um aumento acentuado nas revoluções para uma determinada potência. Como a quebra do empuxo ocorre mais rapidamente do que a mudança no torque, pode haver uma perda considerável na eficiência.
Erosão
A erosão é um efeito potencialmente grave. As bolhas de cavitação, quando formadas, não podem persistir se forem arrastadas para uma região onde a pressão líquida retorna a um valor superior à pressão de vapor da água. Isso pode ocorrer em direção à borda de fuga da pá ou quando a pá se move do topo para a base do círculo ganhando pressão hidrostática. A maneira como elas colapsam introduz um novo fenômeno, as bolhas se contraem até um tamanho muito pequeno antes de desaparecerem e toda a energia do colapso e mudança de estado é, portanto, concentrada em uma área muito pequena. Estima-se que a pressão final no ponto de colapso pode exceder 2,3 x 10 9 N/m². Obviamente, isso tem um efeito sério na superfície do metal das lâminas, que pode ser rapidamente corroído.
Nos estágios iniciais do ataque, o metal tem a aparência de ter sido golpeado rapidamente com um pequeno martelo de 'martelar' e minúsculas reentrâncias circulares são vistas na superfície marcando o ponto de colapso de bolhas sucessivas. Se a cavitação for mais extensa ou persistir por um período de tempo mais longo, isso resultará em uma séria corrosão por pite do metal, causando uma cratera definida ou uma série de crateras na superfície das lâminas, deixando a aparência de esponja que é característica de avançados erosão por cavitação.
As pontas da pá da hélice e os bordos de fuga são particularmente suscetíveis à erosão e podem ser completamente erodidos e arrancados pelos efeitos da cavitação. Em alguns casos, a corrosão contínua faz com que toda a espessura das lâminas seja corroída e, finalmente, faça um furo na lâmina de volta ao rosto.
A erosão devido à cavitação pode ocorrer em qualquer parte da pá da hélice onde a sucção é alta, mas em comum em três regiões significativas:
- Na ponta onde a velocidade de rotação é maior,
- No raio de 0,7, onde a carga geralmente está no máximo,
- Em direção à raiz da pá onde as seções são necessariamente muito grossas e a distribuição de pressão é prejudicada pelo pequeno espaço entre as pás.
Vibração
A vibração é criada devido à natureza instável da cavitação e é denominada como a deflexão periódica da estrutura de maneira vertical, horizontal ou torcional.
Ruído
As cavidades em colapso dão origem a efeitos de ruído que, acompanhados por vibrações de alta frequência, podem ser extremamente desagradáveis para passageiros e tripulantes se estiverem situados na popa do alojamento do navio.
Meios de evitar a cavitação
- Aumente a área total da pá e, portanto, o impulso por unidade de área da superfície da pá para o mesmo impulso total . Isso pode ser feito aumentando a razão da área da pá em diâmetro constante ou aumentando o diâmetro da hélice com uma redução resultante nas revoluções.
- Reduza os ângulos das pás e o ângulo de incidência adotando diâmetros ligeiramente maiores.
- Varie o passo ao longo do comprimento da pá para diminuir o carregamento em regiões críticas.
- Evite a ocorrência de seções indevidamente altas na parte posterior das pás, utilizando formas de seção que proporcionem uma distribuição de pressão mais uniforme.
- Projete a popa para obter um campo de esteira o mais uniforme possível.
- Evite a incidência de picos de sucção locais próximos ao bordo de ataque, usando quantidades adequadas de curvatura e uma forma adequada da entrada.
- Reduza a espessura das pás utilizando materiais mais fortes e resistentes aos efeitos da cavitação.
- Forneça a máxima imersão possível.
- Reduza as rotações por minuto. Como o impulso de uma hélice varia com o quadrado das revoluções, reduzir as revoluções reduzirá a cavitação, mas também resultará em perda de velocidade.
Diz-se que uma hélice está totalmente cavitando quando toda a parte de trás está coberta por cavitação. Este fenômeno também é chamado de supercavitação. Depois que a parte de trás da seção ficou completamente sem água, o aumento das revoluções por minuto não pode mais reduzir a pressão ali e, portanto, nenhuma elevação adicional pode ser gerada pela parte de trás. Na face, no entanto, a pressão continua a aumentar com revoluções mais altas, assim como o empuxo total, embora a uma taxa mais lenta do que antes do início da cavitação.
