Парадокс, по-моему, объясняется очень просто: в самом начале 20-го века появилась и стала развиваться теория кавитации. А началось все со странного случая, происшедшего на испытаниях английского миноносца — по тогдашней терминологии истребителя "Дэринг".
Кораблестроители впервые столкнулись с явлением, сначала получившим название "проскальзывание винтов", а позднее "кавитация" — от латинского слова "caviti", что означает "пустота". Этот корабль даже при использовании сверхпроектной мощности машин не смог развить более 24 узлов, а по проекту должен был давать 27 узлов. Испытания прекратили. После бурных совещаний комиссия приняла решение заменить гребные винты. Но на какие? Замену проводили "на ощупь". Пришлось заменить шесть пар винтов, прежде чем были получены оговоренные в контракте 27 узлов. Площадь лопастей винтов, с которыми миноносец достиг этой скорости, была на 45% больше, чем у тех, с которыми он начал испытания.
В сегодняшнем представлении механизм кавитации выглядит следующим образом. Винт начинает кавитировать, когда по мере увеличения его частоты вращения скорость воды на засасывающей стороне лопасти настолько возрастает, что давление снижается до значений, при которых вода даже при обычной температуре вскипает и превращается в пар. Каждый пузырек пара переносится потоком от места своего образования в область с меньшим разрежением. При этом пар в пузырьке мгновенно конденсируется, превращаясь в воду. Скорость "схлопывания" очень большая, и частицы воды с огромной силой ударяют о поверхность лопасти. Повышение давления кратковременно, но в условиях кавитации бомбардировка частицами воды происходит непрерывно, и лопасть начинает разрушаться.
По мере дальнейшего увеличения частоты вращения винта площадь засасывающей стороны лопасти, охваченная кавитацией, расширяется, зона разрежения увеличивается, давление в ней падает. Конденсация пара происходит уже за пределами лопасти, так что кавитационная эрозия металла винта прекращается, но винт как бы теряет упор и проскальзывает в "воздушном мешке". Наступает вторая стадия кавитации, которая уже не угрожает разрушением винта, но резко снижает его КПД.
Необходимо отметить, что до сих пор явление кавитации до конца не изучено, что объясняется сложностью других, связанных с ним явлений, таких как динамика поверхностей раздела жидкость-газ, фазовые переходы, диффузия и турбулентность. А кроме того, существуют факторы, ускользнувшие от внимания создателей теории.
Изначальные посылки теории кавитации, на мой взгляд, не совсем точны, а точнее — в какой-то мере не верны. Так, лопасть рассматривается как неподвижное и абсолютно жесткое тело в потоке жидкости. А из этого должно следовать, что кавитация есть следствие только гидродинамических процессов (т.е. процессов обтекания жидкостью неподвижного тела). На самом же деле лопасть судового винта является системой гидроупругой. Иными словами, лопасть, во-первых, может колебаться и на изгиб, и на кручение. Во-вторых, центр гидродинамических сил профилей сечений (фокусы сечений) находится носовее оси жесткости (ближе к входящей кромке) и, следовательно, на лопасти возникают силы, стремящиеся скрутить ее в сторону увеличения угла атаки и изогнуть вдоль оси жесткости; т.е. система предрасположена к возникновению самоколебаний. В-третьих, все движители вращаются в неравномерном поле скоростей потока; следовательно, имеются силы раскачивания лопасти как упругой системы.
Таким образом, имеются условия для возбуждения колебаний лопасти и, кроме того, сама лопасть как гидродинамическая система предрасположена к возникновению самопроизвольных колебаний (автоколебаний). А вот эти колебания сами могут вызывать кавитацию и, в определенных случаях, кавитационную эрозию. Это утверждение у многих специалистов вызывает чувство недоумения, однако имеется значительное число фактов (например, из области гидроакустики), подтверждающих данное высказывание. Наиболее известным примером является ультразвуковая кавитационная обработка материалов (в том числе и металлов). Менее известны, но не менее распространены, случаи кавитационного поражения полостей судовых дизелей, когда охлаждаемые водой части вибрирующих поверхностей покрываются сыпью. В ЦНИДИ была создана установка для исследований в широком диапазоне частот. Ученые установили, что кавитационные разрушения вибрирующих поверхностей наступают независимо от частот при интенсивности колебаний, равной величине колебательных ускорений (больше 18-20 g).
Сказанное дает возможность с большой долей уверенности утверждать, что на самом деле кавитация судовых движителей может являться суммой одновременных (и, возможно, взаимосвязанных) физических процессов: гидродинамических, которые изучают кораблестроители, и вибрационных, когда неподвижное по отношению к набегающему потоку тело колеблется с интенсивностью, достаточной для разрыва сплошности жидкости; другими словами, речь идет о вибрационной кавитации.
В случае с "Дэрингом" могла иметь место, так сказать, "двухпроцессная кавитация", т.е. кавитация, при которой доля вибрационной составляющей была значительной, если не превалирующей.
Поскольку и на "Дэринге" и на всех последующих кораблях и судах, где наблюдались явления кавитации и проскальзывания винтов, возникала интенсивная вибрация кормы, читатель может сказать: "Все правильно, ибо это — следствие развитой кавитации". Он будет прав только отчасти, потому что аналогичные явления "тряски винтов" наблюдаются и в авиации, где о кавитации и слыхом не слыхивали.
Например, Г.В. Новожилов сообщает: "Испытателям доставила много неприятностей сильная тряска новых воздушных винтов. Тряска возникала из-за недостаточной жесткости лопастей, и потребовалось провести летные испытания трех других вариантов винтов, прежде чем она была устранена".
Чтобы понять механизм возникновения "тряски винтов", необходимо, прежде всего, уяснить как возникает флаттер, так как теория флаттера лежит в основе изучения всех видов аэро- и гидроупругих колебаний.
При флаттере колебания лопастей носят неустойчивый характер, в результате амплитуда колебаний, постоянно возрастая, достигает разрушительной величины. При "тряске винтов" гидроупругие колебания носят устойчивый характер, то есть амплитуда их колебаний устанавливается на определенной величине, однако эта амплитуда может достигать очень больших значений.
Коротко теория флаттера выглядит следующим образом. Флаттер — это связанные изгибно-крутильные самоколебания крыльев, лопастей и т.д. под действием гидродинамических сил набегающего потока. Во всем диапазоне скоростей ниже определенной "скорости флаттера" гидродинамическим силам противодействуют силы упругости и силы демпфирования окружающей среды, гасящие самопроизвольные колебания. Свойство гасить автоколебания системы характеризуется коэффициентом демпфирования. При скорости флаттера коэффициент демпфирования становится равным нулю, и это означает, что жесткость системы для данного скоростного напора жидкости становится недостаточной и система теряет устойчивость. Как выразился А.С. Яковлев: "Одной из причин возникновения самоколебаний является недостаточная жесткость крыла".
В рассматриваемом нами случае "тряска винтов" возникает в диапазоне рабочих скоростей ниже скорости флаттера, когда коэффициент демпфирования отрицателен и все возникающие колебания лопастей затухают, т.е., возникнув, гаснут.
Однако судовые винты вращаются в неравномерном поле скоростей: лопасти проходят зоны набегающего потока, имеющего разные скорости. По этой причине в течение одного оборота вала угол атаки и, следовательно, сила тяги и нагрузка на лопасть постоянно изменяются. Например, в ДП под подзором кормы (что соответствует углу разворота лопасти 0° и 180°) нагрузка на лопасть почти в два раза больше, чем в остальных зонах; следовательно, в этом месте лопасть испытывает избыточную деформацию, но после прохождения этого места, когда нагрузка резко снижается, лопасть начинает колебаться, подобно отпущенной пружине. Возникают затухающие связанные изгибно-крутильные колебания на собственных частотах.
Таким образом, в течение каждого оборота на лопасть одновременно воздействуют: фактор регулярных, периодических сил возбуждения колебаний на собственных частотах и фактор демпфирования (гашения) этих колебаний силами упругости лопасти и окружающей средой.
Следовательно, во всем диапазоне скоростей от нуля до скорости флаттера существует такая скорость, при которой период действия фактора возбуждения колебаний равен времени затухания колебаний. Эту скорость можно назвать "критической скоростью устойчивых гидроупругих колебаний" или, коротко, "критической скоростью тряски винтов". При любой скорости выше "критической" лопасть будет возвращаться к зоне возбуждения колебаний с остаточной амплитудой колебания. В результате от оборота к обороту вала амплитуда гидроупругих колебаний будет нарастать до величины "энергетического баланса", при которой энергия набегающего потока, возбуждающая колебания, сравнивается с энергией, которую рассеивает колеблющееся тело в окружающую среду. Уровень этих гидроупругих колебаний будет тем выше, чем ближе будет приближаться рабочая скорость лопастей движителя к скорости флаттера.
При этом часть энергии набегающего потока бесполезно расходуется на возбуждение колебаний и на вибрационное перемещение окружающей среды, которое вызывает вибрационную кавитацию и кавитационную эрозию, а следовательно — падение упора (проскальзывание) и снижение КПД из-за пульсационных потерь. Эти потери должны быть тем больше, чем больше рабочая скорость движителя будет приближаться к скорости флаттера, ибо при флаттере, согласно теории гидроупругости, вся энергия набегающего потока преобразуется в энергию автоколебаний и, следовательно, в конечном счете, рассеивается в окружающую среду; т.е. КПД движителя становится равным нулю, а проскальзывание винта — абсолютным (корабль останавливается при работающих двигателях).
Таким образом, с большой долей уверенности можно утверждать, что во всей зоне скоростей от "критической скорости тряски винта" до "скорости флаттера" должна наблюдаться интенсивная вибрация лопастей, сопровождаемая кавитацией, кавитационной эрозией, проскальзыванием винта и снижением его пропульсивного коэффициента. Следовательно, у всех судовых движителей, диапазон рабочих скоростей которых ниже "критической скорости тряски винтов", может наблюдаться только "гидродинамическая" кавитация. У движителей, рабочие скорости которых выше "критической", кроме гидродинамической кавитации должна присутствовать и вибрационная составляющая кавитации.
Во времена "Дэринга" еще не сталкивались с флаттером и не было такой науки, как гидроупругость, поэтому и было принято самое простое объяснение, что во всех бедах виновато вскипание воды при нормальной температуре. Практические мероприятия, ликвидировавшие проскальзывание винтов, как бы подтвердили правильность выдвинутой теории. Расширяя лопасть, конструкторы уменьшали ее относительную толщину, создавали более плавное распределение давления на засасывающей стороне и таким образом "смягчали" процесс возникновения и схлопыва-ния кавитационных пузырьков и каверн.
Однако, с учетом современного уровня знаний, можно утверждать, что на испытаниях "Дэринга" кораблестроители столкнулись именно с "тряской винтов". Вероятнее всего лопасти его винтов почему-то имели жесткость, меньшую, чем на остальных эсминцах, и недостаточную для скоростного напора потока на скоростях выше 24 узлов; в результате возникли устойчивые самоколебания лопастей. Об этом говорит интенсивная вибрация корпуса корабля, ставшая головной болью всех конструкторов скоростных кораблей.
Нам могут возразить: "Почему же тогда мероприятия, разработанные существующей теорией кавитации, дали положительный эффект?" Ответ заключается в том, что мероприятия эти были правильными как с точки зрения теории гидродинамической кавитации, так и с точки зрения теории гидроупругости. Из сказанного ранее следует, что для снижения виброактивности винтов необходимо как можно дальше "уводить" скорость флаттера от рабочей скорости винта. Основным методом борьбы с "тряской винтов" является придание лопасти таких свойств, при которых скорость флаттера становится максимально возможной.
По этому поводу А.С. Яковлев пишет: "Момент возникновения флаттера можно отодвинуть за пределы максимальной скорости полета, повысив жесткость конструкции и применив конструктивные мероприятия:
- 1) повысив жесткость крыла на кручение и увеличив отношение частоты крутильных колебаний к частоте изгибных;
- 2) снижение погонного массового момента инерции крыла;
- 3) возможно переднее расположение центров тяжести сечений крыла (например, путем установки грузов в носке крыла);
- 4) сужение крыла.
Кроме того, для увеличения скорости флаттера применяют профили с максимально возможным задним расположением аэродинамического фокуса и стреловидные крылья".
Из сказанного следует, что, расширив лопасти (увеличив их площадь на 45%), конструкторы винтов не только уменьшили относительную толщину лопасти, но и выполнили первое из указанных мероприятий: они увеличили жесткость конструкции на кручение и тем самым резко увеличили скорость флаттера, а следовательно, если так можно выразиться, задавили "тряску винтов"; этим они уничтожили и проскальзывание, и вибрационную составляющую кавитации.
Однако, как уже отмечалось, этот способ не является наилучшим, так как снижает эффективность движителя из-за индуктивных потерь и потерь от перетекания жидкости через внешнюю расширенную кромку лопасти. Более эффективным мог быть способ, указанный Яковлевым в пункте 3: возможно переднее расположение центров тяжести сечений путем установки грузов в носке (у входящей кромки) лопасти. Этот способ хорош тем, что, резко увеличивая скорость флаттера, он не уменьшает удлинение лопасти и, следовательно, не увеличивает ее индуктивное сопротивление. Именно так поступают в авиации при возникновении "тряски винтов", и это позволяет создавать винты с КПД равным ~80%.
Следовательно, если бы во времена "Дэринга" существовали знания по гидроупругости, то, возможно, и теория кавитации развивалась бы по совершенно иному пути. Были бы иными и методы проектирования судовых движителей (а также гидротурбин, осевых насосов и других гидроустройств). А сами бы движители были бы гораздо совершеннее ныне существующих и имели бы узкие и длинные лопасти, какие были на "Авроре".
Но история не терпит сослагательного наклонения. Что произошло, то произошло. Однако напрашивается вопрос: "А что же мешает все это сделать сейчас, когда наука гидро- и аэроупругости разработана настолько, что позволяет математическим способом моделировать вибрационные процессы?" Можно предположить, что, по-видимому, сказываются устойчивые стереотипы мышления, в основе которых лежат представления о лопасти, как об абсолютно жестком теле в потоке жидкости, и представления о том, что вибрация движителей является следствием кавитации, а не наоборот. И такие представления чрезвычайно сложно изменить хотя бы потому, что на их основе разработаны все существующие методики проектирования гидромеханизмов.
Однако эти стереотипы необходимо ломать и не только потому, что они приводят к созданию малоэффективных гидромеханизмов, но и потому, что игнорирование гидроупругих процессов в отдельных случаях приводит к катастрофическим последствиям. Например, ничем иным, кроме наличия интенсивных гидроупругих колебаний, нельзя объяснить массовые разрушения так называемых колес Грима, широкое внедрение которых имело место в 80-90-х годах, а ныне полностью прекращено.
По поводу статьи С. Дмитренко
Безусловно, следует согласиться с тем, что кавитация — чрезвычайно сложное и все еще до конца не изученное явление. Свидетельство тому — большое и всевозрастающее количество посвященных данному феномену объемных монографий. Немало вопросов возникает и при изучении сопутствующего кавитации процесса эрозии.
Автор четко не сформулировал собственную концепцию, однако, как представляется, в основном его соображения сводятся к следующему: существующие ныне представления в значительной степени упрощены. Они не учитывают таких значимых, а может быть, и определяющих факторов, как возможная вибрация лопасти в неравномерном поле скоростей, возможная ультразвуковая кавитация, а также известные в авиации тряска винта и приводящий к разрушению крыльев флаттер. Одно только перечисление указанных явлений делает честь эрудиции автора, однако механическое их суммирование применительно к кавитации кажется недостаточно обоснованным.
В чем же видится недостаточная обоснованность и даже ошибочность положений автора? Начнем с определения: кавитацией будем называть гидромеханический процесс разрыва сплошности жидкости, когда давление в ней достигает критического значения. Таковым считается давление насыщенных паров воды. Закон сохранения энергии применительно к потоку однозначно связывает квадрат скорости жидкости (кинетическую энергию) с давлением в ней (энергию потенциальную). По мере роста скорости давление интенсивно падает и в определенный момент может достигнуть величины, равной давлению насыщенных паров, при котором вода вскипает. Условия для разрыва сплошности жидкости, а следовательно, и для возникновения кавитации в данной точке потока созрели.
В целом автор приблизительно так и трактует процесс начала и развития кавитации на теле, движущемся в жидкости. Правда, в дальнейшем он подвергает сомнению главенствующее значение роста скорости и приводит доводы в пользу преимущественного влияния конечной жесткости тела (в частности — лопасти гребного винта), его вибрации, ультразвуковых явлений и флаттера. Более того, создается впечатление, что автор вообще не очень верит в возможность возникновения в реальных условиях чисто "гидродинамической", по его классификации, кавитации, т.е. такой, которая не была бы спровоцирована либо, по крайней мере, не была в существенной степени отягощена перечисленными влияниями.
Здесь необходимо оговориться: не отрицая принципиальной возможности указанных влияний, хотелось бы оценить их с точки зрения "практического вклада" в обсуждаемые процессы.
Поясню свою мысль примером. Общеизвестно, что притяжение Луны оказывает влияние на нашу Землю и на все без исключения процессы на ней протекающие. Однако, если Мировой океан реагирует на это влияние весьма заметными приливами и отливами, то вода, налитая в стакан, практически не "обращает внимания" на наш главный естественный спутник: ни один точнейший прибор не зафиксирует суточного колебания ее уровня. Таким образом, в принципе влияние имеет место, но практически оно не проявляется, а следовательно, им можно пренебречь. Подобный, сугубо прагматический подход необходим при изучении любого явления, в противном случае мы рискуем утонуть в огромном количестве несущественных, но в принципе существующих влияний.
С данных позиций и будем полемизировать с автором. Начнем с того, что кавитацию и крыльев, и гребных винтов изучают, проводя испытания их моделей в кавитационных трубах, где легче обеспечить необходимое давление насыщенных паров воды. Модели при этом всегда обладают гораздо большей жесткостью, а следовательно, их относительные деформации существенно меньше, чем у натурных объектов. Тем не менее, это "не мешает" своевременному началу и развитию кавитации. Другими словами, отсутствие заметной деформации лопасти не приводит к какому-либо принципиальному изменению течения процесса, т.е. влиянием этих деформаций в данном случае можно пренебречь. Хочу подчеркнуть — именно в данном случае, применительно к обычному гребному винту, в то время как для иных объектов указанное влияние может иметь место. Здесь же хотелось бы привести доводы и в защиту "чисто гидродинамического" характера кавитации: многочисленные эксперименты свидетельствуют, что она имеет место и в абсолютно равномерном поле скоростей набегающего потока. При этом может наблюдаться и кавитационная эрозия — для ее возникновения вибрация лопасти под влиянием переменных по величине нагрузок не является необходимым условием.
К вопросу о "вибрационной" и "ультразвуковой" кавитации. Действительно, известно, что мощные источники ультразвука могут вызывать разрыв сплошности, т.е. подобное кавитации явление, и в покоящейся жидкости. Следуя автору, предположим, что упругие колебания лопасти, вызываемые переменными нагрузками, действующими на гребной винт в неравномерном поле скоростей, провоцируют "ультразвуковую" кавитацию. Это произойдет только в том случае, когда частота указанных колебаний будет равна ультразвуковой, составляющей 20 и более тысяч герц. На самом деле лопасти колеблются с частотой, равной произведению их числа на частоту вращения гребного винта. Эта величина, даже для винтов малых очень быстроходных катеров, составляет около 200 герц, т.е. отличается от ультразвуковой на два порядка. Для винтов современных кораблей и судов эта частота еще на один-два порядка меньше, чем у катеров. Таким образом, реальные гребные винты в реальных условиях не могут возбуждать в воде высокочастотных колебаний и "ультразвуковую" кавитацию.
Думается, что также нет ничего общего между разрушением лопасти гребного винта вследствие кавитационной эрозии и разрушением крыла самолета от флаттера. Не вдаваясь в анализ крутильных и изгибных колебаний лопасти, приведем следующие соображения. Вследствие эрозии винт разрушается в течение достаточно длительного времени. Так, самый кратковременный из зафиксированных процесс выхода гребного винта из строя занял несколько часов. Что же касается флаттера, то при его возникновении крылья самолета разрушаются в течение очень краткого времени — практически мгновенно.
Нет ничего удивительного и в том, что гребной винт "Авроры" имел более узкие лопасти, чем винты современных кораблей. Максимальная проектная скорость легендарного крейсера составляла всего 19 узлов; ныне такие корабли ходят со скоростями, почти вдвое большими. Как указывалось выше, давление падает пропорционально квадрату скорости; чтобы оно не достигло критического значения, нагрузку надо распределить на возможно большую площадь, для чего и приходится увеличивать ширину лопасти. Кстати, именно эта причина, а не недостаточное значение теории крыла, заставляет корабельных инженеров проектировать гребные винты, лопасти которых значительно шире, чем у винтов авиационных. У последних нет проблем, связанных с кавитацией; форма профиля их лопастей выбирается из условия обеспечения прочности и наивысшего качества. В результате используются высокоэффективные аэродинамические профили, имеющие достаточно большую относительную толщину. Максимальные значения КПД воздушных винтов при этом действительно достигают 85 и более процентов. Нам, кораблестроителям, остается только завидовать — увеличивать толщину лопастей своих гребных винтов мы не можем, это приблизит момент возникновения кавитации. В утешение можно только заметить: некоторые частично погруженные гребные винты тоже обладают КПД, превышающим 80%. Если такое и возможно, то только благодаря тому, что для лопастей, пересекающих свободную поверхность, не существует проблемы кавитационной эрозии. Наличие же кавитации, в том числе и атмосферной, далеко не всегда приводит к снижению эффективности гребного винта.
И еще по одному вопросу хотелось бы поспорить с автором. В соответствии с его концепцией, кавитация — следствие вибрации гребного винта, которая усиливается по мере снижения ширины лопасти. Однако столь красочно описанная Ильфом и Петровым вибрация кормовой оконечности пассажирского лайнера "Нормандия" была практически сведена на нет после замены трехлопастных гребных винтов четырехлопастными, с более узкими лопастями. Известно также, что одним из эффективных способов, которые позволяют снизить негативное влияние неравномерности поля скоростей, является применение многолопастных гребных винтов с относительно узкими, саблевидными лопастями. При этом угловое расстояние между корнем и краем лопасти может составлять 60° и более.
В заключение хотелось бы добавить, что, несмотря на в целом критическую направленность настоящего комментария, статья оставляет хорошее впечатление. Она демонстрирует возможность взглянуть на известные вещи другими глазами, а иногда свежий взгляд не очень узкого специалиста помогает рассмотреть какие-то новые аспекты давно изучаемой проблемы.