Почему разрушается гребной винт корабля

Гребной винт, являясь основным движителем кораблей, катеров, подводных лодок и прочих водных судов, подвергается наиболее сильным нагрузкам в процессе эксплуатации. В этом посте поговорим об одной интересной, но не очевидной проблеме, из-за которой происходит постепенное разрушение лопастей винтов (и не только корабельных).

Конечно, самой очевидной причиной выхода из строя винта, является его механическая поломка при столкновении с препятствием, например, каменными или коралловыми рифами, которые могут располагаться на небольшой глубине под водой и представляют серьезную опасность для кораблей. Кроме этого, проблемой могут быть островки мусора или водорослей, которые плавают по поверхности воды и могут быть затянуты винтом, в результате чего происходит его заклинивание или даже поломка лопастей.

Однако, я бы хотел рассказать о таком вредном для винтов эффекте, как гидродинамическая кавитация. Данный процесс сопровождает практически любой гребной винт в процессе его работы в водной среде. Когда винт вращается, а судно движется, то вокруг винта все время создаются зоны пониженного и повышенного давления, в результате чего в воде создается огромное количество пузырьков и воздушных полостей (так называемые кавитационные каверны), заполненных паром и  растворенным в воде газом (например, кислородом), который "втягивается" в эти полости.

Пузырьки схлопываются, фактически происходит микровзрыв,  что сопровождается шумом, выделением энергии и повышением температуры сжатого в них газа до 1000 градусов по Цельсию, возникает большое количество небольших гидравлических ударов. В воздушной среде аналогом кавитации может служить образование ударной волны при прохождение самолетом звукового барьера.

Огромное количество пузырьков, заполненных паром и кислородом (который, является весьма агрессивным окислителем), сопровождаемых высокой температурой, забросом высокого давления и ударной волной при схлопывании, входят в контакт с металлом винтов, каждый раз нанося ему микроскопический урон. Со временем, в результате этого, на поверхностях лопастей и других частей винта, образуется не только коррозия, но и происходит разрушение структуры металла, появляются глубокие каверны и даже сквозные отверстия.

Стоит отметить, что данному негативному эффекту кавитации подвержены не только гребные винты кораблей, но и крыльчатки/рабочие колеса мощных гидравлических центробежных насосов, т.к. на них действует те же силы и со временем они истончаются и могут разрушиться.

Защитой от кавитации для кораблей является разработка более эффективной конструкции винтов, а также нанесение и напыление прочных защитных покрытий, которые становятся барьером к образованию зоны кавитации непосредственно в месте контакта воды и металла винтов. В данных покрытиях используются композиты, эпоксидные покрытия, а также напыления на основе кобальта. При эксплуатации насосного оборудования, для минимизации кавитационного эффекта, требуется строгое соблюдения условий эксплуатации, а также соответствующей трубной обвязки (диаметр, количество углов в трубопроводе итд). В ответственных гидравлических системах, например, гидроприводах экскаваторов, используются резервные системы подпитки, в них устанавливается дополнительный насос, который активируется, при падении давления в гидросистеме.

Также стоит отметить, что кавитация является причиной ограничения скорости перемещения судна по воде. В определенный момент времени полость разряженного давления становится настолько большой, что захватывает всю лопасть винта, соответственно, уменьшается площадь контакта винта с водой и судно перестает ускорятся, даже при повышении числа оборотов.

Но не стоит думать, что кавитация совсем уж такое вредное явление. На самом деле есть достаточно много полезных ее полезных применений. Данный эффект используют в ультразвуковых ваннах для глубокой очистки поверхностей металлов и поверхностей твердых предметов из других материалов. В этом случае образуемые кавитационные пузырьки схлопываясь, выбивают ударной волной загрязнения, отделяя даже серьезные включения и ржавчину. Кавитация применяется для смешивания жидкостей, очистки топлива, дробления взвеси и крупных включений в жидкостях итд. Находит данный процесс применение в военной сфере, промышленности и медицине.