Исследование интенсивности эрозионных повреждений на элементах водометного движителя Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Маринич Н.Б., Третьяков A.M.

ФГУП «Крыловский государственный научный центр». Санкт-Петербург. Россия

ИССЛЕДОВАНИЕ ИНТЕНСИВНОСТИ ЭРОЗИОННЫХ ПОВРЕЖДЕНИЙ НА ЭЛЕМЕНТАХ ВОДОМЕТНОГО ДВИЖИТЕЛЯ

Проведено исследование влияния развитой кавитации на эрозию как на самом рабочем колесе (РК). так и на неподвижных элементах водометного движителя в составе тянущей угловой колонки. Было установлено, что эрозионные разрушения обнаружены и на лопастях рабочего колеса, и на лопастях спрямляющего аппарата (СА). Глубина эрозионного разрушения в расчетном временном промежутке у спрямляющего аппарата примерно на 10 % больше, чем РК. При последующих проектированиях двнжительных комплексов необходимо учитывать фактор эрозионного процесса на элементах двнжптепьного комплекса с цепью увеличения сроков его эксплуатации.

Ключевые слова: эрозия, пороговая скорость, кавитация, водометный движитель. Авторы заявляют об отсутствии возможных конфликтов интересов.

Для цитирования: Маринич Н.В.. Третьяков A.M. Исследование интенсивности эрозионных повреждений на элементах водометного движителя. Труды Крылове кого государственного научного центра. 2018; специальный выпуск 1: 000-000.

УДК 629.5.036.1 DOI: 10.2493 7/2542-2324-2018-1-S-I-84-88

Marinich N., Tretyakov А.

Kiylov State Research Centre. St. Petersburg. Russia

STUDYING EROSION DAMAGE INTENSITY ON WATERJET ELEMENTS

This paper studies the effect of developed cavitation upon erosion of both impeller and stator elements of waterjet implemented in pulling pod unit. Erosion damage has been observed on both impeller and stator blades. Ол ег the investigated tune interval, stator elements had their erosion damage depth 10% greater than the impeller. To extend service life of pod units, their further design must take this erosion damage into account.

Key words: erosion, threshold speed, cavitation, waterjet. Authors declare lack of the possible conflicts of interests.

For citations: Marinich N.. Tretyakov A. Studying erosion damage intensity on waterjet elements. Transactions of the Krylov State Research Centre. 2018; special issue 1: 000-000 (in Russian).

UDC 629.5.036.1 DOI: 10.24937/2542-2324-2018-l-S-I-84-88

Marinich N., Tretyakov A. Studying erosion damage intensity on vuaterjet elements

Введение

Introduction

При развитой кавитации элементов водометных движителей одним из вредных последствий является эрозия - повреждения, возникающие в области замыкания кавитационных каверн. На протяжении десятков лет по данной тематике проводилось множество изысканий, как теоретических, так и практических с использованием кавитационных труб и эрозионных установок [2-А. 6-9].

Стоит отметить, что подавляющее большинство используемых на практике водометных движителей не эксплуатируются в условиях развитой кавитации. Подобные условия могут возникать кратковременно при резком изменении сопротивления судна, например, при прохождении мелководного участка или при буксировке несамоходного объекта. Также описанное явление может возникать при некорректном выборе серийного водометного движителя для скоростного судна. Проводимые в данной работе исследования носят исключительно теоретический интерес и показывают необходимость качественной проработки элементов движителя перед его установкой на судно.

Исследования интенсивности кавитационной эрозии гребных винтов (ГВ) и рабочих колес в кавитационных трубах проводятся с использованием лакового покрытия [1, 5]. которое позво.чяет судить о месте положения, размерах и глубине повреждений. а также получать сравнительные данные об эрозионных качествах гребных винтов и рабочих колес. Но такие исследования ранее не проводились для неподвижных элементов водометного движителя, работающих в условиях развитой кавитации, моделируемых в навигационной трубе.

В данной работе объектом изучения был движи-тельный комплекс, в состав которого вошли тянущая колонка, спрямчяющий аппарат и рабочее колесо. Перед проведением испытаний элементы движигельного комплекса покрывались лаком с целью определения местоположения и площади эрозионного разрушения лакового покрытия. Исследования проводились на режимах соответствующих второй стадии кавитации. Было получено, что площадь эрозионного разрушения лакового поьрьгшя на лопастях СА превышает площадь разрушения лакового покрыли РК на 47 %. А разрушение лакового покрыли на лопастях спрямляющего аппарата вблизи стоики значительно выше, чем на лопастях в отдалении от нее.

В дальнейшем на основании полученных данных было осуществлено прогнозирование глубины

эрозионного повреждения с течением времени при пересчете на натурные рабочие колеса диаметром 4; 5 и 6 м с соответствующими им СА. Данная работа проводилась на основании разработанной в Крыловском государственном научном центре методики пересчета интенсивности эрозионных повреждены! на элементах водометного движителя модели и натуры. Было получено, что попасти СА подвержены эрозионным разрушениям больше, чем лопасти РК - примерно на 10 %.

Наличие стойки угловой колонки оказывает существенное влияние на характер эрозионного разрушения лопастей С А.

Полученные данные следует учитывать при проектировании движительных комплексов и их элементов.

Исследование движительного комплекса на эрозионные разрушения в кавитационной трубе

Erosion studies of pod unit in wind tunnel

При больших скоростях движения судов возрастает опасность возникновения значительных эрозионных повреждений движителей. Особое внимание уделяется эрозийным разрушениям вращающихся элементов движителей, однако в настоящее время процесс моделирования эрозионного воздействия на неподвижные элементы водометов не был затронут исследователями. В данной работе было исследовано влияние кавитационной эрозии на отдельные элементы водометного движителя. Для получения наглядной картины испытания проводились при чрезмерно низких числах, не соответствующих натурным условиям эксплуатации движителей такого типа.

В рамках работы в качестве объекта исследования был взят водометный движитель, в состав которого входила тянущая колонка, короткий водовод (насадка), спрямляющий аппарат и рабочее колесо (рис. 1). Рабочее колесо, спрямляющий аппарат насадка и часть колонки покрывались лаковым покрытием. Использование специального покрытия с низкой эрозионной стойкостью на модели движигельного комплекса позволяет спрогнозировать вероятность появления разрушений на элементах натурных движительных комплексов и расположения очагов эрозии. При модельных испыгаших определялась пороговая скорость, т.е. момент возникновения эрозии на элементах движигельного комплекса, площадь очага эро-зин и место ее возникновения.

Марин и ч Н.В., Третьяков A.M.

Исследование интенсивности эрозионных повреждений на элементах водометного движителя

Рис. 1. Общий вид движительного комплекса Fig. 1. General view of pod unit

ff)

Рис. 2. Движительный комплекс:

a) общий вид в рабочем участке кавитационной трубы;

б) в момент испытаний

Fig. 2. Pod unit: a) general view in the test section of wind tunnel;

b) tests in progress

В рамках данной работы испытания проводились б кавитационной трубе при постоянных числах кавиташш, соответствующих второй стадшг кавитации. и Струхаля (сгт = 1.5; 81 = 1,0). На рис. 2а изображен движительный комплекс в рабочем участке кавитационной трубы, а на рис. 26 - в момент испытаний.

В результате модельных испытаний движительного комплекса было выявлено, что:

■ разрушение лакового покрытая лопасти рабочего колеса происходило на засасывающей стороне лопасти, тогда как на нагнетающей стороне лаковое покрытие оставалось целым;

■ разрушение лакового покрытия лопасти спрямляющего аппарата превышает площадь повреждения лакового покрытия рабочего колеса на 47% (рис. 3);

■ эрозионное разрушение лакового покрытия на лопастях спрямляющего аппарата вблизи стойки значительно выше, чем на лопастях в отдалении от нее;

■ нарушение лакового покрыли насадки под влиянием щелевой кавитащш обнаружено не было;

■ нарушение пакового покрытия стойки не обнаружено;

■ на лопастях спрямляющего аппарата, стоящих в удалении от стойки, эрозионное разрушение на одной лопасти приобретало вид эрозионной сыпи, а на другой интенсивность была в 5 раз ниже, чем у лопастей в близи стойки.

Рис. 3. Разрушение лакового покрытия спрямляющего аппарата и рабочего колеса

Fig. 3. Paint erosion on stator and impeller

Marinich N., Tretyakov A. Studying erosion damage intensity on waterjet elements

Прогнозирование эрозионного разрушения

Prediction of erosion damage

После испытаний на основании разработанной в научном центре методики пересчета было осуществлено прогнозирование эрозионного разрушения с течением времени на натурных рабочих колесах диаметром D = 4; 5; бм с соответствующими спрямляющими аппаратами. Вводные данные для расчета глубины эрозионного разрушения приведены в таблице.

В программе осуществляется расчет интенсивности кавигационного воздействия по формуле

™

D 2W) 400

LOW LH» 1400 1600 1100

Рис. 4. График зависимости глубины разрушения от времени эксплуатации

Fig. 4. Erosion depth vs service time

A = 1,29

+0.25

— +

--1,54.

(1)

Затем производился расчет глубины эрозшт Н\

H = А 10

-К

Df

vth 1 Dm у

-1

(2)

хп

-Ж.^-бо-Î.J-, v m д„ s.'

Прогнозирование эрозионного разрушения Erosion damage prediction

Данные для расчета РК 1 РК 2 РКЗ

Dm - диаметр модели рабочего колеса, ш 0,23 0,23 0,23

Dfs - диаметр натурного рабочего колеса, ш 4 5 6

Vn - скорость движения натурного судна, кп 23,77 23,77 23,77

Vth - пороговая скорость, m/s 6,8 6,8 6,8

п - скорость вращения натурного рабочего колеса, l/ni 152 132 122

Sin - площадь эрозионного разрушения лакового покрытия на модели рабочего колеса, сш2 8.55 8.55 8.55

Se - энергия деформации материала натурного рабочего колеса, ka'cnr 1000 1000 1000

к - коэффициент, учитывающий относительную эрозионную стойкость материала натурного рабочего колеса и модели 645 6,45 645

где Г - время эксплуатации. После чего осуществлялся расчет максимальной глубины эрозии от времени эксплуатации дня РК и СА /гшах. На рис. 4 показана зависимость глубины эрозионного разрушения от времени эксплуатации для рабочего колеса и спрямляющего аппарата

= 9-|я.

Н„

(3)

Было получение что лопасти спрямляющего аппарата около стойки подвержены эрозионным разрушениям больше, чем РК. примерно на 10 %. Вероятно, это происходит вследствие наличия стойки, которая оказывает существенное влияние на характер эрозионного разрушения лопастей С А. Вне стойки интенсивность эрозионного разрушения лопастей СА резко снижается.

Заключение

Conclusion

Данные исследования позволили установить следующее:

■ эрозионное разрушение вследствие развитой кавитации обнаружено как на лопастях рабочего колеса, так и на лопастях спрямляющего аппарата:

Маринич Н.В., Третьяков A.M.

Исследование интенсивности эрозионных повреждений на элементах водометного движителя

■ площадь эрозионного повреждеши РК по отношению к СА составила 63 %;

■ лопасти спрямляющего аппарата подвержены эрозионным разрушениям больше РК на 10 %;

■ влияние щелевой кавитации на эрозионные разрушения насадки обнаружено не было;

■ влияние кавитации на эрозионные разрушения стойки обнаружено не было.

При последующих проектированиях движитель-ных комплексов необходимо учитывать фактор эрозионного цроцесса на элементах движительного комплекса с целью увеличение сроков его эксплуатации.

Библиографический список

References

1. Георгиевская Е.П. Кавитация гребных винтов и методы борьбы с ней. Л.: Судостроение. 1978. [Те. Georgievskaya. Propeller cavitation and how to mitigate it. L.: Sudostroyeniye. 1978. (in Russian)].

2. Георгиевская Е.П., Мавлюдов MA., Салазкин И.В. О влиянии масштаба на процесс навигационной эрозии» // Гидродинамика транспортных судов. Сб. статей. Л.: 1981. С. 119-130. [Ye. Georgievskaya, М. Mavlyudov. I. Salazkin. Scale effects of cavitation-induced erosion // Gidrodinamika transportnykh sudov (Hydrodynamics of cargo carriers). C ompendium of papers. L.: 1981. P. 119-30. (in Russian)].

3. Воинов O.B., Воинов B.B. О схеме захлопывания ка-внтацнонного пузырька около стенки и образования кумулятивной струйки // ДАН СССР. 1976. Т. 227. № 1. С. 63-66. [О. Уотол', V. Voinov. Collapse pattern of cavitation bubble near the wall and generation of cumulative jet H Doklady of USSR Academy of Sciences. 1976; 1(227): 63-6. (in Russian)].

4. Козырев С.П. Гпдроабразнвный износ металлов при кавитации М.: Машиностроение. 1971. [S.Kozyrev. Hydroabrasive wear of metals under cavitation. M.: Mashinostroyeniye. 1971. (in Russian)].

5. Волин В.Э., Лунаци Э.Д. Ускоренное определение ка-витационно-эрозионных качеств гндромашин с помощью легко разрушимых лаковых покрытии // Труды ВНИИ Гндромаш. 1968. Вып. 37. С. 122-131. [V. Volin, Е. Lunatsy. Faster determination of cavitation

erosion properties for hydraulic machines by means of easy-to-damage paints // Transactions of VN1I Gidro-mash. 1968; 37: 122-31. (inRussian)].

6. ПылаевН.И., Эдель Ю.У. Кавитация в гидротурбинах. М.: Машиностроение. 1974. [jV Pylaev, Yu. Edel. Cavitation in hydro turbines. M.: Mashinostroyeniye. 1974. (inRussian)].

7. Ki-Han Kim, Georges Chahine, Jean-Pierre Franc, Ayat Karimy Advanced experimental and numerical techniques for cavitation erosion prediction. Springer Netherlands, 2014.

8. СтарицкийВ.Т. Зависимость кавнтацнонной эрозии материала отего напряженного состояния // Энергомашиностроение. 1969. №3. С. 28-29. [V. Staritsky. Cavitation erosion vs stressed state of material // Ener-gomashmostioyeniye (Power Engineering). 1969; 3: 289. (inRussian)].

9. Sato K. Study on cavitation erosion // 3-rd Ships propeller symposium drunen. The Netherlands. 1976.

Сведения об авторах

Маринич Николай Владимирович, к.т.н., начальник сектора ФГУП «Крылове кий государственный научный центр». Адрес: 196158. Россия. Санкт-Петербург. Московское шоссе, д. 44. Тел.: +7(911)986-50-43; E-mail: [email protected].

Третьяков Александр Михайлович. инженер 2 категории ФГУП «Крыловский государственный научный центр». Адрес: 196158. Россия. Санкт-Петербург. Московское шоссе. д. 44. Тел.: 8 (812)415-47-89; E-mail: alexs_trial @mail. га.

About the authors

Marinich N., Cand. of Tech. Sc.. Head of Sector. Kiylov State Research Centre. Address: Moskovskoye sh. 44. St. Petersburg. Russia. 196158. Tel.: +7 (911) 986-50-43; E-mail: [email protected].

Tretyakov A.. 2nd Category Engineer. Kiylov State Research Centre. Address: Moskovskoye sh. 44. St. Petersburg. Russia. 196158. Tel.: 8(812)415-47-89; E-mail:

alexs_trial @rnail. ru.

Поступила / Received: 20.02.18 Принята в печать / Accepted: 1S.04.18 © Маринич H.B.. Третьяков A.M., 2018