Bilgiseller / Gemi sistemleri

Pervane kavitasyonu: düzgün olmayan iz akımı kanat yükünü nasıl değiştirir?

Buhar oluşumunu, iz akımını, kanat hücum açısını ve basınç darbelerini çözümlü kavitasyon sayısı örneğiyle ilişkilendirin.

Bu sayfada

Pervane kavitasyonu, yerel sıvı basıncının yeterince düşmesiyle buhar boşluklarının oluşmasıdır. Gövde arkasındaki iz akımı önemlidir; dönen kanat farklı hız bölgelerinden geçerken hücum açısı, yükü ve boşluk hacmi değişir. Bu nedenle yalnızca ortalama gemi hızı, kavitasyonun başlayıp başlamayacağını, ne kadar dalgalanacağını veya yüzeye zarar verip vermeyeceğini açıklamaz.

Görünür kabarcıklardan önce basıncı anlamak

Kanat, suyun momentumunu değiştirerek ve yüzeyleri arasında basınç farkı oluşturarak itme üretir. Yeterince düşük basınçlı bölgede, mevcut çekirdeklerden buhar boşlukları gelişebilir. Daha yüksek basınca taşındıklarında bu boşluklar çökebilir. Kavitasyon, atmosferik havanın pervaneye ulaşması anlamındaki havalanmadan farklıdır; ancak yüzeye yakın, düzensiz işletmede ikisi birlikte görülebilir.

Bir fotoğraftaki beyaz bölge, içeriğini veya hasar potansiyelini tek başına belirlemez. Yüzeye bağlı kararlı tabaka kavitasyonu, uç girdabı boşluğu ve çöken bulut farklı dinamik davranır. Erozyon, malzemeye yakın çökme ve tekrarlanan yerel yüklerle ilişkilidir. Görünür kavitasyonun varlığı, nicel aşınma hızı veya pervanenin kabul edilemez olduğunun kanıtı değildir.

İz katsayısı bir ortalamadır, harita değildir

Örnek bir eksenel iz katsayısı w = 1 − V_A/V_S biçimindedir. Burada V_A temsili pervane ilerleme hızı, V_S gemi hızıdır. Bu sayı karmaşık bir alanı tek değere indirger. Aynı ortalama w değerine sahip iki kıç düzeni, üst kanat geçişinde çok farklı hız eksiklikleri oluşturabilir. Radyal ve teğetsel bileşenler de hız üçgenini değiştirir.

Nominal iz, pervane etkisi olmadan gövdenin oluşturduğu akımı; etkin iz ise çalışan pervaneyle etkileşimi içeren akımı tanımlar. Bunlar açıklamasız biçimde birbirinin yerine kullanılmamalıdır. ITTC sayısal tahmin prosedürü, tam ölçek ve etkin iz düzeltmelerini ele alır. İtme noktasını sağlayan ortalama giriş hızı, yerel bir iz tepesini yine de kaçırabilir.

Yavaş bir bölge emme yükünü neden artırabilir?

Sabit hatveli ve indüklenmiş hız değişimleri ihmal edilen basit bir kesitte giriş açısı yaklaşık arctan[V_A/(2πnr)] olur. n saniyedeki devir sayısı, r kesit yarıçapıdır. Eksenel hız azalınca giriş açısı küçülür ve kanadın hücum açısı büyüyebilir. Böylece yerel eksenel hız azaldığı halde emme yüzeyi basıncı düşebilir. Yalnızca gemi hızına bakmak bu ilişkiyi gizler.

Kanat hız eksikliği bölgesinden çıktıktan sonra boşluğu hızla küçülebilir. Kanat çarpıklığı, iz bölgesine girişin fazını yarıçap boyunca dağıtır; fakat iz akımını ortadan kaldırmaz ve kavitasyonsuz çalışma garantisi vermez. Tasarım dışı hatve, manevra akımı veya yüksek yükte, tasarım noktasındaki olumlu davranış değişebilir.

Kavitasyon sayısı tanımlanmış referans ister

σ = (p_ref − p_v)/(0,5ρV_ref²) olarak tanımlansın. p_ref mutlak referans basıncı, p_v belirtilen sıcaklıktaki buhar basıncı, ρ yoğunluk ve V_ref açıkça seçilmiş referans hızdır. Daha düşük σ, bu hız ölçeğine göre genellikle daha az basınç payı gösterir. Ancak evrensel bir başlangıç sınırı değildir; geometri, hücum açısı ve çekirdekler de etkilidir.

ITTC model deney prosedürü farklı hız tanımlarına yer verir ve seçilen referansın belirtilmesini ister. nD temelli bir değer, yerel bileşke kesit hızıyla hesaplanan değerle doğrudan karşılaştırılamaz. Atmosfer referansı tutarlı biçimde eklenmeden manometrik basınç da paydaki mutlak basıncın yerine konamaz.

Çözümlü örnek: batma derinliği basınç payını değiştirir

Deniz suyu yoğunluğu 1 025 kg/m³, yerçekimi ivmesi 9,81 m/s², atmosfer basıncı 101,3 kPa, buhar basıncı 2,3 kPa ve referans noktasının sakin yüzeyden derinliği 4,0 m olsun. V_ref = 25,0 m/s alınsın. Hidrostatik basınç kabul edilen bu öğretici örnekte kıç dalgası düzeltmesi yoktur. p_ref = 101,3 + 1 025 × 9,81 × 4,0/1 000 = 141,521 kPa bulunur.

Dinamik basınç paydası 0,5 × 1 025 × 25,0²/1 000 = 320,3125 kPa, dolayısıyla σ = (141,521 − 2,3)/320,3125 = 0,4346 olur. Diğer girdiler sabitken derinlik 2,0 m yapılırsa p_ref = 121,4105 kPa ve σ = 0,3719 bulunur. Yaklaşık %14,4 azalma yalnızca seçilen boyutsuz payı anlatır; erozyonun %14,4 arttığı anlamına gelmez.

V_S = 10,0 m/s ve ortalama V_A = 7,0 m/s için w = 0,30 olur. n = 2,0 s⁻¹ ve çap D = 5,0 m ise ilerleme katsayısı J = V_A/(nD) = 0,70 bulunur. Bu ek değerler işletme noktasını tanımlar; çevresel iz dağılımını veya kavitasyon başlangıç sınırını belirlemez.

Kanat geçiş frekansı her darbeyi açıklamaz

Saniyede 2,0 devir yapan beş kanatlı pervanenin kanat geçiş frekansı Zn = 10,0 Hz olur. Tekrarlanan kanat olayları bu frekansta ve harmoniklerinde bileşenler üretebilir. Boşluk hacminin değişimi, kavitasyonsuz kanadın katkısına ek basınç uyarımı getirir; düzensiz kopma ayrıca geniş bantlı dalgalanmalar oluşturur.

ITTC basınç dalgalanması prosedürü, fazla ilişkili harmonik incelemeyi geniş bant incelemesinden ayırır. Yalnızca 10 Hz genliği, kısa ve dik bir çökme darbesini bütünüyle tanımlamaz. Pervane yakınındaki gövde basıncı da uzak alanda suya yayılan gürültüyle aynı büyüklük değildir; ölçüm konumu, yayılım ve yapısal tepki araya girer.

Anlamlı deney hangi koşulları korur?

Karşılaştırmada su çekimi, hız, şaft devri, ilgiliyse hatve, itme veya tork, basınç referansı ve su koşulu kaydedilir. Boşluk büyümesini iz geçişiyle ilişkilendirmek için görüntülerde kanat konumu ve zaman tabanı gerekir. Aksi halde iki etkileyici fotoğraf, daha iyi ve daha kötü geometri yerine farklı işletme noktalarını gösteriyor olabilir.

Model deneyleri bütün tam ölçek benzerlik koşullarını aynı anda sağlayamaz. Reynolds etkileri, çekirdek dağılımı, model doğruluğu ve iz üretimi değerlendirilmelidir; ITTC deney kılavuzu bu konuları açıkça kapsar. Sayısal sonuç için de zaman ve uzay yakınsaması ile ileri sürülen büyüklüğe uygun doğrulama gerekir.

Çözümü gözlenen mekanizmayla eşleştirmek

Giriş akımını düzgünleştirmek, kanat yükünü dağıtmak, geometriyi değiştirmek veya işletme noktasını ayarlamak farklı mekanizmaları etkiler. Her seçenek verimi, yapısal yükü ya da başka bir kavitasyon biçimini değiştirebilir. Açık suda verimli bir pervane, belirli bir gövdenin arkasında en sessiz veya erozyona en dayanıklı seçenek olmayabilir.

Güvenilir teşhis; boşluğun nerede oluştuğunu, ne zaman çöktüğünü ve hangi basınç ya da hasar bulgusuyla eşleştiğini bağlar. Karşılaştırılabilir koşullarda tekrarlanan gözlemler, bütün kıç titreşimlerini kavitasyona bağlamaktan daha açıklayıcıdır. Nihai kabul, tek fotoğrafa veya σ değerine değil; gemiye, işletme aralığına ve geçerli sözleşme ya da klas ölçütlerine dayanır.

Kaynaklar