فروشگاه فایل آموزشی

این وب سایت وابسته به شرکت علمی و تحقیقاتی استم بوده و در زمینه تهیه فایل های آموزشی فعالیت دارد

۷ مطلب در شهریور ۱۳۹۵ ثبت شده است

بررسی کاویتاسیون در یک پروانه دریایی....

As the propeller turns it absorbs the torque developed by the engine at given revolutions i.e., the delivered horsepower – and converts that to the thrust which, in turn, pushes the vessel through the water. According to Bernoulli’s law the passage of a hydrofoil (propeller blade section) through the water causes a positive pressure on the face of the blade and a negative pressure on its back. It is the resolution of the pressures that results in the torque requirement and the thrust development of the propeller. The negative pressure causes any gas in solution in the water to evolve into bubbles similar to those found when opening a bottle of lemonade or champagne. These bubbles collapse and can cause hammer like impact loads on the blades often in excess of 7 kg/cm2. It is the collapse of these bubbles that results in the observed damage to the propeller blade surfaces.

The ratio of the absorbed power or the delivered thrust to the total blade area of the propeller is called, respectively, the power and the thrust loading. If either of these exceeds a certain value which depends upon a complex relationship between the propeller type, the flow in which it works and its mean depth below the water relative to its diameter then the flow pattern of the water over the propeller blades breaks down causing a severe loss of thrust and, eventually, physical damage to the surface of the propeller blades and, also, the rudder and local steelwork of the vessel’s hull. That flow breakdown is called cavitation and is strictly analogous to the water hammer often heard in old plumbing systems. Cavitation is a highly complex phenomenon and the pitting damage it causes usually – but not necessarily – appears on the back of the blade following a clear radial pattern. It can also appear as similar damage on the driving face of the propeller in which case, almost certainly, a further factor has entered the problem in the form of an incorrect pitch distribution along the length of the blade. Most small craft propellers are usually of constant pitch over the blade length and that regime is accurate enough for 99% of boats but on high speed boats with large propeller loading factors the pitch should vary over the length of the blade i.e., the boat should be fitted with a varying pitch propeller. The effects of cavitation including loss of speed and damage to the propeller blades can be minimised by ensuring that the propeller has sufficient blade area relative to the area of the circle described by the propeller blade tips.

It is often said that cavitation is analogous to boiling with the former taking place at constant ambient temperature and the latter usually at constant ambient pressure. While the destructive potential of collapsing vapour bubbles is usually the main interest to the small craft marine surveyor, he should also keep in mind that there are also important issues of noise and vibration due to the radiating pressures involved to be considered and taken into account. The phenomena experienced in cavitation attack are usually found to be a function of the type of cavitation met, its proximity to the water surface and the rate of change of the cavity’s volume. The marine surveyor should also be aware that when the water cavities violently collapse, the local temperature in the vicinity of the cavity may also change. Experimentally it has been found that with mild steel temperatures near the cavity have locally risen to as high as 400°C when the specimen has been deeply submerged in water with a constant ambient temperature of only 25°C. Careful examination of the metal surface in way of severe cavitation damage may also reveal shades of colour due to the metal being tempered. Different metals have different resistances to attack from cavitation.

Figure 1 shows the various types of propeller cavitation

Figure 1 shows the various types of propeller cavitation

When a vessel suffers propeller cavitation the material’s surface is subjected to a continuous bombardment of impacts from a fluctuating pressure field. The propeller’s material is ductile at normal sea water temperature and, usually, the first sign of a problem is the so-called orange peel effect where the surface suffers ductile deformation leaving it looking like the surface of the familiar fruit. After that preliminary stage and depending upon the severity of the attack, damage may either cease or continue. Micro-hardness testing of both damaged and undamaged blades shows that, under conditions of cavitation attack, the material in the layers immediately below the surface work hardens and, therefore, becomes brittle. The tests show that, for undamaged blades, there is a relatively minor alteration in hardness just below the surface probably due to the manufacturing and finishing processes. On the blade surfaces that have suffered cavitation damage, however, a rapid change in hardness can be measured in the two millimetres or so closest to the area of cavitation attack. The marine surveyor should, therefore, expect that the material will fail under cavitation attack and that the failure will contain a strong element of brittleness. Experiments also show that a major influence on the rate of erosion and damage growth is the local electro-potential of the material.

There are different patterns of propeller cavitation that can occur on a marine propeller as illustrated in Figure 1 and these are usually grouped as:
• tip vortex cavitation
• sheet cavitation
• cloud cavitation
• bubble cavitation
• root cavitation
• face cavitation
• boss vortex cavitation

Some of these forms are relatively benign but others can be very aggressive in their effect on the propeller’s material.

Tip vortex propeller cavitation is due to low pressure within the vortices shed at the blade tips. Boss or hub vortex cavitation is usually due to a high angle of incidence between the direction of flow of the water and the blade leading edge in way. It can result in the outer edge of the blade looking a bit moth eaten. That form of cavitation is usually the first to show and is strongly influenced by, inter alia, the radial distribution of the propeller’s loading, the nature and variation of the vessel’s effective wake field in which the propeller operates and the local design of the blade tip. The latter is particularly true of propellers operating in Kort nozzles. When the propeller has a high or sometimes even a moderate degree of skew, vortices can also appear on the outer regions of the blades leading edge which can interact often quite aggressively with the ordinary tip vortex. The vortices can often collapse on the leading edge of the rudder or rudder horn causing severe erosion and pitting damage there. The author remembers one case where, after a short time in service, a line of deep pitting appeared on all four blades of the starboard propeller of a twin screw vessel while the port propeller was left undamaged. The damage was eventually traced to a vortex running off a padeye that had inadvertently been left welded to the shell.

Blade sheet cavitation occurs when large suction pressures build up near the leading edge of the blade resulting in the back of the blade being covered with a sheet of bubbles and is largely a function of the angle of attack of the propeller blade sections to the varying wake field encountered as the propeller rotates. The greatest pressure reductions occur on the back of the blade and this is where most sheet and bubble cavitation takes place and high tip speeds increase the possibility of such cavitation. If the sheet is relatively stable then damage to the blades is less likely than if the sheet demonstrates any form of instability.

Cloud cavitation is frequently found close to the collapse area of sheet cavitation and is extremely aggressive due to the damaging effects of the collapse of large numbers of bubbles and should always be treated with caution and, where possible, eliminated.

Bubble cavitation usually occurs at mid chord and is usually associated with too high a curvature or camber of the blade sections. It can be eliminated, if its presence can be suspected, in the design stage.

Figure 2 shows a typical pressure regime around a marine propeller blade section

Figure 2 shows a typical pressure regime around a marine propeller blade section

Root cavitation may appear at different times in the propeller’s rotation if the circulation round the root is sufficiently strong and can be sufficiently aggressive to cause erosion damage to the boss. When the root vortices have passed down stream beyond the propeller they unite into the boss vortex and often appear in the form of a stranded rope with the number of strands equal to the number of blades. If, as is usual on single screw vessels, the rudder lies immediately abaft the propeller the rope of bubbles can collapse causing severe damage to the leading edge of the rudder or rudder post.

Face propeller cavitation occurs on the driving face of the propeller and is often due to an incorrect pitch distribution along the length of the blade resulting in the tip pitch being too small and the blade sections developing a negative angle of attack. Its results are frequently found on controllable pitch units. On one cast iron propeller of the author’s knowledge such face cavitation resulted in a hole right through each of the four blades through which it was possible to pass a man’s hand to shake hands with another man on the other side of the propeller. In the past this form of cavitation was usually considered to be very dangerous but recent research suggests that that is not necessarily so. Nevertheless, where possible, it should either be avoided or relieved by suitable design.

An associated phenomenon is called propeller-hull cavitation and sometime occurs at slow speed high load conditions such as when the vessel is accelerating from a dead slow condition. It is due to the fact that, under such conditions, the propeller sometime cannot draw enough water from ahead to satisfy its flow need and, instead pulls it in from astern. The region most affected is ahead of the propeller under the sternframe arch and the phenomenon may result in small areas of erosion and pitting on the hull. The collapse of the bubbles in the blade tip and root vortices can often lead to cavitation damage in the form of pitting on the leading edge of the rudder. When on trials, if the propeller is cavitating badly the resulting noise sounds like gravel being forcibly thrown against the underside of the hull.

A propeller is said to be fully cavitating when the whole of the back is covered in sheet cavitation. This phenomenon is also called super cavitation and is a whole new ball game.

۰ نظر موافقین ۰ مخالفین ۰

راه حل هایی برای پیشگیری از کاویتاسیون در پروانه های دریایی....

Solutions for cavitation in marine propeller

With the introduction of the marine propeller back in the early 19th century, cavitation during operation has always been a limiting factor on efficiency of ships. Cavitation in marine propellers develops when the propeller operates at a high speed. To combat cavitation, ships have to operate at a lower speed than maximum that their engines could produce, increasing operating costs and lowering efficiency. Ever since the introduction of the propeller, solutions for cavitation had developed and tested.

Replica of a propeller from the USS Monitor

Contents

  
  • 1Propeller Control System+
  • 2Nozzle System
  • 3Air-Filled Rubber Membrane
  • 4Different Materials for Propellers
  • 5References

Propeller Control System+

While there are already many different types of variable-pitch propellers in use on ships at this point, they actually in many cases increase the likelihood of cavitation. Variable-pitch propellers change the pitch, or angle, that a propeller is set at so that the maximum power output can be attained.[While the current systems do in fact maximize output, they increase cavitation as they do not continually adjust to changing water conditions. If there is anything besides calm waters, cavitation risk in marine propellers increases.

To combat this problem, the Propeller Control System+ was developed by the Royal Netherlands Navy. This new system was put through numerous tests in the Caribbean, where water conditions can change dramatically. The results of these tests showed that the PCS+ increased the speed of a ship by as much as ten percent. The PCS+ was able to accomplish this by adjusting the “angle of attack” of the propeller, which is the angle at which the propeller spins through water. By constantly changing this angle to deal with water conditions such as waves, marine propeller cavitation is reduced.[1] When the PCS+ is compared to other systems currently in use, the PCS+ at the same speed produces considerably less air bubbles, reducing cavitation.

The tests that were conducted by the Royal Netherlands Navy were on ships that only had one shaft and thus one propeller. If a ship that has more than one shaft is properly equipped with the PCS+, the benefits for that ship would increase significantly.[1] Despite the high cost of installing this system, this system more than pays itself off in the increased speed and less wear on the propeller.[1] Since only one nation has tested the Propeller Control System+, there is a lack of availability for prospective customers.

Nozzle System

As the name suggests, this systems uses a set of nozzles to help reduce and prevent the likelihood of cavitation in propellers. This system was developed by Samsung Shipping which is based in South Korea. In order to reduce the possibility of cavitation happening in marine propellers, a set of nozzles are placed on the hull of the ship directly in front of the propeller. These nozzles spray out compressed air over the propeller that creates “a macro bubble”. This bubble completely encompasses the propeller that is in operation. With the differing characteristics of the seawater outside of the bubble and the air inside, a zone develops that has the ability to reduce the “resonance frequency”. Due to this reduction, cavitation is less likely to occur during operation of a marine propeller.

To determine how effective this nozzle system could be, multiple tests were carried out with the nozzles and without them. In these tests, it was discovered that the resonance frequencies and the likelihood of cavitation could be reduced by up to 75%.Those who conducted these tests also tried two different arrangements of the nozzles to find out which one was more effective. The first arrangement used only one nozzle, which though it used considerably less power than the other option, it was not nearly as successful. The multi-nozzle system, on the other hand, gave much better results but required more power to operate.

While this nozzle system has major drawbacks particularly in its power requirements, the possibility of cavitation in the operation of marine propellers is reduced considerably. Thus, to some ship owners and operators, the cost of installing these nozzles and operating them is outweighed by the benefits of increased efficiency in their propellers.

Air-Filled Rubber Membrane

The Air-Filled Rubber Membrane, so it’s called, uses the same principles as the Nozzle System to reduce cavitation in marine propellers. Since the Nozzle System requires a large source of energy to operate, the creators sought to create a system that has the same results but is cheaper to operate. This membrane builds on the lessons learned in designing the Nozzle System and uses a pocket of air to prevent cavitation but does not require nozzles or compressors.While at the same time as limiting the cost of operation, this membrane provides just as much protection against cavitation as the nozzles do.

The Air-Filled Rubber Membrane is placed directly behind an operating marine propeller in the hull. As described before, the differing characteristics of the air in the membrane and the seawater around it reduce the resonance frequency, which in turn increases the point at which cavitation is encountered.The membrane is specially designed which, along with the use of rubber, furthers the effect of reducing the frequency.This membrane is cheaper to operate than the Propeller Control System+ and the Nozzle System but is not as effective as the PCS+ in reducing cavitation.

Different Materials for Propellers

This solution focuses on the materials that marine propellers are created from which is a direct factor in cavitation. While redesigning propellers would only garner an extra one or two percent efficiency in operation, changing the materials a propeller is made from has greater effects.The most common blend that marine propellers are created from is the nickel aluminum bronze blend. While this blend can resist erosion which is why it is so common, it cannot properly handle cavitation.

However, this is beginning to change. The Royal Netherlands Navy for one is starting to experiment with composite materials like resins or carbon fiber.These materials, when formed into a propeller, are flexible enough under pressure to “deflect,” which can reduce cavitation.Other options are made from carbon fiber, epoxy resin, or even glass, and are able to produce “a hydro elastic effect”.Since these new propellers can flex and are not nearly as rigid under pressure, the risk of cavitation is reduced.

While replacing propellers would be the most efficient on ships that are currently under construction, the benefits from newer propeller materials could outweigh costs of replacing current marine propellers.Despite the initial cost of the propellers, this solution costs nothing to operate making it more feasible to shipping around the globe.

۰ نظر موافقین ۰ مخالفین ۰

بررسی دقیق تر پدیده حفره زدایی...

هر گاه دمای مایع، در فشار ثابت افزایش و یا فشار آن در دمای ثابت، کاهش یابد، در نهایت حالت مایع شروع به تغییر کرده و حبابهای پر شده از بخار آب و یا گاز تولید می‌گردند. این حبابها را می‌توان به عنوان فضاهای خالی در مایع در نظر گرفت (در زبان انگلیسی کاویتی Cavity نام دارند).

بنابراین هم بوسیله افزایش دما در فشار ثابت و هم کاهش فشار دینامیکی در دمای ثابت، حباب در مایع بوجود می‌آید. نخستین روش جوشیدن (Boiling) و دومین روش کاویتاسیون نام دارد .

  • ۱کاویتاسیون(cavitation)
  • ۲کاویتاسیون در لوله‌های U شکل
  • ۳سوپر کاویتاسیون
  • ۴کاویتاسیون چیست و راههای جلوگیری از کاویتاسیون
  • ۵انواع کاویتاسیون که ممکن است در پمپ‌ها اتفاق بیافتد
    • ۵.۱کاویتاسیون تبخیری (نارسایی NPSHa)
    • ۵.۲کاویتاسیون از نوع مکش
  • ۶عدد کاویتاسیون

کاویتاسیون(cavitation)

کاویتاسیون باعث ایجاد حباب در یک مایع در اثر کاهش فشار آن مایع می‌گردد. آب یا هر مایع دیگری، در هر درجه حرارتی به ازای فشار معینی تبخیر می‌شود.هرگاه در حین جریان مایع، فشار مایع در نقطه‌ای از فشار تبخیر مایع در درجه حرارت مربوطه کمتر شود،حبابهای بخار یا گازی در فاز مایع به وجود می‌آیند که به همراه مایع به نقطه‌ای دیگر با فشار بالاترحرکت می‌نمایند.

شاید برای برخی سوال باشد که تفاوت کاویتاسیون با فرایند تبخیر چیست، این تفاوت رامی توان از تعاریفی که از هر یک از آنها می‌شود جستجو کرد. تبخیر به صورت زیر بیان می‌شود:اگر تبدیل مایع به گاز ناشی از افزایش دما باشد آن را تبخیر می گوینددر حالی که تعریف تحت لفظی کاویتاسیون در زیر آمده است:

اگر تبدیل مایع به گاز ناشی از کاهش فشار باشد (فشار سیال از فشار بخار کمتر گردد) کاویتاسیون رخ می‌دهد .

انواع کاویتاسیون ( حفره زایی )  : 1. حفره زایی حبابی 2. حفره زایی پره 3. حفره زایی بن پروانه 4. حفره زایی ابری 5. حفره زایی محفطه ی پروانه 6. حفره زایی نوک گردابه 7. حفره زایی میانه گردابه

مهمترین آثار کاویتاسیون عبارتند از : ایجاد تغیرات در هیدرو دینامیک سیال , صدمه به سطوح مرزی بین جامد و سیال و ایجاد ارتعاش . این آثار محدودیتهای قابل توجه ای را در طراحی و ساخت وسایل و تجهیزات هیدرودینامیکی و هیدرولیکی به وجود می آورند .کاویتاسیون را می توان در توربین ، پمپ ، نازل ، پروانه ، یاتاقان ، افشانه ، چرخ دنده ، سد ، کانال ، سازه های دریایی و... مشاهده نمود .

در سیستم های هیدرو دینامیکی و هیدرولیکی ، جریانهای همراه با کاویتاسیون ، از نوع توربولانس ( Turbulance ) است و دینامیک آن در اندرکنش بین فاز مایع و گاز ، پیچیده بوده و به شرایط سیالیت ( فشار ، سرعت ، چگالی ، ویسکوزیته ) وهندسه سطوح مرزی بین جامد ـ مایع بستگی دارد .


۱. تغییرات هیدرو دینامیکی : کاویتاسیون پیوستگی الگوی حرکت سیال را مختل میکند ، زیرا حباب باعث جابجایی سیال شده و اندرکنش دینامیکی بین سیال و مرزهای آن را دچار آشفتگی می نماید .این مسئله باعث ایجاد مقاومت در مقابل حرکت سیال میگردد . به عنوان مثال کاویتاسیون در پروانه کشتی ، توربین و پمپ ها توان خروجی و بازدهی را کاهش میدهد .

۲. صدمات حاصل از کاویتاسیون : در علوم دریایی ، آثار مخرب کاویتاسیون بیشتر مورد توجه بوده است . کاویتاسیون باعث جدا شدن ذرات ماده از سطوح مرزی بین جامد و مایع می گردد و در نتیجه فرسایش و خوردگی شدید در هرگونه سطح در تماس با مایع ، بوجود می آید .حبابهای حاصل از کاویتاسیون ناپایدار می باشند و ایجاد و انبساط آنها بستگی به کاهش فشار مایع دارند ، لیکن به محض اینکه فشار سیال افزایش یابد ، این حبابها با سرعت زیاد منقبض شده و دچار فروپاشی می گردند و در نتیجه امواج شوک نیرومند در سیال ایجاد می شوند . این امواج ذراتی از فلز را از هرگونه سازه ای که در تماس با مایع قرار دارد ، جدا کرده و باعث خوردگی و فرسایش آن می شوند و در نتیجه با گذشت زمان ، سطوح مرزی تخریب میگردند.

۳. ارتعاش و صدا : ارتعاش و سرو صدا از دیگر آثار کاویتاسیون هستند . در اثر افزایش فشار و فروپاشی حباب های حاصل از کاویتاسیون ، امواج شوک باعث ایجاد غرش می گردند . انرژی آزاد شده ارتعاش شدید محیط را در پی دارد . این مسئله به ویژه در نیروی دریایی از اهمیت بیشتری برخوردار است زیرا ردگیری شناور خودی توسط دشمن آسان تر میگردد .از آنجائیکه کاویتاسیون پدیده ای ناپایدار بوده و نیروهای نوسانی در آن دخالت دارند ،چنانچه یکی از مؤلفه های فرکانسی این نوسانات با فرکانس طبیعی ، بخشی یا همه یک ابزار هیدرودینامیکی برابر گردد ، آنگاه به علت رزونانس ، ارتعاش تشدیدی بوجود می آید .

هد خالص مثبت مکش (NPSH) جهت کنترل پدیده کاویتاسیون و برقراری شرایط عدم وجود کاویتاسیون از پارامتری به نام NPSH استفاده می شود. منظور از این پارامتر، هد خالص مثبت مکش می باشد. به جای این که نقطه حداقل فشار در داخل پروانه بررسی شود، مقدار هد خالص در قبل از پمپ بررسی می گردد و کارخانه سازنده پیش بینی لازم برای افت از ورود پمپ تا نقطه حداقل فشار در داخل پروانه را انجام می دهد.

کاویتاسیون در لوله‌های U شکل

طبق شکل روبرو فرض می‌کنیم ظرفی داریم که حول محور خود با سرعت زاویه‌ای مشخص می‌چرخد. طبق مفاهیم چرخش لوله‌های U شکل، در لوله‌ها باید خط سهمی شکل در جریان‌ها ایجاد شود ولی در این لوله که یک سر آن بسته است؛ در سمت چپ لوله مایع نمی‌تواند بیاید پایین چون جای مایع چیزی نیست که پر بشود و خلا هم نمی‌تواند ایجاد شود. بنابراین آب در سمت چپ پایین نمی‌آید و چون در سمت چپ پایین نمی‌آید، بنابراین سمت راست بالا نمی‌رود. اما اگر سرعت زاویه‌ای آن قدر زیاد شود که فشار ایجاد شده در نوک بالای سمت چپ به فشار بخار می‌رسد، در آن نقطه تبخیر رخ می‌دهد که در واقع فرایند کاویتاسیون رخ می‌دهد.

سوپر کاویتاسیون

پدیده فیزیکی سوپرکاویتاسیون این امکان را فراهم می‌سازد تا یک شناور زیر سطحی در هاله‌ای از یک حباب بزرگ قرار گیرد به گونه‌ای که به جای تماس با آب، که نیروی پسا (Drag) زیادی را تولید می‌کند، تنها با بخار آب در تماس باشد و بدین گونه اصطکاک به میزان بسیار زیادی کاهش می‌یابد و در نتیجه شناور راحت تر و با سرعت بالاتر حرکت می‌کند.

کاویتاسیون چیست و راههای جلوگیری از کاویتاسیون

این پدیده یکی از خطرناک‌ترین حالت‌هایی است که ممکن است برای یک پمپ به وجود آید. آب یا هر مایع دیگری در هر درجه حرارتی به ازای فشار معینی تبخیر می‌شود. هرگاه در حین جریان مایع در داخل چرخ یک پمپ فشار مایع در نقطه‌ای از فشار تبخیر مایع در درجه حرارت مربوطه کمتر شود حباب‌های بخار یا گاز در فار مایع به وجود می‌آیند و به همراه مایع به نقطه‌ای دیگر با فشار بالاتر حرکت می‌نمایند. اگر در محل جدید فشار مایع به اندازهٔ کافی زیاد باشد حبابهای بخار در این محل تقطیر شده و در نتیجه ذراتی از مایع‌از مسیر اصلی خود منحرف شده و با سرعتهای فوق‌العاده زیاد به اطراف واز جمله پره‌ها برخورد می‌نمایند. در چنین مکانی بسته به شدت برخورد سطح پرهها خورده شده و متخلخل می‌گردد. این پدیده مخرب در پمپ‌ها را کاویتاسیون می‌نامند.پدیده کاویتاسیون برای پمپ بسیار خطرناک بوده و ممکن است پس از مدت کوتاهی پره‌های پمپ را از بین ببرد. بنابر این باید از وجود چنین پدیده‌ای در پمپ جلوگیری کرد.کاویتاسیون همواره با صداهای منقطع شروع شده وسپس در صورت ادامه کاهش فشار در دهانه ورودی پمپ بر شدت این صداها افزوده می‌گردد. صدای کاویتاسیون مخصوص ومشخص بوده و شبیه برخورد گلوله‌هایی به سطح فلزی است. همزمان با تولید این صدا پمپ نیز به ارتعاش در می‌آید. در انتها این صداهای منقطع به صداهایی شدید ودائم تبدیل می‌گردد و در همین حال نیز راندمان پمپ به شدت کاهش میابد. این پدیده در سرعتهای بالا باعث خرابی و ایجاد گودال می‌گردد.گاهی در یک سیستم هیدرولیکی به علت بالا رفتن سرعت‚فشار منطقه‌ای پائین می اید و ممکن است این فشار به حدی پائین بیاید که برابر فشار سیال در آن شرایط باشد و یا در طول سرریز یا حوضچه خلاءزایی در اثر وجود ناصافیها و یا ناهمواریهای کف سرریز خطوط جریان از بستر خود جدا شده و بر اثر این جداشدگی فشار موضعی در منطقه جداشدگی کاهش یافته و ممکن است که به فشار بخار سیال برسد. در این صورت بر اثر این دوعامل بلافاصله مایعی که در آن قسمت از مایع در جریان است به حالت جوشش درامده و سیال به بخار تبدیل شده و حبابهایی از بخار بوجود میاید. این حبابها پس از طی مسیر کوتاهی به منطقه‌ای با فشار بیشتر رسیده و منفجر می‌شود و تولید سر وصدا می‌کند و امواج ضربه‌ای ایجاد می‌کند و به مرز بین سیال و سازه ضربه زده و پس از مدت کوتاهی روی مرز جامد ایجاد فرسایش و خوردگی می‌کند. تبدیل مجدد حبابها به مایع و فشار ناشی از انفجار آن گاهی به ۱۰۰۰ مگا پاسکال می‌رسد.

انواع کاویتاسیون که ممکن است در پمپ‌ها اتفاق بیافتد

کاویتاسیون تبخیری (نارسایی NPSHa)

شایعترین نوع کاویتاسیون می‌باشد و حدود ۷۰٪ از کاویتاسیون‌ها را در بر می‌گیرد. برای جلوگیری از این نوع کاویتاسیون، مقدار NPSHa در سیستم باید از مقدار NPSHr (حداقل انرژی مورد نیاز پمپ که توسط کارخانه سازنده توسط منحنی‌هایی به همراه کاتالوگ پمپ ارائه می‌گردد) بیشتر باشد. برای جلوگیری از صدمات ناشی از این نوع کاویتاسیون، راهکارهای زیر پیشنهاد می‌گردد:

۱- کاهش دما که مقدار هد ناشی از فشار بخار سیال را کاهش دهد، هرچه دما کمتر باشد در نتیجه فشار اشباع متناظر به آن کمتر خواهد شد و در نتیجه احتمال کمتر شدن این فشار نسبت به فشار داخل پمپ افزایش می‌یابد. بنابراین وقتی خواستید که سیال با دمای بالا را پمپ کنید بسیار باید به این نوع کاویتاسیون دقت کنید.

۲- افزایش تراز مایع در مخزن مکش که مقدار هد استاتیکی را افزایش می‌دهد.

۳- بهبود و اصلاح پمپ شامل موارد زیر:

- کاهش سرعت که مقدار Hf(هد ناشی از افت) را کاهش می‌دهد.

- افزایش قطر چشمه پره

- بکار بردن دو پمپ کوچکتر بصورت موازی که موجب کاهش افد هد می‌شود.

NPSH=(P_atm-P_v)/γ – z - h_L

P_v= فشار بخار مایع P_atm= فشار هوا z= ارتفاع مکش h_L= مجموع افت های درونی سیستم


در این شرایط مایع مجبور می‌شود از ناحیه پر فشار پمپ به طرف ناحیه کم فشار آن در عرض پره بازگردش کند. وقتی در قسمت مکش یا تخلیه جریان گردابی ایجاد می‌شود که ناشی از سرعت بالای سیال می‌باشد جریان سیال برعکس شده و در خلاف جریان حرکت جریان عادی سیال باز گردش می‌کند.

باز گردش سیال باعث می‌شود که قطر مفید عبور سیال در قسمت مکش و تخلیه کاهش یابد و باعث کاهش فشار سیال گردد (مطابق اصل برنولی). با کاهش فشار و رسیدن فشار به فشار بخار سیال پدیده کاویتاسیون ایجاد می‌شود.

این نوع کاویتاسیون به دو حالت اتفاق می‌افتد:

اول اینکه مایع داخل محفظه پمپ با سرعت موتور باز گردش کرده و یکباره حرارتش افزایش پیدا کرده و فوق گرم می‌شود.

دوم وقتی که سیال مجبور می‌شود که از میان آب بندها و درزهای بین قطعات به سرعت عبور کند در این حالت حرارت بالا باعث تبخیر مایع خواهد شد.

صدمات ناشی از کاویتاسیون در پمپ‌های باز بیشتر در لبه تیغه‌های ایمپلر سمت چشم پره و در نوک تیغه‌ها تا قطر خارجی ایمپلر اتفاق می‌افتد. در پمپ‌های با ایمپلر بسته این صدمات روی نوارهای سایشی بین پرهو بدنه محفظه ایجاد می‌شود.

برای بهبود و تصحیح شرایط در حالت ایمپلر باز باید ایمپلر را به گونه‌ای تنظیم کرد که تلرانس بین تیغه‌ها و محفظه دقیقا تصحیح شود. در پمپ‌های پره بسته امکان تصحیح شرایط نیست اما لازم است جریان محصور شده در قسمت تخلیه پمپ آزاد شود.

فضای آزاد بین نوک پره و زبانه باید معادل ۴٪ قطر پره باشد. صدمات ناشی از این نوع کاویتاسیون بیشتر در نوک تیغه‌های خارجی پره و پشت زبانه، روی دیواره محفظه داخلی دیده می‌شود.


مثال یک پمپ گریز از مرکز با دبیm^3/s 0.0137 آب را با دمای ℃ 27 پمپ می کند. مقدار NPSH R پمپ طبق کاتالوگ کارخانه سازنده 4.57 می باشد. حداکثر عمق مکش را بدست آورید. قطر لوله مکش m 0.1 و فشار بخار اشباع در دمای ℃ 27 برابر با pa 3430 است.

NPSH A = (P_atm- P_v)/γ – z - h_L = NPSH R = 4.57 h_L= k V^2/2g = 20 . 1.75/(2*9.81) = 3.1 V= Q/A= 1.75 m/s 4.57= 3.1 - 9810/ 3430 - 101300 + z- z=2.32

کاویتاسیون از نوع مکش

مکش هوا می‌تواند به اشکال مختلف در لوله‌ها و نقاط دیگر پمپ اتفاق بی افتد. مثلا در صورت ایجاد خلا در پمپف هوا می‌تواند به درون لوله‌ها وارد شود. یکی از این نمونه‌ها پمپ بالاکش (Lift pump) می‌باشد. هوا از راههای زیر می‌تواند وارد پمپ شود.

۱- آببند شفت پمپ

۲- آببند ساق متصل به صفحه شیر در لوله مکش

۳- رینگ‌های اتصالی لوله مکش

۴- واشرهای آب بند صفحه فلنج در اتصالات لوله

۵- ارینگ‌ها و اتصالات پیچی در قسمت مکش

۶- ارینگ‌ها و آب بندهای ثانویه در آب بندهای تک

۷- سطوح آب بندهای مکانیکی تک

۸- از طریق حباب‌ها و حفره‌های هوا در لوله مکش

۹- از طریق مایعات کف کننده

راه‌های جلوگیری از کاویتاسیون نوع مکش هوا:

۱- آب بندی و بستن تمام سطوح، صفحات فلنج‌ها و واشرها

۲- درزبندی و بستن رینگ‌های آب بند و آببندهای ساقه متصل به صفحه شیر در لوله مکش

۳- نگه داشتن سرعت سیال به میزان ۸ فوت بر ثانیه (با افزایش قطر لوله)

۴- استفاده از آب بندهای مکانیکی دوبل

عدد کاویتاسیون

جریان‌های کاویتاسیونی بوسیله پارامتر تشابه که به عدد کاویتاسیون معروف است توصیف می‌شوند.

: فشار مطلق محلی (فشار جریان آزاد)

: سرعت جریان محلی (سرعت جریان آزاد)

: چگالی مایع

: فشار داخل و سطح ناحیه کاویتی که فقط در صورتی با فشار بخار اشباع مایع  برابر است که همه گازها از مایع و کاویتی جدا شده باشند. کشش سطحی و سایر فاکتورها، از قبیل وجود گرادیان دما، ممکن است باعث شوند که  با برابر نشود.

شایان ذکر است که عدد کاویتاسیون با استفاده از پارامترهای دینامیکی تعریف می‌شود و پارامترهای هندسی سیستم در تعریف آن دخالت ندارند. هم چنین در یک جریان غیر کاویتاسیون این پارامتر بی بعد نمی‌تواند به عنوان یک پارامتر تشابه قلمداد شود، زیرا اختلاف بین  و  اهمیت فیریکی برای جریان واقعی ندارد. عدد کاویتاسیون، تنها در شروع کاویتاسیون یک پارامتر تشابه است.

پارامتر  برای اندازه‌گیری کاویتاسیون بکار می‌رود. انواع مختلف پارامترهای هیدرودینامیکی مانند ضریب دراگ و لیفت، ضریب پشتاور و راندمان، وقتی که تشابه هندسی درست بین مدل و نمونه اولیه برقرار باشد توابع منحصز بفردی از  هستند. به طور کلی اگر  از یک مقدار بحرانی بالاتر باشد این پارامترها مستقل از  هستند. این مقدار بحرانی عدد کاویتاسیون اولیه  است. بطور کلی اگر  باشد، اثر کاویتاسیون وجود ندارد. وقتی  باشد اثرات کاویتاسیون ظاهر می‌شوند. عدد کاویتاسیون مقاومت جریان در مقابل کاویتاسیون را اندازه‌گیری می‌کند. هر چقدر عدد کاویتاسیون بیشتر باشد، احتمال وقوع کاویتاسیون کمتر است و برعکس. اگر کاویتاسیون در حال اتفاق افتادن باشد، کاهش عدد کاویتاسیون (بوسیله کاهش فشار استاتیک یا افزایش سرعت) وسعت کاویتاسیون رابیشتر می‌کند. افزایش  ممکن است کاویتاسیون را از بین ببرد.

اثرات عدد کاویتاسیون بر روند شکل گیری پدیده کاویتاسیون و مراحل شکل گیری پدیده کاویتاسیون  می‌تواند برای ارتباط دادن شرایط جریان به امکان وقوع کاویتاسیون و نیز نشان دادن درجات مختلف کاویتاسون به کار رود. برای مشاهده اثرات عدد کاویتاسیون بر روند شکل گیری پدیده کاویتاسیونی به مثال خاصی در این زمینه می‌پردازیم و می‌خواهیم ببینیم در عمل چه اتفاقی خواهد افتاد.

زمانی که سرعت جریان را افزایش می‌دهیم در حالیکه  و  ثابت باشند، با توجه به فرمول عدد کاویتاسیون می‌بینیم که در واقع سرعت  معادل کاهش  می‌باشد. در ایم مثال جریان آب گذرنده از روی سیلندری را درنظر می‌گیریم. برای  در دمای معمولی هیچ اثری از حبابهای بخار نیست. به محض اینکه مقدار  به زیر کاهش می بابدحبابهای ریزی در نقطه‌ای مانند نقطه  نزدیک سطح سیلندر شروع به شکل گیری می‌کنند. سپس این حبابها به سمت داخل  حرکت کرده و به پایین دست جریان منتقل می‌شوند. این پدیده که شروع کاویتاسیون نامیده می‌شود خیلی شبیه به جوشش هسته دار () می‌باشد. عدد کاویتاسیونی که در این اتفاق رخمی می‌دهد عدد کاویتاسیون اولیه نامیده می‌شود. از آنجا که اندازه‌گیری فشار این حبابها در این موقعیت تقریبا غیر ممکن است بنابراین برای توصیف کاویتاسیون ابتدایی فشار داخل ناحیه کاویتی() همیشه برابر با فشار بخار اشباع مایع() در نظر گرفته می‌شود، چه گازهای حل نشده در مایع حضور داشته باشد و چه حضور نداشته باشد، وقتی این حبابهای تشکیل یافته به نواحی با فشار بالا منتقل می‌شوند به طور ناگهانی و سریعا متلاشی می‌گردند که باعث آسیب دیدن و ساییدگی جسم در نواحی متلاشی شدن می‌شوند.

عدد کاویتاسیون = ۱٫۲

با کاهش زیادتر  این حبابها تمام ناحیه  را پر می‌کنند و ناحیه پشت استوانه به صورت ناحیه‌ای پر شده از کف سفید قابل مشاهده می‌شود. این مرحله کاویتاسیون جزیی نامیده می‌شود و یک مرحله میانی است.

عدد کاویتاسیون = ۱٫۰

با پایین آوردن  مشاهده می‌شود که حبابهای موجود در ناحیه پوشیده شده از کف سفید با همدیگر ترکیب شده و یک حباب بزرگ و تقریبا پایدار پشت سیلندر تشکیل می‌دهند. این مرحله کاویتاسیون کامل نام دارد و حباب شکل گرفته کاویتی کاملا توسعه یافته نامیده می‌شود. سطح کاویتی هنوز مات و پر حباب می‌باشد و قسمت انتهایی کاویتی بسیار کف آلود و آشفته باقی می‌ماند.

عدد کاویتاسیون = ۰٫۷

وقتی  را خیلی پایین بیاوریم و به مقدار زیر  برسانیم سطح کاویتی به صورت آنی کاملا شفاف می‌شود و بخش اعظمی از طول کاویتی صاف می‌گردد. با این وجود انتهای ناحیه کاویتی هنوز آشفته باقی می‌ماند.

عدد کاویتاسیون = ۰٫۵

هرچه  را کاهش دهیم، کاویتی‌های کاملا توسعه یافته، هم از لحاظ طولی و هم از لحاظ عرضی رشد می‌کنند و ضریب پسا افت می‌کند.

جریان‌های غیر کاویتاسیون در فشارهایی به اندازه کافی بالا مشاهده شده حباب در آنها دیده نمی‌شود. جریان سوپر کاویتاسیون در فشارهای بسیار پایین روی می‌دهد به طوری که یک کاویتی بخار بسیار طویل ایجاد شده و جسم را کاملا پوشانده است. در بیشتر حالت‌ها به جز در نقاط نزدیک انتهای آن دیوارهٔ این کاویتی پایدار است. بین جریان غیر کاویتاسیون و جزیان سوپر کاویتاسیون جریانهای کاویتاسیون محدود (جزیی) و توسعه یافته وجود دارند.

بنابراین با توجه به مقادیر جریانها به صورت زیر قابل بیان هستند:

  • جریان غیر کاویتاسیون

 

  • شروع کاویتاسیون یا کاویتاسیون محدود

 

  • کاویتاسیون توسعه یافته

 

  • سوپر کاویتاسیون

 

بنابراین با کاهش عدد کاویتاسیون نرخ افزایش حجم ناحیه کاویتی بیشتر شده و ناحیه کاویتی بزرگتر می‌شود.

۰ نظر موافقین ۰ مخالفین ۰

Cavitation_کاویتاسیون

حُفره‌زایی (نام‌های دیگر: حباب‌زایی، خوردگی، کاویتاسیون، حفره‌سازی، خلاءزایی) (به انگلیسی: cavitation) پدیده‌ای است که در آن کاهش فشار باعث تبخیر موضعی مایع و ایجاد حباب‌هایی شود. این پدیده در پروانهٔ کشتی‌ها، اژدرها و پمپ‌های سانتریفیوژ و سرریز سدها رخ می‌دهد.در این پدیده که معمولاً در مایعات با حرکت متلاطم به دلیل اختلاف فشار در مایع رخ می‌دهد، فشار موضعی کم‌تر از فشار بخار مایع می‌شود. این امر باعث می‌شود تا مثلاً آب که در شرایط متعارف در ۱۰۰ درجه سانتیگراد شکل گازی پیدا می‌کند در دماهایی پایین‌تر زودتر به صورت گاز درآید.حباب‌های گازی ایجاد شده زمانی که دوباره به منطقه پرفشارتر وارد می‌شوند معمولاً منفجر می‌شوند. این ترکیدن حباب‌ها شوکی موج‌مانند ایجاد می‌کند که صدادار است و می‌تواند از طریق خوردگی حبابی به پروانه‌های کشتی آسیب برساند. هر نوع کشتی و هر نوع پروانه صدای حفره‌زایی ویژهٔ خود را تولید می‌کند و این باعث می‌شود تا خدمه زیردریایی‌ها بتوانند نوع کشتی‌های پیرامون خود را شناسایی کنند.

حفره‌زایی انواع گوناگونی دارد:

                                                                                                                                                           
  1. حفره‌زایی حبابی
  2. حفره‌زایی پره
  3. حفره‌زایی بُن پروانه
  4. حفره‌زایی ابری
  5. حفره‌زایی محفظهٔ پروانه
  6. حفره‌زایی نوک گردابه
  7. حفره‌زایی میانهٔ گردابه

                                                                    
 1. سطح مکش

 2. سطح فشار

 3. لبهٔ جلو

 4.زاویهٔ شارش  

 p: فشار هیدرواستاتیک

pu: فشار منفی

po: فشار مثبت

pv: فشار تبخیر

Vac. : خلاء

حفره‌زایی همچنین یکی از دلایل اولیه لرزش در پمپ‌های سانتریفوژ است. تولید حباب در پروانه پمپ وقتی رخ می‌دهد که طول مکش خالص مثبت مجاز (NPSHa) کمتر از عمق مکش درخواستی (NPSHr) پمپ شود. به این ترتیب به دلیل مکش موجود در محفظه پمپ، فشار مایع درون محفظه کاهش می‌یابد. طول مکش خالص مثبت (NPSH) عبارتی است که درباره شرایط مرتبط با پدیده حباب زایی پمپ توضیح می دهد.چنانچه فشار محفظه پمپ از فشار بخار مایع در دمای عملیاتی کمتر شود، مایع درون محفظه پمپ تبخیر شده و بصورت حباب درمی‌آید. این حبابها در برخورد با پروانه‌های پمپ ترکیده و نه تنها باعث لرزش پمپ می‌شوند بلکه آسیبهای جدی از جمله خوردگی زیاد در لبه پروانه‌ها و بدنه ایجاد می‌کنند که به مرور زمان باعث کاهش راندمان پمپ می‌گردد. وجود مانع در مسیر مکش، وجود زانویی در فاصله نزدیک ورودی پمپ و یا شرایط غیرعادی بهره‌برداری از عوامل این مسئله هستند.عمدتاً پدیده کاویتاسیون در سرریز سدها در سرعتهای بالا رخ می‌دهد گاهی در یک سیستم هیدرولیکی به علت بالا رفتن سرعت فشار منطقه‌ای کاسته شده و به حدی برسد که با فشار سیال در آن شرایط برابر شود، و یا در طول سرریز به دلیل ناصافی‌ها خطوط جریان از بستر خود جدا شده و در اثر این جداشدگی فشار موضعی در محل جداشدگی کاسته شود، و به فشار بخار سیال برسد، که در اثر این عوامل مایعی که در آن قسمت وجود دارد بلافاصله به جوشش درآمده و حباب‌هایی بوجود می‌آید که سرریز یا کانال در اثر ترکیدن این حبابها دچار صدمه و آسیب می‌شود، بطور معمول در سرعت‌های تقریباً ۲۰ متر بر ثانیه و بیشتر احتمال ایجاد پدیده کاویتاسیون وجود دارد، ولی کنترل این پدیده در سرعت ۱۵ متر بر ثانیه انجام می‌شود.

حفره زایی اولتراسونیک

یکی از روش‌هایی که به طور گسترده برای تخریب سلول و همگن سازی استفاده می‌شود، استفاده از فراصوت است. هموژنایزر اولتراسونیک با ایجاد امواج شدید فشاری در یک محیط مایع، کار می‌کند. امواج فشاری باعث جریان در مایع شده و تحت شرایط مناسب موجب تشکیل سریع میکرو حباب می‌گردد که رشد و یکی شدن این حباب‌ها تا رسیدن به اندازه بیشینه و در نهایت ترکیدن آنها حرارت شدیدی ایجاد می‌نماید. به این پدیده کاویتاسیون گفته می‌شود. انفجار حباب‌ها تولید موج ضربه‌ای با انرژی کافی برای شکستن پیوند کووالانسی می‌کند. نیروی برشی حاصل از انفجار حباب و همچنین از جریان‌های اغتشاشی ناشی از ارتعاش صوتی برای همگن سازی و تخریب سلول استفاده می‌شود. این فرایند می‌تواند به پاشش مایع با سرعتی در حدود ۴۲۰ کیلومتر در ساعت، ایجاد فشاری معادل ۲۰۰ بار و یا دمای بالای نقطه‌ای ۴۵۰۰ درجه سانتیگرادی در آن شود.

۰ نظر موافقین ۰ مخالفین ۰

10 کشوری که بیشترین کشتی ها را دارند


کشورهای دارنده بیشترین شمار کشتیها در سال ۲۰۱۵ از سوی سایت معتبر vessels value اعلام شدند.
 
به گزارش گروه بین الملل مانا، این رده بندی بر اساس ارزش کشتیهای موجود انجام شده است و طبق آن تنها افزایش به وجود آمده در سال ۲۰۱۵ به ارزش ناوگان کشتیهای متعلق به کشتیرانی مرسک مربوط می شود.
 
بر اساس این گزارش،  اگرچه کشور یونان در صدر جدول قرار گرفت اما به هرحال آمارها حاکی از کاهش ۱۱ درصدی ارزش کشتیهای متعلق به این کشور و رسیدن آن از ۱۰۵ هزار و ۶۰۵ میلیون دلار به ۹۵ هزار و ۲۸۷ هزار دلار است.
 
ارزش فله برها و کانتینربرهای این کشور به ترتیب ۲۱ هزار و ۱۴۲ هزار دلار و ۱۱ هزار و  ۴۶۹ هزار دلار ارزیابی شد. ارزش کشتیهای LNG و LPG این کشور نیز ۱۳ هزار و ۴۰۶ و چهار هزار و ۷۲۴  دلار ارزیابی شد.
 
ژاپن نیز طبق این جدول، رتبه دوم بیشترین ارزش ناوگان را در دنیا به خود اختصاص داد. این ناوگان نیز همانند همتای یونانی خود کاهش ۱۱ درصدی ارزش را در سال ۲۰۱۵ نسبت به سال جاری تجربه کرد.
 
ارزش فله برها و کانتینربرهای این کشور به ترتیب ۲۴ میلیون و ۷۱۳ هزار و ۱۲ هزار و ۶۶۲ میلیون دلار رسید.
 
ارزش ناوگان چین نیز با پنج درصد کاهش از ۷۰ هزار و ۷۷۱ دلار در سال ۲۰۱۵ به ۶۷ هزار و ۴۹۳ دلار در سال جاری رسید.
 
کشتیرانی مرسک در این جدول در رتبه نهم این جدول جای گرفت اما نکته قابل توجه افزایش ۱۸ درصدی ارزش ناوگان این شرکت کشتیرانی است. ارزش ناوگان کشتیرانی مرسک از ۱۸ هزار و ۸۶۶ دلار به ۲۲ هزار و ۹۶۵ دلار افزایش داشت.
۰ نظر موافقین ۰ مخالفین ۰

ترجمه کتاب

کتب پیشنهادی برای ترجمه در حوزه مهندسی کشتی سازی 


لینک دانلود


http://dl.kashti.ir/NOTES/translate.pdf

۰ نظر موافقین ۰ مخالفین ۰

کتاب جامع مهندسی معماری دریایی


نام کتاب: کتاب جامع مهندسی معماری دریایی

مولف: مهندس محمد مونسان

ناشر : کانون پژوهش

تعداد صفحات: ۷۷۸

نوبت چاپ اول: پاییز ۸۸

نوبت چاپ دوم: بهار ۱۳۹۱

فصل بندی :

۱- آشنایی با انواع شناورها و مهندسی معماری دریایی
۲- هیدرواستاتیک و پایداری
۳- هیدرودینامیک و پیشرانش
۴- حرکت کشتی در امواج دریا (دریامانی)
۵- معماری و جانمایی کشتی
۶- طراحی شناورهای تندرو سرشی
لینک دانلود

۰ نظر موافقین ۰ مخالفین ۰