Sự xâm thực chong chóng
18.3. Tiếng ồn do xâm thực và độ ăn mòn chong chóng.
Ngay trong giai đoạn thứ nhất của xâm thực tiếng ồn tăng lên đột ngột khi chong chóng làm việc và có thể các cánh của nó bắt đầu bị phá huỷ. Bản chất của các hiện tượng này gần nhau và có liên quan đến áp suất sinh ra khi các bọt xâm thực bị nổ vỡ (nổ đôm đốp).
Xâm thực là một quá trình không ổn định, nhờ nó người ta xác định được tiếng ồn do xâm thực gây nên. Tiếng ồn do xâm thực, về nguyên tắc đặc biệt hơn các tiếng ồn có nguồn gốc xuất xứ khác, trong đó cường độ của nó phụ thuộc vào hình dạng và mức độ phát triển xâm thực. Song song với tiếng nổ đôm đốp của các bọt, nguồn gốc của tiếng ồn xâm thực là sự giao động của các bọt khi chuyển động trong trường áp suất biến thiên. Với lượng lệch pha xác định so với sự thay đổi áp suất theo chu vi hốc sẽ giao động và là nguồn bức xạ rất có hiệu lực, trong đó hiệu quả của nguồn này càng cao hàm lượng không khí của dòng chảy càng thấp.
Khi hàm lượng không khí thấp gần một nửa thế năng của hốc có thể chuyển sang năng lượng âm thanh. Đối với các hốc đơn độc được coi là quá trình xâm thực cơ bản, độ bức xạ âm thanh được đặc trưng bằng phổ liên tục với cực đại nằm ở vùng có tần số:
P P d 1 f 0 m = Ơ (18.3.1) Trong đó: d0 – kích thước lớn nhất của hốc.
Như đã thấy từ công thức, khi tăng các kích thước của hốc cực đại sẽ dời vào vùng tần số thấp. Phổ cho biết trong vùng tần số thấp thì lượng âm thanh 6 – 12 dB cho một octa, và trong vùng tần số cao (102 KHz và cao hơn) lượng giảm âm thanh không được quá 6 dB cho một octạ
Các tính toán bức xạ âm thanh do xâm thực cho thấy rằng dãy không điều hoà của các quá trình xâm thực cơ bản có cùng phổ như phổ của hốc đơn độc.
Sự phụ thuộc của tiếng ồn xâm thực tới tốc độ tàu có tính chất phức tạp. Theo các số liệu tính toán trong giai đoạn đầu xâm thực lượng tăng âm thanh khi tăng tốc độ tàu và khi xâm thực phát triển có thể xảy ra hiện tượng bão hoà và giảm mức độ tiếng ồn một lượng nào đó (Xem H18.8).
Tốc độ tàu vSK, mà tại đó bắt đầu xảy ra hiện tượng xâm thực chong chóng có thể xác định theo các đồ thị xâm thực. Để đánh giá gần đúng ta có thể dùng công thức:
1 ( )J h 1 , 0 1 28 v 2 0 SK p + + = (18.3.2)
Trong đó: h0 - Độ ngập sâu của trục chong chóng dưới mặt nước tự do (Xem H18.9) Hình 18.8. Sự tăng mức độ tiếng ồn do xâm thực tính toán thí nghiệm Hình 18.9. Sơ đồ xác định tốc độ tới hạn.
Để đánh giá mức tổng hợp chung của tiếng ồn xâm thực trong suốt giới hạn tần số từ 0,1 KHz có thể sử dụng công thức: Lf > 0,1 = 91 + lgv + 10lg(ZpZ/4) (18.3.3) Trong đó ( ) S 2 J v 1 514 , 0 v= + p - tốc độ dòng bao các đỉnh cánh.
Theo định luật giảm mức phổ âm thanh khi tăng tần số đặc trưng cho tiếng ồn xâm thực, mức độ tổng hợp chung Lf > 0,1 có liên quan đến mật độ phổ bằng công thức:
G = Lf > 0,1 +2,0 + 20 lgf (18.3.4)
Sự xâm thực cánh chong chóng đã gây lên hiện tượng rỗ xâm thực. Nó là sự xâm phạm cục bộ bề mặt cánh chong chóng, phát ra các màu tựa màu bị ôxi hoá. Sau đó xuất hiện các lỗ châm kim và khe rãnh làm tăng độ nhám bề mặt – vết rỗ xuất hiện. Tiếp tục trên cánh hình thành các lỗ sâu và từ đó bắt đầu cào ra những mẩu kim loạị Khi rỗ phát triển mạnh nó có thể tạo nên lỗ xuyên suốt và cánh hoàn toàn bị phá vỡ. Người ta đã biết những trường hợp với sự xâm phạm tương tự xảy ra trong khoảng 8 – 10 giờ làm việc của chong chóng. Theo vị trí trên cánh ta có thể phân ra ba kiểu rỗ:
Rỗ chân cánh – nằm ở các mặt cắt sát chân trên mặt hút hoặc đạp của cánh và đôi khi trùm lên cả củ. Rỗ xuất hiện theo dạng khe rãnh với độ dài tương đối lớn (tới 60 á 80% chiều dài của mặt cắt sát chân).
Rỗ mép – sảy ra ở khu vực của các mép thoát hoặc ở các mặt cắt sát đỉnh. Rỗ trông thấy ở dạng vết mẻ mép hoặc các lỗ thủng xuyên suốt.
Rỗ vành (chu vi) – nằm trên các mặt cắt theo chu vi ở phía mặt hút và đạp theo dạng vết lõm đơn độc hoặc dải lõm. Cường độ phát triển rỗ loại này thường thấp hơn rỗ sát chân, nhưng do chiều dày của các mặt cắt ở những bán kính sát đỉnh bé nên có thể gặp nguy hiểm đáng kể.
Rỗ do xâm thực giảm bớt thời gian khai thác của chong chóng nên việc nghiên cứu bản chất vật lý và tìm biện pháp phòng chống nó phải được hết sức quan tâm.
Hiện nay một định đề được mọi người chấp nhận về bản chất cơ tính của hiện tượng rỗ, theo định đề này sự xâm phạm là hậu quả bào mòn kim loại dưới tác dụng của các áp suất cao khi các bọt bị vỡ. Sự xâm phạm diễn ra trong vùng khép kín của hốc xâm thực, trong đó cường độ của nó tăng lên khi kích thước của hốc giao động theo thời gian do góc tới thay đổi hoặc vì những nguyên nhân khác.
Hiện nay có nhiều phương pháp phòng chống xâm thực chong chóng. Phương pháp hiện hữu nhất là chế tạo những chong chóng bằng những vật liệu có tính chịu rỗ cao nhất.
Tuy nhiên trong thực tế việc tăng sức bền vật liệu chỉ có tác dụng khi quá trình rỗ có cường độ yếụ Vì vậy phương pháp phòng chống rỗ mạnh chủ yếu vẫn là cách hiệu chỉnh các yếu tố hình học của chong chóng. Cụ thể sự hiện diện của các vết rỗ thủng trên mặt đạp là do độ cong thừa hoặc bước quá bé. Trong trường hợp này việc giảm độ cong và tăng bước không những tránh được rỗ thủng mà còn có khả năng thêm hiệu suất của chong chóng.
Rỗ mặt hút của cánh có thể tránh được bằng cách tăng thêm xâm thực cho cánh, nghĩa là cho xâm thực bao trùm hết toàn bộ cánh bằng cách giảm chiều rộng của nó.
Khi không thể giảm được tỷ số đĩa, cũng có thể làm yếu rỗ bằng cách giảm kích thước của hốc, việc này vẫn nhận được bằng cách tăng số lượng cánh.
Rỗ chân ở mặt hút thường không thể tránh được nếu cánh chong chóng có độ nghiêng lớn. Vì thế để chống rỗ người ta áp dụng các lỗ chống rỗ (Xem H18.10) để tăng thêm xâm thực và cho hốc vượt quá giới hạn của cánh. Bằng cách đó tránh được vết rỗ thủng mạnh nhất.
Để tránh rỗ thủng người ta cũng lợi dụng cách cung cấp không khí cho các hốc, nó sẽ cản phá được quá trình vỡ hốc.
Biện pháp làm giảm bớt rỗ có hiệu quả là san đều trường áp suất ở đĩa chong chóng, tính chất này phải được chú ý khi gia công lần cuối các vật nhô.
Trong những trường hợp khi không thể tránh được rỗ có hiệu quả cần phải xác định thời hạn sử dụng an toàn của chong chóng. Do đó cần phải xây dựng các tiêu chuẩn và các phương pháp mài sạch rỗ ở chong chóng. Các tiêu chuẩn nói trên xuất phát từ đề nghị là chong chóng có thể khai thác không cần sửa chữa cho tới lúc vết thủng rỗ chưa đạt tới nửa chiều dày của cánh.
Khi dự đoán các hư hỏng vì rỗ người ta dựa vào kết quả đo chiều sâu vết rỗ thủng sau một chu kỳ khai thác quy định của chong chóng. Cần chú ý rằng việc hàn đắp các vết thủng sẽ ảnh hưởng sấu tới cơ tính của vật liệu cánh, và khi vá đi vá lại nhiều lần dễ xảy ra nguy hiểm vì gẫy cánh.Vì vậy không nên tiến hành công việc sửa chữa trước thời hạn những lỗ thủng bé nhỏ không đáng kể.