Sự xâm thực chong chóng
18.2. Xâm thực khi dòng nước bao các mặt chịu lực và các thiết bị đẩy tàụ
thiết bị đẩy tàụ
Khi xâm thực hình thành và phát triển trên các cánh chịu lực, mà chúng là những cánh chong chóng ta sẽ thấy được ảnh hưởng của nó đối với lực nâng của cánh.
Bây giờ ta xét biểu đồ áp suất trên mặt cánh không bị xâm thực. Ta cho hệ số giảm áp suất mang trị số dương khi áp suất giảm, còn trị số âm khi áp suất tăng (Xem H18.1). Rõ ràng biểu đồ áp suất cho cánh không bị xâm thực không phụ thuộc vào tốc độ dòng bao nó. Khi xuất hiện xâm thực, chẳng hạn tại một điểm A nào đó trên mặt hút của prôphin, áp suất tại đó bằng Pv và khi tốc độ dòng bao tăng lên trị số của nó vẫn không thay đổị
Hình 18.3. Sự phụ thuộc cả hệ số CY vào góc tới a.
Hình 18.4. Sự phụ thuộc của hệ số Cx vào số xâm thực s khi a = const.
ở giai đoạn đầu của sự phát triển xâm thực diện tích biểu đồ giảm áp suất hầu như
không thay đổi (Xem H18.1) và đôi khi vẫn tăng lên. Khi xâm thực tiếp tục phát triển, hốc xâm thực sẽ lan rộng và bao trùm lên toàn bộ mặt hút của cánh, diện tích này bắt đầu giảm xuống. Vì diện tích biểu đồ giảm áp suất xác định trị số của hệ số lực nâng CY, nên xâm thực càng phát triển hệ số này càng giảm.
Hình 18.1. Biểu đồ thay đổi áp suất khi xâm thực
po - áp suất trong dòng chảy vo - tốc độ dòng chảy
s1 < s2 < s3 - Các số xâm thực
Hình 18.2. Sự phụ thuộc của hệ số CY vào số xâm thực skhi a = const.
Hình 18.5. Sơ đồ bố trí các hốc trên prôfin.
Hình 18.2 chỉ số ở một góc tới xác định thì sự thay đổi của hệ số lực nâng hoàn toàn phụ thuộc vào số xâm thực s. Phần phải của đồ thị là các đoạn nằm ngang của các đường cong ứng với trường hợp không xâm thực và giai đoạn đầu của nó. Phần trái của đồ thị là các đoạn cong, nó thay đổi theo quy luật gần tuyến tính, đặc trưng cho xâm thực phát triển. Ngay trước điểm hạ thấp của hệ số lực nâng có thể quan sát được một lượng tăng nào đó của hệ số này, vì nó liên quan với tính chất thay đổi áp suất nói trên. Trị số CY chỉ tăng trên cánh có dạng prôphin không đối xứng.
Theo thí nghiệm thì khi không có xâm thực và trong giai đoạn đầu của nó các hệ số lực nâng sẽ tạo thành một đường cong, còn khi xâm thực phát triển mỗi một đường cong sẽ ứng với một số xâm thực (Xem H18.3).
Khi góc tới không đổi hệ số lực cản CX hơi tăng lên trong giai đoạn đầu của xâm thực và giảm xuống khi xâm thực tiếp tục phát triển (Xem H18.4). Trong tất cả các chế độ xâm thực, chất lượng ngược của cánh vẫn tăng. Theo vị trí của các hốc xâm thực trên prôphin cánh ta có thể phân thành các chế độ như sau:
Khi góc tới lớn và có giá trị dương, các hốc trên prôphin có mép đạp nhọn, đều bắt nguồn ngay gần mép đó (Xem H18.5.a). Trên các prôphin đầu lượn tròn và ứng với những góc tới bé thì các hốc đều bắt nguồn ở phần giữa của prôphin (Xem H18.5.b). Các góc tới ứng với các chế độ (Xem H18.5.b) được gọi là góc đạp không vấp.
Với những góc tới có giá trị âm và bé, thậm chí cả những góc tới bằng không, thì trên các prôphin có độ cong lớn các hốc xuất hiện cùng một lúc ở phần giữa của mặt hút cũng như ở mặt đạp (Xem H18.5.c). Cuối cùng ở những góc tới âm và lớn người ta quan sát được xâm thực trùm lên mặt đạp của cánh và bắt đầu từ mép đạp (Xem H18.5.d).
Nghiên cứu mối quan hệ giữa vùng xuất hiện xâm thực và các đặc tính thuỷ động lực của prôphin ta khẳng định rằng sự xâm thực xuất hiện trên mặt đạp của prôphin giảm đáng kể hệ số lực nâng CY và đôi khi thay đổi cả dấụ Với các chế độ tương tự hệ số chất lượng ngược của cánh tăng lên khá mạnh. Trị số nhỏ nhất của hệ số chất lượng ngược của prôphin đã biết người ta vẫn quan sát được ở những góc tới dương và bé.
Tiêu chuẩn chính để xác định thời điểm xuất hiện và phát triển xâm thực của chong chóng là số xâm thực, mà đối với phần tử cánh nó được tình theo tốc độ cục bộ của dòng bao cánh chong chóng.
Tốc độ dòng bao phần tử cánh nằm ở bán kính r, chưa để ý đến các tốc độ cảm ứng bởi chong chóng được viết dưới dạng:
2 ( )2
A
r v 2 rn
v = + p (18.2.1)
( )2 0 2 0 v 0 S J / r 1 1 2 / v P P p s r s + = - = (18.2.2)
Trong đó s0 – số xâm thực tính theo tốc độ tiến của chong chóng.
Giữa các số xâm thực sS vàs0 cũng như thời điểm xuất hiện xâm thực không có mối quan hệ ràng buộc; các số xâm thực ứng với thời điểm xuất hiện xâm thực phụ thuộc vào đặc tính hình học và các chế độ làm việc của chong chóng. Vì vậy số xâm thực cho phép xác định được đặc điểm phát triển xâm thực chỉ cho hai chong chóng đồng dạng hình học cũng như làm việc trong các chế độ tương tự.
Xâm thực của chong chóng bắt đầu xuất hiện tại những điểm có số lượng giảm áp suất lớn nhất. Các điểm này thường không nằm trên bản thân các cánh, mà ở trong các lõi của các xoáy tự do tách khỏi các đỉnh cánh.
Như vậy trước tiên xâm thực xuất hiện không phải dạng sợi mà là dạng xoáy (Xem H18.1). Càng tăng tốc độ dòng bao song vẫn giữ nguyên bước tiến tương đối thì xâm thực lan rộng trên mặt hút từ đỉnh cánh cho đến chân cánh. Trong đó xâm thực xuất hiện ở những vùng mép đạp hoặc ở giữa prôphin và dần dần lan rộng tới mép đạp hoặc ở giữa prôphin và dần dần lan rộng tới mép thoát. Với trị số tốc độ nào đó toàn bộ mặt hút của cánh bị xâm thực bao trùm và các hốc bắt đầu trải rộng quá giới hạn của mặt đó. Nếu việc tăng tốc độ đi đôi với việc tăng bước tiến tương đối có thể gây ra xâm thực trên mặt đạp. Trong lúc thiết kế chong chóng phải chọn chế độ tính toán phù hợp sao cho xâm thực không xuất hiện ở mặt đạp, song ít nhất là trong những chế độ làm việc chính của chong chóng.
Xâm thực mặt hút của cánh có thể ở dạng bọt hoặc màng sợị Trong những trường hợp khi xâm thực bắt đầu từ những xoáy đỉnh và từ mép đạp thì xâm thực đó thường là dạng màng sợị Xâm thực bọt và phát sinh ở phần giữa cánh thường đặc trưng cho chong chóng.
ở giai đoạn đầu của xâm thực không quan sát được sự thay đổi các đặc tính thuỷ động lực của chong chóng nên người ta gọi giai đoạn này là giai đoạn thứ nhất của xâm thực. Bình thường người ta chỉ thấy sự thay đổi các đặc tính thuỷ động lực khi xâm thực hầu như bao trùm toàn bộ mặt hút của cánh, tương tự được gọi là giai đoạn thứ haị
Sự thay đổi các đặc tính thuỷ động lực của chong chóng chủ yếu ảnh hưởng đến các hệ số CY,CX của các phần tử tạo nên cánh. Hệ số chất lượng ngược của phần tử cánh bị xâm thực lớn hơn trường hợp không bị xâm thực, dẫn tới việc làm giảm hệ số lực đẩy, hệ số mômen và hiệu suất làm việc của chong chóng. Các đường cong làm việc của chong chóng với các số xâm thực khác nhau (Xem H18.6).
Hình 18.6. Các đường cong làm việc của chong chóng xâm thực.
Hình 18.7. Sự phụ thuộc của tốc độ tàu và lực đẩy của chong chóng vào vòng quay của chong chóng
Cần phải chú ý rằng gần các điểm, mà tại đó các hệ số lực đẩy và mômen bắt đầu giảm xuống rồi sau đó nhất thời tăng lên, nó thường đặc trưng cho các prôphin không đối xứng, có thể có lượng tăng cục bộ hệ số lực nâng CY ngay trước lúc bắt đầu giảm nó, bởi lẽ có ảnh hưởng của xâm thực.
Sự thay đổi các đường cong làm việc của chong chóng, cụ thể là giảm các đặc tính thuỷ động lực khi bị xâm thực buộc phải tăng vòng quay của chong chóng để đạt được lực đẩy đã chọ Hình 18.7 trình bày sự phụ thuộc của lực đẩy, tốc độ tàu vào vòng quay khi có và không có xâm thực. Khi xâm thực phát triển mạnh việc tăng vòng quay nói chung có thể không tăng được lực đẩy của chong chóng và tốc độ tàụ