Думаю, что имя английского судостроителя Джона Айзека Торникрофта среди людей мало-мальски знакомых с кораблестроением, в рекламе не нуждается. Клан Торникрофтов, породнившийся с кланом Сассунов (которых зовут "Ротшильдами востока") достаточно многочисленный, и даже знаменитый парикмахер Сассун который (в 90-е годы что-то там видал) тоже родственник этого клана.
Но судостроителям и любителям истории русско-японской войны, все же больше знакома фирма John I. Thornycroft & Company Limited, строившая эсминцы и миноносцы. Имя Thornycroft исчезло из судостроения 1 ноября 2001 года, когда Vosper Thornycroft стала VT Group (но намек остался). В общем, фирма была известная и даже где-то знаменитая...
Но однажды случился скандал.
Миноносец "Daring" был заложен под номером 287 на верфи Торникрофт в Чизвике в июле 1892 года. корабль относительно небольшой, под 300 тонн,. два котла (естественно, Торникрофт), две турбины. Ему пророчили славу самого быстрого миноносца во всей Британии, его крестной мамой стала жена Тороникрофта Ада. Но...
Миноносец, стоивший 36 тысяч фунтов вышел на мерную милю, и... не смог.
Только что построенный миноносец развил на ходовых испытаниях только 24 уз вместо положенных ему 28 узлов. Более того, когда стали осматривать его винт, выяснилось, что кто-то неведомый погрыз ему винты. При повторных испытаниях получили тот же эффект. "Умные" статьи пишут:
Поначалу предполагали, что это вызвано повышенным сопротивлением корпуса и неполадками в работе главных двигателей. Однако английский ученый Уильям Фруд выдвинул другую гипотезу, теоретически предсказанную еще Л. Эйлером. Тщательно проанализировав результаты испытаний миноносца, он пришел к заключению, что потеря скорости вызвана неизвестным доселе явлением, которое он назвал «кавитацией» (от латинского cavitas — пустота).
Гм... я как-то не очень уверен, что Уильям Фруд, почивший в бозе в 4 мая 1879 года специально восстал из мертвых, чтобы разобраться с этим миноносцем. А вот другой корифей гидродинамики Озборн Рейнольдс в 1894 году напомнил почтенной публике, что он еще 20 лет тому назад, в 1873 году предупреждал ("А я же говорил!"). Тут же в докладах вспомнили Эйлера, который еще раньше тоже... говорил.
В широком смысле суть явления проста: "холодное вскипание" воды. По мере увеличения частоты вращения винта скорость потока воды на засасывающей стороне лопасти (т. е. на стороне, обращенной к носу судна) возрастает, а давление падает. Когда частота вращения винта достигает определенного значения, давление на засасывающей стороне лопасти падает до давления парообразования. Вода вскипает, а на лопасти начинают образовываться пузырьки — полости, заполненные парами воды и растворенными в ней газами.
В зонах с низким давлением вода "кипит" при нормальных условиях. Этому явлению способствует растворенный в воде воздух или воздух, подсасываемый с поверхности.
"Закипать" она может и под воздействием ультразвука, и при движении жидкости в трубе при высоких скоростях, при наличии сужения (но принцип тот же). "Выскакивает" это явление и на рабочих колесах некоторых видов насосов, и есть такое понятие как "кавитационный запас".
Что это такое? Кавитационный запас насоса, это характеристика, которая показывает минимально необходимое давление на входе в насос, при котором представленная модель насоса может работать без образования кавитации.
Ну, казалось бы, возникла кавитация и... с ней. Но есть нюанс: вместе с кавитацией приходит кавитационная эрозия. А вот это уже не очень хорошо.
Среди многих негативных проявлений кавитации (таких как шум, вибрация, эрозия), способствующих разрушению материалов, эрозия является наиболее важным с практической точки зрения. Эрозионные разрушения могут развиваться настолько быстро, что делают ту или иную конструкцию неработоспособной уже через несколько часов эксплуатации.
Впервые вопрос о причине возникновения эрозионных повреждений серьезно изучался в 1893–1903 годах специалистами английского Адмиралтейства под руководством "отца всех турбин" Чарлза Алджернона Парсонса в связи с разрушением гребных винтов быстроходных трансатлантических лайнеров и военных кораблей. Комиссия сделала вывод, что причиной разрушения являются ударные воздействия на лопасти винтов со стороны жидкости в зоне замыкания каверн.
До недавнего времени существовало несколько гипотез о механизме кавитационной эрозии и ее первопричинах. Кавитационную эрозию нельзя объяснить действием электрических и электрохимических факторов. Результаты испытаний материалов, вступающих в химическую реакцию с водой, в инертных жидкостях показывают, что основным фактором, вызывающим кавитационную эрозию, является постоянное чисто механическое воздействие.
В узком смысле кавитация гребных винтов (если говорить упрощенно) это явление, при котором в воде образуются пузырьки газа из-за слишком большой скорости вращения винта. Это «закипание» воды и снижало КПД винтов и приводило к их повреждению в результате кавитационной эрозии.
Беда еще в том, что кавитационная эрозия иногда повреждает не только винт, но может повреждать и корпус корабля (если расстояние от кромки вращающегося винта до корпуса меньше определенной величины).
А, все же, как справились с проблемой кавитации на винтах миноносца? (Ибо одно дело объяснить явление, другое дело, найти способ, как с ним бороться).
Очевидное решение: попытаться подобрать винт. Миноносцу подобрали винт с шестой (!) попытки. Но одной заменой винтов здесь не обошлось. В связи с тем, что винт "подсасывал" воздух за кормой, винт перенесли глубже под корму и заглубили (потребовалась достаточно серьезная переделка). Но, в конце концов, эсминец удалось сдать. 19 июля 1894 года миноносец, наконец, показал скорость в 28,21 узла на мерной миле, но прослужил он очень недолго. В июне 1901 года у него взорвался котел (это надо было еще умудриться: взорвать водотрубный котел). В 1902-м его перевели в разряд учебных, а списали его в 1912-м.
Но нас интересует другое. Если читатели помнят, то разбирая историю "Голубой ленты Атлантики", мы упоминали о серьезных проблемах с вибрацией гребных винтов на лайнерах. Это вот она самая, "госпожа кавитация".
У нас в последнее время с восторгом пишут о французском лайнере "Нормандия" и его проектанте В.Юркевиче, но...
"Нормандию", в принципе "лепили" русские эмигранты (они были намного "дешевле" французских инженеров, а французы - народ в большинстве своем... прижимистый). Цитирую:
"... гребные винты разрабатывал А.Н. Харкевич, двигателями занимался В.П. Аршаулов, а над системами непотопляемости трудились Полуэктов, Вержебский и Бохановский. Это был поистине самый «русский шедевр» - пусть даже, формально, французского кораблестроения!"
Можно добавить еще что салоны были расписаны тоже русским эмигрантом, художником Александром Евгеньевичем Яковлевым. Но...
Я бы немного умерил восторги по этому поводу. Первые винты "Нормандии" это серьезный просчет А.Н.Харкевича (достаточно дорого обошедшийся компании). Это потом он начал "умные" работы публиковать. По двигателям... (по ним тоже пришлось вносить изменения в схему, чтобы повысить мощность силовой установки). Про остойчивость и непотопляемость лайнера... (все, без комментариев, ее судьба сама обо всем говорит).
Справедливости ради, стоит отметить, что первыми с проблемой винтов на лайнерах столкнулись немцы и англичане, но те учли опыт. Французы же "наступали на грабли" несколько раз. Они знали о проблемах немцев и англичан, но просто отмахнулись.
На гребном винте может возникать несколько видов кавитации: "плоская" (за лопастью винта), "кромочная" вдоль кромки винта, "объемная" и.т.д.
Современные технологии проектирования гребных винтов достаточно отработаны и включают в себя компьютерное проектирование и модельную проверку при испытаниях в опытовых бассейнах и в кавитационных трубах, тогда же все было чуть иначе.
Винты нужно "прокручивать" в специальных бассейнах, причем желательно учитывать влияние корпуса проектируемого судна, а это дорого. Иногда хочется сэкономить. и ... (потом заплатить вдвое).
Конструктивно. методов борьбы с кавитацией не так уж и много.Крайне важно изменить расстояние между корпусом и винтом, чтобы снизить риск кавитации. "В классике" главное не перегружать винт и подобрать нужную его форму. Все остальные методы : всевозможные пузырьковые сопла, мембраны, спецпокрытия на винтах - не столь эффективны.
Но есть и другой способ. Как там говорят на флоте? "Если пьянку невозможно предотвратить, ее нужно возглавить!" По этому принципу создаются суперкавитирующие винты для быстроходных судов. В нормальном режиме они в принципе работают в сплошной кавитационной "каверне.
В начале 40-х годов известный советский ученый-кораблестроитель академик В. Л. Поздюнин предложил использовать специальные гребные винты, рассчитанные на работу в режиме суперкавитации.
Напомним, что у обычных гребных винтов, как и у подводного крыла, большая часть возникающей на элементе лопасти подъемной силы (до 2/3) создается за счет разрежения на засасывающей поверхности и меньшая — за счет давления на ее нагнетающей поверхности. При сильно развитой кавитации и, тем более, суперкавитации, когда вся засасывающая поверхность лопасти охвачена каверной, основная часть упора гребного винта создается за счет давления на нагнетающей поверхности. Профилировка засасывающей поверхности лопасти в этом случае, с точки зрения гидродинамики, значения не имеет: ее форма лишь должна способствовать образованию каверны оптимальных размеров, при которой сопротивление формы профиля сечения лопасти будет наименьшим. Исходя из этого В. Л. Поздюнин предложил для суперкавитирующих гребных винтов (сокращенно — СКВ) клиновидный профиль сечения лопасти с искривленной нагнетающей поверхностью.
Идеи В. Л. Поздюнина были впоследствии развиты другими советскими и иностранными учеными и получили практическое применение на целом ряде быстроходных глиссирующих катеров, на судах на подводных крыльях и судах на воздушной подушке с неполным отрывом корпуса от поверхности воды (скегового типа). Про боеприпасы (суперкавитирующие торпеды, ракетоторпеды. сказ отдельный).
Ну и так, чтобы "замкнуть круг": английская фирма «Воспер» одно время специализировалась именно на скоростных судах с суперкавитирующими винтами При чем здесь "Воспер"? А это та самая фирма с которой слился "Торникрофт". В 1966 году произошло слияние двух судостроительных компаний: Vosper Limited из Портсмута и J I Thornycroft из Вулстона, Саутгемптона.