Το πρόβλημα της σπηλαίωσης
Του Απόλλωνα Αρτέμη
Μηχανολόγου Ηλεκτρονικού
Ένα από τα πιο σοβαρά προβλήματα που απασχολούν μόνιμα τους κατασκευαστές των ελίκων αλλά και τους τεχνικούς που θα μας υποδείξουν ποια έλικα είναι η πιο κατάλληλη για το σκάφος μας, είναι η σπηλαίωση (cavitation). Και αυτό επειδή έχει σοβαρές αρνητικές συνέπειες στη λειτουργία της έλικας και την απόδοση, καθώς και στην ομαλή λειτουργία της μηχανής και του σκάφους.
Ας δούμε λοιπόν, τι ακριβώς είναι η σπηλαίωση, πως δημιουργείται σε μια έλικα, ποιες είναι οι συνέπειες της και πως μπορούμε να την αποφύγουμε. Όπως είναι γνωστό, το νερό βράζει στους 10 βαθμούς Κελσίου στο επίπεδο της θάλασσας, σε κανονική ατμοσφαιρική πίεση μιας ατμόσφαιρας (υψόμετρο μηδέν). Όμως το νερό βράζει και σε πολύ χαμηλότερη θερμοκρασία, π.χ. σε θερμοκρασία δωματίου, αν η πίεση αυτή είναι πολύ χαμηλότερη.
Όταν ένα αντικείμενο κινείται μέσα στο νερό με αυξημένη ταχύτητα, η πίεση που κρατάει το νερό σ’ επαφή με τα πλάγια και το πίσω μέρος του σώματος προοδευτικά μειώνεται, δηλαδή δημιουργείται ένα κενό όπου η πίεση είναι μειωμένη. Όταν η πίεση μειωθεί πολύ, το νερό αρχίζει να βράζει και μέσα σε αυτό δημιουργούνται φυσαλίδες ατμού. Ο βρασμός και οι φυσαλίδες διατηρούνται όσο διατηρείται το κενό και η χαμηλή πίεση. Όταν όμως μειωθεί η ταχύτητα με την οποία κινείται το αντικείμενο, τότε η πίεση θα αυξηθεί, το κενό θα υποχωρήσει και ένα ρεύμα από φυσαλίδες ατμού (που περιέχουν και οξυγόνο) θα κινηθεί προς την περιοχή υψηλότερης πίεσης, δηλαδή προς τις επιφάνειες του αντικειμένου, όπου και θα συμπυκνωθούν πάλι σε νερό. Κατά τη συμπύκνωση τους οι φυσαλίδες θα αποδεσμεύσουν την ενέργεια που χρειάστηκε για να δημιουργηθούν, με τη μορφή μεγάλης ποσότητας θερμότητας, καίγοντας και διαβρώνοντας την επιφάνεια του αντικειμένου («καύση σπηλαίωσης») στα σημεία όπου αυτές υγροποιούνται. Στις έλικες καίγεται ή διαβρώνεται το μέταλλο, όποιο και αν είναι αυτό, αλουμίνιο, ορείχαλκος ή ανοξείδωτο.
Πότε, που και σε ποια έκταση θα έχουμε σπηλαίωση, εξαρτάται από το σχήμα του αντικειμένου, τον προσανατολισμό του και την ταχύτητα με την οποία αυτό θα κινηθεί μέσα στο νερό. Πάντως, όσο πιο λεπτό είναι ένα αντικείμενο προς την κατεύθυνση κίνησης του, τόσο περισσότερες πιθανότητες έχει να μην παρουσιάσει σπηλαίωση ή αυτό να συμβεί μόνο σε εξαιρετικά υψηλή ταχύτητα.
Η σπηλαίωση είναι πιο γνωστή σε πολλούς από εμάς σαν πρόβλημα των ελίκων και των τιμονιών, των διαφόρων πλοίων και σκαφών, αλλά κυρίως σαν πρόβλημα των ταχυπλόων σκαφών. Και σωστά αφού η σπηλαίωση είναι πιο συνηθισμένη στην περίπτωση των ταχυπλόων σκαφών όπου και οι συνθήκες είναι ιδιαίτερα ευνοϊκές για την εμφάνισή της, επειδή έχουμε υψηλές στροφές της έλικας και μεγάλη ταχύτητα μετακίνησης της μέσα στο νερό. Αιτία για την εμφάνιση σπηλαίωσης στην έλικα μπορεί να είναι είτε η ίδια η έλικα, είτε κάποιοι άλλοι παράγοντες που επηρεάζουν τη λειτουργία της ή ένας συνδυασμός και των δύο.
Αιτία σπηλαίωσης η ίδια ή έλικα;
Αιτία σπηλαίωσης ή αρχή σπηλαίωσης μπορεί να είναι αμυχές στην οδηγό ακμή των πτερυγίων της έλικας, οξείες γωνίες της οδηγού ακμής, το υπερβολικό γύρισμα (cup) της ακολουθούσας ακμής, τραχείες ή όχι αρκετά λείες επιφάνειες των πτερυγίων ή άλλων τμημάτων της έλικας.
Πτερύγια στραβά ή παραμορφωμένα από κτυπήματα συνήθως προκαλούν εκτεταμένη σπηλαίωση. Το ίδιο μπορεί να συμβεί και με τη χρήση μιας έλικας ακατάλληλης για το σκάφος και τη μηχανή. Π.χ. μιας έλικας με διάμετρο πολύ μικρότερη από την κανονική ή και με πολύ μεγάλο βήμα ή έλικας με πολύ μεγαλύτερη επιφάνεια πτερυγίων σε σχέση με αυτήν που πραγματικά απαιτείται. Σπηλαίωση μπορεί να έχουμε και με μια έλικα κακοσχεδιασμένη, με κακό φινίρισμα, με διαφορές στο σχήμα και το πάχος των πτερυγίων ή από υπερβολικό πάχος των πτερυγίων της. Η σπηλαίωση στις έλικες αλουμινίου είναι πιο συνηθισμένη, ιδιαίτερα στις υψηλές ταχύτητες επειδή τα πτερύγια τους έχουν πάχος μεγαλύτερο από το επιθυμητό, που είναι όμως αναγκαίο για να υπάρχει η απαιτούμενη αντοχή. Για τις ταχύτητες αυτές, αλλά και γενικά, η χρήση ανοξείδωτων ή ορειχάλκινων ελίκων είναι προτιμότερη γιατί έχουν πολύ λεπτότερα πτερύγια.
Σύμφωνα με τα παραπάνω είναι λογικό να περιμένουμε φαινόμενα σπηλαίωσης και από μια έλικα που δεν είναι καθαρή αλλά έχει σκεπαστεί από χορτάρι ή στρείδι, όσο λίγο και αν είναι αυτό.
Αιτία σπηλαίωσης αναπόφευκτα εμπόδια πριν από την έλικα
Στις εσωλέμβιες μηχανές οι βάσεις στήριξης των αξόνων, που αναγκαστικά βρίσκονται πολύ κοντά στην έλικα, μπορεί να γίνουν αιτία σπηλαίωσης, εάν δεν έχουν τον κατάλληλο σχεδιασμό ώστε να μην δημιουργούν κενά στην έλικα. Μερικές φορές ανάλογα με την ταχύτητα του σκάφους, ακόμη και ο ελικοφόρος άξονας του μπορεί να γίνει αιτία σπηλαίωσης και ειδικά όταν αυτός δεν είναι καθαρός και έχει καλυφθεί από στρείδια που δημιουργούν κενά, τα οποία επηρεάζουν την έλικα. Στις εξωλέμβιες και έσω-εξωλέμβιες μηχανές ο κλωβός της κάθε ρεβέρσας έχει σχεδιαστεί με τρόπο που η κυκλοφορία του νερού γύρω από αυτόν να είναι κατά το δυνατόν ομαλή, ώστε να μην υπάρχουν κενά στην έλικα και υπάρξει σπηλαίωση.
Ο σχεδιασμός του κλωβού της ρεβέρσας των μηχανών σειράς γίνεται με βάση μια μέγιστη ταχύτητα, με την οποία προβλέπεται πως μπορεί να κινηθεί ένα σκάφος με τη μέγιστη ιπποδύναμη που επιτρέπεται να χρησιμοποιήσει, σύμφωνα με τις διεθνείς προδιαγραφές. Αν υπερβούμε πολύ την ταχύτητα αυτή, με τη χρήση μηχανής υπερβολικά μεγάλης ιπποδύναμης για το σκάφος κάτι πολύ συνηθισμένο στη χώρα μας όπου οι επίσημες προδιαγραφές των αρμοδίων αρχών δεν περιορίζουν τη μέγιστη ιπποδύναμη σε σχέση με το μέγεθος του σκάφους, κανόνας που ισχύει σε όλες τις άλλες χώρες, τότε στο πίσω μέρος του κλωβού της ρεβέρσας θα δημιουργηθούν κενά που θα επηρεάσουν την έλικα και θα αρχίσει η σπηλαίωση. Για τις μηχανές αυτές και τις υψηλές ταχύτητες υπάρχουν ρεβέρσες με κλωβό ειδικής σχεδίασης για να αποφεύγονται προβλήματα σπηλαίωσης.
Αιτία σπηλαίωσης το ίδιο το σκάφος.
Αιτία σπηλαίωσης μπορεί να είναι το ίδιο το σκάφος, εάν η γάστρα του δεν είναι κατάλληλα σχεδιασμένη για το είδος της μηχανής που θα το κινήσει. Εάν π.χ. σε σκάφος με καρένα τοποθετηθεί μια εξωλέμβια ή έσω – εξωλέμβια μηχανή και η ρεβέρσα της βρίσκεται στην προέκταση της καρένας, είναι βέβαιο πως από κάποια ταχύτητα και μετά θα έχουμε σπηλαίωση, εξαιτίας των κενών που δημιουργεί η καρένα στην έλικα. Το ίδιο μπορεί να συμβεί και με ένα σκάφος με εσωλέμβια μηχανή όταν η γάστρα του δεν είναι κατάλληλα σχεδιασμένη και το ρεύμα νερού προς την έλικα δεν είναι ομαλό και δημιουργούνται κενά.
Ακόμη και με καλοσχεδιασμένο σκάφος με τέλεια εγκατάσταση μηχανής μπορεί να έχουμε προβλήματα σπηλαίωσης στην έλικα, εάν η γάστρα του έχει υποστεί παραμορφώσεις ή έχει κτυπήματα.
Βέβαια, δεν υπάρχει αμφιβολία πως σε όλες τις παραπάνω περιπτώσεις, αν η γάστρα του σκάφους δεν είναι καθαρή και λεία γιατί έχει πιάσει χορτάρι ή στρείδια, θα έχουμε οπωσδήποτε ανώμαλη ροή νερού και κενά προς την έλικα που ευνοούν τη σπηλαίωση.
Οι συνέπειες της σπηλαίωσης
Η σπηλαίωση ξεκινάει συνήθως από την οδηγό ακμή της έλικας και επεκτείνεται στην πίσω επιφάνεια των πτερυγίων της (επιφάνεια ώσης ή υψηλής πίεσης), καθώς και στη βάση των πτερυγίων κοντά στον αφαλό της. Μπορεί όμως να επεκταθεί και στον αφαλό και στην εμπρός επιφάνεια (επιφάνεια αναρρόφησης ή χαμηλής πίεσης) και να έχουμε «εκτεταμένη σπηλαίωση». Όταν υπάρχει σπηλαίωση, γίνεται εύκολα αντιληπτή. Αρχικά η ταχύτητα του σκάφους μειώνεται με αύξηση των στροφών της μηχανής ή με την αύξηση των στροφών της μηχανής η ταχύτητα του σκάφους δεν αυξάνεται ανάλογα, ενώ ακούγεται και έντονος θόρυβος στην έλικα που συνοδεύεται από ισχυρούς κραδασμούς. Το πρόβλημα της σπηλαίωσης είναι πολύ σοβαρό, διότι πέρα από μια σημαντική μείωση της απόδοσής της έλικας και αύξηση της κατανάλωσης, σε κάποιες περιπτώσεις μπορεί να πάρει ακόμη και καταστροφικές διαστάσεις.
Υπάρχουν περιπτώσεις που σε έλικες, μετά από λίγες μόνον ώρες λειτουργίας, έχουν αποκοπεί ολόκληρα πτερύγια από έντονη σπηλαίωση στη βάση τους, έχουν στραβώσει άξονες ή έχουν υποστεί βλάβη οι ρεβέρσες.
Αν θέλουμε λοιπόν να αποφύγουμε φαινόμενα σπηλαίωσης στο σκάφος μας είναι απαραίτητο, όχι μόνο να προσέξουμε ιδιαίτερα στην επιλογή της έλικας μας αλλά επίσης να φροντίζουμε τη γάστρα του, τον ελικοφόρο άξονα και τις βάσεις του ή τη ρεβέρσα και γενικά όλον τον εξοπλισμό που βρίσκεται μέσα στο νερό και συμμετέχει στην προώθηση του σκάφους. Όλα πρέπει να είναι σε άριστη κατάσταση, καθαρά και λεία, απαλλαγμένα από παραμορφώσεις ή κτυπήματα και ιδιαίτερα η ίδια η έλικα.
Μην ξεχνάμε ακόμη πως μια μικρή διάβρωση της επιφάνειας της έλικας για οποιοδήποτε λόγο ή μικρές αμυχές, μπορεί να γίνουν αιτία μιας μικρής σε έκταση σπηλαίωσης στην αρχή, που δεν θα είναι άμεσα αντιληπτή, η οποία όμως στη συνέχεια μπορεί να πάρει εκτεταμένες διαστάσεις με όλες τις αρνητικές συνέπειες που προαναφέραμε.
