Кавитация

При движении жидкости в сужающейся трубе, типа трубки Вентури, в наиболее узком сечении ее скорость достигает наибольшего значения, а давление будет минимальным. Предел уменьшения величины давления зависит прежде всего от того, что течет по трубопроводу: газ или капельная жидкость.

Кипение капельной жидкости (вода, спирт, масло и др.) при за­данной температуре может быть получено понижением давления. Давление, при котором происходит кипение жидкости, называется давлением парообразования р_к.

Величину давления парообразования р_к для различных жидко­стей можно найти в физических справочниках. В качестве при­мера приведем величину р_к для воды:

t, °C ............. 200 100 40 20 4

р_к, мм. рт. Cm........ 11660 760 55,3 17 4

Из приведенных данных видно, что при температуре 20° С вода закипает при давлении 17 мм рт. ст. Если давление в наи­более узком сечении трубопровода достигнет давления парообра­зования, то жидкость в этом месте начнет кипеть и в трубе при этом образуются полости, заполненные паром, — каверны.

Закипание жидкости при пониженном давлении, возникающем в результате возрастания скорости потока, и образование в текущей жидкости полостей, заполненных паром или газом приводит к кавитации.

Кавитация может происходить во всех капельных жидкостях, в том числе и в жидких металлах. Последнее иногда наблюдается при использовании жидких металлов в качестве теплоносителей на атомных электростанциях.

Если после наиболее узкого сечения, в котором происходит кавитация, последует расширение трубы, то основная масса жидкости на этом участке будет двигаться в виде свободной струи, окруженной пенообразной смесью пузырьков пара и жидко­сти. Далее, ниже по течению, в некоторой точке паровая зона зам­кнется на стенке, и поток жидко­сти заполнит все сечение трубы.

Кавитация возникает не только при движении жидкости в тру­бопроводах, но и при внешнем обтекании тел, в частности, на ло-пастях гребных винтов, рабочих колес гидравлических турбин и насосов. Желательное увеличение скоростей вращения рабочих колес насосов, гидравлических турбин приводит к тому, что скорости становятся настолько большими, что в неко­торой области давление падает до давления парообразования, и возникает кавитация.

Появление кавитации всегда вызывает увеличение сопротивления, т, е. добавочную потерю энергии. Кроме этого, она приводит к разрушению металла и появлению кавитационных шумов. Последствия кавитации настолько существенны, что обычно при проектировании насосов, турбин и винтов лопасти рассчиты­вают так, чтобы на них не возникала кавитация.

В качестве критерия, определяющего кавитационные свойства профилей, применяют число кавитации

где р и V — соответственно давление и скорость в набегающем потоке.

Улучшение кавитационных свойств лопастей, т. е. уменьшение кавитационного числа, является одной из важнейших задач кон­структорских бюро по проектированию насосов, турбин и винтов. Очевидно, что на лопастях кавитация возникает в точках, где давление наименьшее, а следовательно, скорость наибольшая. На рис. 3.14, а показана область возникновения кавитации на профиле крыла [5]. Кавитационная коррозия металла обычно происходит в местах, где кавитационная каверна замыкается. Природа разрушения металла еще недостаточно изучена, но можно утверждать, что разрушение происходит под действием очень мощных механических ударов пузырьков пара и жидкости, химического воздействия богатого кислородом воздуха, содержащегося в воде, и, как утверждают некоторые авторы, электрических полей, возникающих в каверне.

В результате всего этого воздействия почти все металлы разъ­едаются, их поверхность приобретает губчатый вид, и лопасти ломаются. Иногда процесс разрушения и поломки лопастей про­исходит очень быстро.

Шумы, возникающие при появлении кавитации, настолько велики, что они могут служить причиной вибрации отдельных элементов машин, приводящих к неустойчивой работе их и даже разрушению.

На рис. 3.14, б показан так называемый суперкавитирующий профиль лопатки корабельного винта. У таких винтов область кавитации не замыкается на поверхности лопасти, а уходит в бесконечность. Поэтому они не подвергаются интенсивной кави-тационной коррозии. Суперкавитирующие винты применяются на некоторых быстроходных судах.

Если нарушается сплошность потока жидкости, то возникает кавитация. Дело в том, что испарение жидкости происходит как непосредственно с ее поверхности, так и путем образования во всем ее объеме пара в виде пузырьков, которые затем разрушаются (конденсируются) при попадании в зону повышенного давления. Это вызывает появление микропустот, т. е. нарушение сплошности жидкости.

Таким образом, кавитация – это свойство движущейся жидкости образовывать паровоздушные пузыри с последующим их разрушением.

Кавитация часто возникает во всасывающих гидролиниях в результате местного уменьшения давления ниже критического значения (оно приблизительно равно давлению насыщенного пара этой жидкости при данной температуре). Она сопровождается гидравлическими микроударами и, как следствие, большим местным повышением температуры и давления, что вызывает разрушение деталей, появление вибраций, снижение КПД и др.

С кавитацией борются также, уменьшая разрежение в зонах ее возможного появления, в частности путем повышения давления. При этом применяют подпор во всасывающей линии насоса, а также эластичные специальные разделители сред в баках насосных установок. Используют материалы, стойкие против кавитационного разрушения, – бронзу, титан, коррозионно-стойкую сталь, повышая чистоту их обработки.

Контрольные вопросы

1. Понятие потока, единицы измерения.

2. Виды потоков жидкости. Отметьте особенности потоков.

3. Критерий Рейнольдса.

4. Закон неразрывности потока, его смысл.

5. Уравнение Бернулли. Составляющие данного уравнения.

6. Приборы, основанные на применении уравнения Бернулли. Отметьте их особенности..

7. Гидравлический удар. Уравнение Жуковского Н.Е.

8. Меры предотвращения гидравлического удара.

9. Нарисуйте возможную схему использования дополнительных элементов для предотвращения гидроудара во всасывающей линии гидронасоса.

10. Укажите возможность использования явления гидравлического удара.

11. Определение потерь давления, определяемых длиной трубопровода. Формула Дарси-Вейсбаха.

12. Особенности определения потерь давления в местных сопротивлениях.

13. Определение потерь давления в реальной гидросистеме.

14. Кавитация. Особенности, методы предотвращения кавитации.

15. Облитерация. Особенности.