КАВИТАЦИЯ

Кавитацией (от латинского слова «кавитас» — полость) назы­вается образование в движущейся жидкости полостей, заполнен­ных паром или воздухом (газом). Кавитация возникает в тех слу­чаях, когда давление в каких-либо местах потока снижается на­столько, что становится меньше давления насыщения, т.е. давле­ния, соответствующего испарению жидкости при данной темпе­ратуре.

Явление кавитации может наблюдаться, например, в сифонных трубопроводах, где ее появление обусловливается геометрической конфигурацией и принципом действия самого трубопровода, ос­новной своей частью находящегося под давлением, меньшим чем: атмосферное; кавитация может иметь место также и при; работе быстроходных гидравлических турбин, центробежных насосов и гребных винтов. В этих случаях причиной кавитации является возникновение больших местных скоростей, ведущих к пониже­нию давления. Если при этом давление оказывается меньше упругости паров, в соответствующих местах потока начинается бурное испарение жидкости, она начинает кипеть и в ней образуются кавитационные полости, состоящие из пузырьков, заполненных паром. Если затем при дальнейшем движении потока давление в нем повышается, происходит конденсация пара, обычно сопро­вождаемая резким треском, и кавитационные полости смыкаются. Возникновение кавитации значительно облегчается при на­личии в жидкости пузырьков воздуха, а также растворенных: газов.

В качестве примера рассмотрим кавитационные явления, кото­рые могут иметь место при известных условиях в коротком па­трубке переменного сечения с горизонтальной осью (рис. 176). Как это следует из уравнения Бернулли, составленного без учета сопротивлении для двух крайних сечений суживающейся части такого трубопровода,

давление в наиболее сжатой его части

и р₂ — давления, а и u₂ — средние скорости в начальном конечном F₂ сечениях; р — плотность жидкости.

В том случае, когда значительно больше F₂, а давление р₁незначительно, давление в суженном сечении р_г может оказаться меньше, чем упругость паров. Как пока­зывает опыт, за этим сечением основная масса жидкости движется в виде свобод­ной струи, сопровождаемой по бокам пенообразной смесью, состоящей из пузырьков пара и жидкости. Дальше в каком-то сечении происходит внезапное замедление движения и жидкость полностью заполняет все сечение. Давление здесь повышается, образовавшиеся ранее пузырьки пара сталкиваются друг с другом конденсируются.

Рис. 176.

В современных гидравлических турбинах, центробежных насосах гребных винтах, обычно работающих при больших числах оборотов, в отдельных местах рабочих лопаток и лопастей создаются очень большие скорости движения жидкости, также благоприятствующие возникновению кавитации. Кавитация оказывает вредное действие на работу этих установок: вызывает недопустимо большие их колебания, увеличивает потери энергии на трение, т.е. снижает коэффициент полезного действия, и, что наиболее опасно, приводит к разъеданию металла.

Разъедание металла вследствие кавитации — кавитационная коррозия металла — обычно наблюдается в тех местах потока, где происходит повышение давления, сопровождающееся столкновением пузырьков пара и его конденсацией.

При этом вследствие мгновенных, быстро чередующихся процессов сжатия отдельных пузырьков здесь возникают очень большие местные импульсивные давления (в несколько сотен и даже тысяч атмосфер), приводящие к весьма коротким и интенсивным ударам, разрушающим металл, сначала выкрашивая его зерна с поверхности, а затем быстро распространяясь вглубь. К этим часто механическим ударным действиям присоединяются часто химические воздействия на металл выделяющегося из жидкости воздуха, обогащенного кислородом, а в отдельных случаях также и электролитические воздействия. В результате всех этих явлений, особенно если кавитация длится продолжительное время, происходит разъедание металла, из него выпадают отдельные ку­сочки, и он принимает на большую глубину губчатую структуру. С целью предотвратить появление кавитации лопасти и лопасти проектируют в форме слабо изогнутых профилей со скругленными входными и выходными кромками и применяют для их изготовле­ния особые, стойкие против коррозии, материалы (например, стали с добавкой хрома и никеля) с тщательно, по возможности, обрабо­танными поверхностями.