ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Кавитация и механизм кавитационной эрозии из "Износ лопастных гидравлических машин от кавитации и наносов " Кавитация представляет собой процесс нарушения сплошности потока жидкости, который происходит на тех участках где местное давление, понижаясь, достигает критического значения. Этот процесс сопровождается образованием большого количества пузырьков, наполненных преимущественно парами жидкости, а также газами, выделившимися из раствора. Образование пузырьков имеет много общего с кипением жидкости, в связи с чем эти два процесса часто отождествляют, а в качестве критического давления, при котором начинается кавитация, принимают давление насыщенных паров жидкости при данной температуре. Находясь в области пониженного давления, пузырьки растут и превраш,аются в большие кавитационные пузыри-каверны. Затем пузыри уносятся потоком в область с давлением выше критического, где происходит их разрушение. Таким образом, в потоке создается довольно четко выраженная кавитационная зона, заполненная движущимися пузырьками. [c.22] Явление кавитации очень хорошо демонстрируется на примере протекания воды через стеклянную трубу с местным сужением (сопло Вентури). Постепенное увеличение расхода приводит к тону, что при достаточно большой скорости течения давление в сужении падает до критического значения. [c.22] Первоначально кавитация проявляется в виде неустановив-шейся кольцеобразной зоны, которая из-за некоторой пульсации давления периодически возникает и исчезает с довольно большой частотой (рис. 8, а). Дальнейшее увеличение расхода приводит к тому, что кавитационная зона становится устойчивой и увеличивается в объеме в результате удлинения в направлении течения и распространения вглубь к центру потока (рис. 8,6). И, наконец, при каком-то значении расхода кавитационная зона занимает все сечение потока и распространяется далеко вниз но течению (рис. 8, в). [c.22] Обычно различают два типа кавитации поверхностную и отрывную. Поверхностная кавитация возникает на поверхности, направляющей поток, или в непосредственной близости от нее. Только что описанные нами кавитационные явления в сопле Вентури и в рабочем колесе центробежного насоса являются примерами поверхностной кавитации. Отрывная кавитация возникает на расстоянии от поверхности и является результатом турбулентного перемешивания, которое обычно имеет место в потоке за различными выступающими элементами, рабочими колесами некоторых гидравлических машин, а также прн отрывах потока от направляющей поверхности. В качестве примера отрывной кавитации на рис. 10 приводится фотография потока за моделью гребного винта. [c.24] Качественное изменение структуры потока, вызванное кавитацией, приводит к изменениям в режиме работы гидравлической машины или системы. Эти изменения принято называть последствиями кавитации. [c.24] Гидравлические машины и системы можно рассматривать как сочетание направляющих поверхностей, предназначенных для управления потоком жидкости. Если кавитационная зона возникает на такой поверхности, то она изменяет величину и направление скорости потока. Практически во всех случаях такие изменения нежелательны и сопровождаются дополнительными потерями энергии. Кроме того, при обоих типах кавитации — установившейся поверхностной и вихревой отрывной — имеют место разного рода вторичные движения жидкости. Энергия, вовлеченная в эти движения, не восстанавливается основным потоком и также является потерянной. [c.24] Разрушение кавитационных пузырей при переносе их потоком в область с давлением выше критического, происходит с очень большой скоростью и вызывает гидравлический удар. Наложение большого числа таких ударов приводит к появлению характерного шипящего звука. Таким образом, возникновение кавитации всегда сопровождается усилением шума. Значение этого последствия кавитации изменяется в зависимости от назначения гидравлического оборудования. [c.25] Неустойчивость кавитационной зоны и вызванные ею вторичные движения приводят к значительным пульсациям давления в потоке, которые оказывают воздействие на поверхности, направляющие поток. Результаты многочисленных эксперимен-тальны.к исследований и опыт эксплуатации различного гидравлического оборудования указывают на появление сильных вибраций в тех случаях, когда развившаяся кавитация являлась единственной причиной изменения характеристик потока. [c.25] И наконец, в подавляющем большинстве случаев кавитация сопровождается разрушением поверхности, на которой возникают и некоторое время существуют кавитационные пузыри. Это разрушение, являющееся, пожалуй самым опасным послед-ствие.м кавитации, называют кавитационной эрозией. Как уже говорилось, интенсивность кавитационной эрозии может быть настолько высокой, что она может вызвать полный износ отдельных элементов гидравлической машины в чрезвычайно короткое время. [c.25] Влияние кавитации на работу данной гидравлической машины (увеличение потерь энергии, усиление шума и вибраций, кавитационная эрозия) не постоянно и зависит от стеиени развития кавитации. Деление процесса развития кавитации на различные стадии в известной мере условно, однако обычно принято различать начальную, частично развившуюся и полностью развившуюся кавитации. [c.25] Стадия начальной кавитации соответствует условиям, при которых появляются первые незначительные признаки кавитации слабое усиление шума, наличие небольшого количества кавитационных пузырей, которые образуют неустановившуюся кавитационную зону. Как правило, на этой стадии внешние характеристики гидравлической машины практически не изменяются. [c.25] В качестве примера различных стадий развития кавитации рассмотрим процессы, происходящие в сопле Вентури, изображенном на рис. 8, и их влияние на его пропускную способность. Характеристика сопла Вентури AH=f(Q), где АН — гидравлические потери в сопле и Q — расход, приведена на рис. 11. [c.26] Увеличение расхода до =2,4 л/свк происходит в условиях нормальной работы сопла без кавитации. При расходе Q = Q давление в сжатом сечении падает до величины, при которой начинается кавитация. Однако наличие неустановившейся кавитационной зоны (рис. 8, а) не сказалось на характеристике сопла. [c.26] При дальнейшем увеличении расхода Q Qh устойчивая кавитационная зона занимает значительную часть живого сечения (рис. 8,6) потока. Изменение характеристик сопла показывает резкое увеличение гидравлических потерь. Этот режим соответствует частично развившейся кавитации. [c.26] При Qmax = 2,6 л/сек — режим полностью развившейся кавитации. Кавитационная зона занимает все живое сечение потока (рис. 8, в). Наступил срыв работы сопла, характеризуемый увеличением гидравлических потерь при неизменном значении расхода. [c.26] Недостаток данных визуальных наблюдений потока в гидравлических машинах, работающих в режимах с различно развившейся кавитацией, является одной из главных причин непонимания сущности этого явления. [c.26] В разное время учеными были высказаны различные предположения о возможном механизме кавитационной эрозии. Все эти гипотезы могут быть разделены на четыре основные группы. [c.27] Теория гидромеханического воздействия появилась в 1917 г., когда Рэлей, используя общие уравнения гидродинамики, подсчитал, что разрушение сферического пузырька, находящегося в идеальной жидкости, сопровождается местным повышением давления. Максимальная величина давления при этом может достигать нескольких тысяч атмосфер. Последующие теоретические и экспериментальные исследования показали правильность сделанной оценки. Таким образом, ученые, положившие начало теории гидромеханического воздействия, рассматривали давление, возникающее при разрушении кавитационного пузырька, и его непосредственное механическое действие на ограждающую поток поверхность как основные причины кавитационной эрозии. [c.27] Электрохимическая теория кавитационной эрозии обязана своим появлением тому, что в отдельных случаях, как было установлено наблюдениями, катодная защита в известной мере снижает интенсивность разрушения деталей гидромашин. Последователи электрохимической теории [94, 97] считали, что основной причиной кавитационного разрушения служат электролитические и химические явления, происходящие в кристаллической решетке металла под воздействием кавитации. Однако кавитационная эрозия таких материалов как стекло, нейлон, бакелит и другие, отмеченная впоследствии, поставила под сомнение основные положения электрохимической теории. [c.27] Теория мгновенных химических реакций [109] была основана на предположении, что в момент разрушения кавитационного пузырька происходит выделение из жидкости чрезвычайно активных химических веществ, которые вступают в реакцию с ограждающей поток поверхностью и приводят к быстрому ее разрушению. В отдельных экспериментах, проводившихся с водой [109], было отмечено повышенное содержание нерас-гворенного кислорода и присутствие озона внутри кавитационной зоны. Однако достаточного экспериментального подтверждения теория мгновенных химических реакций не получила. [c.27] Вернуться к основной статье