Кавитация

Явление кавитации было предсказано Л. Эйлером еще в XVIII веке и О. Рейнольдсом в 1873 году задолго до его обнаружения в 1893 году при испытании английского эскадренного миноносца «Дэринг». Кавитацией принято называть явление разрыва сплошности в жидкости с образованием кавитационных микропузырьков, заполненных паром, газом или их смесью, обусловленное понижением давления, или т. н. «холодное кипение» жидкости. Из интеграла Бернулли следует, что при установившемся движении жидкости распределение давлений в потоке существенно зависит от распределения скоростей. Из него следует, что при движении несжимаемой идеальной жидкости в некоторых частях потока давление может получаться отрицательным или даже равняться минус бесконечности.
Кавитация (cavitas - пустота) - процесс образования паровых пузырьков в зоне минимального давления с последующей конденсацией их в зоне повышенных давлений, происходящей под влиянием гидродинамического воздействия.
Явление кавитации наблюдается во всех случаях, когда в какой-либо гидравлической системе происходит падение давления ниже давления насыщения.
На участке пониженного давления начинается выделение паровых пузырьков, так как упругость паров жидкости при данной температуре оказывается выше давления в этой зоне.
Перемещение потока жидкости с паровыми пузырьками в область, где давление превышает давление парообразования, вызывает интенсивную конденсацию пара. Вследствие мгновенного освобождения объема, занимаемого паром, частицы жидкости, окружающие пузырек пара, устремляются внутрь этого объема с большой скоростью. Происходит кумулятивное воздействие, сопровождающееся мгновенным местным гидравлическим ударом. Совокупность гидравлических ударов приводит к разрушению стенок каналов, так называемой кавитационной эрозии.
Явление кавитации сопровождается вибрацией установки и шумовыми эффектами.
В центробежных насосах и других лопастных гидромашинах кавитация сопровождается падением подачи, напора, мощности и КПД.
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 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.
Кавитация образуется при возникновении и разрушении пузырьков пара в жидкости. Пузырьки пара образуются при условии, когда местное статическое давление в движущейся жидкости понижается до уровня давления насыщенных паров или ниже его при температуре окружающей среды. Когда пузырек или полость перемещается с потоком в зону высокого давления, он быстро разрушается. Взрыв пузырька приводит к возникновению в жидкости временной ударной волны чрезвычайно высокого местного давления. Если взрыв пузырьков происходит вблизи поверхности, удары давления, если они возникают постоянно, в конце концов, разрушат поверхностный материал. Перекачиваемая жидкость ударяется о входную кромку лопасти рабочего колеса под углом отличным от угла лопатки. Вихри и зоны пониженного давления образуются на обратной стороне рабочего колеса. Если давление становится ниже давления насыщенного пара, то возникают пузырьки пара. Переместившись совместно с потоком в зону повышенного давления, они неизбежно взорвутся. Это может привести к образованию раковин и коррозии на поверхности, расположенной рядом с областью повышенного давления.
Явление кавитации обычно возникает в центробежных насосах в местах, расположенных вблизи входных кромок лопастей рабочего колеса. Кавитация может также понизить характеристику Q–H насоса и его эффективность. Кавитирующий насос издает характерный дребезжащий звук, как будто через насос прокачивается песок. Ни один из материалов, используемых в конструкции насосов, не сможет полностью противостоять кавитации, поэтому необходимо проявить особое внимание ситуациям, создающим угрозу возникновения кавитации.
Следы износа от кавитации обычно носят локальный характер и представляют собой глубокие поверхностные раковины с острыми краями. Глубина этих раковин может достигать нескольких миллиметров.
Рис.1. Схема образования кавитационных пузырьков (каверн) на лопатке насоса
Основным способом борьбы с кавитацией является максимальное снижение разрежения в зонах возможной кавитации, которое частично может быть достигнуто за счет повышения окружающего давления

. В частности, в борьбе с кавитацией во всасывающей камере насосов основным является обеспечение на всасывании такого давления, которое способно было бы преодолеть без разрыва потока жидкости гидравлические потери во всасывающей магистрали и в самой камере всасывания, включая сопротивление, обусловленное инерцией жидкости.
Рис.2. Гребной винт со следами кавитационной эрозии лопастей
Рис.3. Зоны возникновения кавитации на рабочем колесе центробежного насоса
С целью снижения потерь напора во всасывающем трубопроводе необходимо устанавливать насос как можно ближе к питающему баку и ниже уровня жидкости в нем, а также увеличивать сечение трубопровода и уменьшать количество местных гидравлических сопротивлений на пути течения жидкости от бака к насосу.
Для обеспечения бескавитационных условий работы насосов применяют также различные конструктивные усовершенствования. Одним из радикальных способов борьбы с кавитацией в насосах является повышение давления на входе в насос, достигаемое применением вспомогательных насосов для подкачки или искусственного наддува газом жидкостных резервуаров, а также применением прочих средств.
Для уменьшения действия кавитации применяют коррозионно-стойкие материалы (стали с добавкой хрома и никеля) при одновременной тщательной обработке их поверхностей, омываемых кавитируемой жидкостью. Применяют также покрытия деталей материалом, стойким против кавитационного разрушения (бронзой, хромом и пр.).
Как правило, стойкость материалов кавитационному разрушению повышается с увеличением механической и химической (окислительной) стойкости, причем лучшие результаты дают материалы, в которых совмещаются оба эти качества. Наименьшую стойкость имеют чугун и углеродистая сталь и наибольшую стойкость — бронза и нержавеющая сталь. Наиболее стойким из известных материалов является титан.
Увеличение твердости материала повышает, как правило, антикавитационную стойкость. Так, например, увеличение твердости нержавеющей стали от НВ 150 до НВ 400—420 повышает ее антикавитационную стойкость в 10 раз и более. Увеличением твердости можно также несколько повысить антикавитационную стойкость углеродистых сталей, однако детали из этих сталей не могут обеспечить приемлемый ресурс времени при возможных твердостях.
Полностью устранить разрушительное действие кавитации путем применения стойких против коррозии материалов не представляется возможным. Разрушению, хотя и менее интенсивному, подвергаются при известных условиях детали из таких материалов как стекло, золото и пр., что свидетельствует о преобладании в рассматриваемом процессе их разрушения механических факторов.
2. Гидравлический удар.
Гидравлическим ударом в трубах называется резкое увеличение давления при очень быстром (практически мгновенном) уменьшении скорости движения жидкости (например, при очень быстром закрытии пробкового крана).
Всестороннее изучение гидравлического удара началось в связи с частыми авариями на новых линиях Московского водопровода, построенных в конце XIX века. Причины аварии исследовал выдающийся русский ученый Н.Е. Жуковский, которой впервые разработал теорию гидроудара.
Основная схема физического процесса явления гидравлического удара по теории Н.Е. Жуковского заключается в следующем (рис. 4).
l
p0
p0= gH0
n
n
l
0
=0
p0 + p
p
0
Рис. 4
Будем считать жидкость не вязкой, а сжимаемой и подчиняющейся закону Гука, а трубопровод абсолютно жестким. Физический процесс, протекающий при гидравлическом ударе, представляет собой четыре фазы преобразования энергии движущейся жидкости.
Первая фаза. При внезапном и полном закрытии задвижки в конце трубопровода вся движущаяся в нем жидкость должна остановиться. Реальная жидкость, обладающая свойством упругости, останавливается постепенно, сжимаясь от слоя к слою, начиная от конца трубопровода. Фронт остановившейся жидкости (сечение n–n) будет перемещаться от задвижки к резервуару. В остановившемся объеме между задвижкой и сечением n–n возникает дополнительное давление р. Скорость перемещения этого фронта называется скоростью распространения ударной волны и обозначается символом Сv:
,
где l и Т – соответственно длина трубы и длительность первой фазы.
Таким образом, упругая деформация сжатия и повышения давления распространяется вверх по течению и за время T достигает конца трубы. При этом освободившееся пространство на расстоянии l заполняется жидкостью из резервуара.
В конце первой фазы вся жидкость в трубе неподвижна (v0 = 0) и находится под давлением: р + р.
Плотность жидкости при этом увеличивается до = + .
Вторая фаза. Начало второй фазы совпадает с концом первой. Жидкость в трубе сжата, но не уравновешена давлением в резервуаре, где давление p. Поэтому жидкость в трубе начинает расширяться в сторону резервуара. Сначала приобретают движение слои жидкости, близкие к резервуару, а затем фронт спада давления n–n станет перемещаться от резервуара к задвижке со скоростью Сv.
К концу второй фазы вся жидкость в трубе окажется в движении со скоростью v в сторону резервуара и давление в трубе восстановится до первоначального.
Третья фаза