Скорость потока обычно значительно уменьшается на задней кромке профиля. Здесь давление становится выше, чем давление пара. Как только благоприятные условия для кавитации исчезают, пузырьки немедленно схлопываются. Энергия, высвобождаемая при схлопывании пузырьков, значительна.
КАВИТАЦИЯ
КАВИТАЦИЯ, образование пузырьков газа в жидкости. Термин был введен британским инженером Р. Фрудом примерно в 1894 году. Когда давление в любой точке жидкости становится равным давлению насыщенного пара этой жидкости, жидкость в этой точке испаряется и образуется паровой пузырь. Примером может служить кипящая вода. При нагревании воды давление ее насыщенного пара увеличивается. При достижении точки кипения давление пара становится равным давлению окружающей среды, и в воде образуются пузырьки пара.
Пары в жидком состоянии легче пузырятся при снижении давления. Когда давление окружающей среды становится выше давления насыщенного пара жидкости, кавитационный пузырек разрушается с силой. Такое схлопывание пузырьков вызывает шум, приводит к вибрациям и повреждению конструкций, а также влияет на работу задействованных машин и механизмов. Местное падение давления в жидкости возникает, когда тело и жидкость находятся в быстром относительном движении.
Закон Бернулли.
Согласно закону Бернулли, энергия в жидкости без трения постоянна вдоль линии потока. Это может быть выражено следующим уравнением
где p — давление, r — плотность и v — скорость. Индексы 0, 1 и 2 относятся к любым трем точкам данной обтекаемой линии.
Из приведенного выше уравнения следует, что с увеличением скорости местное давление уменьшается (пропорционально квадрату скорости). Любая частица жидкости, движущаяся по криволинейной обтекаемой линии, такой как огибающая профиля (рис. 1), будет ускоряться и испытывать снижение местного давления. Когда давление снижается до давления насыщенного пара, возникает кавитация. Таков механизм явления кавитации в подводных крыльях, пропеллерах, лопастях турбин и лопастях насосов.
Для жидкости, текущей по трубе, в соответствии с законом сохранения массы (уравнение неразрывности), скорость жидкости увеличивается на сужении трубы, где также возможна кавитация.
Кавитационный коэффициент.
Эффект кавитации одинаков для потока, обтекающего неподвижное тело, и для среды, в которой движется тело. В обоих случаях важны только относительная скорость и абсолютное давление. Связь между давлением и скоростью, при которой возникает кавитация, задается безразмерным критерием s, называемым коэффициентом кавитации (кавитационным числом), который определяется следующим образом
где pv — давление насыщенных паров жидкости при данной температуре.
Скорость потока обычно значительно уменьшается на задней кромке профиля. Здесь давление становится выше, чем давление пара. Как только благоприятные условия для кавитации исчезают, пузырьки немедленно схлопываются. Энергия, высвобождаемая при схлопывании пузырьков, значительна.
Причины возникновения кавитации.
Явление кавитации в насосах заключается в следующем: Во многих случаях кавитация начинается с образования отдельных микроскопических пузырьков в областях пограничного слоя реостата. Когда эти пузырьки достигают определенного размера, они попадают в область видимой кавитации.
Полости или так называемые твердые и стабильные полости образуются без предварительного образования пузырьков в ситуациях, когда давление окружающей среды довольно низкое или скорость потока соответственно высокая.
Явление кавитации в насосах связано с кипением жидкости и является термодинамическим процессом, определяемым свойствами жидкости: Давление, температура, скрытая теплота парообразования, теплоемкость.
При кипении жидкости в точках минимального давления образуются полости, которые заполняются парами и газами, частично выделяющимися из раствора. Образовавшиеся пузырьки пара переносятся потоком и достигают области с более высоким давлением, где снова конденсируются. Поскольку кипение требует подвода тепла для образования пара, которое должно быть получено из окружающей среды путем теплообмена, процесс кипения происходит с определенной задержкой, т.е. минимальное давление в потоке достигает значения, которое несколько ниже давления пара, и жидкость закипает из перегретого состояния. Конденсация пузырьков пара в области высокого давления также происходит с некоторой задержкой в условиях относительного перегрева. Вследствие вышеупомянутых процессов происходит относительно высокая скорость кипения и конденсации.
Частицы жидкости, заполняющие полость пузырька конденсата, движутся к центру с большой скоростью. После завершения конденсации частицы жидкости внезапно приходят в состояние покоя, и возникает локальный гидравлический удар. При этом кинетическая энергия частиц преобразуется в энергию упругой деформации. Поскольку деформация жидкости весьма незначительна, давление увеличивается на довольно большую величину. После повышения давления происходит обратный скачок давления, сопровождающийся резким падением давления и, возможно, возобновлением кипения и последующей конденсацией.
Различают три стадии кавитации: Начальная, расширенная и суперкавитация. На начальной стадии отсутствует область, где возникает кавитация. Стадия развития характеризуется наличием значительных полостей в ревматическом теле. При суперкавитации весь элемент тока находится в области кавитационной полости.
Последствия кавитации в насосах
Воздействие кавитации на насосы сопровождается признаками, оказывающими негативное влияние на производительность насоса.
Шум и вибрация возникают при схлопывании кавитационных пузырьков в диапазоне повышенного давления. Уровень шума зависит от размера насоса. Кавитационный шум проявляется в виде характерного потрескивания в области выхода рабочего колеса.
Снижение эффективности насоса при наличии кавитации по-разному влияет на насосы с разными скоростями и зависит от размера и влияния кавитационной зоны. На низких скоростях параметры резко снижаются. Для насосов с высоким коэффициентом быстроходности характерно постепенное снижение параметров. Если зона кавитации достигает всего поперечного сечения трубы, насос останавливается.
Коррозия возникает при непрерывной работе насоса в условиях кавитации в месте схлопывания пузырьков. Коррозия возникает как при начальной, так и при развитой кавитации.
В насосах с большим расходом может возникнуть кавитационное повреждение рабочего колеса и корпусов. Считается, что кавитационное разрушение вызывается механическим воздействием кавитационного потока на материал.
Следует проводить различие между кавитационным повреждением, коррозией и эрозией. Коррозия является результатом химического и электролитического воздействия среды на металл, а питтинг — результатом отрыва частиц металла от твердых частиц, переносимых перекачиваемой жидкостью (например, песка).
Неизвестно, существуют ли материалы, устойчивые к кавитационному повреждению. Все материалы разлагаются быстрее или медленнее. Наиболее прочными являются материалы, которые помимо механической прочности обладают химической стойкостью, например, медь. Чугун и углеродистая сталь особенно восприимчивы к кавитационным повреждениям. Нержавеющая сталь считается наиболее устойчивым к кавитации материалом. Использование кавитационностойких материалов может гарантировать, что насос сможет работать в условиях частичной кавитации в течение короткого периода времени без существенных повреждений. Эта возможность дает значительные преимущества, например, в случае кратковременной перегрузки насоса.
Влияние кавитации на характеристики насоса
Кавитация в центробежных насосах связана с потерей непрерывности потока в насосе и влияет на нормальную работу насоса. Последствия кавитации в насосах оказывают прямое влияние на производительность насоса. Начальная стадия кавитации, которая ограничивается небольшой площадью (локальная кавитация), не оказывает заметного влияния на производительность или напор насоса и проявляется характерным потрескивающим звуком в зоне всасывания из-за гидравлического удара. Локальная кавитация в насосах может быть связана с повреждением материала рабочего колеса или корпуса насоса. Более развитая кавитация приводит к снижению расхода, напора и эффективности насоса, что в целом приводит к выходу насоса из строя. На рисунке показано влияние кавитации на производительность насоса, а пунктирная линия представляет кривую нормальной производительности без кавитации.
Кавитация является одним из основных факторов, влияющих на производительность насоса. Другими факторами, влияющими на кривую производительности насоса, являются гидравлическое сопротивление.
Видео на эту тему
Кавитация в насосах является самым большим фактором, влияющим на надежность работы насоса. Продолжительная работа насоса в диапазоне даже незначительной кавитации совершенно недопустима из-за разрушительного эффекта кавитации.
