Гідравліка. Тема Лекції : Кавітація

ЛЕКЦІЯ

ТЕМА ЛЕКЦІЇ : Кавітація

МЕТА ЛЕКЦІЇ : Ознайомитися з явищем кавітації і методами її усунення

     Кавітація - це явище утворення в рідині невеликих і практично порожніх порожнин (каверн), які розширюються до великих розмірів, а потім швидко руйнуються, виробляючи різкий шум. Кавітація відбувається в насосах, гвинтах, робочих колесах (гідротурбінах)

     Згідно з визначенням Крістофера Брено: «Коли рідина піддається тиску нижче порогового (напрузі розтягування), тоді суцільність її потоку порушується  і утворюються пароподібні порожнини. Це явище називається кавітацією. Коли місцевий тиск рідини в деякій точці падає нижче величини, що відповідає тиску насиченої пари при даній температурі навколишнього середовища, тоді рідина переходить в інший стан, утворюючи, в основному, фазові порожнечі, які називаються кавітаційними бульбашками. Можливе і інше утворення кавітаційних бульбашок шляхом місцевої подачі енергії. Це може бути досягнуто фокусуванням інтенсивного лазерного імпульсу (оптична кавітація) або іскрою електричного розряду ».

     Фізичний процес кавітації точно такий же, як і процес, що відбувається під час закипання. Основна відмінність між ними - це зміна фазового стану рідини. Закипання - процес, при якому місцевий тиск насиченої пари рідини вище місцевого навколишнього тиску і є досить енергії, щоб змінити нормальний стан рідини в газоподібний.

     Для кавітаційного явища потрібна поверхня утворення кавітаційних "бульбашок". Цією поверхнею є нечистоти на стінках водозбірника і домішки, що містяться в рідині. Загальноприйнятим є те, що водовідштовхувальна (гідрофобна) поверхня стабілізує появу невеликих бульбашок. Ці бульбашки, що з'явилися раніше, почнуть необмежено зростати, коли їх підвергнуть пороговому тиску, названому порогом Блейка.

     Кавітація в багатьох випадках небажана. На пристроях, наприклад, гвинтах і насосах, кавітація викликає багато шуму, пошкоджує їх складові частини, викликає вібрації і зниження ефективності.

     Коли руйнуються кавітаційні бульбашки, енергія рідини зосереджується в дуже невеликих обсягах. Тим самим, утворюються місця підвищеної температури і виникають ударні хвилі, які є джерелами шуму. Шум, створюваний кавітацією, є особливою проблемою на підводних човнах (субмаринах), так як через шум їх можуть виявити. При руйнуванні каверн звільняється багато енергії, що може викликати основні ушкодження. Кавітація може зруйнувати практично будь-яку речовину. Наслідки, викликані руйнуванням каверн, ведуть до великого зносу складових частин і можуть значно скоротити термін служби гвинта і насоса.

     Основні місця виникнення кавітації - насоси, гвинти або границі проточних рідин.

     Так як лопаті гідротурбіни (в насосах) або лопаті гребного гвинта (в разі застосування на суднах або підводних човнах) обертаються в рідини, то виникають області низького тиску, оскільки навколо лопатей рідина прискорюється і слід за ними. Чим швидше будуть обертатися лопаті, тим нижче може виявитися тиск навколо них. Таким чином, досягається тиск насиченої пари, рідина випаровується і утворює невеликі бульбашки газу. Це і називається кавітацією. Коли пізніше бульбашки руйнуються, то вони зазвичай призводять до дуже сильним місцевим ударам хвилі в рідині, які можуть супроводжуватися шумами і можуть навіть зашкодити лопаті. Кавітація в насосах може бути двох видів: всмоктувальна і нагнітальна.

     Всмоктувальна кавітація

      Всмоктувальна кавітація відбувається, коли робота насоса в режимі всмоктування відбувається під низьким тиском / висока вакуумне умова, де рідина перетворюється на пару всередині відцентрового насоса. Ця пара переноситься на нагнітальну сторону насоса, де вакуум більше не виявляється і знову стискається до рідинного стану під впливом нагнітаючого тиску. Це стиснення відбувається миттєво і впливає на лицьову поверхню гідротурбін. У гідротурбін, які працюють під впливом умов всмоктуючої кавітації, виявляють брак на лицьовій поверхні великих шматків матеріалу, що веде до передчасного виходу з ладу насосів.

     Нагнітальна кавітація

Нагнітальна кавітація відбувається при надзвичайно високому нагнітальному тиску насоса. Нагнітальна кавітація зазвичай з'являється в насосі, який працює при відхиленні на 10% від свого ККД. Високий нагнітальний тиск викликає циркуляцію рідини усередині насоса замість того, щоб видавати потрібну об'ємну витрату.

    Так як рідина циркулює в гідротурбині, то вона повинна проходити через невеликий зазор між гідротурбіною і патрубком насоса при надзвичайно високій швидкості. Ця швидкість призводить до появи вакууму, що розвивається в патрубку (аналогічно тому, що відбувається в трубі Вентурі), який перетворює рідину в пару. Насос, який працює в таких умовах, показує передчасний знос лопатевих гідротурбін і патрубків насоса. Крім того, через умови високого тиску можливий передчасний вихід з ладу механічної пломби насоса і підшипників. При граничних умовах кавітації можлива поломка вала гідротурбіни. Вважають, що нагнітальна кавітація призводить до поломки шарнірів.

     Способи боротьби з кавітацією.

     Для зменшення явища кавітації існує кілька способів.

1. По-перше, кожен насосів має деякий кавітаційний запас Δhтр. Не можна перевищувати це значення (мається на увазі тиск рідини всередині системи) і рідина буде залишатися рідиною. Всі характеристики по даному параметру зобов'язаний надавати завод виробник.

2. По-друге, для попередження появи кавітації і своєчасної настройки роботи насоса необхідно на всмоктуючих патрубках встановлювати датчики тиску. І в разі падіння на ньому тиску відразу вживати заходів перекладу насоса в інший режим роботи. Однак даний метод застосовується нечасто.

3. Якщо кавітація з'являється часто слід замінити діаметр всмоктуючого патрубка на більший.

4. Можна перенести насос трохи ближче до резервуару з рідиною (але на відстань не менше 10 діаметрів всмоктуючої труби).

5. Можна замінити всмоктувальну трубу на іншу, виготовлену з менш шорсткуватих матеріалів або видалити зворотний клапан.

6. Якщо усмоктувальна труба має багато вигинів і поворотів, то слід максимально зменшити їх кількість. Якщо це неможливо зробити тоді всі вигини і повороти зробити більшого радіусу.

7. Так само можна мінімізувати явище кавітації, підвищивши тиск у всмоктуючому патрубку. Для цього необхідно в забірному резервуарі збільшити рівень води, або використовувати бустерний насос.