Механізм кавітаційної ерозії

Ерозійне руйнування елементів проточної частини відцентрових і осьових насосів, що відбувається в місцях утворення стійких кавітаційних зон, призводить до погіршення режимів їх роботи, і в кінцевому підсумку до втрат енергії. Ремонтні роботи з усунення наслідків зношування вимагають зазвичай значних витрат праці, матеріалів і часу. У зв'язку з цим додаткові капіталовкладення, обумовлені втратами енергії внаслідок зниження ККД і простоями, пов'язаними з ремонтом, виходять настільки великими, що розробка методів підвищення надійності та довговічності насосів є надзвичайно актуальною і має велике народногосподарське значення.

У той же час, незважаючи на велику кількість теоретичних досліджень і експериментальних досліджень в області кавітаційної ерозії, механізм руйнування деталей гідравлічних машин внаслідок кавітації до цих пір не зрозумілий остаточно. Аналіз робіт, присвячений цій проблемі, дозволяє зробити висновок про те, що більшість авторів приймають в якості робочої гіпотези так звану гідромеханічну теорії, що розглядає в якості основної причини, що викликає руйнування матеріалу в процесі кавітації, механічний вплив захлопується кавітаційного пухирця. Теоретичні розрахунки, засновані на фізичних законах, що визначають перехід рідини з одного агрегатного стану в інші, показують, що миттєве захлопування кавітаційного пухирця внаслідок конденсації знаходиться всередині його пара супроводжується місцевим підвищенням тиску, що досягає декількох тисяч атмосфер і є, таким чином, джерелом механічної дії на обтічну поверхню Хімічна корозія, електролітичні процеси і місцеві підвищення температури, також відбуваються в межах кавітаційної зони, являють собою як би вторинні явища, що прискорюють кавітацію руйнування матеріалу. Однак до теперішнього ремінь ще залишилися невирішеним!! деякі питання, що перешкоджають кінцевому розумінню фізичної сутності кавітаційної ерозії і перетворення робочої гіпотези в точну теорію.

Одним з таких питань, що мають принципове значення, являє дійсний процес руйнування кавітаційного пухирця і характер передачі виникаючих при цьому механічних імпульсів матеріалу поверхні, що обгороджує потік

Використання високошвидкісної кінозйомки дозволило встановити, що руйнування сферичної бульбашки в потоці рідини відбувається не миттєво, а являє собою багаторазовий, затухаючий процес. Перебуваючи всередині кавітаційної зони пухирець росте і досягає якогось максимуму. Як тільки пухирець виноситься потоком за межі кавітаційної зони і потрапляє в область високого тиску, пар усередині бульбашки конденсується і в утворену «порожнечу» з великою швидкістю спрямовується рідина, в центрі пухирця внаслідок пружності газу, дифундувати всередину бульбашки за час його перебування в кавітаційної зоні і не встиг розчинитися, а також внаслідок стисливості реальної рідини відбувається зміна її руху на зворотній і на якусь мить утвориться новий пухирець з тиском усередині нього меншим, ніж тиск в навколишньому потоці.

Потім руйнується знову утворений пухирець і утворюється наступний і т. д. Процес цей затухаючий, так як більша частина кінетичної енергії маси рідини, що рухається до центру бульбашки з великою швидкістю, перетвориться в момент виникнення нового бульбашки в сферичну ударну хвилю, яка поширюється в усі сторони .

Механічний вплив цієї ударної хвилі на огороджувальну потік поверхню і є, на думку більшості вчених, основною причиною кавітаційної ерозії. Значна група вчених, ґрунтуючись на вивченні стійкості кавітаційних бульбашок, отриманих ультразвуковим методом. притримуючись думки, що при руйнуванні бульбашки після ряду неперіодичні коливань відбувається як би продавлювання його оболонки. Створюваний при цьому струмінь води з великою швидкістю вдаряє в огороджувальну потоком поверхню, що і являється основною причиною механічного руйнування. Це положення певною мірою підтверджується теоретичним аналізом умов стійкості бульбашки в нерухомій рідині. Другім неясним питанням, що заважає розумінню механізму кавітаційної ерозії, є характер руйнування матеріалу огороджувальної потоком поверхні під впливом кавітації. Високошвидкісна кінозйомка показує, що кавітаційний пухирець може за 0.002 с вирости до 6 мм в діаметрі і повністю зруйнуватися (захлопнутися) за 0,001с. Теоретичні розрахунки показують, що викликається ударною хвилею при такому швидкому руйнуванні кавітаційні бульбашки тиск досягає 2000 - 3500 кгс/см2 Це дуже високий тиск, але все ж недостатній для швидкого руйнування більшості матеріалів, що застосовуються в гідромашинобудування.

Та ж кінозйомка показує, що при деяких типах кавітації на площі 1 см2 протягом 1с можуть утворитися і зруйнуватися понад 30 млн. кавітаційних бульбашок.

Таким чином, було висловлено припущення, що при кавітаційній ерозії дуже велику роль грає надзвичайна повторюваність кавітаційних ударів і руйнування матеріалу є наслідком втомних явищ в поверхневому шарі.

Однак подальший аналіз показав, що, незважаючи на велику кількість кавітаційних бульбашок, що утворюються на огороджувальної потоком поверхні протягом 1с, тільки один приблизно з 30 тис. бере участь в її руйнуванні. Було також встановлено, що період часу між одним кавітаційних ударом і іншим виробленими в одну і ту ж точку поверхні, складає близько 100 хв.

Питання це дотепер залишається відкритим За останні роки в пресі опубліковано досить велику кількість робіт, присвячених характером руйнування матеріалу під впливом кавітації. Висновки, зроблені на підставі цих досліджень, часто суперечать один одному. Здається, можна припускати, що утворюванні при кавітаційній ерозії великі раковини або каверни є наслідком окремих ударів, а більш слабкі удари викликають утворення найдрібніших раковин і втомні явища в поверхневому шарі. Переважаючий характер того чи іншого виду руйнування залежить від ряду умов і в першу чергу від фізичних та механічних властивостей розглянутого матеріалу.

Затримка в розумінні механізму кавітаційної ерозії, крім складності самого явища, може бути пояснена різноманітністю методик проведених випробувань і відсутністю єдиного критерію або заходи кавітаційного руйнування. Зазвичай інтенсивність кавітації ерозії оцінюється втратою маси (або об'єму) зразка в якийсь період часу. Коли подібного роду виміри неможливі, підраховують число раковин, що утворилися на одиниці площі в одиницю часу, абсолютну або середню глибину зони руйнування і т. д.

У деяких дослідженнях інтенсивність кавітації ерозії оцінювали за тривалістю випробування зразка до певного ступеня пошкодження і навіть по зміні енергетичних характеристик гідромашин. Природно, що така різноманітність багатьох даних затрудняє їх узагальнення. Крім того, загальним недоліком усіх цих показників є те, що вони дають кількісну оцінку результатів ерозії без урахування стадії розвитку кавітації, яка визначається гідродинамічними характеристиками потоку.

Кавітаційна стійкість матеріалів, застосовуваних у гідромашинобудуванні Здатність матеріалів протистояти кавітаційній ерозії зазвичай називають кавітаційною стійкістю. Кавітаційна стійкість матеріалів змінюється в широких межах залежно від їх фізико-механічних властивостей і стану, а також від гідродинамічних характеристик потоку та властивостей рідини.

Кращим способом визначення кавітаційної стійкості матеріалів являється проведення випробувань безпосередньо в умовах експлуатації гідромашин. Однак за великої тривалості за часом, незручності контролю і значної вартості спосіб визначення кавітаційної стійкості матеріалів у робочих умовах не знайшов практичного поширення. Взамін цього розроблено і в даний час застосовується багато різних лабораторних методів оцінки кавітаційної стійкості матеріалів. Далеко не всі з цих методів передбачають випробування зразків матеріалу в умовах, аналогічних умовам в працюючій гідромашині. Проте більшість з них дозволяє оцінити з достатньою точністю ступінь опору матеріалу кавітаційної ерозії.

Критерієм кавітаційної стійкості матеріалу при всіх випробуваннях є втрата маси зразка внаслідок кавітаційної ерозії протягом деякого часу, вибираного виходячи з умов досвіду. Кавітаційна стійкість тим вище, чим менше втрати маси При визначенні кавітаційної стійкості неметалічних матеріалів критерієм в окремих випадках може бути зміна об'єму зразка, а не втрата маси.

Одним з перших методів визначення кавітаційної стійкості матеріалу є метод, при якому зразок випробуваного матеріалу поміщають в початковий ділянку дифузора сопла Вентури. При певній швидкості потоку або зниженні тиску в стиснутому перерізі сопла Вентури виникає кавітація, поширювана й на початковий ділянку дифузора. Робочий режим установки вибирають таким чином, щоб зразок матеріалу знаходився всередині кавітаційної зони. При іншому методі, принципово не відрізняється від першого, зразок матеріалу поміщають в робочу камеру гідродинамічної труби. Кавітація виникає за спеціальним елементом, найчастіше круглого профілю, поміщеним перед зразком матеріалу перпендикулярно його поверхні. Зона ерозії зразка в установках даного типу має типову форму факела, викликану умовами обтікання кавітуючого елемента. Обидва описаних методи найбільш повно представляють умови в діючих машинах, що є їхньою перевагою. Однак інтенсивність кавітаційного руйнування відносно низька і для отримання результатів досліджень потрібна велика кількість часу.

До числа недоліків необхідно віднести також і те, що отримання кількісно порівнянних даних на установках описуваного типу надзвичайно затруджене, так як крім впливу загальних факторів, таких як ступінь розвитку кавітації, остаточне руйнування зразка визначається характерними особливостями кожної конкретної установки (розміром робочої камери, формою кавітуючого елемента, швидкістю і тиском потоку, розмірами зразка і т. д . Незважаючи на це, гідродинамічні труби і сопла Вентури в даний час досить часто використовуються для вивчення механізму кавітаційної ерозії і оцінки кавітаційної стійкості різних матеріалів. Значний інтерес представляє метод, при якому зразки досліджуваного матеріалу поміщають на бічну поверхні тонкого диска, що швидко обертається в камері, наповненій робочою рідиною. Кавітація на поверхні диска викликається прорізаними в ньому отворами або спеціальними елементами - виступами, розташованими таким чином, щоб зразки матеріалу знаходилися в межах кавітаційної зони. Змінюючи частоту обертання диска, а також тиск усередині камери, можна контролювати розвиток кавітації. При великій частоті обертання диска інтенсивність кавітації ерозії досить висока для отримання результатів у порівняно короткий час. До недоліків описуваного методу відносяться турбулентний перемішування обертовим диском об'єму рідини, укладеної в камері, і наявність прикордонного шару, що обертається разом з диском.

Ці вторинні процеси дещо спотворюють дійсну картину явища і ускладнюють використання апаратів даного типу для вивчення механізму кавітаційної ерозії. В той же час дисковий апарат дуже зручний для дослідження кавітаційної стійкості матеріалів. Перевагами дискового апарата перед соплом Вентури і гідродинамічної трубою є: можливість одночасного випробування декількох зразків, значно менша тривалість випробування і відносна простота пристрою. При використанні іншого методу зразки випробуваного матеріалу прикріплюють до зовнішньої кромці швидко обертового диска таким чином, що вони по кожному обороті перетинають струмінь води, що витікає із спеціального насадка. Збільшуючи окружну швидкість зразків і швидкість витікання струменя води з насадка, можна домогтися надзвичайно швидкого руйнування зразків Основним недоліком цього методу є те, що процес руйнування матеріалу в даному випадку має дуже мало спільного з дійсним процесом кавітаційної ерозії. Зразки руйнуються внаслідок механічного співудару деякого об'єму води з їх поверхнею. Крім цього інтенсивність руйнування зразків в струмоударних установках у великій мірі залежить від діаметру і форми струменя; розмірів і форми лицьової поверхні зразка, зазору між насадком і кромкою зразка, що сильно утрудняє зіставлення кількісних даних, отриманих на різних установках. Найбільшого поширення в даний час отримав метод визначення кавітаційної стійкості матеріалів із застосуванням магнітострикційного вібратора. Магнітострикція, тобто зміна форми і розмірів тіла при намагнічуванні, найбільш детально досліджена для феромагнітних речовин (заліза, нікелю, кобальту і ряду сплавів), у яких вона досягає доступних виміру значень. Магнітострикціонний вібратор являє собою феромагнітний стержень, що змінює довжину під дією змінного магнітного поля. При великій частоті коливань кінця стрижня із зразком, зануреним в рідину, на торцевій поверхні зразка утворюється кавітаційна зона, яка збільшується протягом однієї половини періоду коливань і зникає протягом іншого, при цьому інтенсивно руйнується поверхня зразка. З деякими застереженнями можна допустити, що його руйнування має характер кавітаційної ерозії.