в гидросистемах высотных самолетов. Для устранения этого контакта следует применять баки, в которых жидкость и воздух были бы разде­ лены специальными устройствами — резиновыми мембранами или

й)

Рис. 11. Схемы бака с разделительным поршнем

ным поршнем (рис. 11,6). При такой конструкции баков возможен пе­ ревернутый полет самолета.

ДАВЛЕНИЕ НАСЫЩЕННЫХ ПАРОВ ЖИДКОСТИ

Давлением или упругостью насыщенного пара жидкости называет­ ся установившееся в замкнутом пространстве давление пара, находя­ щегося в равновесии с жидкостью.

Данные по величине давления насыщенного пара жидкости необ­ ходимы при определении ее пригодности для работы в условиях высо­ ких температур, а также для оценки кавитационных характеристик гидросистемы.

Упругость паров жидкости имеет особенно большое значение для гидросистем ракет, полеты которых происходят на больших высотах в условиях сильного разрежения. При космических полетах разреже­ ние может достигать 10~2—10~7 мм рт. ст. В этих условиях с выходя­ щих во внешнюю среду смачиваемых рабочих поверхностей испаряет­ ся жидкость.

Опытами установлено, что давление насыщенного пара однород­ ных жидкостей (например воды) имеет для каждой температуры опре­ деленную величину, которая не зависит от соотношения количества жидкости и пара в данном замкнутом пространстве. Если же в жидко­ сти растворено какое-либо вещество (смесь жидкостей), то оно в ре­ зультате взаимодействия молекул растворенного вещества и раствори­ теля затрудняет испарение последнего.

В общем случае при расчете давления насыщенных паров смесей жидкостей, к которым относятся минеральные масла, исходят из поло­ жения, согласно которому упругость пара над жидкой смесью равна

41

сумме парциальных упругостей ее составных частей. Однако, посколь­ ку это давление зависит от температуры и от соотношения компонен­ тов, расчет давления насыщенного пара жидкости, состоящей из двух и более компонентов, представляет известную сложность. Эта слож­ ность обусловлена в основном тем, что в насыщенном паре смесей жид­ костей содержится большое количество легко испаряющихся (летучих) компонентов. По мере испарения жидкая фаза обедняется этими ком­ понентами, а паровая фаза обогащается ими, причем обеднение жид­ кой фазы легкоиспаряющимися компонентами будет тем больше, чем больше объем парового пространства по отношению к жидкости. По­ этому и упругость насыщенного пара такой сложной жидкости будет тем меньше, Чем больше отношение объемов паровой и жидкой фазы. Лишь при очень малых объемах паровой фазы по сравнению с объемом жидкости обеднением смеси летучими компонентами можно прене­

бречь.

В отличие от однородной жидкости, которая кипит при постоянной для данного давле­ ния температуре, температура кипения сложных жидкостей при данном давлении (а так­ же давление насыщенных па­ ров при данной температуре) повышается по мере выкипа­ ния легких компонентов.

с давлениями других сортов масел являются результатом влияния на исследуемый параметр легкого компонента этой смеси.

Т а б л и ц а 5

Упругость (давление) насыщенных паров масел

.

42

Разрывная прочность жидкостей

При расчетах гидравлических систем допускают, что жидкости разрываются при давлениях, равных или близких к давлению насыщен­ ных паров при данной температуре. Однако реальные жидкости разры­ ваются при более высоких давлениях, причем прочность жидкости или критическое давление, соответствующее ее разрыву, не стабильно, а за­ висит от наличия в ней пузырьков нерастворенного воздуха и различ­ ных твердых включений.

Разрывная прочность зависит также от наличия в жидкости воз­ духа в растворенном состоянии. Последнее обусловлено тем, что при уменьшении давления ниже величины, при которой произошло насыще­ ние жидкости газом, часть его выделится из раствора, снижая тем самым разрывную прочность жидкости.

Однако при скоротечных процессах разрыва жидкости воздух, на­ ходящийся в растворенном состоянии, оказывает на разрывную проч­ ность меньшее влияние, чем воздух, находящийся в механической сме­ си, поскольку для выделения его из раствора требуется известное время.

Практически напряжение разрыва масла в реальных условиях не превышает при плавном нагружении 0,004 кГ/см2. Однако опыты пока­ зывают, что при известных условиях максимальное значение объемной прочности масляной смеси АМГ-10 может достигать значения 0,9 кГ/см2, а минимальное— близко к нулю. Ввиду этого растягиваю­ щими напряжениями в жидкости обычно пренебрегают, за исключени­ ем случаев, имеющих отношение к кавитации.

КАВИТАЦИЯ ЖИДКОСТИ

В непосредственной связи с рассмотренной выше разрывной проч­ ностью жидкости находится явление, получившее в практике название кавитации. Это явление заключается в образовании в жидкости мест­ ных областей, в которых происходит выделение (вскипание) парогазо­ вых пузырьков — каверн с последующим их разрушением (в результа­ те конденсации паров и смыкания пузырьков), сопровождающимся вы­ сокочастотными гидравлическими микроударами и высокими заброса­ ми давления.

Кавитация может возникнуть в трубопроводах, в насосах, а также во всех устройствах, где поток жидкости подвергается поворотам, су­ жениям с последующим расширением (в кранах, клапанах, вентилях, диафрагмах) и прочими деформациями.

Кавитация нарушает нормальный режим работы гидросистемы, а в отдельных случаях оказывает разрушающее действие на ее агре­ гаты.

Особенно отрицательное действие оказывает кавитация на насосы, в которых она возникает тогда, когда жидкость при ходе всасывания отрывается по тем или иным причинам от поверхности рабочего эле­ мента насоса (поршня, лопасти, зубьев или прочих вытеснителей). Воз­ можность такого отрыва зависит от величины давления жидкости на входе в насос и ее вязкости, а также от числа оборотов насоса и конст­ руктивных его особенностей. В частности, такое явление наступит, если давление на входе во всасывающую камеру насоса окажется недоста­ точным для того, чтобы обеспечить неразрывность потока жидкости в процессе изменения скорости ее движения, задаваемой изменением скорости движения (ускорением) всасывающего элемента насоса. Пре­ дельно допустимым числом оборотов насоса является такое число, при котором абсолютное давление жидкости на входе в насос будет спо­

43

собно преодолеть без разрыва потока сумму потерь в нем. В случае шестеренного и лопастного насосов к рассмотренным внутренним по­ терям на всасывании насоса добавляются потери, обусловленные цент­ робежной силой (см.стр. 166).

С появлением кавитации производительность насоса понижается, возникает характерный шум, происходит эмульсирование жидкости, а также наблюдаются резкие частотные колебания давления в нагне­ тательной линии и ударные нагрузки на детали насоса, которые могут вызвать выход насоса из строя.

В зонах кавитации происходит разрушение (эрозия) деталей гид­ роагрегата с образованием на их поверхностях характерных повреж­ дений (в виде раковин).

О природе явления кавитации и о механизме разрушительного дей­ ствия ее на гидравлические агрегаты и их элементы существует не­ сколько гипотез, наиболее распространенная из которых сводится к следующему. При понижении давления в какой-либо точке потока жидкости до величины ниже давления насыщенных ее паров при дан­ ной температуре жидкость вскипает (происходит ее разрыв), выделив­ шиеся же пузырьки пара увлекаются потоком и переносятся в область более высокого давления, в которой паровые пузырьки конденсируют­ ся (смыкаются). Так как процесс конденсации парового пузырька (ка­ верны) происходит мгновенно, частицы жидкости, заполняющие его по­ лость, перемещаются к его центру с большой скоростью. Теоретические расчеты показывают, что скорости встречи стенок смыкающегося пу­ зырька (каверны) могут достигать сотен м/сек. В результате кинетиче­ ская энергия соударяющихся частиц жидкости вызывает в момент за­ вершения конденсации (в момент смыкания пузырьков) местные гид­ равлические удары, сопровождающиеся резкими забросами давления и температуры в центрах конденсации. Теоретические подсчеты пока­ зывают, что местный заброс давления при скоротечном (за время >—'0,001 сек) разрушении (смыкании) кавитационного пузырька может достигать 2000—3000 кГ/см2.

Если конденсация паровых пузырьков будет происходить у стенки канала, то она будет подвергаться непрерывным гидравлическим уда­ рам с высокой повторяемостью со стороны частиц жидкости. В резуль­ тате при длительной кавитации под действием указанных гидравличе­ ских ударов и одновременном воздействии высокой температуры, раз­ вивающейся в центрах конденсации в результате этих ударов, на этой поверхности стенки за непродолжительное время образуются микро­ скопические углубления (эрозия).

Однако проведенные нами исследования показали, что наблюдае­ мые в практике кавитационные явления происходят в основном не в ре­ зультате выделения паров жидкости, а вследствие выделения из жидко­ сти в зонах пониженного давления растворенного воздуха, а также расширения пузырьков последнего, находящихся в механической смеси с жидкостью.

Последнее подтверждается тем, что кавитация начинается не при давлении pt парообразования в жидкости, а при некотором критическом давлении рк, значительно превышающем давление парообразования. Так, например, испытания показали, что активная кавитация при рабо­ те насоса на масле АМГ-10, упругость насыщенных паров которого при температуре 60° С не превышает 3—4 мм рт. ст., наступает при абсо­ лютном давлении на входе в насос в 450—500 мм рт. ст. Этими испыта­ ниями также установлено, что в реальных условиях при работе насоса невозможно создать такой вакуум, который соответствовал бы упру­ гости паров жидкости. Развитию столь низких давлений (вакуума), со­ ответствующих давлению ри препятствует в этом случае воздух, нахо­

4 4

дящийся как в растворенном состоянии, так и в механической смеси с жидкостью в виде пузырьков того или иного размера, которые мгно­ венно расширяются при любом понижении давления.

Высказанное предположение подтверждается также тем, что кави­ тация начинается тем раньше, чем больше воздуха содержится в жид­ кости, при деаэрировании же ее кавитационная стойкость повышается (начало кавитации смещается в зону более высокого вакуума).

Эти исследования позволяют заключить, что кавитация и кавита­ ционное разрушение поверхностей деталей гидроагрегатов происхо­ дит в результате механического воздействия на них гидроударов, воз­ никающих при смыкании воздушных кавитационных каверн (пузырь­ ков), а также в результате нагрева этих поверхностей при этих ударах до высоких температур.

Механизм этого явления схематически можно представить в сле­ дующем виде. При попадании воздушных пузырьков в зону повышен­ ного давления они с большой скоростью смыкаются (захлопываются), причем более мелкие растворяются в жидкости, а более крупные — резко уменьшаются в объеме. Во время смыкания пузырька частицы окружающей его жидкости перемещаются с большой скоростью к центру пузырька и кинетическая энергия этих частиц создает местные гидравлические удары с большими, мгновенно (ударно) нарастающими забросами давления в центре пузырька.

Вследствие большой скорости и высокого уровня сжатия воздуш­ ного пузырька в нем развиваются высокие температуры, которые, как показывают расчеты, могут достигать при адиабатном процессе сжатия 1000—1500° С и выше. Удары частиц жидкости при смыкании такого пузырька по поверхности детали вызывают местный нагрев ее до такой температуры, сочетание которой с ударами приводит к интенсивному разрушению материала.

Не исключена также возможность выделения и участия в рассмат­ риваемом явлении пузырьков пара жидкости, образованию которых будет способствовать возмущение ее при течении с большим перепадом дав­ ления и активное выделение воздуха.

Под действием этих температур в присутствии кислорода воздуха происходит активное окисление (коррозия) поверхностей. Уместно заме­ тить, что происходящие при этом окислительные процессы, усугубляются тем, что растворенный в жидкости воздух содержит больше кислорода, чем атмосферный (см. стр. 37).

Кроме того, интенсивность окислительных процессов повышается в результате того, что под действием механических (гидравлических) микроударов разрушается окислительная пленка, которая в обычных условиях защищает металлические поверхности деталей от воздействия кислорода и замедляет их окисление. Поскольку эта пленка обладает пониженными механическими свойствами, она легко разрушается (дро­ бится) под действием гидравлических микроударов и уносится потоком, обнажая незащищенные участки металлической поверхности.

Наблюдения показывают, что с появлением первых изъязвлений (шероховатостей) интенсивность дальнейшего кавитационного разру­ шения повышается. В равной мере процесс кавитационного разру­ шения ускоряется при наличии на поверхностях деталей шероховато­ стей, микротрещин и прочих местных дефектов. При захлопывании в этом случае кавитационных каверн, сопровождающемся гидравличе­ скими микроударами высокой частоты и уровня, в порах (микротрещи­ нах) возникают высокие ударные давления, превышающие давление гидроудара при захлопывании каверны, под действием которых жид­ кость продавливается в поры, сжимая при этом находящийся в порах воздух, который нагревается до высоких температур.

4 5