Гидродинамическая кавитация.

Кавитация дословно означает полость, каверна. Однако в технике под кавитацией понимается явление образования в движущемся по поверхности твердого тела потоке жидкости пустот в виде пузырей, полос и мешков, заполненных парами, воздухом или газами, растворенными в жидкости и выделившимися из нее. Это явление обусловлено следующим. В движущемся с большой скоростью потоке жидкости при его сужении или наличии препятствия на его пути давление может упасть до давления, соответствующего давлению парообразования при данной температуре. При этом, в зависимости от сопротивления жидкости растягивающим усилиям, может произойти разрыв, то есть нарушение сплошности потока. Образующаяся пустота заполняется паром и газами, выделившимися из жидкости. Воздух, вовлекаемый в поток, облегчает возникновение кавитации. Образовавшиеся парогазовые пузыри размерами порядка десятых долей миллиметра, перемещаясь вместе с потоком, попадают в область высоких давлений. Пар конденсируется, газы растворяются и в образовавшиеся пустоты с громадным ускорением устремляются частицы жидкости. Происходит сопровождаемое ударом восстановление сплошности потока.

Киносъемка показала, что кавитационный пузырек может вырасти за 0,002 секунды до 6 мм в диаметре и разрушиться за 0,001 секунды. При определенных типах кавитации на площади в один квадратный сантиметр в течение одной секунды могут образоваться и разрушиться более 30 млн. кавитационных пузырьков.

Кавитация наблюдается в трубопроводах, на лопатках центробежных и пропеллерных насосов, на лопастях гидравлических турбин и гребных винтов (судов). Явление кавитации вызывает вибрации, стуки и сотрясения, что приводит к расшатыванию крепежных связей, обрыву болтов, смятию резьб, нарушению уплотнений и усталостным поломкам.

Кавитация понижает КПД машин и гребных винтов и вызывает непосредственное разрушение поверхностей деталей в зоне ее действия. Предпосылки для наступления и протекания кавитационного изнашивания следующие. При замыкании до полного исчезновения парогазовых пузырей у поверхности детали она подвергается микроскопическим гидравлическим ударам в соответствии со схемой, показанной на рис. 5.9.

Рис. 5.9 – Схема гидравлических ударов при сокращении кавитационного пузыря

Из нескольких миллионов образуемых кавитационных пузырьков примерно один из 30 тысяч принимает участие в разрушении. Под воздействием ударов поверхность металла начинает деформироваться и наклепываться на малую глубину. Появляются линии сдвига, и происходит как бы своеобразное травление с выявлением границ отдельных зерен. Многократно повторяющиеся удары вызывают разупрочнение и перенаклеп материала на отдельных микроучастках. При этом возникают очаги разрушения в виде трещин. Разрушается прежде всего менее прочная структурная составляющая (в сталях – феррит, в чугунах – графитовые включения). За разрушением малопрочной составляющей может последовать выкрашивание и более прочных составляющих. Разрушение развивается в пределах зерен или по их границам в зависимости от соотношения прочности зерна и связи между зернами.

Коррозионные явления играют существенную роль в процессе кавитационного изнашивания. Например, в морской воде изнашивание намного выше, чем в пресной. Однако механическим воздействиям принадлежит основная роль. Об этом свидетельствует низкая кавитационная стойкость лакокрасочных, цинковых и алюминиевых покрытий, имеющих малую механическую прочность. Эбонит и плексиглас, являющиеся коррозионно-стойкими неметаллическими материалами, также плохо противостоят кавитации.

Интенсивность кавитационного изнашивания зависит от температуры, свойств жидкости и природы материала деталей. С увеличением поверхностного натяжения изнашивание происходит более интенсивно. Введение в воду веществ, понижающих поверхностное натяжение, снижает кавитационное изнашивание. Наибольшая интенсивность изнашивания соответствует воде с температурой 50°C. Кавитационная стойкость материала определяется его составом и структурой. Повышение содержания углерода в стали до 0,8% увеличивает ее стойкость. Пластинчатый перлит более стоек, чем зернистый. Введение никеля и хрома в сталь повышает ее стойкость за счет снижения количества феррита, увеличения степени дисперсности структуры и др. Шарообразная форма графита благоприятна. Наиболее стойким является низколегированный чугун (1% Ni, 0,3% Mo) с шаровидным графитом. Повышает кавитационную стойкость закалка с нагревом ТВЧ, цементация, наплавка твердосплавными материалами, хромирование (если толщина покрытия более 40 мкм; при меньшей толщине разрушение происходит под слоем хрома). Высокой стойкостью к кавитации обладает латунь.

Предупредить кавитацию можно, проектируя гидромеханическую систему так, чтобы во всех точках потока давление не опускалось ниже давления парообразования. То есть надо избегать резких сужений труб и избегать появления препятствий на пути потока. Однако возможность кавитации всегда следует учитывать.