4.5. Кавитация

Кавитация – явление , возникающее в жидкости при больших скоростях движения, а следовательно, при малых давлениях.

Рассмотрим движение жидкости по трубопроводу (рис. 4.8).

Запишем уравнение Бернулли для сечений 1−1 и 2−2 потока реальной жидкости. Скоростью в баке пренебрегаем (V₁ =0), z₁ = h, p₁ =p₀ , z₂ =0.

. (4.25)

Отсюда найдем V₂ :

. (4.26)

Из формулы (4.26) видно, что скорость V₂ увеличивается с уменьшением

давления. Она будет максимальной при минимально возможном давлении.

Для жидкости это давление насыщенного пара р_нп . Потому можно

найти из (4.26), подставив в нее :

. (4.27)

При достижении средней скорости потока (например, за счет выбора слишком малого диаметра трубопровода или установки в трубопроводе сужающего устройства с очень малым проходным сечением) и понижении давления до в жидкости наступает кипение − выделение пузырьков пара по всему объему. Поток превращается в двухфазный (пар + жидкость),

сплошность его нарушается. Этот процесс и называется кавитацией.

Кавитация полностью нарушает процесс транспортировки жидкости.

Она развивается постепенно, в несколько стадий (рис. 4.9, a , b, c). Вначале выделяются пузырьки пара (а); они всплывают и объединяются в более крупные пузыри (b); далее происходит образование обширных объемов пара −

паровых каверн (с).

Помимо нарушения процесса транспортировки кавитация вредна еще тем, что вызывает повышенный износ материалов − «кавитационную коррозию».

Предположим, что кавитационный поток с паровой каверной попадает в расширяющуюся часть трубопровода − сечение 1−1 (рис. 4.9, d).

Рис.4.9. Стадии кавитации

Поскольку скорость уменьшается, давление становится больше р_нп ;

кипение быстро прекращается. Пар в каверне мгновенно конденсируется;

образующаяся жидкость оседает на стенке и впитывается окружающей жидкостью. Поскольку объем конденсата во много раз меньше объема каверны, в ней возникает пустое пространство, в которое с большой скоростью устремляется окружающая жидкость. При соударении движущейся жидкостью со стенкой возникает резкое местное повышение давления (гидравлический удар). Этот процесс называется «схлопыванием» каверны. Такой же процесс схлопывания происходит в отдельных пузырьках пара, касающихся стенки.

Многократно повторяющиеся гидравлические удары вызывают откол мельчайших частиц металла и в итоге − кавитационную коррозию.

Особенно опасна кавитационная коррозия в элементах гидроарматуры (где поток жидкости проходит через узкие щели и малые проходные сечения),

гидромашинах с быстровращающимися роторами (центробежных насосах, гидротурбинах), в судовых винтах.

Меры борьбы с кавитацией: недопущение высоких скоростей жидкости в трубопроводах; повышение рабочего давления в гидросистемах (например, применение наддува баков сжатым воздухом); недопущение превышения

точки расположения всасывающего отверстия центробежного насоса выше

допустимого значения; применение кавитационностойких материалов.