6.2. Практическое использование эффекта кавитации.

Эффект кавитации часто используют для практических целей. В частности он используется в устройствах для стабилизации расхода жидкости. Устройство (рис. 22а) состоит из дроссельной шайбы 1, измеряющей расход жидкости, и осесимметричной дроссельной иглы 2, служащей для введения устройства в кавитационный режим работы.

Рис. 22, а. Принципиальная схема кавитационного устройства для стабилизации расхода жидкости

Рис. 22, б. Кривая, характеризующая стабильность расхода

через кавитационное устройство.

При понижении давления Р_вых на выходе, в данном случае из сопла Вентури, при постоянном давлении р_вх на входе в него скорость потока жидкости будет повышаться, в соответствии с чем давление в суженном сечении сопла будет понижаться. После достижения этого давления до величины, соответствующей началу кавитации жидкости, последняя вскипает. Поскольку сопротивление сопла после этого будет увеличиваться пропорционально интенсивности кавитации, которая, в свою очередь, будет повышаться с увеличением перепада давления, расход через сопло после возникновения кавитации стабилизируется, сохраняясь постоянным независимо от дальнейшего снимания давления на выходе из сопла. При уменьшении этого давления будет лишь расширяться зона кавитации по диффузорной части, начиная от суженного сечения.

Подобные кавитационные устройства (сопла) используют для стабилизации расхода при колебаниях давления на выходе (при колебаниях нагрузки). Они обеспечивают регулирование расхода жидкости в большом диапазоне (≥ 10) при одновременной стабилизации расхода на каждом режиме.

На рис. 22, б показаны кривые зависимости регулируемого расхода Q жидкости от перепада давления на сопла при различных значениях (от 10 до 30 кГ/см²) давления р_ех на входе и давления _Рвых выходе, изменяющегося от 0 до входного (30 кГ/см²). Измерения проведены при расходе жидкости от 500 до 40 000 см³/сек при давлениях Р_вх = 10; 20; 25 и 30 кГ/см².

Из графика следует, что расход жидкости сохранялся в постоянным (коэффициент расхода μ изменялся от 0,96 до 0,97) в широком диапазоне режимов. Нарушение стабилизированного расхода происходит практически при значениях критического давления на выходе Р_вых ≈ Р_вх, где Р_вх – давление потока на входе в сопло.

Следует отметить, что заметного кавитационного разрушения поверхностей деталей при этом не происходит.

7. Гидравлический удар в гидроузлах

В связи с применением высоких скоростей течения жидкостей трубопроводах гидросистем современных машин (в ряде случаев эти скорости достигают 30 м/сек), а также в связи с распространением в них быстродействующих. распределительных устройств (скорости переключения доведены до тысячных долей секунды) важное значение приобретают вопросы, связанные с эффектом гидравлического удара, при котором забросы давления могут достигать четырехкратной величины рабочего давления в гидросистеме. Подобные забросы снижают ресурс работы трубопроводов и агрегатов, а в отдельных случаях могут вызвать их разрушение; в частности при гидроударах наблюдаются случаи разрушения охлаждающих радиаторов, корпусов фильтров и прочих гидроагрегатов. Кроме того, ударные забросы давления служат ложными сигналами, вызывающими нежелательные срабатывания датчиков и реле различных автоматических гидравлических приборов.

Гидравлическим ударом в общем случае называют забросы давления, сопровождающие всякий переходный процесс в жидкости от одного установившегося режима в жидкости к другому, обусловленный, к примеру, пуском и остановкой гидравлического механизма или иным изменением режима его работы. В частности, переходные процессы в гидросистемах с насосами постоянной производительности в основном обусловлены периодическими срабатываниями автомата разгрузки насоса, переключающими насосы на рабочий или холостой режим.

Аналогичное явление наблюдается и при переключении распределителей. Испытания показали, что при переключении распределителей с положительным перекрытием и клапанной разгрузкой насоса забросы при рабочих давлениях 100 кГ/см^г достигали значений 150 кГ/см² и выше (максимальное давление достигало 250 кГ/см²). Увеличение длины сливного трубопровода повышает заброс давления при срабатывании автомата разгрузки.

Из всего многообразия возможных форм, задающих возмущений, вызывающих гидравлический удар, нами будут рассмотрены лишь случаи возмущения, вызванные скачкообразным изменением скорости жидкости, при котором гидравлический удар достигает максимального значения.

Расчет величины ударного давления производят, пользуясь уравнением живых сил, согласно которому кинетическая энергия движущейся жидкости преобразуется в работу упругой деформации стенок трубы и сжатия жидкости. Для случая мгновенного полного перекрытия прямолинейного отрезка простого трубопровода, заполненного движущейся жидкостью, ударное повышение давления может быть вычислено по уравнению Н. Е. Жуковского

где ρ – плотность жидкости;

а – скорость ударной волны (скорость распространения импульса давления) в жидкости, заключенной в трубе;

u₀ – начальная скорость движения в трубе (до начала перекрытия трубопровода).

Приведенное выражение будет справедливо, если перекрытие трубопровода произошло «мгновенно», т. е. для случая, когда время t перекрытия трубопровода меньше значения так называемого периода трубопровода (фазы удара) τ, под которым понимается время пробега ударной водной двойной длины рассматриваемого участка трубопровода (от задвижки до источника расхода и обратно):

где L – длина участка трубопровода от источника расхода до задвижки.

При этом условии перекрытие трубопровода заканчивается до того, как обратная ударная волна, отраженная от источника расхода, вернется к задвижке. Гидравлический удар при этом определится полной потерей жидкостью скорости, в соответствии с чем повышение давления будет максимальным. Подобный гидравлический удар принято называть полным или прямым.

Из сказанного следует, что заброс давления при прямом гидравлическом ударе достигнет предельного значения лишь на том участке трубопровода, считая от задвижки (перекрывного крана), по которому успеет распространиться, прямая ударная волна, возникающая в момент полного закрытия задвижки, до встречи ее с обратной волной, отраженной от источника расхода.

Очевидно, что максимально возможное для возникновения прямого гидравлического удара значение времени перекрытия трубопровода (закрытия крана) равно . Предельное ударное давление, равное по величине ударному давлению при мгновенном перекрытии трубы, будет наблюдаться при этом значении t лишь у самой задвижки. В остальных же сечениях по мере приближения к источнику расхода повышение давления снижается до значения давления в последнем.

При условии т. е. при более медленном, чем рассмотрено выше, перекрытии трубопровода, ударное повышение (заброс) давления определится лишь той частью начальной скорости жидкости , которая будет потеряна (погашена) за время, равное периоду трубопровода τ. При этом условии обратная волна, отразившись от источника расхода, возвратится к задвижке (крану) раньше, чем трубопровод будет полностью перекрыт. Подобный удар принято называть непрямым или неполным.

Ударное повышение давления в этом случае определится выражением

где - уменьшение (потеря скорости жидкости в трубе), вызванное частичным перекрытием ее задвижкой, за время, равное периоду трубопровода τ;

- начальная скорость движения жидкости (скорость до начала перекрытия трубы);

- измененная скорость жидкости (скорость к моменту прихода к задвижке обратной ударной волны, отражен­ной от источника, расхода).

Допустив, что изменение скорости потока в трубе протекает равномерно, расчетное значение потери скорости за время можно приближенно вычислить по выражению

Заброс давления при непрямом (неполном) ударе может быть вычислен также по выражению

С учетом предыдущих уравнений последняя зависимость может быть представлена в виде