Лопатеві насоси і гвинти суднів

План:

Вступ

1.        Число кавітації. Вимірювання

2.        Лопатеві насоси і гвинти суднів

2.1.           Лопатеві насоси. Кавітація на стороні всмоктування

2.2.           Нагнітальна кавітація

3.        Кавітація в двигунах

4.        Судинні рослини

5.        Шкідливі наслідки

6.        Запобігання наслідків

7.        Корисне застосування кавітації

8.        Застосування:

8.1.   В медицині

8.2.   Інші області застосування

Висновки

Використана література

Вступ

Кавітація (від лат. Cavitas - пустота) - утворення в рідині, порожнині (кавітаційних бульбашок  або каверн), заповнених парою. Кавітація виникає в результаті місцевого пониження тиску в рідині,  яке може відбуватися або при збільшенні її швидкості (гідродинамічна кавітація), або при проходженні акустичної хвилі великої інтенсивності під час напівперіоду розрідження (акустична кавітація), також існують й інші причини виникнення ефекту. Переміщаючись з потоком в область з більш високим тиском або під час напівперіоду стискання, кавітаційна бульбашка схлопується, випромінюючи при цьому ударну хвилю.

Кавітація відбувається в насосах, гвинтах, робочих колесах (гідротурбінах) і в судинних тканинах рослин.

Кавітація руйнує поверхню гребних гвинтів, гідротурбін, акустичних випромінювачів та ін.

Згідно з визначенням Крістофера Бренна: «Коли рідина піддається тиску нижче порогової (напрузі розтягування), тоді цілісність її потоку порушується, і утворюються пароподібні порожнини. Це явище називається кавітацією. Коли місцевий тиск рідини в деякій точці падає нижче величини, що відповідає тиску насичення при даній температурі навколишнього середовища, тоді рідина переходить в інший стан, утворюючи, в основному, фазові пустоти, які називаються кавітаційними бульбашками. Можливе й інше утворення кавітаційних бульбашок шляхом місцевої подачі енергії. Це може бути досягнуто фокусуванням інтенсивного лазерного імпульсу (оптична кавітація) або іскрою електричного розряду».

У багатьох джерелах фізика цього явища пояснюється наступним чином. Фізичний процес кавітації близький процесу закипання рідини. Основна відмінність між ними укладено в тому, що при закипанні зміна фазового стану рідини відбувається при середньому по об'єму рідини тиску рівному тиску насиченої пари, тоді як при кавітації середній тиск рідини вище тиску насиченої пари, а падіння тиску носить локальний характер.

Однак більш пізні дослідження показали, що провідну роль в утворенні бульбашок при кавітації грають гази, що виділяються всередину утворених бульбашок. Ці гази завжди містяться в рідині, і при місцевому зниженні тиску починають інтенсивно виділятися всередину зазначених бульбашок.

Оскільки під впливом змінного місцевого тиску рідини бульбашки можуть різко стискуватися і розширюватися, то температура газу всередині бульбашок коливається в широких межах, і може досягати декількох сотень градусів за Цельсієм. Є розрахункові дані, що температура всередині бульбашок може досягати 1500 градусів Цельсія. Слід також враховувати, що в розчинених в рідині газах міститься більше кисню в процентному відношенні, ніж у повітрі, і тому гази в бульбашках при кавітації хімічно більш агресивні, ніж атмосферне повітря.

Для кавітаційного явища потрібна поверхня появи кавітаційних "бульбашок". Цією поверхнею є нечистоти на стінках водозбірника і домішки, що містяться в рідині. Загальноприйнятим є те, що водовідштовхувальна (гідрофобна) поверхня стабілізує появу невеликих пухирів. Ці міхури, що з'явилися раніше, почнуть необмежено зростати, коли їх піддадуть пороговому тиску, названому порогом Блейка.

Рис.1 Процес схлопування

Число кавітації

Кавітаційність характеризують безрозмірним параметром (числом кавітації):

, де

P - гідростатичний тиск набігаючого потоку, Па;

Ps - тиск насичених парів рідини при певній температурі навколишнього середовища, Па;

ρ - щільність середовища, кг / м ³;

V - швидкість потоку на вході в систему, м / с.

Відомо, що кавітація виникає при досягненні потоком граничної швидкості  V=Vc, коли тиск в потоці стає рівним тиску пароутворення (насичених парів). Цій швидкості відповідає граничне значення критерій кавітації.

Залежно від величини Χ можна розрізняти чотири види потоків:

-         докавітаціоний - суцільний (однофазний) потік при Χ > 1,

-         кавітаційний - (двофазний) потік при  ,

-         плівковий - зі стійким відділенням кавітаційної порожнини від решти суцільного потоку (плівкова кавітація) при Χ < 1,

-         суперкавітаційний – при .

Вимірювання

Рівень кавітації вимірюють (як правило у відносних одиницях) за допомогою приладів, які називаються кавітометрами.

Лопатеві насоси і гвинти суднів

У місцях контакту рідини зі швидко рухомими твердими об'єктами (робочі органи насосів, турбін, гребнів, гвинтів суднів, підводних крил і т. д.) відбувається локальна зміна тиску. Якщо тиск в якійсь точці падає нижче тиску насиченої пари, відбувається порушення цілісності середовища. Або, простіше кажучи, рідина закипає. Потім, коли рідина потрапляє в область з більш високим тиском, відбувається «схлопування» бульбашок пари, що супроводжується шумом, а також появою мікроскопічних областей з дуже високим тиском (при зіткненні стінок пухирців). Це призводить до руйнування поверхні твердих об'єктів. Їх як би «роз'їдає». Якщо зона зниженого тиску виявляється досить великою, виникає кавітаційна каверна - порожнина, заповнена парою. У результаті нормальна робота лопатей порушується і можливий навіть повний зрив роботи насоса. Цікаво, але є приклади, коли кавітаційна каверна спеціально закладається при розрахунку насоса. У тих випадках, коли уникнути кавітації неможливо, таке рішення дозволяє уникнути руйнівного впливу кавітації на робочі органи насоса. Режим, при якому спостерігається стійка кавітаційна каверна, називають «режимом суперкавітації».

Так як лопаті гідротурбіни (в насосах) або лопаті гребного гвинта (у разі застосування на суднах або підводних човнах) обертаються в рідині, то виникають області низького тиску, оскільки навколо лопатів рідина прискорюється і слідує за ними. Чим швидше будуть обертатися лопаті, тим нижче може виявитися тиск навколо них. Таким чином, досягається тиск насиченої пари, рідина випаровується і утворює невеликі бульбашки газу. Це і називається кавітацією. Коли пізніше бульбашки руйнуються, то вони зазвичай приводять до дуже сильних місцевих ударів хвилі в рідині, які можуть супроводжуватися шумами і можуть навіть зашкодити лопаті. Кавітація в насосах може бути двох видів: усмоктувальна і нагнітальна.

Лопатеві насоси. Кавітація на стороні всмоктування

Як правило, зона кавітації спостерігається поблизу зони всмоктування, де рідина зустрічається з лопатями насоса. Ймовірність виникнення кавітації тим вище,

-         чим нижче тиск на вході в насос;

-         чим вище швидкість руху робочих органів щодо рідини;

-         чим більш нерівномірне обтікання рідиною твердого тіла (високий кут атаки лопаті, наявність зламів, нерівностей поверхні і т. п.)

Усмоктувальна кавітація відбувається, коли робота насоса в режимі всасування відбувається під низьким тиском, де рідина перетворюється на пару всередині відцентрового насоса. Ця пара переноситься на нагнітальний бік насоса, де вакуум більше не виявляється і знову стискається до рідинного стану під впливом нагнітального тиску. Це стиснення відбувається миттєво і впливає на лицьову поверхню гідротурбін. У гідротурбін, які працюють під впливом умов всмоктуючої кавітації, виявляють брак на лицьовій поверхні великих шматків матеріалу, що веде до передчасного виходу з ладу насосів.

Нагнітальна кавітація

     Нагнітальна кавітація відбувається при надзвичайно високому нагнітальному тиску насоса. Нагнітальна кавітація зазвичай з'являється в насосі, який працює при відхиленні на 10% від свого ККД. Високий нагнітальний тиск викликає циркуляцію рідини усередині насоса замість того, щоб видавати потрібні об'ємні витрати. Так як рідина циркулює в гідротурбіні, то вона повинна проходити через невеликий зазор між гідротурбін і патрубком насоса при надзвичайно високій швидкості. Ця швидкість призводить до появи вакууму, що розвивається в патрубку (аналогічно тому, що відбувається в трубі Вентурі), який перетворює рідину в пару. Насос, який працює в таких умовах, показує передчасний знос лопатевих гідротурбін і патрубків насоса. Крім того, через умови високого тиску можливий передчасний вихід з ладу механічної пломби насоса і підшипників. При граничних умовах кавітації можлива поломка вала гідротурбіни. Вважають, що нагнітальна кавітація призводить до поломки шарнірів.

Відцентрові насоси. Кавітація в ущільненні робочого колеса

У класичних відцентрових насосів частина рідини з області високого тиску проходить через щілину між робочим колесом і корпусом насоса в зону низького тиску. Коли насос працює з істотним відхиленням від розрахункового режиму в бік підвищення тиску нагнітання, витрата витоків через ущільнення між робочим колесом і корпусом зростає (через збільшення перепаду тиску між порожнинами всмоктування і нагнітання). Із-за високої швидкості рідини в ущільненні можлива поява кавітаційних явищ, що може привести до руйнування робочого колеса і корпусу насоса. Як правило, в побутових і промислових випадках режим кавітації в робочому колесі насоса можливий при різкому падінні тиску в системі опалення чи водопостачання: наприклад, при розриві трубопроводу, калорифера або радіатора. При різкому падінні тиску в зоні робочого колеса насоса утворюється вакуум, вода при низькому тиску починає скипати. При цьому напір різко падає. Режим кавітації призводить до ерозії робочого колеса насоса, і насос виходить з ладу.

Кавітація в двигунах

Деякі великі за розміром дизельні двигуни страждають від кавітації через високе стиснення і малогабаритність стінок циліндра. У результаті в стінках циліндра утворюються дірки, які призводять до того, що охолоджуюча рідина починає потрапляти в циліндри двигуна. Запобігти небажаному явищу можливо за допомогою хімічних добавок в масло, які утворюють захисний шар на стінках циліндра. Цей шар буде схильний тієї ж кавітації, але він може самостійно відновлюватися.

Судинні рослини

Кавітація відбувається в ксилемі судинних рослин, коли водний потенціал стає таким великим, що розчинившись у воді повітря розширюється, щоб заповнити клітини рослин, або елементи судин, капілярів. Зазвичай рослини здатні виправити кавітаційну ксилему, наприклад, за допомогою кореневого тиску, але для інших рослин, таких як виноградники, кавітація часто призводить до загибелі. У деяких деревах ясно чути кавітаційний шум. Восени температурне зниження збільшує утворення повітряних бульбашок в капілярах деяких видів рослин, що викликає опадання листя.

Шкідливі наслідки

Рис.2 Пошкодження, що наносяться ефектом кавітації (частина насоса)

Рис.3 Кавітаційні пошкодження гребного гвинта

Хімічна агресивність газів в бульбашках, які мають до того ж високу температуру, викликає ерозію матеріалів, з якими стикається рідина, в якій розвивається кавітація. Ця ерозія і становить один з факторів шкідливого впливу кавітації. Другий фактор обумовлений великими перепадами тиску, що виникають при схлопуванні бульбашок і впливом на поверхню зазначених матеріалів.

Тому кавітація в багатьох випадках небажана. Наприклад, вона викликає руйнування гребних гвинтів суден, робочих органів насосів, гідротурбін і т. п., кавітація викликає шум, вібрації та зниження ефективності роботи.

Коли схлопуються кавітаційні бульбашки, енергія рідини зосереджується в дуже невеликих обсягах. Тим самим, утворюються місця підвищеної температури і виникають ударні хвилі, які є джерелами шуму. Шум, що створюється під час кавітації, є особливою проблемою на підводних човнах (субмаринах), так як через шум їх можуть виявити. При руйнуванні каверн звільняється багато енергії, що може викликати ушкодження. Експерименти показали, що шкідливому, руйнівному впливу кавітації піддаються навіть хімічно інертні до кисню речовини (золото, скло тощо), хоча і набагато більш повільного. Це доводить, що крім фактора хімічної агресивності газів, що знаходяться в бульбашках, важливим є також фактор закидань тиску, що виникає при схлопуванні бульбашок. Кавітація веде до великого зносу робочих органів і може значно скоротити термін служби гвинта і насоса. У метрології, при використанні ультразвукових витратомірів, кавітаційні бульбашки модулюють хвилі, що випромінюються витратоміром, призводячи до спотворення його показань.