Военно-космическая академия им.А.Ф. Можайского
Факультет переподготовки иповышения квалификации
Кафедра № 13
Реферат
по дисциплине:
Безопасная эксплуатация гидравлическихсистем
на тему:
Кавитация
Автор:
капитан 3 ранга
Крупин А.А.
Санкт-Петербург 2010 г.
Содержание
Введение
1. ПонятиеКавитация
2. Обзоркавитации
3. Трудностикавитации
4. Достоинствакавитации
5. Применениев биомедицине
6. Насосыи винты
7. Всасывающаякавитация
8. Нагнетательнаякавитация
9. Кавитацияв двигателях
10. Сосудистыерастения
Кавитация
Кавитация – это явлениеобразования в жидкости небольших и практически пустых полостей (каверн),которые расширяются до больших размеров, а затем быстро разрушаются, производярезкий шум. Кавитация происходит в насосах, винтах, рабочих колесах(гидротурбинах) и в сосудистых тканях растений.
/>
Рис 1. Кавитационнаязона в трубке с местным сужением
Обзор
Согласно определениюКристофера Бреннена: «Когда жидкость подвергается давлению ниже порогового(напряжению растяжения), тогда сплошность ее потока нарушается, и образуютсяпарообразные полости. Это явление называется кавитацией. Когда местное давлениежидкости в некоторой точке падает ниже величины, соответствующей давлениюнасыщенного пара при данной окружающей температуре, тогда жидкость переходит вдругое состояние, образуя, в основном, фазовые пустоты, которые называютсякавитационными пузырями. Возможно и другое образование кавитационных пузырейпутем местной подачи энергии. Это может быть достигнуто фокусировкойинтенсивного лазерного импульса (оптическая кавитация) или искройэлектрического разряда».
Физический процесскавитации точно такой же, как и процесс, происходящий во время закипания.Основное различие между ними — это изменение фазового состояния жидкости.Закипание – процесс, при котором местное давление насыщенного пара жидкостивыше местного окружающего давления и присутствует достаточно энергии, чтобыизменить нормальное состояние жидкости в газообразное.
/>
Рис. 2. Кавитационныйпузырь на торцовой поверхности вибрирующего стержня (десятикратное увеличение)
Для кавитационногоявления нужна поверхность образования кавитационных «пузырей». Этойповерхностью являются нечистоты на стенках водосборника и примеси, содержащиесяв жидкости. Общепринятым является то, что водоотталкивающая (гидрофобная)поверхность стабилизирует появление небольших пузырей. Эти пузыри, появившиесяраньше, начнут неограниченно расти, когда их подвергнут пороговому давлению,названному порогом Блэйка.
Трудности
Кавитация во многихслучаях нежелательна. На устройствах, например, винтах и насосах, кавитациявызывает много шума, повреждает их составные части, вызывает вибрации иснижение эффективности.
Когда разрушаютсякавитационные пузыри, энергия жидкости сосредотачивается в очень небольшихобъемах. Тем самым, образуются места повышенной температуры и возникают ударныеволны, которые являются источниками шума. Шум, создаваемый кавитацией, являетсяособой проблемой на подводных лодках (субмаринах), так как из-за шума их могутобнаружить. При разрушении каверн освобождается много энергии, что можетвызвать основные повреждения. Кавитация может разрушить практически любоевещество. Последствия, вызванные разрушением каверн, ведут к большому износусоставных частей и могут значительно сократить срок службы винта и насоса.
Достоинства
Хотя кавитациянежелательна во многих случаях, однако есть исключения. Например,сверхкавитационные торпеды, используемые военными, обволакиваются в большиекавитационные пузыри. Существенно уменьшая контакт с водой, эти торпеды могутпередвигаться значительно быстрее, чем обыкновенные торпеды.
Кавитация может бытьполезной при ультразвуковой очистке устройств. Эти устройства создаюткавитацию, используя звуковые волны и разрушение кавитационных пузырей длячистки поверхности. Используемая таким образом, потребность в отчистке отвредных химических веществ может быть уменьшена во многих промышленных икоммерческих процессах, где требуется отчистка как этап производства. До сихпор подробности того, как пузыри производят отчистку, до конца не поняты.
В промышленности,кавитация часто используется для гомогенизирования, или смешивания, и отсадкивзвешенных частиц в коллоидном жидкостном составе, например, смеси красок илимолоке. Многие промышленные смесители основываются на этом разработанномпринципе. Обычно это достигается благодаря конструкции гидротурбин или путемпропускания смеси через кольцевидное отверстие, которое имеет узкое входноеотверстие и значительно большее выходное: вынужденное уменьшение давленияприводит к кавитации, поскольку жидкость стремится в сторону большего объема.Этот метод может управляться гидравлическими устройствами, которые контролируютразмер входного отверстия, что позволяет регулировать процесс работы вразличных средах. Внешняя сторона смесительных клапанов, по которойкавитационные пузыри перемещаются в противоположную сторону, чтобы вызватьимплозию (внутренний взрыв), подвергается огромному давлению и частовыполняется из сверхпрочных или жестких материалов, например, из нержавеющейстали, стеллита или даже поликристаллического алмаза (PCD).
Также были разработаныкавитационные водные устройства очистки, в которых граничные условия кавитациимогут уничтожить загрязняющие вещества и органические молекулы. Спектральныйанализ света, испускаемого в результате сонохимической реакции, показываетхимические и плазменные базовые механизмы энергетической передачи. Свет,испускаемый кавитационными пузырями, называется сонолюминесценцией.
Применение вбиомедицине
Кавитация играет важнуюроль для уничтожения камней в почках посредством ударной волны лизотрипсии(лизотриптор). В настоящее время исследованиями показано, что кавитация можетбыть использована для перемещения больших молекул внутрь биологических клеток(сонопорация).
Насосы и винты
Основные меставозникновения кавитации — насосы, винты или границы проточных жидкостей.
Так как лопастигидротурбины (в насосах) или лопасти гребного винта (в случае применения насуднах или подлодках) вращаются в жидкости, то возникают области низкогодавления, поскольку вокруг лопастей жидкость ускоряется и следует за ними. Чембыстрее будут вращаться лопасти, тем ниже может оказаться давление вокруг них.Таким образом, достигается давление насыщенного пара, жидкость испаряется иобразует небольшие пузыри газа. Это и называется кавитацией. Когда позже пузыриразрушаются, то они обычно приводят к очень сильным местным ударам волны вжидкости, которые могут сопровождаться шумами и могут даже повредить лопасти.Кавитация в насосах может быть двух видов: всасывающая и нагнетательная.
/>
Рис. 3. Участокразрушенной поверхности гребного винта
Всасывающая кавитация
Всасывающая кавитацияпроисходит, когда работа насоса в режиме всасывания происходит под низкимдавлением/высокое вакуумное условие, где жидкость превращается в пар внутрицентробежного насоса. Этот пар переносится на нагнетательную сторону насоса,где вакуум больше не обнаруживается и снова сжимается до жидкостного состоянияпод влиянием нагнетательного давления. Это сжатие происходит мгновенно иоказывает влияние на лицевую поверхность гидротурбин. У гидротурбин, которыеработают под воздействием условий всасывающей кавитации, обнаруживают нехваткуна лицевой поверхности больших кусков материала, что ведет к преждевременномувыходу из строя насосов.
Нагнетательнаякавитация
Нагнетательнаякавитация происходит при чрезвычайно высоком нагнетательном давлении насоса.Нагнетательная кавитация обычно появляется в насосе, который работает приотклонении на 10% от своего КПД. Высокое нагнетательное давление вызываетциркуляцию жидкости внутри насоса вместо того, чтобы выдавать нужный объемныйрасход
/>
Рис. 4. Всасывающийпатрубок насоса, выполненный из чугуна, со следами кавитационной эрозии
Так как жидкостьциркулирует в гидротурбине, то она должна проходить через небольшой зазор междугидротурбиной и патрубком насоса при чрезвычайно высокой скорости. Эта скоростьприводит к появлению вакуума, развивающегося в патрубке (аналогично тому, чтопроисходит в трубе Вентури), который превращает жидкость в пар. Насос, которыйработает в таких условиях, показывает преждевременный износ лопастныхгидротурбин и патрубков насоса. Кроме того, из-за условий высокого давлениявозможен преждевременный выход из строя механической пломбы насоса иподшипников. При граничных условиях кавитации возможна поломка валагидротурбины. Полагают, что нагнетательная кавитация приводит к поломкешарниров.
Кавитация в двигателях
Некоторые большие поразмеру дизельные двигатели страдают от кавитации из-за высокого сжатия ималогабаритных стенок цилиндра. В результате на стенках цилиндра делают специальныедыры, которые позволяют охлажденной жидкости попадать в цилиндр. Предотвратитьнежелательные явления возможно при помощи химических добавок в охлаждаемуюжидкость, которая образует защитный слой на стенках цилиндра. Этот слой будетподвержен той же кавитации, но он может самостоятельно восстанавливаться.
Сосудистые растения
Кавитация происходит вксилемных сосудистых растениях, когда водный потенциал становится такимбольшим, что растворившийся в воде воздух расширяется, чтобы заполнить клеткирастения, или элементы сосудов, капилляры. Обычно растения способны исправитькавитационную ксилему, например, при помощи корневого давления, но для другихрастений, таких как виноградники, кавитация часто приводит к гибели. Внекоторых деревьях ясно слышен кавитационный шум. Осенью температурноепонижение увеличивает образование воздушных пузырей в капиллярах некоторыхвидов растений, что вызывает опадание листьев.
Список литературы
1. Возникновениеи протекание кавитации. Рой Н.А.
2. Акустическийжурнал», 1957, т. 3, в. 1, с. 3; Сиротюк М.Г.