Гідродинамічна кавітація

Кавітація дослівно означає порожнина, каверна. Проте в техніці під кавітацією розуміється явище утворення в рухомому по поверхні твердого тіла потоці рідини порожнеч у вигляді міхурів, смуг і мішків, заповнених парами, повітрям або газами, які розчинени в рідині і виділяються з неї. Це явище обумовлене наступним. У рухомому з великою швидкістю потоці рідини при його звуженні або наявності перешкоди на його шляху тиск в ньому може впасти до тиску, відповідного тиску паротворення при даній температурі. При цьому, залежно від опору рідини розтягуючим зусиллям, може відбутися розрив, тобто порушення суцільності потоку. Порожнеча, що утворюється, заповнюється парою і газами, що виділилися з рідини. Повітря, що залучається до потоку, полегшує виникнення кавітації. Парогазові міхури, що утворилися, маючи розміри порядку десятих доль міліметра, переміщаючись разом з потоком, потрапляють в область високого тиску. Пара конденсується, гази розчиняються і в порожнечі, що утворилися, з величезним прискоренням спрямовуються частинки рідини. Відбувається супроводжуване ударом відновлення суцільності потоку.

Кінозйомка показала, що кавітаційні бульбашки можуть вирости за 0,002 секунди до 6 мм в діаметрі і руйнуватися за 0,001 секунди. При певних типах кавітації на площі в один квадратний сантиметр протягом однієї секунди можуть утворитися і руйнуватися більше 30 млн. кавітаційних бульбашок.

Кавітація спостерігається в трубопроводах, на лопатках відцентрових і пропелерних насосів, на лопастях гідравлічних турбін і гребних гвинтів (судів). Явище кавітації викликає вібрації, стукоти і струси, що приводить до розхитування кріпильних зв'язків, обриву болтів, зім'яттю різьблення, порушенню ущільнень і втомним поломкам.

Кавітація знижує КПД машин і гребних гвинтів і викликає безпосереднє руйнування поверхонь деталей в зоні її дії. Передумови для настання і протікання кавітаційного зношування наступні. При замиканні до повного зникнення парогазових міхурів у поверхні деталі вона піддається мікроскопічним гідравлічним ударам відповідно до схеми, показаної на мал. 5.9.

Мал. 5.9 – Схема гідравлічних ударів при скороченні кавітаційного міхура

З декількох мільйонів утворюваних кавітаційних бульбашок приблизно одна з 30 тисяч бере участь в руйнуванні. Під впливом ударів поверхня металу починає деформуватися і наклепуватися на малу глибину. З'являються лінії зрушення, і відбувається як би своєрідне труїть з виявленням меж окремих зерен. Удари, що багато разів повторюються, викликають разміцнення і перенаклеп матеріалу на окремих мікроділянках. При цьому виникають осередки руйнування у вигляді тріщин. Руйнується, перш за все, менш міцна структурна складова (у сталях – ферит, в чавунах – графітові включення). За руйнуванням маломіцної складової може послідувати викрошування і міцніших складових. Руйнування розвивається в межах зерен або по їх межах залежно від співвідношення міцності зерна і зв'язку між зернами.

Корозійні явища грають істотну роль в процесі кавітаційного зношування. Наприклад, в морській воді зношування набагато вище, ніж в прісній. Проте механічним діям належить основна роль. Про це свідчить низька кавітаційна стійкість лакофарбових, цинкових і алюмінієвих покриттів, що мають малу механічну міцність. Ебоніт і плексиглас, що є корозійностійкими неметалічними матеріалами, також погано протистоять кавітації.

Інтенсивність кавітаційного зношування залежить від температури, властивостей рідини і природи матеріалу деталей. Із збільшенням поверхневого натягнення зношування відбувається інтенсивніше. Введення у воду речовин, що знижують поверхневе натягнення, знижує кавітаційне зношування. Найбільша інтенсивність зношування відповідає воді з температурою 50°C. Кавітаційна стійкість матеріалу визначається його складом і структурою. Підвищення змісту вуглецю в сталі до 0,8% збільшує її стійкість. Пластинчастий перліт більш стійок, чим зернистий. Введення в сталь нікелю і хрому підвищує її стійкість за рахунок зниження кількості фериту, збільшення ступеня дисперсності структури і ін. Куляста форма графіту сприятлива. Найбільш стійким є низьколегований чавун (1% Ni, 0,3% Мо) з кулястим графітом. Підвищує кавітаційну стійкість гарт з нагрівом ТВЧ, цементація, наплавлення твердосплавними матеріалами, хромування (якщо товщина покриття більше 40 мкм; при меншій товщині руйнування відбувається під шаром хрому). Високою стійкістю до кавітації володіє латунь.

Попередити кавітацію можна, проектуючи гідромеханічну систему так, щоб в усіх точках потоку тиск не опускався нижче за тиск паротворення. Тобто треба уникати різких звужень труб і уникати появи перешкод на шляху потоку. Проте можливість кавітації завжди слід враховувати.