Кавитация рабочих жидкостей

При изменении давления и (или) температуры капельной жидкости до определенного значения гомогенная система (жидкость) превращается в гетерогенную систему, которая состоит из двух (или больше) гомогенных областей – фаз. Следует иметьв виду, что термодинамические системы всегда стремятся к состоянию равновесия, которое при неизменных внешних условиях содержится в системе сколько угодно долго.

Одним из видов фазовых превращений есть кипение капельной жидкости, которое заключается в интенсивном парообразовании во всем объеме перегретой относительно температуры насыщения жидкости с образованием паровых пузырей.

Разделяют кипение жидкости на твердой поверхности теплообмена, к которой из вне подводится теплота, и кипение в объеме жидкости.

При объемном кипении паровая фаза возникает во всем объеме жидкости при значительном перегреве жидкой фазы относительно температуры насыщения при данном давлении. Значительный перегрев жидкой фазы имеет место, например, при быстром снижении давления в системе ниже давлению насыщенных паров жидкости при данной температуре.

Давлением (упругостью) насыщенных паров жидкости называется давление, которое имеет пар в замкнутом пространстве в результате парообразования жидкости при данной температуре, и который находится в состоянии равновесия с жидкостью.

Приведенные фазовые превращения капельной жидкости и ее пара составляют основу кавитации – явления, которое имеет место при работе разных гидросистем.

Под кавитацией в гидроприводах понимают местное выделение из рабочей жидкости (гомогенной системы) пара (объемное кипение) и растворенных газов и образования в ней парогазовых пузырей (гетерогенной системы) при снижении давления в герметической гидросистеме к уровню давления насыщенных паров жидкости со следующим разрушением (смыканием) пузырей за счет конденсации паров и растворением газов в области гидросистемы, в которой давление превышает давление насыщенных паров жидкости. Так как процесс смыкания парогазовых пузырей происходит достаточно быстро, то окружающая пузыри жидкость направляется в образованные пустоты к центрам конденсации также с большой скоростью. Кинетическая энергия частиц жидкости, которые сталкиваются в этих центрах, превращается в потенциальную и тепловую, вызывая местные гидравлические удары и значительное повышение температуры. Кавитация сопровождается пульсациями давления жидкости и характерным шумом.

В гидравлических приводах кавитация имеет динамический характер и возникает преимущественно в рабочих камерах насосов при быстром перемещении рабочих звеньев, а также в элементах гидросистем, в которых имеет место резкое сужение потока жидкости с последующим его расширением ( трубопроводы, сопла, гидроаппараты и др.).

Кавитация нарушает расчетный режим работы объемных насосов, которая проявляется в снижении подачи, пульсации давления, вибрациях машины с ударными нагрузками на ее элементы и, особенно, подшипники, а в отдельных случаях разрушает проточные части гидромашин и внутренние детали составляющих гидросистем.

Под действием гидравлических ударов и высокой температуры в центрах смыкания парогазовых пузырей происходит местное поверхностное разрушение (эрозия) деталей гидромашин и гидроагрегатов. До разрушительных действий ударного и теплового характера при кавитации рабочей жидкости добавляется химическое и электрохимическое действие на металлические поверхности кислорода, который выделяется из жидкости в составе растворенного воздуха.

Кавитационному разрушению металлических деталей на начальной стадии способствуют местные дефекты на их поверхности, в первую очередь шероховатости и черточки, которые остаются как следы механической обработки. В результате эрозии поверхности деталей принимают губчатую структуру с углублениями до нескольких миллиметров.

Для избежания кавитации необходимо обеспечивать во всех точках гидросистемы давление, которое бы превышало давление насыщенных паров рабочей жидкости при ее возможных эксплуатационных температурах. В случае необходимости детали, которые работают в зонах достоверного возникновения кавитационных явлений, нужно изготовливать из кавитационностойких материалов с тщательной обработкой их поверхностей. К кавитационностойким материалам относятся хромоникелиевые (нержавеющие) стали, твердые бронзы (Аж9-4) и др.