1.1.2 Явление кавитации и условия ее возникновения в потоке, протекающем через гидротурбину

Кавитацией называют процесс образования и роста пустот (каверн) в местах потока, где давление примерно равно давлению насыщенных паров р_в.п., и последующее их разрушение (замыкание или схлопывание) ниже по потоку в зоне более высоких давлений. При наличии кавитации сплошность потока нарушается. Из однофазной системы поток превращается в двухфазную — вода и пузырьки, наполненные паром, воздухом и газами. Процесс образования, роста и замыкания пустот протекает периодически, с большой частотой. Замыкание паро-газовых пузырьков в зоне потока, где абсолютное давление

р_абс. > р_в.п

происходит практически мгновенно, что вызывает значительное повышение давления в месте замыкания пузырьков, а затем его понижение. Под воздействием кавитационного процесса материал проточной части гидротурбины разрушается.

Сущность явления кавитации в гидротурбине. В отдельных частях проточного тракта (под рабочим колесом) гидротурбины давление может быть весьма низким, практически глубокий вакуум. Одним из основных факторов, определяющих движение жидкости при низком давлении, является прочность жидкости на разрыв. Так, по опытным данным, чистая вода, не содержащая твердых и газообразных примесей, выдерживает растяжение 0,2 − 0,3 МПа, а в особых условиях до 10 − 25 МПа. Теоретически прочность воды на разрыв еще больше. Однако прочность обычной воды на разрыв определяется давлением насыщенного пара р_в.п значение которого зависит от температуры жидкости (рис. 1.1). Это объясняется тем, что в воде из водотоков и даже из водопровода содержится большое количество мельчайших твердых и газообразных включений, которые представляют собой слабые точки, ядра. Образованию ядер способствует и присутствие в воде растворенного воздуха.

Рисунок 1.1. Зависимость давления насыщенного водяного пара от температуры.

Табл.1

Температура паров, С°	0	5	10	20	30	40	50	60	70	80	90	100
Давление насыщенных паров, кПа	0,59	0,88	1,18	2,35	4,22	7,06	12,36	19,91	31,20	47,38	70,1	101,3

Когда давление в жидкости падает ниже давления насыщенного пара, на границе ядер начинается интенсивный переход жидкости в газообразное состояние — пар (кипение) и образуются местные разрывы сплошности — каверны, заполненные в основном водяным паром. После образования каверн дальнейшее понижение давления в жидкости не происходит, так как оно компенсируется быстрым увеличением объема каверн. При повышении давления каверны захлопываются и пар мгновенно конденсируется, превращаясь обратно в воду.

Как видно из рис. 7.1, давление насыщенного водяного пара при 100 °С равно атмосферному, что и определяет точку кипения. На отметке 2200 м над уровнем моря атмосферное давление равно 80 кПа и вода кипит при 93 °С. Если абсолютное давление снизить до 2 кПа, то вода может кипеть и при температуре ниже 20 °С.

Рассмотрим условия разрыва воды на опыте. Цилиндр с поршнем заполним водой так, чтобы в пространстве под поршнем не было пузырьков воздуха (рис. 1.2, а)., Потянем поршень вверх с силой Р.

Рисунок 1.2. Статический разрыв сплошности воды

Сначала он будет сопротивляться и заметного его перемещения не произойдет, но когда сила Р превысит

Р_КР = F (р_атм. - р_в.п),

где р_атм. — атмосферное давление, a F — площадь поршня, то поршень начнет подниматься, а между поршнем и жидкостью создастся полость, заполненная в основном водяным паром с давлением р_в.п (рис. 7.2, б).

При этом, сколько бы поршень ни перемещался вверх или вниз, пока существует каверна, давление под ним будет сохраняться неизменным, равным р_в.п. Это статический разрыв сплошности жидкости.

В турбулентном потоке явление протекает иначе. Характерной особенностью турбулентного потока является пульсация скоростей и давлений в каждой точке, которая особенно интенсивна в пограничных зонах.

Тогда, еще при р_абс. > р_в.п в отдельные моменты времени р_абс будет достигать р_в.п и здесь, будут образовываться местные каверны, которые тотчас захлопнутся с повышением давления. С уменьшением р_абс число каверн возрастает, но они также будут возникать и захлопываться — пульсировать.

Если в потоке имеются области с еще меньшим давлением, то могут возникать каверны, которые будут сохраняться в течение всего периода переноса через эту область. Жизнь такой каверны состоит из двух фаз: образование и рост — в основном это период прохождения области, где давление падает (вакуум нарастает), и захлопывание, которое происходит в области, где давление увеличивается. При этих условиях каверны могут достигать больших размеров и при их захлопывании в точке (центре) создаются огромные удельные давления.

Вот это явление — возникновение в турбулентном потоке разрывов сплошности жидкости — образование каверн и носит название кавитации.

Разрушительное действие кавитации. При конденсации пара внутри каверн, окружающая жидкость устремляется к их центру с огромной скоростью, вследствие чего стенки каверн смыкаются, происходит столкновение жидких частиц и возникает гидравлический удар.

В местах смыкания и исчезновения кавитационных каверн повышение давления вследствие гидравлических ударов достигает значительной величины. По приближенным расчетам повышение давления в центре каверны в момент ее исчезновения, при наиболее невыгодных предположениях достигает 1500 атм. Среднее значение давления, неоднократно полученное при помощи пьезокварцевого датчика, помещенного в область кавитации, достигает нескольких сотен (до 1000) атмосфер. Это показывает, что вышеуказанные теоретические расчеты точечного повышения давления достаточно правильно определяют порядок величин.

При конденсации пара внутри каверн не только развиваются огромные давления, но и значительно повышается температура. Были проведены опыты, при которых эту температуру определяли по вспышке несмачиваемых взрывчатых порошков; она оказалась равной + 230° С. При сжатии кавитационного пузырька наблюдаются также электрические явления, вызывающие его свечение. Это свечение объясняется электрическим разрядом, который происходит в кавитационной полости при ее образовании.

Громадные давления, возникающие в момент завершения кавитационного гидравлического удара и последующего расширения паровоздушной смеси каверны, вызывают упругие колебания соседних частиц жидкости с частотой звуковых колебаний. Эти вибрации, передаваясь металлу, вызывают быстрое разрушение его поверхности, особенно большое, если металл отличается хрупкостью. Гладкие полированные поверхности, отражая колебания, менее подвергаются кавитационному разрушению (эрозии). Неровные поверхности в значительной мере поглощают энергию упругих колебаний, а потому интенсивно разрушаются. Таким образом, если поверхность начала разрушаться, то, приобретая мелкогубчатую структуру, она продолжает разрушаться с возрастающей скоростью. Разрушению металла несомненно способствует, помимо указанного механического, также и химическое действие кавитации.. Последнее обусловлено тем, что кислород воздуха в момент его выделения из воды, взаимодействуя с паром, газом и твердым металлом в условиях быстрого и резкого изменения давления и температуры обладает весьма высокой химической активностью. Однако главной причиной разрушения металла следует считать все же механическое воздействие гидравлических ударов и вибраций на поверхность обтекаемых тел, находящихся в зоне кавитации. Это подтверждается тем, что кавитационные разрушения были получены на таких химически стойких материалах, как стекло, агат и золото.

Обычно областями возникновения кавитации являются поверхности у выходных кромок лопастей рабочего колеса с тыльной их стороны, а также обод радиально-осевых колес и камеры рабочего колеса осевых турбин в зоне, близкой к выходным кромкам. При сильном развитии кавитация охватывает всю область рабочего колеса и в очень короткий срок разрушает его и окружающие его де тали.