Кавітація в насосах та гвинтах

Чому швидкість створює кризову ситуацію з тиском

Принцип Бернуллі пов’язує швидкість і тиск вздовж профілю течії: коли швидкість рідини зростає, її статичний тиск повинен зменшуватися, за умови, що зміни висоти та втрати енергії приблизно постійні. На лопаті насоса або гвинта лопатка геометрія навмисно вигнута так, щоб рідина прискорювалася по одній стороні, створюючи підйом або різницю тиску, яка виконує корисну роботу. Але цей самий прискорення має темну сторону. На всмоктуючій стороні лопатки, де швидкість потоку найбільша, локальний статичний тиск може значно впасти нижче середнього тиску навколишньої рідини. Якщо швидкість кінчика лопаті висока, якщо тиск на всмоктування насоса вже низький або гвинт працює поблизу поверхні води, де знижений амбіентний тиск, локальний тиск у точці максимального прискорення може впасти нижче вологотної пари за робочої температури. Вологісна пара - це тиск, при якому рідина спонтанно кипить за заданої температури; вода кімнатної температури має вологотну пару значно нижчу за атмосферний тиск, тому вона нормально залишається рідкою, але швидке обертання лопатки може локально відтворити умови кипіння без додавання жодного градуса тепла. Це ключова відмінність між кавітацією та звичайним випаровуванням: звичайне випаровування відбувається тоді, коли підвищується температура для зустрічі із заданим тиском, а кавітація відбувається тоді, коли тиск падає до заданої температури. Інженери визначають, наскільки близько насос знаходиться до цієї небезпечної зони, використовуючи параметр, який порівнює доступний запас тиску вище вологотної пари на всмоктуючому отворі насоса з тим запасом, який насправді потребує насос, щоб уникнути кавітації. Розуміння цієї залежності тиску та швидкості є відправною точкою для прогнозування і, зрештою, запобігання кавітації в будь-якому гідравлічному обладнанні.

Поява водяної бульбашки

Коли локальний статичний тиск падає нижче насиченого пару тиску рідини, рідина не потребує зовнішнього тепла для зміни фази; ця фазова зміна відбувається повністю під дією тискового дефіциту. Розчинені гази та мікроскопічні недоліки або ядра в рідині, іноді маленькі суспендовані частинки або вже наявні мікропухирці, діють як точки відродження, де може миттєво утворюватися водяної пар. Всередині частки мільлісекунди утворюється видимий або навіть мікроскопічний бульбашка води з пари, іноді змішана з розчиненим газом, який виходить із розчину, в потоці. Ці порожнини не є повітряними кишенями, як милові тарілки; вони переважно складаються з пари від самої рідини і тому не триватимуть, якщо зміняться умови. Коли бульбашка переноситься потоком рідини, вона зазвичай збільшується на короткий проміжок часу, поки знаходиться в низькотискзоні біля поверхні лопаті, іноді зливаючись із сусідніми бульбашками у більшу, нестабільну кишеню або лист парової вологи, що прилипає до лопатки. З’являється різне – від тонкої мізичної хмари безлічі маленьких бульбашок до одного великого, пульсуючого порожнини з пари, залежно від того, наскільки нижче за насичений пар тиску опустився потік і наскільки широка область низького тиску. Цей весь процес – від утворення та відродження до видимої порожнини – може повторюватися тисячі разів на секунду на швидко обертовому імпеллері або гвинті, тобто те, що здається стабільною хмарою піни біля лопатки, насправді є безперервно оновлюваною популяцією бульбашок, народжених, зростаючих і переміщуються. Ключовим моментом є те, що утворення бульбашок – це чисто механічний, тиск-залежний процес, який чітко відрізняється від кипіння, яке викликане нагріванням рідини в чайнику.”]} p1:

paragraphs_2

Здуття: Мікрострімі та ударні хвилі

Життя бульбашки кавітації коротке, а її смерть – драматична. Коли потік забирає бульбашку з відносно низького тиску біля лопаті в зону вищого навколишнього тиску вниз за потоком, тиск навколишньої рідини знову перевищує насиченість пари всередині бульбашки. Бульбашка більше не може підтримувати себе, і вона руйнується. Якби це руйнування відбулося абсолютно симетрично в нескінченній, однорідній рідині, воно все ще вивільняло б енергію, але на практиці руйнування поблизу твердої поверхні, такої як лопать, майже завжди асиметричне. Зі сторони бульбашки, що знаходиться далі від стінки, руйнується швидше, ніж сторона, що знаходиться ближче до стінки, оскільки стінка обмежує потік рідини, що надходить для заповнення скорочуваної порожнини. Ця асиметрія призводить до утворення тонкої, надзвичайно швидкоплинної струменя рідини, відомої як мікрострім, яка пронизує бульбашку прямо і вдаряється об сусідню тверду поверхню. Швидкості цієї мікростріми були виміряні або оцінені в діапазоні сотень метрів на секунду, зосереджені на площі, яка часто менша за міліметр. Руйнування бульбашки також випромінює потужну, високо локалізовану ударну хвилю, або тисковий імпульс, в навколишню рідину та проти стінки, місцеві тиски під час моменту руйнування оцінюються на рівні, значно вищому за нормальні робочі тиски, навіть досягаючи або перевищуючи міцність на розрив багатьох металів у цій мікроскопічній точці удару. Оскільки кожне подія руйнування триває лише кілька мікросекунд і впливає на невеликий ділянку, одне руйнування рідко завдає видимих ​​пошкоджень. Реальний урон завдається від простого повторення: мільйони цих мікрострімів та ударних хвиль вражають одну й ту саму загальну область поверхні лопаті протягом експлуатації машини.

Ерозія: Як Металеві Лопаті Утворюються Виболинами

Повторні удари мікроструйками та ударними хвилями піддають матеріал лопатки формі механічної втоми на мікромасштабі, відмінної від корозії або простого абразивного зношування. Кожен окремий етап колапсу передає невеликий локалізований імпульс напружень до поверхні металу, часто перевищуючи межу пружності матеріалу в цій мікроскопічній точці, навіть якщо масивний матеріал залишається значно нижче будь-якої напруги, яку він зазвичай вважає небезпечною. З достатньою кількістю циклів цей повторний удар ініціює та збільшує мікроскопічні тріщини, зрештою відкидаючи невеликі фрагменти металу з поверхні. Візуальний результат – характерний малюнок пошкоджень: кратеризована, виболова, майже піниста текстура, що розповсюджується по поверхні лопатки в тих зонах, де колапсували кавітаційні бульбашки. На відміну від гладкої ерозії, спричиненої піском або глиною, залученими у потік, кавітаційна ерозія має тенденцію бути грубішою, більш нерегулярною та зосереджена в ділянках, що відповідають геометрії низького тиску на лопаті. Навіть тверді сталі, нержавіючі сплави та морські бронзи, матеріали, спеціально обрані для їхньої міцності та стійкості до зношування, не є неушкодженими; за достатньо великої кількості годин експлуатації в умовах сильної кавітації вони утворюють виболини та ерозію, іноді до того рівня, що проникають товщиною тонких ділянок лопатки або суттєво зменшують її товщину та структурну цілісність. Інженери борються з цим за допомогою кількох стратегій: вибір більш стійких до кавітації сплавів, нанесення твердих покриттів, перепроектування профілів лопаток для зменшення локальних мінімумів тиску, збільшення тиску на вхід насоса та експлуатацію машин у межах безпечного діапазону нижче порогу кавітації. Перевірка гвинтів та іпод за цими характерними виболинами є частиною звичайної техніки обслуговування, оскільки малюнок пошкоджень часто показує, де і наскільки сильно відбувалася кавітація.

Шум, вібрація та штраф за зниження ефективності

До того, як кавітація спричинить видимі деформації, вона зазвичай оголошується акустично. Безліч мікрострімків і ударних хвиль, що відбуваються щосекунди, генерують широкосмуговий, потріскуючий або дзвінкий шум, часто описуваний як звук дрібного каменю або гравію, що протікає через насос, або як серія швидких, невеликих вибухів поблизу гвинта корабля. Цей шум є корисним діагностичним сигналом, і інженери та корабельні команди знають, як його розпізнати як ранній попередження про те, що умови експлуатації перейшли в кавітаційний режим. Разом із шумом виникає підвищена вібрація, оскільки швидко утворюються та руйнуються бульбашки водяної пари порушують плавну, стабільну потокову схему, яку було розроблено для лопаті, вводячи нестійкі сили, які збурюють вал, підшипники та навколишню конструкцію. Якщо кавітація стає важкою та поширюється, із великими бульбашками водяної пари, що покривають значну частину поверхні лопаті, продуктивність машини знижується. Здатність насоса підвищувати тиск рідини – його «головка» – помітно падає, оскільки бульбашки водяної пари порушують плавне наростання тиску, яке зазвичай забезпечує важель, по суті витісняючи рідину, яка могла б виконувати корисну роботу. Поштовх гвинта знижується з тих самих причин, оскільки бульбашки водяної пари, що покривають частини лопаті, значно менше сприяють ефективному просуванню, ніж повністю змочені частини, і можуть навіть поглинати енергію без виробництва корисної сили. Цей стан, коли ефективність різко падає після того, як кавітація стає достатньо великою, називається «кавітаційною кризою» машини. Разом звукові попереджувальні знаки, вібрації та штраф за зниження ефективності дають операторам кілька незалежних сигналів про те, що насос або гвинт перевантажені безпечними гідравлічними обмеженнями, ще до того, як почалася катастрофічна матеріальна шкода.

Часті запитання

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте Cavitation in Pumps and Propellers і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.