Військово-космічна академія ім.А.Ф. Можайського
Факультет перепідготовки тапідвищення кваліфікації
Кафедра № 13
Реферат
з дисципліни:
Безпечна експлуатація гідравлічнихсистем
на тему:
Кавітація
Автор:
капітан 3 рангу
Крупін О.О.
Санкт-Петербург 2010
Зміст
Введення
1. ПоняттяКавітація
2. Оглядкавітації
3. Труднощікавітації
4. Перевагикавітації
5. Застосуванняв біомедицині
6. Насосиі гвинти
7. Усмоктувальнакавітація
8. Нагнітальнакавітація
9. Кавітаціяв двигунах
10. Судиннірослини
Кавітація
Кавітація - це явищеосвіти в рідині невеликих і практично порожніх порожнин (каверн),які розширюються до великих розмірів, а потім швидко руйнуються, виробляючирізкий шум. Кавітація відбувається в насосах, гвинтах, робочих колесах(Гідротурбінах) і в судинних тканинах рослин.
Рис 1. Кавітаційназона в трубці з місцевим звуженням
Огляд
Згідно з визначеннямКрістофера Брен: В«Коли рідина піддається тиску нижче порогового(Напрузі розтягування), тоді суцільність її потоку порушується, і утворюютьсяпароподібні порожнини. Це явище називається кавітацією. Коли місцеве тискрідини в деякій точці падає нижче величини, що відповідає тискунасиченої пари при даній температурі навколишнього, тоді рідина переходить вінший стан, утворюючи, в основному, фазові порожнечі, які називаютьсякавітаційними бульбашками. Можливо й інше утворення кавітаційних бульбашокшляхом місцевої подачі енергії. Це може бути досягнуто фокусуваннямінтенсивного лазерного імпульсу (оптична кавітація) або іскроюелектричного розряду В».
Фізичний процескавітації точно такий же, як і процес, що відбувається під час закипання.Основна відмінність між ними - це зміна фазового стану рідини.Закипання - процес, при якому місцеве тиск насиченої пари рідинивище місцевого навколишнього тиску і присутній достатньо енергії, щобзмінити нормальний стан рідини в газоподібний.
Рис. 2. Кавітаційнийміхур на торцевій поверхні вібруючого стрижня (десятикратне збільшення)
Для кавітаційногоявища потрібна поверхня освіти кавітаційних "бульбашок". Цієїповерхнею є нечистоти на стінках водозбірника і домішки, що містятьсяв рідині. Загальноприйнятим є те, що водовідштовхувальна (гідрофобна)поверхню стабілізує поява невеликих пухирів. Ці бульбашки, що з'явилисяраніше, почнуть необмежено зростати, коли їх піддадуть пороговому тиску,названому порогом Блейка.
Труднощі
Кавітація в багатьохвипадках небажана. На пристроях, наприклад, гвинтах і насосах, кавітаціявикликає багато шуму, ушкоджує їх складові частини, викликає вібрації ізниження ефективності.
Коли руйнуютьсякавітаційні міхури, енергія рідини зосереджується в дуже невеликихобсягах. Тим самим, утворюються місця підвищеної температури і виникають ударніхвилі, які є джерелами шуму. Шум, створюваний кавітацією, єособливою проблемою на підводних човнах (субмаринах), так як через шуму їх можутьвиявити. При руйнуванні каверн звільняється багато енергії, що можевикликати основні ушкодження. Кавітація може зруйнувати практично будьречовина. Наслідки, викликані руйнуванням каверн, ведуть до великого зносускладових частин і можуть значно скоротити термін служби гвинта і насоса.
Достоїнства
Хоча кавітаціянебажана у багатьох випадках, однак є винятки. Наприклад,сверхкавітаціонние торпеди, використовувані військовими, обволікаються у великікавітаційні бульбашки. Істотно зменшуючи контакт з водою, ці торпеди можутьпересуватися значно швидше, ніж звичайні торпеди.
Кавітація може бутикорисною при ультразвукової очищенні пристроїв. Ці пристрої створюютькавітацію, використовуючи звукові хвилі і руйнування кавітаційних бульбашок длячищення поверхні. Використовувана таким чином, потреба в отчистке відшкідливих хімічних речовин може бути зменшена в багатьох промислових ікомерційних процесах, де потрібна відчищання як етап виробництва. До цихпір подробиці того, як бульбашки виробляють отчистки, до кінця не зрозумілі.
У промисловості,кавітація часто використовується для гомогенізірованія, або змішування, і відсадженнязважених часток у колоїдному рідинному складі, наприклад, суміші фарб абомолоці. Багато промислових змішувачі грунтуються на цьому розробленомупринципі. Зазвичай це досягається завдяки конструкції гідротурбін або шляхомпропускання суміші через кольцевидное отвір, який має вузьке вхіднийотвір і значно більшу вихідну: вимушене зменшення тискупризводить до кавітації, оскільки рідина прагне в бік більшого об'єму.Цей метод може управлятися гідравлічними пристроями, які контролюютьрозмір вхідного отвору, що дозволяє регулювати процес роботи врізних середовищах. Зовнішня сторона змішувальних клапанів, по якійкавітаційні бульбашки переміщуються в протилежну сторону, щоб викликатиІмплозія (внутрішній вибух), піддається величезному тиску і частовиконується з надміцних або жорстких матеріалів, наприклад, з нержавіючоїстали, стелліта або навіть полікристалічного алмазу (PCD).
Також були розробленікавітаційні водні пристрої очищення, в яких граничні умови кавітаціїможуть знищити забруднюючі речовини і органічні молекули. Спектральнийаналіз світла, що випускається в результаті сонохіміческой реакції, показуєхімічні та плазмові базові механізми енергетичної передачі. Світло,випускається кавітаційними бульбашками, називається сонолюмінесценция.
Застосування вбіомедицині
Кавітація відіграє важливуроль для знищення каменів у нирках допомогою ударної хвилі лізотріпсіі(Лізотріптор). В даний час дослідженнями показано, що кавітація можебути використана для переміщення великих молекул всередину біологічних клітин(Сонопорація).
Насоси та гвинти
Основні місцявиникнення кавітації - насоси, гвинти або кордону проточних рідин.
Так як лопатігідротурбіни (в насосах) або лопаті гребного гвинта (у разі застосування насуднах або підводних човнах) обертаються в рідині, то виникають області низькоготиску, оскільки навколо лопатей рідина прискорюється і слід за ними. Чимшвидше будуть обертатися лопаті, тим нижче може виявитися тиск навколо них.Таким чином, досягається тиск насиченої пари, рідина випаровується іутворює невеликі бульбашки газу. Це і називається кавітацією. Коли пізніше міхурируйнуються, то вони зазвичай призводять до дуже сильним місцевим ударам хвилі врідини, які можуть супроводжуватися шумами і можуть навіть зашкодити лопаті.Кавітація в насосах може бути двох видів: усмоктувальна й нагнітальна.
Рис. 3. Ділянказруйнованої поверхні гребного гвинта
Усмоктувальна кавітація
Усмоктувальна кавітаціявідбувається, коли робота насоса в режимі всмоктування відбувається під низькимтиском/високе вакуумне умова, де рідина перетворюється на пару всерединівідцентрового насоса. Цей пар переноситься на нагнітальну бік насоса,де вакуум більше не виявляється і знову стискається до рідинного станупід впливом нагнітального тиску. Це стиснення відбувається миттєво івпливає на лицьову поверхню гідротурбін. У гідротурбін, якіпрацюють під впливом умов всмоктуючої кавітації, виявляють нестачуна лицьовій поверхні великих шматків матеріалу, що веде до передчасноговиходу з ладу насосів.
Нагнітальнакавітація
Нагнітальнакавітація відбувається при надзвичайно високому нагнітальному тиску насоса.Нагнітальна кавітація зазвичай з'являється в насосі, який працює привідхиленні на 10% від свого ККД. Висока нагнітальні тиск викликаєциркуляцію рідини усередині насоса замість того, щоб видавати потрібний об'ємнийвитрата
Рис. 4. Всмоктуючийпатрубок насоса, виконаний з чавуну, зі слідами кавитаци...
