Характеристики течій рідини в гідравлічних каналах трубопроводів, елементів, машин і агрегатів істотно залежать від кавітації, яка виникає в високошвидкісних потоках рідини.
Визначення. Кавітацією називається явище, яке настає в будь-якої області високошвидкісного потоку рідини, за умови, що абсолютна тиск в цій області зменшується з якої - небудь причини і стає рівним тиску насичених парів даної рідини, відповідному температурі рідини в даній області потоку. Наприклад, для води, при температурі, яка дорівнює. тиск її насиченої пари (при якому вода закипає при), становить близько.
При цьому відбувається дуже швидке перетворення рідини в пар у всьому обсязі кавитационной області, тобто відбувається кипіння рідини при температурі, рівній температурі рідини в даному потоці. В області кавітації потік рідини (від безлічі утворилися в зоні вакууму бульбашок) закипає і, як-би-"розривається", так як суттєво порушується його суцільність. Якщо рідина холодна, наприклад вода при температурі. то в цьому випадку говорять, що відбувається холодну кипіння рідини.
Через високу швидкість течії () рідина настільки швидко проходить область зниженого тиску, що розчинені в ній гази, наприклад повітря, не встигають виділитися. У цьому випадку говорять, що кавітація парова. В іншому випадку говорять, що кавітація- парогазова. При парової кавітації парові порожнини і бульбашки, заповнені парою, переносяться високошвидкісним потоком в область підвищеного тиску. Тут пар швидко конденсується, а порожнини і бульбашки замикаються (руйнуються) з величезною швидкістю.
Парові бульбашки, що утворилися в області зниженого тиску (в зоні вакууму), потрапляючи в область підвищених тисків, різко зменшуються в розмірах до мікроскопічних величин. При таких розмірах бульбашок головну роль в зменшенні їх об'єму починають грати не сили тиску рідини, а сили її поверхневого натягу. Чинне на бульбашку додаткове зовнішнє тиск. створене цими силами, прямує до нескінченності () при прагненні до нуля радіуса бульбашки (. згідно з формулою:
Тут - коефіцієнт поверхневого натягу рідини,.
Тому процеси замикання бульбашок відбуваються настільки інтенсивно, що в області руйнування бульбашок пари спостерігається світіння.
Від дії стрімко збільшуються сил поверхневого натягу, бульбашка різко зменшується в розмірах, втрачає стійкість і руйнується. У всередину бульбашки з величезною швидкістю, близько. проривається мікроскопічна цівка рідини, яка, вдаряючись об поверхню лопаті, фарбують з неї частки металу будь-якої міцності (див. рис. 18). Звідси принцип: "Вода камінь точить".
Визначення. Кавітаційної ерозією називається процес кавітаційного руйнування поверхонь твердих тіл, що знаходяться в області кавітації рідини.
Процеси появи і руйнування мільярдів мікроскопічних бульбашок відбуваються настільки інтенсивно, що неправильно спроектовані лопаті гвинтів високошвидкісних суден руйнувалися через кавитационной ерозії за один рейс.
Мал. 18. Картина кавитационного руйнування парового бульбашки і кавитационной ерозії.
Кавітація в лопатевих насосах.
У лопатевих насосах кавітація виникає при зменшенні абсолютного тиску в високошвидкісному потоці рідини на вході в насос.
Відповідно до закону збереження і перетворення енергії для потоку рідини
(Згідно з рівнянням Д.Бернулли для потоку) на ділянці "" від рівня всмоктування "вс" до точки "вх" входу в насос (див. Рис.19):
Якщо вважати, що на рівні всмоктування "вс" (на рівні забору рідини) тиск дорівнює атмосферному. швидкість зниження рівня води у водоймі дорівнює нулю. а також . то
Тут називають висотою всмоктування насоса, м.
З останнього рівності випливає, що зменшення абсолютного тиску на вході в насос відбувається:
-При збільшенні швидкості потоку на вході в насос;
-При збільшенні висоти всмоктування насоса вище розрахункової; розрахункова висота всмоктування насоса вказана в паспорті насоса;
-При збільшенні втрат на ділянці "" від рівня "вс" до точки "вх" входу в насос.
Рис.19. Картина погіршення характеристик насоса при збільшенні висоти
всмоктування вище розрахункового значення ().
При кавітації рідини в лопастном насосі відбувається наступне:
-виникає кавітаційна ерозія поверхонь лопатей і лопатевого колеса;
-відбувається корозія (хімічне руйнування) металу киснем повітря, що виділяється з рідини при русі її через зону вакууму. Корозія поверхні металу посилюється в результаті ерозійного руйнування його захисної окисної плівки;
-підвищується температура в місцях схлопування парогазових мікропухирців, внаслідок високошвидкісного (адиабатного) стиснення пари і ударів мікроскопічних струменів об поверхню металу;
-виникає шум і вібрація насоса, в результаті якої порушується герметичність з'єднань і ущільнень насоса.
-знижує подача, напір, зменшується ККД і потужність насоса (див. рис. 19,20);
Так як кавітація в насосах веде руйнування їх відповідальних елементів, різкого погіршення експлуатаційних характеристик насосів, порушення герметичності з'єднань і ущільнень насоса і інших небажаних наслідків, то тривала робота насосів на кавітаційних режимах не допускається.
Мал. 20. Картина зривного кавитационного режиму роботи лопатевого насоса.
Точка "К" на рісунке- початок кавітації, яка настає при збільшенні витрати вище розрахункового ().