Если не взрываются пузырьки или чем так опасна кавитация?

Если не взрываются пузырьки или чем так опасна кавитация?

На сегодняшний день существует довольно много публикаций, посвященных проблеме кавитации и методам ее устранения, но лишь некоторые из них поясняют причины, по которым пузырьки оказывают такое разрушительное воздействие.

Появлению кавитации в центробежных насосах обычно предшествует кипение. Это вовсе не значит, что кипение само по себе представляет опасность, однако если образующиеся пузырьки не взрываются, то в этом случае они могут дать начало очень мощной силе. Кипение – это один из процессов, при котором происходит изменение состояния жидкости и переход в пар.

Вода в жидком состоянии и пузырьки водяного пара, образующиеся во время кипения, состоят из одних и тех же молекул. Главная разница между ними заключается в уровне энергии молекул и суммарного пространства, которое они занимают в результате полученной энергии. Молекулы пара имеют значительно более высокий уровень энергии. Для их быстрых и длинных перемещений требуется намного больше пространства, чем для молекул жидкости.

Кипение и образование пузырьков пара происходит, когда энергия молекул воды в жидком состоянии становится выше давления воды и атмосферного давления, действующего на ее поверхность. Обычно данный процесс поясняют с точки зрения нагревания, однако в насосной отрасли самое главное значение имеет изменение давления.

При атмосферном давлении на уровне моря 760 мм ртутного столба вода в котелке закипает при температуре 100ºС. Объем пузырька пара, который образуется при температуре кипения 100ºС, будет в 1673 раза больше, чем объем пузырька воды при такой же температуре. Когда он достигает поверхности воды, то взрывается, и высвобождается энергия тепла и давления. Основным источником энергии при этом все же является тепло. Взрывная волна, образующаяся при разрыве пузырька, имеет маленькую силу, поскольку давление в пузырьке составляет менее одной атмосферы, а энергия рассеивается во всех направлениях над поверхностью воды.

Если подогреть тот же котелок, например, в южной части Кисловодска, где высота над уровнем моря доходит до 1600 м, то вода в нем закипит уже при температуре 95ºС. Снижение точки кипения связано с более высоким положением над уровнем меря и более низким атмосферным давлением 632 мм ртутного столба. Когда давление на поверхность воды ниже, требуется меньше тепловой энергии, чтобы начался переход воды из одного состояние в другое. И по мере снижения давления будет требоваться все меньше тепла, и при уровне давления приблизительно 4,5 мм ртутного столба вода легко закипает при температуре замерзания.

Эта же закономерность работает и в обратном порядке: если увеличится давление на поверхность воды более чем на одну атмосферу, точка кипения тоже возрастет. Если давление становится выше во время кипения, то пузырьки пара не взрываются. Они схлопываются и возвращаются в исходное жидкое состояние.

Такой же процесс происходит в центробежном насосе во время кавитации. Кавитация всасывания, самая часто возникающая и легко прогнозируемая форма, возникает, когда давление эффективного положительного напора на всасывающей стороне насоса падает ниже давления пара воды, содержащейся во всасывающей части насоса (давление пара – это давление, необходимое, чтобы вода оставалась в жидком состоянии при заданной температуре). Наиболее восприимчивыми к воздействию этого типа кавитации оказываются те части лопастей крыльчатки, которые находятся в области самого низкого давления, то есть расположенные рядом с впуском. В этой части лопасти имеют максимальный изгиб, и когда вода их обтекает, давление на их поверхность становится ниже.

При достаточно низком давлении могут образоваться пузырьки (в результате кипения), которые схлопываются меньше чем за секунду, когда они попадают в область с чуть более высоким давлением. Высвобождаемая энергия при схлопывании пузырька водяного пара кардинально отличается от той, которая создается при его взрыве. В отличие от пузырька пара, который взрывается на поверхности воды, схлопнувшийся пузырек фактически возвращается обратно в жидкое состояние. Хотя во время этого процесса выделяется тоже тепло, но основным источником энергии в этом случае служат ударные волны, образующиеся в результате схлопывания пузырьков.

Ударные волны формируются при столкновении молекул воды, которые устремляются к месту схлопывания пузырька, чтобы заполнить образовавшуюся пустоту. Сила ударной волны зависит при этом от нескольких факторов. Исследования показывают, что время существования пузырька (от момента образования до схлопывания) составляет три миллисекунды (0,003 секунды), поэтому этот процесс происходит очень быстро. Чем быстрее сталкиваются молекулы воды, тем больше выделяется энергии.

Размер кавитационного пузырька пара может быть значительно больше, чем того пузырька, который образуется во время стандартного процесса кипения при нормальном атмосферном давлении. Например, при температуре 20ºС (стандартная температура в насосе) пузырек пара, сформированный в результате кавитации, почти в 35 раз крупнее образовавшегося при температуре 100ºС! И чем крупнее размеры пузырька, тем большая масса воды участвует в столкновении.

Вместе эти факторы (скорость и масса) дают общую кинетическую энергию схлопывающегося пузырька (KE = ½ mv²). Высокая скорость, возникающая в результате быстрого схлопывания пузырька, и большая масса из-за размеров пузырька приводят к высвобождению огромной энергии. При этом, происходит еще более важный процесс, который усиливает разрушительную силу схлопывающегося пузырька.

На рисунке 1 представлена серия фотографий, на которых изображено постепенное схлопывание пузырька пара. На этапе 1 пузырек имеет почти круглую форму, которая начинает сплющиваться на этапе 2. Этот процесс продолжается до этапа 18, за которым следует полное схлопывание.



Рисунок 1. Из книги «Кавитация и динамика пузырька», написанной Кристофером Бренненом
и опубликованной в 1995 году издательством «Oxford University Press»

Следует отметить интересный момент, происходящий на этапе 7, во время которого начинает формироваться углубление в нижней части пузырька. Это образование под названием «входная микроструя» формируется на одной из плоских поверхностей и продолжает увеличиваться в размерах до этапа 13. На этапе 14 эта струя пробивается через верхнюю поверхность пузырька и направляет силу схлопывания в одном направлении.

Исследование также показало, что если пузырек схлопывается возле стенок твердых предметов (лопасти или защитного кожуха), действие микроструи практически всегда направлено на стенки. Иначе говоря, вся энергия схлопывания направляется на какую-то микроскопическую область поверхности крыльчатки, и в результате начинается разрушение металла.

Именно сочетание высококонцентрированной энергии и ее сфокусированности в одном направлении наделяет схлопывающийся пузырек такой разрушительной силой. И даже если пузырьки схлопываются далеко от поверхности крыльчатки, и не разрушается металл, ударные волны все равно вызывают сильную вибрацию, которая может привести к появлению других повреждений насоса.

Инженер компании
ООО "Промышленные насосы"
Сергей Егоров

4 Октября 2013

◄ назад в раздел




Основные типы представленного на сайте насосного оборудования