Кавитация в гидравлике – Явление кавитации и условия ее возникновения в потоке, протекающем через гидротурбину

Кавитация – Основы гидравлики

Тесно связано с уравнением Бернулли такое явление как кавитация.

В некоторых случаях при движении жидкости в закрытых руслах происходит изменение агрегатного состояния жидкости, то есть из жидкого состояния она переходит в парообразное. Кроме того, при этом из жидкости бурно выделяются растворенные в ней газы. Это может произойти, например, при прохождении жидкости через местное сужение трубы. Как мы знаем, при этом произойдет увеличение скорости потока, и, согласно уравнения Бернулли, упадет давление. Если давление перед сужением русла мало, то, падая, оно может сравняться с давлением насыщенных паров и жидкость начнет интенсивно испаряться. В потоке жидкости появится большое количество мелких пузырьков, которые, попадая в зону более высокого давления, например, где труба снова расширяется, захлопываются (газы вновь растворяются, а пары конденсируются). При этом жидкость, устремляясь к центру пузырька, ударяется сама о себя и происходят микроскопические гидравлические удары.

Это местное нарушение сплошности течения с образованием паровых и газовых пузырей (каверн), обусловленное местным падением давления в потоке, называется кавитацией.

При возникновении кавитации значительно увеличивается сопротивление трубопроводов и, следовательно, уменьшается их пропускная способность, потому что каверны уменьшают живые сечения потоков, скорость в которых резко возрастает.

Кавитация сопровождается характерным шумом, а при длительном воздействии также эрозионным разрушением металлических стенок. Дело в том, что в центрах захлопывающихся пузырьков давление подскакивает до 1500 ¸ 2000 ат, а температуры – до1000 ¸ 1500°С. От мгновенного разрушения гидросистему спасает только то, что объемы, в которых наблюдаются такие параметры, микроскопически малы, а распространяясь по жидкости давление и температура очень быстро падают. Но если пузырек захлопывается на поверхности трубы или гидроагрегата, то высокое давление и температура воздействуют на металл и разрушают его, выкрашивают. Механическое воздействие сопровождается химическим, так как в растворенном воздухе процент содержания кислорода существенно выше, чем в атмосферном, так как кислород растворяется в жидкостях лучше, чем азот.

Так новый насос, работающий в режиме кавитации, может потерять производительность уже через 20 ¸ 60 минут работы!

Явление кавитации – вредное явление, но в некоторых случаях его используют, например, в кавитационном регуляторе расхода, в котором падение давления за суженным сечением трубы приводит к росту расхода и падению давления в узком сечении только до тех пор, пока давление не опустится до давления насыщенных паров. После этого снижение давления на выходе регулятора не будет сказываться на величину давления и расхода в узком сечении, будет просто увеличиваться зона кавитации, более интенсивно происходить парообразование.

Кавитация может возникать в насосах, гидротурбинах, на лопастях быстро вращающихся гребных винтов, во всех местных сопротивлениях, где поток претерпевает сужение с последующим расширением (вентили, краны, задвижки, диафрагмы, жиклеры и т.п.).

Кавитация протекает по-разному в простых (однокомпонентных) и сложных (многокомпонентных) жидкостях. В сложных жидкостях, в которых существуют легкие и тяжелые фракции, это явление менее ярко выражено, так как легкие фракции вскипают при более высоком давлении, то есть раньше, а конденсируются позже тяжелых.

Для характеристики местных гидравлических сопротивлений в отношении кавитации применяется безразмерный критерий, называемый числом кавитации:

,

где p1, V1 – давление и скорость жидкости перед сужением потока.

Значение k, при котором в местном сопротивлении начинается кавитация, называется критическим числом кавитации kкр.

Какие меры борьбы с кавитацией можно порекомендовать?

1. Повысить давление перед местным сопротивлением p1 (не допускать значительного разряжения во всасывающем трубопроводе насоса и т.п.).

2. Не допускать сильного нагрева жидкости, так как при ее нагреве повышается давление насыщенных паров и падает растворимость газов.

3. Не допускать насыщения жидкости газами, то есть не допускать образование пены на поверхности жидкости (для этого сливную трубу гидросистемы следует выводить всегда под уровень жидкости в баке).

4. Не допускать сильного загрязнения жидкости, так как твердые частицы являются концентраторами для образования парогазовых пузырьков.

КАВИТАЦИЯ ЖИДКОСТИ –

Под кавитацией понимается местное выделение из жидкости в зонах пониженного давления ее паров и газов (вскипание жидкости) с последующим разрушением (конденсацией паровых и смыканием газовых) выделившихся парогазовых пузырьков при попадании их в зону повышенного давления. Это разрушение пузырьков сопровождается местными гидравлическими микроударами большой частоты и высокого уровня ударных давлений.

Кавитация нарушает нормальный режим работы гидросистемы, а в отдельных случаях может вызвать разрушение ее агрегатов. Разрушительному действию кавитации подвергаются насосы, золотники, клапаны и прочие гидроагрегаты, причем это действие проявляется зачастую в очень короткое время. Так, например, наблюдаются случаи выхода из строя аксиально-поршневых насосов, происходящие в результате кавитационного разрушения (износа) распределительной пары и сопровождающегося недопустимого падения производительности за время работы от 20 мин. до 1 ч.

Схематически механизм возникновения кавитации и его разрушительного действия сводится к следующему. При понижении давления жидкости в како – либо точке потока до некоторой величины жидкость вскипает (происходит ее разрыв), выделившиеся же пузырьки газа и пара увлекаются потоком и переносятся в область более высокого давления, в которой паровые пузырьки конденсируются, а газовые сжимаются (смыкаются). Так как процесс конденсации парового сжатия газового пузырька происходит мгновенно, частицы жидкости перемещаются к его центру с большой скоростью, в результате кинетическая энергия соударяющихся частиц вызывает в момент смыкания пузырьков местные гидравлические микроудары, сопровождающиеся высокими забросами давления и температуры в центрах пузырьков (по расчетам температуры могут достигать значений 1000 – 1500

0 С и выше в местное давление может достигать 1500 – 2000 кг/см²).

В том случае, если эти процессы протекают вблизи от стенок ограничивающих каналов, последние будут подвергаться непрерывным гидравлическим ударам (бомбардировкам), которые вызывают местные высокие температуры, развивающиеся в результате скачкообразности процесса и высокого уровня забросов давления. Указанные ударные действия частиц жидкости дополняются химическим воздействием на металл кислорода воздуха, выделяющегося из жидкости, а также воздействием электролитического характера.

Под действием высоких температур в присутствии кислорода воздуха происходит активное окисление (коррозия) контактирующих поверхностей. Происходящие при этом окислительные процессы усугубляются тем, что растворенные в жидкости воздух содержит почти в полтора раза больше кислорода, чем атмосферный воздух. Кроме того, интенсивность окислительных процессов повышается в результате разрушения под действием гидравлических микроударов окислительной пленки, которая в обычных условиях замедляет окисление металлических поверхностей деталей.

Рис. 20. Характер кавитационного разрушения плунжера

распределительного золотника следящей гидросистемы

В результате при длительной кавитации под действием указанных гидравлических ударов высокой повторяемости и одновременном воздействии высокой температуры происходит разрушение (эрозия) поверхностей деталей.

Кавитация наступает тем раньше, чем больше жидкость загрязнена твердыми частицами. Это обусловлено тем, что на поверхностях этих частиц адсорбируется тонкий слой воздуха, частицы которого при попадании в зону пониженного давления служат очагами, способствующими возникновению кавитации.

Разрушению подвергаются при развитой кавитации детали различных гидроагрегатов. На рис. 20 показан плунжер распределительного золотника (клапан) следящей гидросистемы, работавший в условиях значительного дросселирования жидкости. Кавитационному разрушению подвергаются также торцы блока цилиндров и межоконные перемычки распределительного диска аксиально-поршневых насосов, на поверхности которых образуются глубокие питинги и выколы.

При возникновении кавитации в трубопроводах сопротивление их значительно возрастает, а пропускная способность соответственно уменьшается. При небольших сечениях трубопровода, образуются газовые пробки и движение жидкостно-газовых фаз происходит чередующимися импульсами.

Кавитация жидкости в насосах наступает при условия, когда жидкость при всасывании отрывается по тем или иным причина от рабочего элемента насоса — поршня, лопасти, зубьев или прочих вытеснителей. Возможность отрыва зависит от вязкости жидкости и величины давления на входе в насос, а также от числа оборотов и конструктивных особенностей насосов. В частности кавитация возникает, если давление на входе во всасывающую камеру насоса окажется недостаточным для обеспечения неразрывности потока жидкости в процессе изменения скорости дальнейшего ее движения.

Предельно допустимым, с этой точки зрения, числом оборотов насоса является такое число, при котором абсолютное давление жидкости на входе в насос будет способно преодолеть без разрыва потока потери напора во всасывающей камере, обусловленные ее сопротивлением и силами инерции. В случае шестеренного и пластинчатого (лопастного) насосов к этим потерям добавляются потери, обусловленные центробежной силой, действующей на жидкость, вращающуюся вместе с ротором насоса.

Кавитация в насосах

Содержание

Кавитация в центробежных насосах – это гидродинамическое явление, которое зависит от гидродинамических качеств рабочих органов машины и физических свойств жидкости. Кавитация в насосоах обычно начинается при падении давления до значения, равного или меньшего давления упругости насыщенного пара и сопровождается нарушением сплошности потока с образованием полостей, насыщенных паром и растворенными в жидкости газами.

Она возникает также при снижении местного давления по разным причинам динамического характера: увеличение скорости жидкости из-за увеличения частоты вращения, отрыва или сжатия потока, отклонения линий тока от их нормальных траекторий.

Кавитация в насосах может возникнуть как на движущихся, так и на неподвижных элементах проточной части.

Причины возникновения кавитации.

Явление кавитации в насосах происходит следующим образом – зарождение кавитации во многих случаях начинается с образования отдельных микроскопических пузырьков на участках пограничного слоя обтекаемого тела. После достижения определенного размера эти пузырьки поступают в зону видимой кавитации.

Полости или так называемые, каверны постоянного и устойчивого типов образуются без предварительного роста пузырьков в тех случаях, когда давление окружающей среды довольно низкое или соответственно высокая скорость потока.

Явление кавитации в насосах сопровождается вскипанием жидкости и является термодинамическим процессом, определяемым свойствами жидкости: давлением, температурой, скрытой теплотой парообразования, теплоемкостью.

При вскипании жидкости в местах с минимумом давления образуются полости, заполненные паром и частично выделившимися из раствора газами. Возникшие пузырьки пара увлекаются потоком и попадают в область с более высоким давлением, где они вновь конденсируются. Так как кипение связано с затратой тепла на парообразование, которое должно быть получено из окружающей среды путем теплообмена, то процесс вскипания происходит с некоторым запаздыванием, т.е. минимальное давление в потоке достигает значения несколько меньшего давления парообразования и вскипание жидкости происходит из перегретого состояния. Конденсация пузырьков пара в области повышенного давления происходит также с некоторым запаздыванием в условиях относительного переохлаждения. В связи с отмеченными процессами вскипание и конденсация происходят с достаточно большой скоростью.

Частицы жидкости, заполняющие полость конденсирующегося пузырька, движутся к центру со значительными скоростями. В момент завершения конденсации частицы жидкости внезапно останавливаются, и происходит местный гидравлический удар. При этом кинетическая энергия частиц переходит в энергию упругой деформации. Так как деформация жидкости весьма незначительна, то давление повышается на довольно большую величину. Следом за повышением давления возникает обратная волна давления, сопровождающаяся резким падением его и, возможно, повторным вскипанием, а затем снова конденсацией.

Различают три стадии кавитации: начальную, развитую и суперкавитацию. При начальной стадии кавитационная область отсутствует. Развитая стадия отличается наличием значительных кавитационных каверн на обтекаемом теле. В условиях суперкавитации весь обтекаемый элемент находится в зоне кавитационной каверны.

Последствия кавитации в насосах

Последствия кавитации в насосах сопровождается признаками, отрицательно сказывающимися на работе насоса.

Шум и вибрация возникают при разрушении кавитационных пузырьков в зоне повышенного давления. Уровень шума зависит от размеров насоса. Кавитационный шум проявляется в виде характерного потрескивания в зоне выхода в рабочее колесо.

Снижение параметров насоса при наличии развитой кавитации по-разному сказывается для насосов с разными коэффициентами быстроходности и зависит от значения и влияния кавитационной зоны. При низкой быстроходности параметры снижаются резко. Для насосов с высоким коэффициентом быстроходности характерно постепенное снижение параметров. Если кавитационная зона занимает все сечение канала, то происходит срыв(прекращение) подачи насоса.

Кавитационное разрушение материалов (питтинг) происходит при длительной работе насоса в условиях кавитации в местах захлопывания пузырьков. Питтинг имеет место как при начальной, так и при развитой кавитации.

Эксплуатация насосов с подачей большей расчетной также иногда приводит к кавитационным повреждениям элементов рабочих колес и корпусных делатей. Считается, что кавитационное разрушение материала происходит из-за механического воздействия кавитирующего потока на материал.

Следует различать разрушение, вызванное кавитацией, коррозией и эрозией. Коррозия является следствием химического и электролитического воздействия сред на металл, а эрозия происходит в результате отрыва частиц металла твердыми телами, транспортируемыми перекачиваемой жидкостью(например, песком).

Наличие материалов, стойких против кавитационных разрушений, неизвестно. Все материалы быстрее или медленнее разрушаются. Более стойкими являются материалы, которые наряду с механической прочностью обладают химической стойкостью, как, например, бронза. Сильно подвержены кавитационному разрушению чугун и углеродистая сталь. Наиболее кавитационно устойчивой считается нержавеющая сталь. Применение кавитационно стойких материалов может обеспечить непродолжительную работу насоса без заметного разрушения в условиях частичной кавитации. Такая возможность представляет значительные преимущества, например в условиях кратковременной перегрузки насоса.

Влияние кавитации на характеристики насоса

Кавитация в центробежных насосах сопровождается нарушением неразрывности потока в насосе и отражается на его нормальных характеристиках. Последствяи кавитации в насосах оказывают непосредственное влияние на характеристики насоса. Начальная стадия кавитации, ограниченная небольшой областью (местная кавитация), не сказывается заметно на подаче и напоре насоса и проявляется характерным потрескиванием в области всасывания, обусловленным гидравлическими ударами. Местная кавитация в насосах может сопровождаться разрушением материала колеса или корпуса насоса. Кавитация более развитая приводит к уменьшению подачи, напора и КПД насоса, а затем и к полному срыву его работы. На этом рисунке показано влияние кавитации на характеристики насоса, пунктиром отмечен нормальный ход характеристик без кавитации.

Кавитация является одним из основных факторов нарушающих нормальную работу насоса. К другим факторам влияющим на выдаваемую насосом характеристику относят гидравлическое сопротивление.

Видео по теме

Кавитация в насосах является фактором, сильнейшим образом влияющим на надежность работы насоса. Длительная работа насоса в области даже незначительных кавитационных явлений совершенно недопустима в силу разрушающего действия кавитации.

3.Кавитация в объёмных гидравлических машинах. Кавитационные характеристики насосов

Кавита́ция (от лат.cavitas — пустота) — процесс парообразования и последующей конденсации пузырьков воздуха в потоке жидкости, сопровождающийся шумом и гидравлическими ударами, образование в жидкости полостей (кавитационных пузырьков, или каверн), заполненных паромсамой жидкости, в которой возникает. Кавитация возникает в результате местного понижения давления в жидкости, которое может происходить либо при увеличении её скорости (гидродинамическая кавитация), либо при прохожденииакустической волныбольшой интенсивности во время полупериода разрежения (акустическая кавитация), существуют и другие причины возникновения эффекта. Перемещаясь с потоком в область с более высоким давлением или во время полупериода сжатия, кавитационный пузырёк схлопывается, излучая при этомударную волну. Явление кавитации носит локальный характер и возникает только там, где есть условия. Перемещаться в среде возникновения не может. Кавитация разрушает поверхностьгребных винтов,гидротурбин, акустических излучателей и др. Кавитация также приносит пользу — ее применяют в промышленности, медицине, военной технике и других смежных областях.

Лопастные насосы. Кавитация на стороне всасывания

Как правило, зона кавитации наблюдается вблизи зоны всасывания, где жидкость встречается с лопастями насоса. Вероятность возникновения кавитации тем выше,

• чем ниже давление на входе в насос;

• чем выше скорость движения рабочих органов относительно жидкости;

• чем более неравномерно обтекание жидкостью твердого тела (высокий угол атаки лопасти, наличие изломов, неровностей поверхности и т. п.)

Центробежные насосы. Кавитация в уплотнении рабочего колеса

У классических центробежных насосов часть жидкости из области высокого давления проходит через щель между рабочим колесом и корпусом насоса в зону низкого давления. Когда насос работает с существенным отклонением от расчетного режима в сторону повышения давления нагнетания, расход утечек через уплотнение между рабочим колесом и корпусом возрастает (из-за увеличения перепада давления между полостями всасывания и нагнетания). Из-за высокой скорости жидкости в уплотнении возможно появление кавитационных явлений, что может привести к разрушению рабочего колеса и корпуса насоса. Как правило, в бытовых и промышленных случаях режим кавитации в рабочем колесе насоса возможен при резком падении давления в системе отопления или водоснабжения: например, при разрыве трубопровода, калорифера или радиатора. При резком падении давления в зоне рабочего колеса насоса образуется вакуум, вода при низком давлении начинает вскипать. При этом напор резко падает. Режим кавитации приводит к эрозии рабочего колеса насоса, и насос выходит из строя.

Билет №24

1. Виды разъемных соединений. Оборудование и инструменты для нарезания резьб и их чистовой обработки.

В машиностроительном производстве применяют цилиндрические резьбы – крепежные и ходовые, а также конические резьбы.

Ходовые резьбы изготовляют с прямоугольным и трапецеидальным профилем; последние бывают однозаходные и многозаходные. Резьба может быть наружная (на наружной поверхности детали) и внутренняя (на внутренней поверхности детали).

Наружную резьбу можно изготовлять различными инструментами: резцами, гребенками, плашками, самораскрывающимися резьбонарез­ными головками, дисковыми и групповыми фрезами, шлифовальными кругами, накатным инструментом.

Для изготовления внутренней резьбы применяют: резцы, метчики, раздвижные метчики, групповые фрезы, накатные ролики.

Нарезание резьбы резцами и гребенками

Треугольную резьбу часто нарезают на токарно-винторезных стан­ках резьбовыми резцами, т. е. резцами обычного типа, за­точенными под требуемым углом (60º для метрической резьбы и 55º – для дюймовой). Получение профиля резьбы обеспечивается соответст­вующим профилем резьбового резца, который должен быть заточен очень точно, и правильной установкой резца относительно детали: резец должен быть расположен строго перпендикулярно оси станка, т.к. в противном случае резьба получится косой; кроме того, пе­редняя поверхность резца должна быть расположена на высоте цент­ров станка. При другом ее положении резьба будет нарезана с не­правильным углом.

Высокие требования, предъявляемые к заточке резцов и сохране­нию правильного профиля, привели к внедрению в производство фа­сонных резьбовых резцов – призматических и круглых (дисковых) (рис.).

Круглый резец.

Некоторые заводы приме­няют многорезцовые резьбовые головки. Трехрезцовая головка состоит из корпуса, к которому болтом при­крепляется трехрезцовая пластина. По мере затупления одного из резцов пластина перезакрепляет­ся так, чтобы в работе был новый, незатупившийся резец. Для этой цели в корпусе имеется штифт, по которому пластина фиксируется своими тремя точно расположенными цилиндрическими отверстиями. Применение многорезцовых головок наиболее целе­сообразно в условиях серийного производства.

При нарезании резьбы одним резцом режущая кромка его вслед­ствие быстрого притупления теряет форму, поэтому рекомендуется черновые ходы производить одним резцом с менее точным профилем, а чистовые ходы – чистовым резцом.

Применяют также нарезание резьбы за один проход, используя одновременно три резца, оснащенных твердым сплавом и в совокуп­ности (рис.) напоминающих гребенку; черновой резец 1 имеет угол профиля 70º, получистовой резец 2 – 65º и чистовой резец 3 – 59º.

Три резца для одновременного нарезания резьбы за один ход.

Нарезание резьбы резцом производится за много ходов в зависимости от требуемой точности, диаметра резьбы и твердости материала нарезаемой детали.

Нарезание прямоугольной и трапецеидальной резьб является более сложной работой в сравнении с нарезанием треугольных резьб.

Резьбы прямоугольного и трапецеидального профиля изготов­ляют как однозаходными, так и многозаходными.

Для повышения производительности труда при нарезании трапеце­идальных резьб с крупным шагом применяют державку с двумя рез­цами (рис) – прорезным 1 и профильным 2, установленными один от другого на расстоянии, равном шагу нарезаемой резьбы.

1 2

Применение для нарезания резьбы гребенок сокращает время нарезания и, таким образом, увеличивает производительность резьбо­нарезания. При нарезании резьбы гребенкой работа резания распреде­ляется между несколькими зубьями; для этой цели концы зубьев стачиваются от одного края гребенки к другому, так что глубина реза­ния постепенно увеличивается. Особенно целесообразно и экономично применять гребенки при изготовлении больших партий одинаковых деталей. Гребенки нельзя применять при нарезании деталей, у которых резьба доходит до выступа или буртика, так как часть резьбы, нахо­дящаяся ближе к буртику, не получит полного профиля. Для точных резьб гребенки не применяются, так как они не могут дать высокой точности. Их можно использовать только для предварительного наре­зания.

Гребенки бывают плоские, тангенциальные и дисковые с кольце­выми и винтовыми канавками. Плоские гребенки применяются для нарезания треугольной резьбы с малым углом подъема. Тангенциаль­ные – для нарезания треугольной резьбы с большим углом подъема; они снабжены резьбой, обратной по отношению к резьбе обрабатывае­мой детали; если эта деталь должна иметь левую резьбу, то резьба гребенки – правая, и наоборот.

Круглые (дисковые) гребенки, так же как и круглые (дисковые) резцы, имеют то преимущество, что они затачиваются только по перед­ней поверхности, допускают большое число переточек и, значит, имеют большой срок службы; благодаря этому они удобны в эксплуа­тации.

Нарезание многозаходных резьб.

Нарезание многозаходной резьбы любого профиля начинают так, как если бы требовалось нарезать однозаходную резьбу с шагом, рав­ным длине хода.

Нарезав одну винтовую канавку на полный профиль, отводят ре­зец обратно (на себя) и, дав ходовому винту обратный ход, возвращают суппорт в начальное положение. После этого при неподвижном ходо­вом винте, а следовательно, и неподвижном резце поворачивают деталь на такую часть окружности, сколько заходов имеет резьба, т. е. при двухзаходной – на половину оборота, при трехзаходной – на треть оборота и т. д.

Нарезание резьбы вращающимися резцами (вихревым методом)

Нарезание наружной резьбы так называемым вихревым методом осуществляется следующим образом.

Деталь, на которой должна быть нарезана резьба, закрепляется в центрах токарно-винторезного станка или в патроне. В процессе работы она медленно вращается. В специальной головке, установлен­ной на суппорте станка (рис. 108, а), закрепляется резец с пластинкой твердого сплава. Головка, вращающаяся от специального привода, расположена эксцентрично относительно оси нарезаемой детали. Та­ким образом, при вращении головки резец, закрепленный в ней, опи­сывает окружность, диаметр которой больше диаметра детали. Перио­дически (один раз за каждый оборот головки) резец соприкасается с нарезаемой деталью по дуге и за каждый оборот головки прорезает на детали серповидную канавку, имеющую профиль резьбы.

За каждый оборот вращающейся детали, при перемещении вращаю­щейся головки вдоль оси детали на величину шага резьбы, на детали будет образовываться один виток резьбы. При нарезании резьбы го­ловку повертывают относительно оси детали на величину угла подъема винтовой линии резьбы.

При нарезании внутренней резьбы деталь закрепляется в патроне станка, резец – в оправке головки, которая устанавливается на суп­порте станка (рис.).

Нарезать резьбу вихревым методом можно на токарно – винторезных, резьбонарезных и резьбофрезерных станках при помощи специ­альных устройств.

Схема нарезания внутренней резьбы.

Нарезание резьбы плашками и самораскрывающимися резьбонарезными головками

Основной недостаток всех типов плашек – это необходимость свинчивания их по окончании нарезания, что вызывает значительную затрату времени и снижает производительность, а также ухудшает качество резьбы.

Нарезание резьбы самораскрывающимися резьбонарезными голов­ками (рис. б), применяемыми на автоматах, револьверных и болторезных станках, значительно производительнее (в 3-4 раза), чем нарезание плашками (рис. а), т.к. благодаря автомати­ческому раскрыванию обратного свинчивания их не требуется.

а) б)

Резьбонарезные головки нормализованной конструкции изготов­ляются серийным порядком с тангенциальным и радиальным располо­жением плашек, а также с круглыми плашками.

Фрезерование резьбы

Фрезерование наружной и внутренней резьбы широко применяется в производстве; оно осуществляется двумя способами: 1) дисковой фрезой, 2) групповой фрезой.

Первый способ – фрезерование дисковой фрезой – применяется при, нарезании резьб с большим шагом и крупным профилем. Нареза­ние дисковой фрезой производится за один проход и для очень крупных резьб – за два или три прохода. Профиль фрезы соответствует профи­лю резьбы; ось фрезы располагается по отношению к оси детали под углом α, равным углу наклона резьбы (рис. а). Дисковые фрезы применяются симметричные (рис. б) и несимметричные (рис. в) в зависимости от конструкции станка. При нарезании резьбы фреза вращается и имеет поступательное движение вдоль оси детали, причем перемещение за один оборот детали должно точно соответство­вать шагу резьбы. Вращение детали происходит медленно в соответст­вии с подачей.

а)б)в)

Второй способ – фрезерование групповой фрезой – применяется для получения коротких резьб с мелким шагом (рис. а – фрезе­рование наружной резьбы, рис. б – фрезерование внутренней резьбы).

а)б)

Групповая фреза (называется иногда гребенчатой) представ­ляет собой как бы группу дисковых фрез, собранных на одну оправку (отсюда название «групповая фреза»). Длина фрезы обычно принима­ется на 2-5 мм больше длины фрезеруемой резьбы. Групповая фреза для нарезания резьбы устанавливается параллельно оси детали, а не под углом, как дисковая фреза. (Резьбу с большим наклоном группо­вой фрезой нарезать нельзя.) Предварительно производят врезание фрезы на глубину резьбы. Во время полного оборота детали группо­вая фреза перемещается на величину шага резьбы. Фрезерование резь­бы происходит за 1,2 оборота детали; 0,2 оборота детали необходимо для врезания фрезы на глубину резьбы и перекрытия места врезания.

Нарезание внутренней резьбы метчиками.

Внутреннюю резьбу часто нарезают метчиками. Метчики бывают ручные и машинные. Ручные метчики применяются обычно комплек­том из двух или трех штук. Машинные метчики применяются для ра­боты главным образом на свер­лильных станках. Машинные метчики бывают цельные, пря­мые, с вставными ножами и га­ечные.

Для нарезания резьбы в от­верстиях малых и средних ди­аметров применяют метчики цельные и гаечные, для наре­зания в отверстиях больших диаметров (до 300 мм) – цель­ные метчики со вставными но­жами или резьбонарезные го­ловки с раздвижными плашка­ми.

Для нарезания гаек в спе­циализированном производстве крепежных деталей или при из­готовлении большого количест­ва гаек в серийном производ­стве применяются специальные станки для нарезания гаек при помощи изогнутого метчика. Такой станок (рис.) име­ет подшипник, в котором зак­реплен пустотелый шпиндель с изогнутой трубкой; в этой труб­ке расположен изогнутый мет­чик. До начала работы трубка заполняется гайками. Гайки после нарезания резьбы пе­ремещаются автоматически сквозь трубку и падают в ящик. Изогнутая форма мет­чика препятствует выпадению его из шпинделя.

Шлифование резьбы.

Шлифование резьбы широко применяется при изготовлении резьбо­нарезного инструмента, резьбовых калибров, накатных роликов, точ­ных винтов и других деталей с точной резьбой. Шлифуют резьбу обычно после термической обработки, которая часто искажает элементы резьбы. Процесс шлифования резьбы одно – (рис. а) и многониточным кругом (рис. б) аналогичен фрезерованию соответственно дисковой или групповой фрезой.

Абразивные круги для шлифования.

Шлифование однониточным кругом 1 (рис. а) осуществляется при продольном перемещении детали 2. Однониточные круги правят одним или двумя алмазами при помощи специального приспособления (рис. б: 1- шлифо­вальный круг, 2 – державка с алмазом).

а)б)

Шлифуют резьбу главным образом на специальных резьбошлифо­вальных станках. При небольших размерах производства можно шли­фовать наружную и внутреннюю резьбу на токарно-винторезных станках, обладающих достаточной точностью, при помощи специаль­ных приспособлений.

При шлифовании резьб точность обработки обычно выражается допуском по среднему диаметру в мм, по шагу резьбы (на длине 25 ММ) в мм и по половине угла профиля в мин.

Бесцентровое шлифование резьбы применяется преимущественно

в массовом производстве при наличии многониточных кругов. Этим методом можно шлифовать только наружную резьбу. Для этих целей применяются станки, имеющие схемы обычных бесцентрово-шлифовальных станков, снабжаемые многониточными кругами с кольцевыми канавками, имеющими профиль шлифуемой резьбы. Круги имеют конусную заборную часть, что позволяет шлифовать деталь по наруж­ному диаметру при наличии припуска, а образование профиля резьбы происходит постепенно по мере перемещения детали.

Деталь опирается на нож, точно установленный под углом подъема винтовой линии резьбы. Ось ведущего круга наклонена в вертикаль­ной плоскости в ту же сторону, что и нож, но на угол, вдвое больший, благодаря чему заготовка помимо вращения осуществляет также осе­вую подачу на один шаг за один оборот. Вращение заготовки в несколь­ко раз медленнее, чем при круглом шлифовании.

При шлифовании резьбы на деталях, имеющих головку или буртик, препятствующие сквозной осевой подаче, образование резьбы осущест­вляется за 1,2-1,5 оборота заготовки. В этом случае резьба шлифу­ется сразу по всей длине с предварительным врезанием шлифовального круга на глубину профиля.

Накатывание резьбы

Резьбу можно накатывать двумя способами: 1) плоскими накат­ными плашками и 2) накатными роликами (иногда их называют круг­лыми плашками).

На рис. показана схема накатывания резьбы плоскими плаш­ками. Плашка 1 неподвижна, а подвижная плашка 2 установлена на ползуне, совершающем пря­молинейное возвратно-посту­пательное движение; 3 – де­таль в положении до нака­тывания; 4 – деталь в поло­жении после накатыва­ния.

Накатывание резьбы осуществляется при помощи давления, а не резания металла. При этом методе волокна материала не разрезаются, а деформируются пластически под воздействием резьбонакатных пла­шек или роликов, выступы которых вдавливаются в обрабатываемый металл. Полученная таким методом резьба имеет ровную, чистую и уплотненную поверхность.

Накатывается резьба в холодном состоянии. Материал изделия влияет весьма сильно на качество резьбы: высокое качество резьбы получается на изделиях из пластичного материала; на твердом материале резьба, особенности крупная, накатывается на мощных станках с большими нагрузками.

Рабочая поверхность пла­шек имеет прямолинейную резьбу (развертку резьбы винта) с профилем и углом подъема, соответствующими профилю и углу подъема накатываемой резьбы. Помещенная между плашками цилиндрическая заготовка в результате перемещения под­вижной плашки 2 переходит из первоначального положения 3 в конеч­ное 4 и при этом вследствие деформации металла приобретает резьбо­вую поверхность. Неподвижная плашка 1 имеет заборную часть, захва­тывающую заготовку и формирующую профиль резьбы, калибрующую часть и сбег, обеспечивающий плавный выход заготовки из плашек. Подвижная плашка обычно изготовляется без заборной части.

Плоскими плашками большей частью накатывают болты, винты и реже шурупы.

Резьбонакатные автоматы, работающие плоскими плашками, вы­пускаются нескольких типоразмеров. На этих станках можно накаты­вать резьбу диаметром от 2 до 25 мм и длиной до 125 мм. Станки име­ют автоматические загрузочные устройства и обладают высокой произ­водительностью.

Для накатывания резьбы плоскими плашками применяются специ­альные станки, имеющие ползун, на котором крепится подвижная плашка. В зависимости от конструкции станка ползун с плашкой со­вершает возвратно-поступательное движение в вертикальной, гори­зонтальной или наклонной плоскости.

Резьбонарезные станки с плоскими плашками изготовляются авто­матически действующими (в редких случаях с ручной установкой заго­товки). Заготовка накатывается за один двойной ход ползуна. Длина хода ползуна зависит от длины плашек.

В практике широкое распространение получило накатывание резьбы роликами (круглыми плашками) с радиальной, продольной и тангенциальной подачей.

Накатывание резьбы с радиальной подачей производится одним, двумя и тремя роликами.

Накатывание резьбы диаметром от 5 до 25 мм одним роликом (рис. а) применяется на токарных и револьверных станках и автоматах. Заготовка 1 зажимается в патроне или цанге станка, а резьбовой ролик .2 – в державке 3, устанавливаемой в суппорте 4

или в револьверной головке станка.

а)

На ролике 2 резьба направлена противоположно по сравнению с накатываемой резьбой заготовки, т. е. правая резьба накатывается роликом с левой резьбой, и наоборот. Средний диаметр ролика, число заходов и длина хода резьбы должны быть кратными тем же парамет­рам накатываемой резьбы.

Накатывание резьбы одним роликом часто вызывает изгиб заго­товки из-за односторонней радиальной силы, возникающей при нака­тывании.

Наибольшее распространение получил способ накатывания резьбы двумя роликами (рис. 6). Заготовка 1 помещается на направляю­щей планке 2, располагаемой между роликами 3. Оба ролика вращают­ся в одну сторону, причем один из роликов получает радиальную по­дачу (по стрелке А).

б) ­

Накатывание резьбы с продольной подачей осуществляется двумя, тремя и четырьмя роликами, снабженными заборными частями при постоянном межцентровом расстоянии. После предварительной осевой подачи накатывание осуществляется путем самозатягивания заготовки или головки с роликами.

Ролики применяются с винтовыми и кольцевыми витками. В пер­вом случае оси роликов и накатываемой заготовки параллельны, а во втором – наклонены под углом подъема (рис. в).

в)

Длина накаты­ваемой этим способом резьбы практически не ограничена. Накатыва­ние резьбы с продольной подачей применяется для резьб треуголь­ного, трапецеидального и даже круглого профиля диаметром до 100 мм.

Применение различных методов нарезания резьбы.

Нарезание резьбы резцом на токарно-винторезном станке применя­ется главным образом для точных и длинных винтов, при нестандарт­ном профиле резьбы, а также в других случаях, когда применение или изготовление специального инструмента встречает затруднения. При этом способе применяется более простой инструмент и достигается боль­шая точность, чем на резьбофрезерном станке.

Низкая производительность и требующаяся высокая квалификация рабочего являются недостатками нарезания резьбы на токарных станках.

На токарно-револьверных станках и автоматах резьба нарезается главным образом плашками и резьбонарезными головками при сов­мещении нарезания резьбы с обработкой других поверхностей изделий.

Фрезерование резьбы целесообразно применять при достаточно больших партиях деталей, так как этот метод более производителен, чем нарезание на токарном станке. При фрезеровании резьбы квалифи­кация рабочего может быть ниже, и он может работать на нескольких станках одновременно.

Шлифование резьбы применяется главным образом для резьбового режущего и измерительного инструмента, так как с помощью этого метода можно получить весьма точную резьбу на закаленной поверх­ности.

Накатывание резьбы применяется в крупносерийном и массовом производстве ввиду высокой производительности этого метода получе­ния резьбы при достаточной точности ее.

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.

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.

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.

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.

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.

Влияние кавитации на процесс эксплуатации гидротурбин.

Улучшение технико-экономических показателей гидротурбин достигается за счет уменьшения их размеров и веса при условии обеспечения их расчетной мощности.

Чтобы снизить размеры и вес агрегата, необходимо при тех же параметрах и приемлемых энерго-кавитационных характеристиках увеличить удельную пропускную способность турбины и ее частоту вращения, что связано с ростом скоростей потока в проточной части турбины и может привести к изменению ее гидродинамических и прочностных характеристик. Увеличение скоростей потока, как правило, вызывает рост потерь энергии, падение КПД турбины и дальнейшее понижение давления в потоке.

В процессе эксплуатации гидротурбин на ГЭС их мощность определяется графиком нагрузки энергосистемы. При регулировании мощности турбины меняется ее расход и, следовательно, величины скоростей и давлений в проточной части. Увеличение расхода обычно приводит к росту динамического вакуума в рабочем колесе и на входе в отсасывающую трубу.

Повышение скоростей в потоке, необходимое для увеличения быстроходности турбины, связано с опасностью появления кавитации в рабочем колесе.

Очевидно, что для дальнейшего улучшения технико-экономических показателей гидроагрегатов и здания ГЭС (уменьшение их размеров и стоимости) необходимо, в частности, применять проточную часть гидротурбин с улучшенными кавитационными характеристиками. Улучшение кавитационных характеристик проектируемых гидротурбин может достигаться такими способами: использованием совершенных расчетных методов расчета и экспериментальной доводки проточной части моделей известных типов гидротурбин; применением новых типов гидротурбин с улучшенными характеристиками.

Профильная кавитация. При обтекании лопастей рабочего колеса может возникнуть кавитация, которая явится причиной изменения характеристик турбины. Распределение скоростей и давления на лопасти зависит, в частности, от формы профилей, их толщины, очертания входной кромки, угла атаки и скорости обтекания (рис. 2.2). Теоретический максимум разрежения в потоке равен: р_ВАК = р_АТМ / γ.

В зависимости от режима работы гидротурбины могут наблюдаться следующие стадии профильной кавитации: начальная, развитая и отрывная.

Начальная стадия — обтекание лопасти почти не меняется, так как кавитация возникает только в отдельных местах лопасти. Характеристики гидротурбины не изменяются.

Развитая стадия — кавитационные каверны покрывают большую часть тыльной стороны профиля; поток отслаивается от поверхности профиля, но не отрывается. При этой стадии кавитации изменяются гидродинамические характеристики лопастей рабочего колеса.

Отрывная стадия приводит к резкому изменению формы потока, возрастанию потерь энергии, падению КПД и наличию периодических возмущающих сил, действующих на лопасть. Отрывная кавитация в рабочем колесе недопустима, так как характеристики гидротурбины существенно ухудшаются.

Щелевая кавитация. Щелевая кавитация. Через зазоры у втулки и на периферии рабочего колеса поворотно-лопастной гидротурбины часть воды движется в обход лопастей (объемные потери). Протечки воды и интенсивность вихреобразования в щели зависят от величины зазора, формы торцов и перепада давления на лопасти. При определенных условиях скорости в щели существенно возрастают, а давление падает. Возникает щелевая кавитация.

Для ослабления щелевой кавитации и уменьшения разрушения камеры рабочего колеса и торцов лопастей принимают следующие меры:

1. Обеспечение минимальных зазоров между лопастями поворотно-лопастного рабочего колеса, камерой и втулкой при различных углах установки лопастей, находящихся в пределах Δ = (0,0005 ÷ 0,001) D₁ (около 10 мм). С этой целью втулку рабочего колеса выполняют сферической формы. Камера рабочего колеса обычно полусферическая.

2. Закругление торцов лопасти (рис. 2.4, б). Местные скорости потока в щели в этом случае уменьшаются по сравнению с лопастями с необработанной кромкой (рис. 2.4, а).

3. Установка специальных буртиков вдоль периферии лопастей (рис. 2.4, в). Следует отметить, что буртики, снижая кавитацию, приводят, как показали исследования, к некоторому падению КПД турбины.

4. Изготовление камеры рабочего колеса и лопастей из нержавеющей стали, которая хорошо противостоит воздействию кавитации. В целях экономии возможна наплавка лопастей, выполненных, из углеродистой стали электродами из нержавеющей стали. Лопасти и камеры рабочих колес, средне- и высоконапорных турбин, как правило, выполняются полностью из нержавеющей стали.

Щелевая кавитация может наблюдаться также и в направляющем аппарате (в зазорах между торцами лопаток, верхним и нижним кольцами направляющего аппарата), а также в уплотнениях рабочих колес радиально-осевых гидротурбин.

Полостная кавитация. Полостная кавитация на выходе из рабочего колеса. На режимах, отличных от оптимального, за рабочим колесом радиально-осевых и пропеллерных гидротурбин наблюдается интенсивное вращение потока. При частичных нагрузках поток за рабочим колесом вращается в том же направлении, что и рабочее колесо; при нагрузках, больших оптимальной, вращение потока противоположно вращению рабочего колеса.

Последствия кавитации.

Кавитация в гидромашинах, особенно ее развитая стадия, вызывает значительное изменение структуры потока, его физических свойств и приводит к следующим последствиям:

1. Ухудшение энергетических характеристик гидротурбины, а именно падение ее КПД и мощности. Мощность турбины снижается не только из-за падения КПД, но также благодаря уменьшению пропускной способности турбины и массовой плотности потока.

2. Разрушение деталей проточной части, что приводит к вынужденным остановкам для производства ремонта и потери выработки электроэнергии.

3. Удары в проточной части и кавитационный шум, сопровождающие замыкание каверн и вихрей в потоке.

4. Вибрация гидроагрегата и здания ГЭС, приводящая, в частности, к образованию трещин на лопастях рабочего колеса.

Чтобы исключить развитую кавитацию, необходимо правильно назначить режимы эксплуатации и обеспечить необходимые высоты отсасывания при установке гидротурбины на ГЭС.

5. Регулирование расхода и мощности турбины. Потери энергии в проточном тракте турбины. Отсасывающие трубы гидротурбин.

Регулирование расхода и мощности турбины

Гидравлическая мощность турбины. Энергия теряемая жидкостью в 1 секунду при прохождении через рабочее колесо турбины, т.е. гидравлическая мощность отбираемая турбиной от протекающей жидкости, составляет:

N_Г = ρgQ_К H_Т

Гидравлические потери в турбине ∑h_ГИДР оцениваются величиной гидравлического КПД – η_Г. Тогда теоретический напор запишем в виде:

Н_ТЕОР = Н_ТУРБ – ∑h_ГИДР = Н_Т • η_Г

Расход воды через рабочее колесо турбины без учета потерь на протечки равен:

Q_К = Q_ТУРБ – q_УТЕЧЕК = Q_Т • η_О

В итоге, выражение для гидравлической мощности турбины принимает вид:

N_Г = ρg•Q_К • H_Т • η_Г •η_О

В радиально-осевых и пропеллерных турбинах расход регулируется поворотом лопаток направляющего аппарата, а в поворотно-лопастных — одновременным поворотом лопаток направляю­щего аппарата и лопастей рабочего колеса.

Основным регулирующим органом является направляющий аппарат, изменением открытия лопаток a₀ кото­рого достигается изменение расхода через турбину Q.

Воспользуемся уравнением турбины, которое позволяет установить зависимость пропускной способности от геометрических размеров и исследовать возмож­ности регулирования расхода и мощности в реактивных турби­нах.

η_Гg H = (ω/2π) • (Г₁ – Г₂)

Циркуляция на входе в рабочее колесо Г₁ создается направляющим аппаратом, рисунок 6.2, а). Из треугольника скоростей на выходе из НА следует:

Г₀ = πDv_Uo = πDv_roctgά₀ = Г₁

^Vm2

Рисунок 6.2 Связь между циркуляциями Г₁, Г₂ и расходом через турбину:

а) — меридиональная проекция полости гидротурбины;

б) — треуголь­ник скоростей на выходе из направляющего аппарата; в) — то же на выходе из рабочего колеса.

Из выражения для определения расхода через турбину Q следует, что на пропускную способность турбины влияют: геометрические размеры проточной части (F₂; D_2СР; b₀), форма потока в проточной части (углы потока (струйные) на выходе из направляющего аппарата ά₀ и на выходе из рабочего колеса γ₂ = 180° – β₂), напор Н и частота вращения n турбины.

Таким образом, исходя из выше приведенных зависимостей, имеется три параметра: ά₀; b₀ и γ₂ три возможности регулирования расхода.

Кавитация в гидравлических машинах – Справочник химика 21

из “Кавитационные явления в центробежных и осевых насосах”

Кавитация представляет собой процесс нарушения сплошности потока жидкости, который происходит в тех участках потока, где местное давление, понижаясь, достигает некоторого критического значения. Этот процесс сопровождается образованием большого количества пузырьков, наполненных преимуш,ественно парами жидкости, а также газами, выделившимися из раствора. Образование пузырьков имеет много общего с кипением жидкости, в связи с чем эти два процесса часто отождествляют, а в качестве критического давления, при котором начинается кавитация, рассматривают давление насыщенных паров жидкости при данной температуре. Находясь в области пониженного давления, пузырьки растут и превращаются в большие кавитационные пузыри-каверны. Затем пузыри уносятся потоком в область с давлением выше критического, где происходит их разрушение. Таким образом, в потоке создается довольно четко ограниченная кавитационная зона, заполненная движущимися пузырьками. Разрушение кавитационных пузырей происходит с очень большой скоростью и сопровождается своего рода гидравлическим ударом. Наложение большого числа таких ударов приводит к появлению характерного шипящего звука, который всегда сопутствует кавитации. [c.7]
Явление кавитации очень хорошо демонстрируется на примере протекания воды через стеклянную трубу с местным сужением (расходомер Вентури, сопло). Постепенное увеличение расхода приводит к тому, что при достаточно большой скорости течения давление в сужении падает до критического значения. [c.7]
Первоначально кавитация проявляет себя в виде неустановив-шейся кольцеобразной кавитационной зоны, которая, из-за некоторой пульсации давления, периодически возникает и исчезает с довольно большой частотой (фиг. 1, а). Дальнейшее увеличение расхода приводит к тому, что кавитационная зона становится устойчивой и увеличивается в объеме за счет удлинения в направлении течения потока и за счет распространения вглубь к центру потока (фиг. 1,6). [c.7]
В качестве третьего примера на фиг. 2 приводится фотография потока в рабочем колесе центробежного насоса. В этом случае кавитационные пузыри возникают на лопастях рабочего колеса. Срываясь с поверхности, они уносятся потоком, образуя видимую на фотографии кавитационную зону, и на некотором расстоянии от лопасти исчезают. [c.9]
Обычно различают два типа кавитации поверхностную и отрывную. Поверхностная кавитация возникает на поверхности или в непосредственной близости от нее. Она обычно имеет место в трубах, водомерных устройствах или в межлопастных каналах рабочих колес гидравлических турбин и насосов. Отрывная кавитация возникает в результате турбулентного смешивания, которое обычно имеет место в потоке за рабочими колесами турбин и гребными винтами судов. [c.9]
Теория крыла Н. Е. Жуковского [32], [22] говорит о наличии свободных вихрей, параллельных направлению относительного движения и продолжающихся от конца крыла до бесконечности. Возможность возникновения кавитации внутри вихря может быть установлена из рассмотрения следующих уравнений. [c.10]
Следовательно, увеличение скорости приводит к уменьшению статического давления. Уравнение (1) показывает, что величина скорости стремится к бесконечности при приближении к центру вихря. Однако в практике этого не случается из-за кавитации, которая начинается при понижении местного статического давления ниже критического значения. [c.10]
Качественное изменение структуры потока, вызванное кавитацией, несомненно приводит к изменению режима работы данной гидравлической машины или системы. [c.10]
Точка зрения на гидравлические системы и машины может быть такова, что они представляют собой сочетание направляющих поверхностей, используемых для управления потоком жидкости. Если кавитация развивается на такой поверхности, то она изменяет ее эффективную форму и, следовательно, изменяет путь потока. Практически во всех случаях такие изменения нежелательны. Если бы это было необходимо, то направляющая поверхность могла бы быть построена таким образом, чтобы она направляла поток этим путем с самого начала. [c.10]
При двух типах кавитации — установившейся поверхностной и вихревой отрывной — имеют место разного рода вторичные движения жидкости. Энергия, вовлеченная в это движение, не восстанавливается главным потоком, следовательно, она увеличивает потери энергии в данной системе. Эти дополнительные потери энергии являются следствием изменения направления движения, вызванного кавитацией. [c.10]
Результаты многочисленных экспериментальных исследований указывают на появление вибрации в гидравлических системах и машинах в тех случаях, когда наличие развившейся кавитации являлось единственным изменением характеристик потока. [c.10]
Как правило, кавитация сопровождается разрушением поверхности, на которой возникают и некоторое время существуют кавитационные пузыри. [c.11]
Наличие кавитации существенно влияет на работу данной гидравлической системы, причем это влияние зависит от степени развития кавитации. Обычно различают начальную, частично развивщуюся и

Всасывающая кавитация

     Всасывающая кавитация происходит, когда работа насоса в режиме всаса происходит под низким давлением высокое вакуумное условие, где жидкость превращается в пар внутри центробежного насоса. Этот пар переносится на нагнетательную сторону насоса, где вакуум больше не обнаруживается и снова сжимается до жидкостного состояния под влиянием нагнетательного давления. Это сжатие происходит мгновенно и оказывает влияние на лицевую поверхность гидротурбин. У гидротурбин, которые работают под воздействием условий всасывающей кавитации, обнаруживают нехватку на лицевой поверхности больших кусков материала, что ведет к преждевременному выходу из строя насосов.

Нагнетательная кавитация

     Нагнетательная кавитация происходит при чрезвычайно высоком нагнетательном давлении насоса. Нагнетательная кавитация обычно появляется в насосе, который работает при отклонении на 10% от своего КПД. Высокое нагнетательное давление вызывает циркуляцию жидкости внутри насоса вместо того, чтобы выдавать нужный объемный расход. Так как жидкость циркулирует в гидротурбине, то она должна проходить через небольшой зазор между гидротурбиной и патрубком насоса при чрезвычайно высокой скорости. Эта скорость приводит к появлению вакуума, развивающегося в патрубке (аналогично тому, что происходит в трубе Вентури), который превращает жидкость в пар. Насос, который работает в таких условиях, показывает преждевременный износ лопастных гидротурбин и патрубков насоса. Кроме того, из-за условий высокого давления возможен преждевременный выход из строя механической пломбы насоса и подшипников. При граничных условиях кавитации возможна поломка вала гидротурбины. Полагают, что нагнетательная кавитация приводит к поломке шарниров.

Кавитация в двигателях

     Некоторые большие по размеру дизельные двигатели страдают от кавитации из-за высокого сжатия и малогабаритных стенок цилиндра. В результате на стенках цилиндра делают специальные дыры, которые позволяют охлажденной жидкости попадать в цилиндр. Предотвратить нежелательные явления возможно при помощи химических добавок в охлаждаемую жидкость, которая образует защитный слой на стенках цилиндра. Этот слой будет подвержен той же кавитации, но он может самостоятельно восстанавливаться.

Кавитационные режимы движения жидкости

В жидкости при любом давлении и температуре всегда растворено какое-либо количество газов. Уменьшение давления в жидкости ниже давления насыщения жидко­сти газом сопровождается выделением рас­творённых газов в свободное состояние, Г.А. Муоина наоборот, при повышении давления, выделившиеся из жидкости газы, вновь переходят в растворённое состояние. Изменение дав­ления в жидкости может приводить и к изменению агрегатного состояния жидкости (пе­реход жидкости в пар и пара в жидкое состояние). Если жидкость движется в закрытой системе, то колебания давления в потоке могут приводить к образованию локальных зон низкого давления и как следствие, в этих зонах происходят процессы образования паров жидкости («холодное» кипение жидкости) и её раз газирование. При этом, процесс разгазирования, как правило – процесс более медленный, чем процесс парообразования. Одна­ко и в том и в другом случае появление свободного газа и, тем более пара, в замкнутом пространстве крайне не желательно. Появление пузырьков газовой фазы говорит о том, что в жидкости появился разрыв. Далее эти пузырьки переносятся движущейся жидко­стью. Процесс образования пузырьков пара в жидкости носит название паровой кавита­ции, образование пузырьков газа вызывает газовую кавитацию. При попадании в зону вы­сокого давления пузырьки газа растворяются в жидкости, а пузырьки пара конденсируются. Поскольку последний процесс происходит почти мгновенно, говорят о том, что пу­зырьки схлопываются. Особенно интенсивно процессы схлопывания пузырьков пара про­исходит в месте контакта их с твёрдыми телами (стенки труб, элементы гидромашин и т.д.). Отрицательное воздействие пузырьков пара на элементы гидросистем заключаются в особенности их контакта с твёрдыми телами: при приближении к твёрдой границе пу­зырьки пара деформируются, что приводит к явлению подобному детонации. При таком воздействии свободного пара и газа на твердые элементы внутренних конструкций гидро­машин, они разрушаются и выходят из строя. Для оценки режима течения жидкости вво­дят специальный критерий; число кавитации К

Определим предельную высоту установки над поверхностью воды:

,

P_a – атмосферное давление

P_t – давление парообразования

g – ускорение силы тяжести

V_вс – средняя скорость во всасывающем трубопроводе

– коэффициент кинематической энергии

– кавитационный запас

м/с

м