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

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.

Сущность явления кавитации в гидротурбине. В отдельных частях проточного тракта (под рабочим колесом) гидротурбины давление может быть весьма низким, практически глубокий вакуум. Одним из основных факторов, определяющих движение жидкости при низком давлении, является прочность жидкости на разрыв. Так, по опытным данным, чистая вода, не содержащая твердых и газообразных примесей, выдерживает растяжение 0,2 − 0,3 МПа, а в особых условиях до 10 − 25 МПа. Теоретически прочность воды на разрыв еще больше. Однако прочность обычной воды на разрыв определяется давлением насыщенного пара р_в.п значение которого зависит от температуры жидкости (рис. 1.1). Это объясняется тем, что в воде из водотоков и даже из водопровода содержится большое количество мельчайших твердых и газообразных включений, которые представляют собой слабые точки, ядра. Образованию ядер способствует и присутствие в воде растворенного воздуха.

Рисунок 1.1. Зависимость давления насыщенного водяного пара от температуры.

Табл.1

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.

Как видно из рис. 7.1, давление насыщенного водяного пара при 100 °С равно атмосферному, что и определяет точку кипения. На отметке 2200 м над уровнем моря атмосферное давление равно 80 кПа и вода кипит при 93 °С. Если абсолютное давление снизить до 2 кПа, то вода может кипеть и при температуре ниже 20 °С.

Рассмотрим условия разрыва воды на опыте. Цилиндр с поршнем заполним водой так, чтобы в пространстве под поршнем не было пузырьков воздуха (рис. 1.2, а)., Потянем поршень вверх с силой Р.

Рисунок 1.2. Статический разрыв сплошности воды

Сначала он будет сопротивляться и заметного его перемещения не произойдет, но когда сила Р превысит

Р_КР = F (р_атм. - р_в.п),

где р_атм. — атмосферное давление, a F — площадь поршня, то поршень начнет подниматься, а между поршнем и жидкостью создастся полость, заполненная в основном водяным паром с давлением р_в.п (рис. 7.2, б).

При этом, сколько бы поршень ни перемещался вверх или вниз, пока существует каверна, давление под ним будет сохраняться неизменным, равным р_в.п. Это статический разрыв сплошности жидкости.

В турбулентном потоке явление протекает иначе. Характерной особенностью турбулентного потока является пульсация скоростей и давлений в каждой точке, которая особенно интенсивна в пограничных зонах.

Тогда, еще при р_абс. > р_в.п в отдельные моменты времени р_абс будет достигать р_в.п и здесь, будут образовываться местные каверны, которые тотчас захлопнутся с повышением давления. С уменьшением р_абс число каверн возрастает, но они также будут возникать и захлопываться — пульсировать.

Если в потоке имеются области с еще меньшим давлением, то могут возникать каверны, которые будут сохраняться в течение всего периода переноса через эту область. Жизнь такой каверны состоит из двух фаз: образование и рост — в основном это период прохождения области, где давление падает (вакуум нарастает), и захлопывание, которое происходит в области, где давление увеличивается. При этих условиях каверны могут достигать больших размеров и при их захлопывании в точке (центре) создаются огромные удельные давления.