И. Пирсол - Кавитация

ба =3--- рО © о о ф е о'а ю ф аО Ю р о Ь Ж СВ е фуд 809 о с~ е о о .Ою 4? е В Р Сй~ '% ю. я ~ „Жа ар б ~ Ф4~' Ф~р ЮФ И. ПИРСОЛ КАВИТАЦИЯ Перевод с английокого канд. фив.-иат, наук Ю. Ф. Журавлева Под редакцией, о предисловием и дополнением д-ра техн. наук, проф. Л. А. Эпштейна »«глн р Ф« ИЗДАТЕЛЬСТВО «МИР» МОСКВА 1976 532 Паз 20303-168 041(01)-75 532 Редакция научно-популярной и научна-фантастической литературы © Перевод на русский язык, «3(ир», 1975. Пирсол И. п33 Кавитация. Пер. с англ. Ю.

Ф, Журавлева. Ред., предисл. и дополн. Л. А Зиаатхейна М, «Мир», ! 975. 95 с. с или. (Ь мире нвушь и техники) Книга И. Пнрсола рассказывает о кавитации— явлении, часто возникаюшем в движущейся жидкости. Кавитацня приводит к разрушению рабочих поверхностей гребных винтов, подводных крыльев, турбин н насосов. Кавитация в крови вызывает повреждения органов человека, животных и рыб, Искусственно созданная ультразвуком кавитания используется для очистки по. верхностей предметов, удаления из жидкости нерастворенных газов, получения эмульсий и т. д.

Книга представляет интерес для студентов и преподавателей технических вузов, а также инженернотехнических работников. ЛРЕДИСЛОВИЕ РЕДАКТОРА Предлагаемая вниманию читателя книга английского ученого, специалиста по суперкавитирующим насосам И. С. Пирсола «Кавитация», изданная в Лондоне в серии монографий, рассказывает об одной из актуальных проблем гидродинамики — проблеме кавитации. Кавитация с каждым годом все глубже проникает в различные области техники, химии и биологии, но, как правило, вопросы кавитации освещаются лишь в научных статьях и специальных трудах. В нашей стране по проблеме кавитации выпущена одна книга Перника', рассчитанная на специалистов, Книга Пирсола позволит познакомиться с различными аспектами кавитации более широким кругам читателей. Особенно.

интересной и полезной она будет для инженеров, работающих в области гидромеханнки. Книга написана достаточно просто, почти не требует специальных знаний и вместе с тем содержит ряд полезных сведений физического и инженерного характера. Отдельные высказанные автором положения нуждались в корректировке, которая осуществлена редактором в виде соответствующих примечаний. В работе Пирсола почти полностью отсутствуют сведения о развитых кавитационных течениях, которые сейчас находят широкое применение. В связи с этим русский перевод дополнен разделом, посвященным этому вопросу.

Д. А. Эпштейн ' П е р н и к А. Д., Проблемы кавцтацвв, Л., вад-во «Суде. строевые», !966. КАВИТАциЯ С проблемами кавитации сталкиваются при рассмотрении широкого круга вопросов, связанных с течениями жидкостей,— ат исследования тока крови в сосудах до проектирования турбин и корабельных винтов. Ее возникновение зависит от физических свойств жидкости и параметров течения (давление, температура, скорость).

В технике кавитация приводит к значительному снижению эффективности машин и к их эрозии, а кавитация в крови может вызвать заболевание сердца и артерий. Нередко в результате кавитации происходит забое свечение ыадн, называемое сонолюмннесценцией. Кавитация уменьшает подъемную силу подводных крыльев, ухудшает характеристики насосов, турбин, винтов н других механизмов. Чтобы по возможности свести к минимуму вредное действие кавитации, обычно для каждой машины определяют ее кавитационные характеристики. Проектирование многих машин и установок осуществляется обязательно с учетом их кавитационной эрозии. Основной метод борьбы с эрозией состоит в соответствующем подборе материалов при изготовлении машин н механизмов; этот подбор производится путем сравнительных испытаний.

В ряде случаев кавитация играет положительную роль, поэтому в настоящее время делаются попытки использовать это явление в некоторых областях техники и химической технологии. УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ Л вЂ” площадь, ометаемая винтом; 8, В, — термодинамические параметры, введенные Сте* пановым; С вЂ” абсолютная скорость; Сг — коэффициент подъемной силы; Ср — удельная теплоемкость; В» — диаметр ступицы винта; Р, — диаметр всасывающего трубопровода; Й вЂ” диаметр винта; Ь, — высота всасывания; Ь6 — отнесенная к удельному весу разность статического давления во всасывающем патрубке и давления насыщенных паров; ЬЬ~ — приращение энтальпии; Н вЂ” полный напор (в насосе или турбине); Х вЂ” относительная поступь винта; У' — механический эквивалент тепла; йп йа †эмпирическ коэффициенты; Кт — коэффициент упора; Ко — коэффициент момента винта; Ь вЂ” скрытая теплота парообразовання; /т' — скорость вращения (об/мин); и — скорость вращения (об/с); Р— статическое давление; Р, — атмосферное давление; Р,— давление насыщенных паров;.

Р„р — критическое давление; ч/ — расход; г — отношение объема жидкости к объему паров; (/ — скорость вращения; У вЂ” скорость; 11т †объ; б — удельный объем; Л/ — приращение температуры; Т вЂ” температура; Р7 — относительная скорость; у — удельная энергия; ю — высота над уровнем; р — плотность; о — число кавитации; оп — число кавитации Тома; оь — число кавитацни лопасти; т) — коэффициент полезного действия (к. и. д.); р — угол натекания потока; оз — угловая скорость (рад/с); А = /)ь//)б $„$, — эмпирические коэффициенты.

Индексы в трубопроводе перед насосом; перед лопатками; за рабочим колесом; между 1 и 2 сечениями; мерндиональный; осевой; турбина; всасывающий патрубок. О— 1— 2— Удельные числа оборотов' ю г'Р ю 1~'Р Уд = (~ц)д ° ы )гТО К,= —, (вал~! ' об/мин УО (и'/с) ал (м)'ь об/мни 1 Мощность (в петрич. ед.) 1)/ив н(и) д ' Используемые Пирсолом коэффициенты К, и дгм отличаются от удельного числа оборотов илн часто употребляемого коэффициента быстрокодности постоянными множителями, Величины К, и а' имеют ту же структуру, но здесь вместо напора Н используется параметр /гй. — Прим, ред, 1. Введение Явление кавитации было теоретически'предсказано Рейнольдсом [56) задолго до того, как его впервые обнаружили при испытаниях эскадренного миноносца английского военно-морского флота «Дэринг» в !893 г.

Скорость миноносца оказалась значительно ниже предполагаемой, что было вызвано ухудшением характеристик винта вследствие возникновения пузырьков пара на его лопастях. С аналогичными трудностями пришлось столкнуться несколькими годами позже на первом турбинном корабле «Турбниия». На этом судне поочередно устанавливали семь различных винтов, но ни с одним из них не удалось достигнуть расчетной скорости. В конце концов признали необходимым. вместо одного вала поставить три с тремя винтами на каждом.

Оборудованный таким образом корабль достиг скорости 32 узла ( -59 км(ч). Исследования винтов проводились на первой малой гидродинамической трубе, построенной фирмой Рагзопз Яеагп ТпгЬ>п Со. ) Ы. [57). Кавитацией называется явление парообразования и выделения 1воздуха, обусловленное понижением давления в жидкости. Причиной ее возникновения служит кипенне жидкости прн нормальной температуре и низком дав>енин.

Появлению кавитацин способствует растворенный в воде воздух, который выделяется прн уменьшении давления. После неудач с кораблями «Дэринг» и «Турбиния» началось интенсивное изучение химических, физических и технических аспектов кавитации. Проводились исследования процесса формирования пузырьков и их схлопывания (коллапса), роли растворенных в жидкости газов, влияния образования и схлопывания пузырьков на насосы, турбины, винты, плотины и другие подобные устройства и сооружения. Было установлено, что возник.

новеиие пузырьков изменяет характер течения жидкости, вызывая снижение давления, потери в к. п. д. и тяге, как это произошло с кораблем «Дэринг». Кроме того, схлопываиие пузырьков приводит к возникновению ударных волн, которые разрушают металл рабочего колеса турбины или винта. Для исследования таких явлений потребовалось создать разнообразное специальное экспериментальное оборудование — от больших гидродинамических труб мощностью в несколько тысяч лошадиных сил, используемых при испытаниях винтов и турбин, до малых высокочастотных внбрацнонных стендов, применяемых для изучения эрозиониых повреждений.

Несмотря на определенные успехи в изучении многих аспектов кавитацни, основные связанные с ней проблемы еще не решены. Однако современные знания о кавитации вполне достаточны для инженерных приложений, 2. Возникновение кавитации 2.1. Ядра и возникновение кавитации Теоретически жидкость начинает кипеть, когда давление в некоторых участках потока снижается до давления ее насыщенных паров. В действительности давление, при котором начинается каййФацня, существенно зависит от физического состояния жидкости, Если жидкость содержитфольшое~количество растворенного воздуха, то уменьшение давления приводит к выделению воздуха из жидкости и образованию газовых полостей (каверн), в которых давление~выше,' чем давление йасыщенных паров жидкости.

При йаличии в жндкостй 'микроскопических, не видимых глазом пузырьков кавитация может возникать при давлениях, превышающих давление насыщенного пара. Каждый кавитационный пузырек, формируясь из ядра, растет до конечных размеров, после чего схлопывается. Весь процесс происходит в течение нескольких миллисекунд. Пузырьки могут появляться друг за другом настолько быстро, что кажутся одной каверной. Теоретически при отсутствии ядер жидкость может выдерживать отрицательные давления или напряжения порядка тысяч атмосфер без возникновения кавитации. По оценкам, для воды величина этого отрицательно~о давления составляет от 500 до 10 000 атм [Ц.

На практике же вода, которая была подвергнута тшательиой фильтрации и предварительной обработке давлением до нескольких сотен атмосфер, разрывалась при отрицательных давлениях в 300 атм. По данным Плессета ~З), при отсутствии ядер 1соизмеримых с размерами молекул) вода теоретически может выдержать отрицательные 11 давления около 15000 атм'. Однако при наличии в воде твердых несмачиваемых ядер размером порядка !О-' см йроисходит разрыв сплошностн воды при отрицательных давлениях в несколько десятков атмосфер. Отсюда следует, что вполне возможно с помощью разрежения поднять воду на высоту, ббльшую барометрической. Такое явление уже наблюдалось при работе с жидкостью, предварительно подвергнутой обработке давлением.