Техника - молодёжи 1965-08, страница 10

ПЕРВЫЕ ВСТРЕЧИ С КАВИТАЦИЕЙ

Исходной точкой в экспериментальном изучении кавитации можно считать 1894 год. Именно в этом году инженеры на практике столкнулись с явлением, которое 140 лет назад было предсказано Эйлером.

Испытания английского миноносца «Дэринг» сначала не предвещали никаких неприятностей. Постепенно увеличивая число оборотов гребных винтов, инженеры получали все большую и большую скорость. Но вот, когда корабль шел со скоростью 24 узла, очередное увеличение числа оборотов не дало ожидаемой прибавки скорости. Машины включены на полную мощность, скорость их вращения достигла предела, но... «Дэринг» так и не смог достичь расчетных 27 узлов. * Английские гидродинамики правильно объяснили суть дела. При больших скоростях около лопастей могут возникать такие низкие давления, что жидкость разрывается и в ней образуются пустоты — каверны. Тогда-то и родился термин кавитация — образование пустот в жидкости.

Кавитация сильно снижает упор гребного винта, и именно поэтому «Дэринг» не смог развить расчетную скорость.

Итак, нельзя сказать, чтобы первое столкновение с кавитацией не принесло инженерам неприятностей. Снижение экономичности винтов — достаточный повод для беспокойства. Но самое неприятное было еще впереди.

В 1907 году на винтах быстроходных лайнеров «Мавритания» и «Лузитания» были обнаружены язвины глубиной 6—8 см. Через каждые два месяца на них надо было менять изъеденные, утратившие свою обтекаемую благородную форму винты стоимостью в 70 тыс. долларов каждый.

Дальше неприятности посыпались, как из рога изобилия. В германском военном флоте на винтах торпедных катеров и миноносцев уже через 24 часа эксплуатации появились следы разрушения, которые через неделю превратились в раковины величиной с кулак. Винты одного глиссера, претендовавшего в сороковых годах на установление мирового рекорда, имели из-за кавитации настолько низкий коэффициент полезного действия, что для его компенсации на двухместный катер пришлось установить машины мощностью 6400 л. с. Уже через 30 лёт после первого столкновения с кавитацией главный инженер французского флота утверждал, что она ежегодно «съедает» миллионы лошадиных сил и тысячи тонн топлива.

Скоро столкнулись с кавитацией и гидроэнергетики. На Днепрогэсе она явилась причиной ударов и сотрясений в турбинах. При проектировании сверхмощных насосов канала имени Москвы, турбин Угличской, Рыбинской, Камской и других ГЭС потребовалась разработка мер для защиты рабочих колес от разрушения.

ХОЛОДНОЕ КИПЕНИЕ В ПОТОКЕ

Для того чтобы получить кавитацию,

вовсе не требуется сложного оборудования.

Каждый может сам вызвать, увидеть и услышать кавитацию. Возьмите стеклянную трубку диаметром 10—15 мм, нагрейте ее посередине в пламени газовой горелки и слегка потяните за концы* На трубке возникнет местное сужение диаметром 3—4 мм. Прибор готов. Присоедините с помощью резинового шланга один из концов трубки к водопроводному крану и начинайте его постепенно открывать. Вначале из трубки бесшумно потечет вода, и трубка на всем протяжении будет прозрачной. Но вот вы открыли кран больше. Послышался свистящий шум, а в узком месте появилось туманное пятнышко, особенно хорошо видимое на темном фоне. Это пятнышко и есть область, в которой возникла кавитация. Откройте кран посильней — туманная область сделается заметнее, размеры ее возрастут, шум усилится. Если бы скорости течения и размеры трубки были побольше и диаметр ее минимального сечения достигал 10—15 мм, то интенсивность шума была бы такой же, как от работающего тысячесильного авиационного мотора, расположенного от вас в нескольких метрах.

Что же происходит в туманной области?

Наибольшая скорость водяного потока достигается в самом узком месте трубки. А в трубке, где скорость больше, там давление меньше, поэтому, открывая кран, мы можем понизить давление до 0,02 атм, При таком давлении вода «вскипает» при комнатной температуре. Это местное вскипание холодной жидкости и получило название кавитации. Область, занятая кавитацией, кажется нам туманной потому, что свет преломляется и отражав ся от границ пузырьков. Промчавшись 1—2 см и попав снова в зону высокого давления, они раздавливаются и смыкаются.

Частицы жидкости, лежащие на противоположных участках, соударяются и производят звук, как при хлопке в ладоши. Эти микрохлопки, сливаясь в общий хор, образуют характерный для кавитации шум.

С изменением давления в движущейся жидкости мы сталкиваемся на каждом шагу.

Вот проносится «Ракета» — теплоход на подводных крыльях. Над его движущимся подводным крылом возникает разрежение, а под крылом — повышение давления. Разностью давлений на лопастях гребного винта обусловлен его упор. Разность давлений по обе стороны лопасти турбинного колеса приводит его во вращение. И если в области разрежения на крыле, лопасти винта или турбины давление достигнет давления насыщенных паров, там возникнет кавитация, возникнут пузыри.

Появится кавитация или нет, зависит от соотношения сил, прижимающих или отрывающих частицы жидкости»

Прижимающие силы тем больше, чем больше разность окружающего давления и давления насыщенного пара в пузырьках.

Отрывающие силы — это центробежные силы, возникают они при движении частиц жидкости по криволинейным траекториям, огибающим препятствие (крыло, лопасть). Они возрастают с увеличением скорости, плотности и кривизны траектории.

Знакомство с проблемой, о которой не имеешь ни малейшего понятия иногда полезно начать с внимательного изучения библиографического списка. Здесь, в названиях нниг и статей, отражено все: рождение проблемы, ее развитие, заблуждения, предвидения, практическая значимость и многое другое.

Если подойти с такой «библиографической» точки зрения к явлению кавитации, можно обнаружить весьма любо пытные обстоятельства. Прежде всего выяснится, что слово «кавитация> появилось лишь 70 лет назад, А список работ, посвященных этому физическому явлению открывает работа, написанная Леонардом Эйлером в 1754 году. Гениальный гидромеханик теоретически предсказал возможность существования кавитации, хотя сам этот термин был ему, конечно, незнаком.

Больше ста лет кавитация не беспо коила умы теоретиков и нервы практиков. Но за последние 6 лет XIX века она 18 раз заставила инженеров и ученых разразиться статьями. За первые 20 лет нашего столетия появилось 42 статьи, причем в Англии за этот период публикуется статей о кавитации больше, чем во всех странах, вместе взятых. В следующие 15 лет количество работ переваливает за сотню и продолжает увеличиваться.

За этим сухим, формальным графиком изменения количества ежегодных публикаций лежат интересные, нередко драматические события, тонкие дорогостоящие эксперименты и неожиданные открытия Некоторые из этих вопросов освещены в статье профессора, доктора технических наук Л. ЭПШТЕЙНА.

5