О кавитации много пишут в специальной литературе. Напомним, что кавитация — это процесс парообразования в потоке жидкости, сопровождающийся образованием кавитационных пузырьков, или каверн, заполненных паром самой жидкости. Она возникает в результате местного понижения давления в жидкости. Попадая в область с более высоким давлением, кавитационный пузырёк схлопывается, излучая при этом ударную волну. Кавитация разрушает поверхность гребных винтов, гидротурбин, акустических излучателей и др. Но она также приносит и пользу – ее применяют в промышленности, медицине, военной технике и других смежных областях.
Возможно, в будущем спектр применения кавитации расширится, но для этого ее нужно как следует изучить. Как заметил по этому поводу Ученый секретарь Института теплофизики СО РАН Павел Куйбин, класс задач здесь очень и очень большой. Так что еще не одному поколению ученых предстоит долгие годы заниматься исследованием этого феномена .
Сегодня практические цели таких исследований связаны, прежде всего, с проблемой разрушительного воздействия кавитации на отдельные элементы гидроагрегатов. Как известно, кавитация разрушает материал лопастей гидротурбин, оставляя на них каверны различного масштаба. По словам ученых, когда происходит схлопывание пузырьков возле поверхностей рабочего агрегата, они как иголкой «прокалывают» даже нержавеющую сталь. В результате возникает так называемая кавитационная эрозия материала. Из-за кавитации происходят разрушения на стенках турбинной камеры, где вращается рабочее колесо. По словам Павла Куйбина, даже на маломощной Новосибирской ГЭС сколько угодно таких кавитационных явлений. На стенках турбинной камеры – там, где лопасти рабочего колеса проходят вблизи стенки, можно увидеть каверны размером с кулак. Что же говорить об огромных гидроэлектростанциях, таких, например, как Саяно-Шушенская ГЭС?
Разумеется, производители гидротурбин стараются учитывать данное явление при проектировании, чтобы максимально продлить срок службы выпускаемых ими машин. Но ведь для этого, как мы понимаем, нужно хорошо разбираться в этом явлении. С одной стороны, проектировщики могут решать чисто материаловедческие задачи, делая ставку на какие-то специальные прочные сплавы. Иными словами, просто «защищаясь» от кавитационных воздействий.
С другой стороны, можно совершенствовать конструкцию самого агрегата, в котором кавитация будет проявлять себя не столь «агрессивно». Чтобы решить такую задачу, надо иметь на руках математические модели и точные расчеты. А это по силам только ученым, поскольку в данном случае необходимо проводить исследования фундаментального уровня.
Уже в течение нескольких лет один из известнейших производителей гидротурбин – Ленинградский металлический завод – взаимодействует по данному вопросу с Институтом теплофизики СО РАН. Напомним, что ЛМЗ создает гидротурбины для Саяно-Шушенской ГЭС. Разумеется, это предприятие располагает своими уникальными испытательными установками, однако производственные испытания не выходят здесь за рамки решения сугубо инженерно-конструкторских задач. Фундаментальными исследованиями, конечно же, на заводе не занимаются. Эту работу в настоящее время и выполняют специалисты Института теплофизики.
Для осуществления указанных исследований в Институте уже действует одна специальная установка, где можно изучать воздействие кавитации на уменьшенные модели лопаток направляющего аппарата, через который вода попадает на лопасти рабочего колеса. Путем поворота лопаток направляющего аппарата на гидроэлектростанции управляют расходом воды через агрегат и, соответственно, вырабатываемой им мощностью. Из-за высокой скорости потока воды как раз и образуется явление кавитации, воздействующее на этот элемент.
Упомянутая установка, благодаря прозрачным стенкам, позволяет ученым наглядно рассмотреть данный процесс и даже заснять его на высокоскоростную цифровую видеокамеру. С помощью мощного насоса вода здесь движется с огромной скоростью – до 20 метров в секунду, моделируя то явление, что происходит в направляющем аппарате работающего гидроагрегата. Как только поток набирает необходимую скорость, вы сразу начинаете слышать шум, возникающий в результате схлопывания кавитационных пузырьков. И даже обычная фотокамера может зафиксировать «кавитационное облачко» – сгусток газопаровых микропузырьков, возникающий на лопатке направляющего аппарата.
Достаточно только представить, что на Саяно-Шушенской ГЭС такой рабочий элемент подвергается постоянному воздействию, и вы уже в состоянии оценить, насколько важны подобные исследования.
Чтобы ощутить это воздействие, попробуйте например, опустить ладонь в воду, когда вы с большой скоростью мчитесь на моторной лодке. Вы ощутите не только сопротивление воды, но и легкие покалывания в области пальцев. Скорее всего, эти «иголочки» как раз и связаны с явлением кавитации. А теперь представьте, что будет, когда подобное «иглоукалывание» непрерывно продолжается в течение суток, недель, месяцев. Вот именно это и происходит с рабочими частями гидроагрегатов.
Сейчас в Институте создается более внушительный кавитационный стенд, который, без сомнения, будет уникальным в масштабе нашей страны. Сейчас он находится в стадии монтажа и запущен будет уже в этом году. Этот стенд в какой-то мере, что называется, приближен к «натуре», то есть условия кавитации будут формироваться здесь не только нагнетанием воды насосом, но и за счет девятиметрового перепада высот, и дополнительно регулирования с помощью вакуумного насоса. Как пояснил Заведующий лабораторией экологических проблем теплоэнергетики Сергей Шторк, одним лишь насосом создавать такой поток нецелесообразно, поскольку сами насосы подвержены кавитационному воздействию. А девятиметровый перепад как раз дает тот подпор, который защищает насос от кавитации. Здесь уже можно будет моделировать вихревые кавитационные явления, которые происходят в области рабочего колеса гидроагрегата. В частности, будет изучаться так называемая суперкавитация, когда формируются не отдельные пузырьки, а крупная кавитационная полость, которая может принимать замысловатые формы, колебаться, распадаться на фрагменты и т.д. То есть будет серьезно расширен спектр исследований. Мало того, установка будет включать в себя еще и новейшее измерительное оборудование, которому Институт теплофизики уделяет теперь очень большое внимание.
По словам Павла Куйбина, речь идет, в первую очередь, об изучении физики данного явления. То есть, подчеркнем еще раз, исследование будет носить фундаментальный характер. Естественно, не без практической пользы. Но в любом случае, задачи, которые ставят перед собой наши ученые, будут иметь значение и для отечественной, и для мировой науки.
Олег Носков
- Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы отправлять комментарии