Установка для исследования кавитационных процессов в системах охлаждения судовых дизелей

Кавитационные процессы являются объектом научных исследований уже более ста лет. Согласно информации, приведенной в [1], термин «кавитация» был введен в науку в 1894 году английским инженером-исследователем P. Фрудом, сыном выдающегося ученого У. Фруде [2]. Явление кавитации (возникновение и схлопывание газовой или паровой полости, или полости в жидкости), условия и механизм возникновения полостей, динамика их роста и схлопывания при различных условиях рассмотрены достаточно подробно в [3].

Процесс кавитации носит локальный характер, зависит от большого количества факторов, протекает за очень короткий промежуток времени. Все это усложняет процесс изучения и исследования кавитационных процессов. Одними из первых работ, посвященных исследованию кавитационных процессов, происходящих в судостроении и судовой энергетике, являются работы.

Обзор научно-технической литературы показывает, что проблема защиты элементов морских энергетических установок от кавитационно-эрозионных и кавитационно-коррозионных повреждений продолжает оставаться актуальной.

Сохранение актуальности обусловлено прежде всего тем, что кавитационные процессы, имеющие ту же природу, продолжают приводить к разрушению гребных винтов и крыльев на подводных крыльях судов [4], элементов гидропривода, рабочих колес циркуляционных насосов и пластинчатых машин гидравлических систем [5], втулок цилиндров поршневых двигателей, элементов топливное оборудование двигателей.

Кавитационно-эрозионное разрушение деталей энергетических установок, двигателей, машин и механизмов различного назначения значительно сокращает их ресурс и снижает эффективность их работы.

Основными способами защиты поверхностей деталей машин и механизмов от кавитационных и эрозионных повреждений являются разработка титановых сплавов [3] и меди [4], обладающих высокой износостойкостью, и защитных покрытий на основе никеля и кобальта, а также покрытий из композиционных материалов.

Определение влияния различных факторов на интенсивность коррозионных и эрозионных повреждений и оценка эффективности защиты поверхностей деталей от таких повреждений сохраняет важное научное и прикладное значение.

Сложность кавитационных процессов и разнообразие влияющих на них факторов обуславливают необходимость использования различных методов научных исследований. Анализ литературных источников показал, что для изучения характера кавитационно-эрозионных повреждений, динамики возникновения и схлопывания парогазовых полостей, способности материалов и покрытий противостоять кавитационно-эрозионным повреждениям используются следующие основные методы: визуальное наблюдение и видеозапись, численное моделирование с использованием специализированных программное обеспечение, контроль шероховатости поверхности, подверженной кавитационно-эрозионному, вибрационному воздействию на экспериментальные образцы с последующим определением потери массы образцов.

Источники [4-5] и конструкция стенда, описанные в [3-4], были использованы в качестве исходной информации при разработке стенда (рис. 1). Основными элементами установки являются высокочастотный магнитострикционный вибратор, сосуд, заполненный жидкостью, которая охлаждается во время испытания, и образец испытуемого материала, износ которого определяется последующим взвешиванием или оценкой характеристик поверхности.

Рис. 1. Вибрационная установка для исследования кавитационной стойкости материалов

Недостатками рассматриваемых аналогов являются ограниченные рамки исследований из-за отсутствия возможности изменять температуру и давление рабочей жидкости, состав газа над ее свободной поверхностью из-за негерметичности рабочей камеры.

Из-за использования рабочей камеры без давления в этом устройстве невозможно:

1. Проведение исследований кавитационного разрушения материалов при различных давлениях и температурах жидкости.

2. Проведение исследований эрозионных повреждений при температурах образцов материалов, отличных от температуры кавитирующей жидкости.

3. Исследовать влияние состава и свойств газов над поверхностью кавитирующей рабочей жидкости на интенсивность эрозионного повреждения.

4. Обеспечьте контроль и регулирование температуры и испытуемого образца, чтобы определить их влияние на интенсивность кавитационного повреждения.

Результатом разработки является устранение этих недостатков путем создания устройства, способного проводить исследование процессов кавитационного износа при температурах и давлениях, отличных от атмосферных, c различным газовым составом над поверхностью рабочей жидкости, при температурах образца, отличных от температуры кавитирующей жидкости, и выявлять влияние эти факторы влияют на эрозионную стойкость различных конструкционных материалов.

Таким образом, задача получения достоверной информации об интенсивности кавитационно-эрозионного разрушения деталей систем охлаждения судовых дизелей в условиях высокотемпературного охлаждения решается за счет того, что в созданной экспериментальной установке, благодаря использованию герметичного контейнера, установлен компрессор, повышающий давление в полости над жидкостью, нагревателем испытуемого образца и охладителем жидкости, можно изучать кавитационное разрушение материалов при давлениях как выше, так и ниже атмосферных и температурах жидкости от точки замерзания до точки кипения, использование различных газов над поверхностью кавитирующей жидкости.