При ударе движущихся с большой скоростью жидких капель тю поверхности твердого тела возникают силы, способные вызвать его необратимую деформацию и разрушение. Характер и масштабы разрушения при ударе зависят главным образом от размеров, плотности и скорости жидкой капли и от прочностных характеристик твердого тела. В качестве иллюстрации отметим, что капля воды диаметром 2 мм, движущаяся со скоростью 750 м/с, способна вызвать разрушение и эрозию таких твердых материалов, как алмаз и карбид вольфрама, и пластическую деформацию высокопрочных сплавов, таких, как мартенситные стали. При более умеренных скоростях, например ">■ 200 м/с, одиночный удар может не вызывать никаких видимых изменений поверхности, но многократные удары приведут к эрозии материала. Некоторые возможные механизмы разрушения показаны на рис. 1. Весьма вероятно, что все эти явления остались бы предметом чисто научного интереса, если бы не практические проблемы, связанные с эрозией лопаток паровых турбин под действием капель воды и эрозией наружных поверхностей летательных аппаратов под действием дождевых капель. Эти практические потребности явились стимулом для более подробных исследований эрозии под действием удара жидких капель, которые проводились в течение примерно последних 50 лет. В настоящей главе будет дан обзор этих работ применительно к проблеме эрозии лопаток турбин и дождевой эрозии. Более поздние приложения, связанные с бурением, а также резанием материалов и чисткой их поверхностей с помощью жидких струй и капель, рассматриваются в главе, написанной Саммерсом.[ ...]
Столкновение капель воды, содержащихся в потоке пара, с движущимися лопатками иллюстрируется на рис. 2. Поток пара увлекает в основной поток воду, скапливающуюся на неподвижных лопатках направляющего аппарата. Из векторной диаграммы видно, что большие капли, скорость которых составляет лишь малую долю скорости пара, будут соударяться с движущимися лопатками с относительно большой скоростью. Поскольку угол падения капель мал, в этих условиях работает только небольшой участок лопатки. Однако этот небольшой участок расположен вдоль кромки, имеющей важное значение в аэродинамическом отношении.[ ...]
Конструктивно задача может быть решена или удалением основной части воды, или дроблением капель на более мелкие до соударения с движущимися лопатками. Были предложены различные методы удаления воды, в которых используются отсос и дренирование неподвижных поверхностей. Той же цели можно достичь путем дробления капель или сдуванием воды с поверхностей, на которых она собирается, или увеличением расстояния, проходимого каплями до движущихся лопаток.[ ...]
Эти вопросы рассматривались в работах [27, 145]. В работе [30] приводятся результаты непосредственного наблюдения образования капель в турбине. Эти наблюдения показали, что основную роль играют большие капли, которые отрываются от массы жидкости, скапливающейся на неподвижных лопатках. Диаметр капель, образующихся в потоке пара, обычно не превышает 200 мкм, поэтому их скорость близка к скорости пара, а скорость относительно движущихся лопаток мала. По этой причине вредное действие мелких капель на лопатки незначительно.[ ...]
В ряде работ [54, 73, 74] изучалась также эрозия в турбинах, предназначенных для использования на космических энергетических установках. Рабочим телом в таких турбинах являются пары металлов. На основании этих исследований был сделан вывод, что эрозия представляет опасность, только когда из испарителя выходит много жидкости. Соответствующие изменения конструкции позволяют уменьшить эрозию до пренебрежимо малого уровня. Другой опасностью в турбинах, работающих на парах металлов, является возможность коррозии материала лопаток под действием жидкого конденсата паров металлов. Были проведены исследования с ртутью и расплавленными калием, литием и цезием в качестве рабочих жидкостей, и оказалось, что эрозионное воздействие аналогично тому, которое производят капли воды в турбинах, работающих на водяном паре.[ ...]
Впервые с дождевой эрозией столкнулись в середине 40-х гг. Тогда было замечено, что после полета через полосу сильного дождя с лобовой поверхности самолета сползла краска и имелись разрушения поверхностного слоя материала [133]. Выяснилось, что при скорости самолета выше 160 м/с поверхность пластиков, стекла, керамики и даже металлов может разрушаться под действием сильного дождя (интенсивностью 25 мм/ч и более). Результаты ранних исследований дождевой эрозии содержатся в работах [39, 60, 170]. Данные более поздних исследований можно найти в монографии Спринжера [150].[ ...]
Рисунки к данной главе:
Вернуться к оглавлению