ОБЪЕМНАЯ ПРОЧНОСТЬ ВОДЫ ЯДРА РАЗРЫВА В ЖИДКОСТИ
Деформация такого изотропного тела, как вода, в каждой точке может быть представлена в виде суммы деформаций всестороннего сжатия или растяжения и деформации сдвига. Вода обладает конечной прочностью как при всестороннем растяжении, так и при сдвиге.
Обычно при рассмотрении вопросов классической гидромеханики ограничиваются использованием свойств жидкости в виде объемной упругости и тангенциальной вязкости. В случае высокоскоростных взаимодействий капель конденсата с поверхностями деталей влажнопаровых турбин указанных свойств воды недостаточно для объяснения явлений, происходящих при ударе капель. При ударе быстролетящей капли необходимо рассматривать также объемную прочность воды [30].
Вопреки предположению классической гидромеханики, исключающему способность жидкостей (как и газов) воспринимать растягивающие напряжения, многочисленные эксперименты [30, 40] показывают способность жидкости их воспринимать. Если бы вода была идеально чистой и одинаково сопротивлялась растяжению и сжатию, то при растяжении для нормальных условий она имела бы предельное давление растяжения около 2200 МПа [30]. Однако в силу ряда причин разрыв наступает уже при положительном давлении, равном или близком к давлению парообразования, гораздо ниже указанной величины.
Под объемной прочностью воды понимают [30, 40] величину растягивающего давления, приложенного к рассматриваемому объему, при котором в одной или нескольких его точках нарушается сплошность разрывом жидкости и образованием пустот, заполненных парами жидкости или смесью паров и газов.
Согласно молекулярно-кинетической теории жидкости наибольшие растягивающие напряжения, выдерживаемые водой при 20° С, равны 320 МПа [30]. Указанная величина соответствует разрыву или распаду воды одновременно во всем рассматриваемом объеме. В действительности, как показали многочисленные эксперименты [40], разрыв происходит в слабом месте объема, определяемом наличием гидрофобных (несмачиваемых) примесей или зародышевых пузырьков газа.
Картина разрыва сильно меняется от присутствия в рассматриваемом объеме перед началом растяжения воды хотя бы одного пузырька газа или несмачиваемой частички примесей с неровной поверхностью. В любой трещине на поверхности частички заходящая в нее вода образует относительно нерастворенного газа, содержащегося в трещине, выпуклый мениск. Силы поверхностного натяжения воды будут стремиться уменьшить давление газа в трещине. Газообразные ядра разрыва могут существовать не только на гидрофобных примесях, но и на поверхностях деталей влажнопаровой части турбины, омываемых парокапельным потоком или покрытых пленкой влаги. При последующем попадании в основной паровой поток и дроблении капли и пленки будут содержать часть указанных газообразных ядер. Имеются сообщения [40] об образовании ядер разрыва в жидкости под воздействием ультразвука, присутствия полимерных веществ, наличия в жидкости источника нейтронов, а также поверхностноактивных веществ.
Исследование объемной прочности воды при изучении кавитационных явлений в гидротурбостроении показали, что в воде имеется целый спектр ядер разрыва как паровых, так и газовых [29]. Ядра разрыва могут иметь различное распределение в объеме жидкости. Два достаточно больших равных объема жидкости с одинаковыми количеством и спектром ядер разрыва, но с различной плотностью распределения ядер по объему не будут обладать равной объемной прочностью. Поэтому для реальных жидкостей вводится понятие удельной объемной прочности, т. е. объемная прочность единичного объема жидкости, способного в единицу времени сопротивляться растягивающим напряжением.
К настоящему времени выполнено достаточно большое количество теоретических и экспериментальных работ по определению объемной прочности воды, чтобы судить о ее количественном уровне. Например, по теории Зельдовича—Френкеля [30] величина объемной прочности чистой воды при разрыве на паровом ядре равна при 20° С около 160 МПа. Из предложенных теоретических положений также следует, что объемная прочность воды увеличивается с уменьшением радиуса ядра разрыва. Зависимость между объемной прочностью и радиусом ядра разрыва в логарифмических координатах линейная.
Экспериментальные данные по определению объемной прочности воды проводились на вращающейся запаянной трубке с водой — объемная прочность воды, неподвижной относительно сосуда, и на движущейся в трубке жидкости. Опыты Л. Бриггса [30, 40] на вращающейся запаянной трубке считаются наиболее тщательно выполненными. Результаты измерений объемной прочности воды в зависимости от температуры показали, что наибольшей объемной прочностью вода обладает при температуре 5—30° С. По-видимому, вода в этом случае проявляет свои аномальные свойства, как, например, для наибольшей удельной плотности при атмосферном давлении и 4° С.
Объемная прочность движущейся воды была определена в опытах А. А. Энштейна (1946 г.) и Г. Циглера (1956 г.) [40]. Опыты проводились с обычной водопроводной водой, насыщенной воздушными ядрами разрыва. Поэтому объемная прочность воды при наибольшей скорости течения 30 м/с была равна около 0,4 МПа.
Сопоставление результатов статических и динамических опытов показывает, что ни в одном случае растягивающие напряжения не приближались к физической прочности чистой воды на разрыв. Данные Бриггса и расчеты по Зельдовичу—Френкелю при 20° С отличаются почти в 6—12 раз. Такое различие в данных объясняется наличием ядер разрыва в воде.
В применении к образованию разрыва жидкости при ударе капли, куска пленки или струи жидкости о твердую поверхность интересен факт повышения стойкости обычной водопроводной воды предварительной обработкой ее давлением. Опыты Р. Кнеппа (США, 1958 г.) показали, что действие на образцы воды в течение десяти минут давления до 20 МПа значительно повышает ее объемную прочность. Даже обжатие давлением до 3,5 МПа обеспечивает водопроводной воде возможность выдерживать заметные растягивающие напряжения. Однако повышение давления от 20 МПа до 145 МПа не влияло заметно на объемную прочность воды.
Как показывает анализ характера удара быстролетящей капли или струи о твердую поверхность в некотором объеме жидкости, составляющем большую часть объема капли или элемента ударяющейся части струи, на этапах от начала соприкосновения с поверхностью до полного исчезновения контуров меридионального обвода капли или струи имеется динамическое сжатие жидкости. Установленный экспериментально факт образования каверны в центре растекающейся капли только в отдельных каплях из большого количества, соударяющегося с поверхностью, можно связать с повышением объемной прочности жидкости в капле или струе за счет динамического сжатия. Оно в очень короткий отрезок времени уплотнением жидкости уничтожает ядра разрыва в обжатом объёме капли или струи.
Сравнение результатов опытов по определению объемной прочности обжатой воды при статических и динамических экспериментах показывает, что полученный результат растягивающих напряжений при статических опытах — 3,2 МПа и 1,8 МПа — динамических опытах для наблюдавшегося разброса опытных точек в таком виде экспериментов практически одинаков. Отсюда следует вывод об отсутствии заметного влияния движения воды на ее объемную прочность [40].
Опытами Р. Кнеппа была показана также необратимость процесса увеличения объемной прочности воды обжатием. После девятнадцатидневной выдержки образцы воды сохранили повышенную объемную прочность.
При рассмотрении эрозии от удара капель и пленок воды о рабочие и направляющие лопатки турбины и другие ее детали обычно не учитывают приведенных выше прочностных свойств конденсата. В научно-технической литературе приведены результаты исследований прочностных свойств только для обычной водопроводной воды в связи с изучением кавитации в гидромашинах. Турбинный конденсат, движущийся в проточной части влажнопаровых турбинных ступеней, помимо растворенных газов, несет значительное количество мелкодисперсного твердого аэрозоля, снижающего удельную объемную прочность конденсата. Для возможности проведения расчетного определения ударного воздействия капель и струй на поверхность турбинных деталей с учетом прочностных свойств конденсата необходимо широкое проведение исследования его реологических свойств.
