Многие исследователи [6, 11] не усматривают принципиальной разницы между струйно-капельной и кавитационной природой изнашивания деталей в паровых турбинах. Иногда природу эрозионного изнашивания рабочих лопаток паровых турбин целиком определяют как кавитационную [6]. Кавитационный износ достаточно полно изучен в трудах отечественных [29, 30, 42 ] и зарубежных [40] исследователей.
В настоящее время считается почти общепризнанным мнение, что основной причиной разрушения поверхности твердого тела кавитационной эрозией является несимметричное смыкание кавитационных полостей и каверн. На основе обобщения результатов многих исследований в работе [42 ] сделан вывод, что во всех случаях каверны перед захлопыванием на стенке или вблизи нее теряют устойчивость. В результате смыкания каверны образуются струи, ударяющие по стенке со скоростями до 1000 м/с. Возникающие при этом местные давления на поверхность металла по расчетной оценке достигают 5-10 МПа. От таких импульсных давлений происходит износ металла. Сначала износ выражается вмятинами, потом происходит поверхностное разрушение металла. Начальный инкубационный период протекает без уноса металла. В поверхностном слое металла происходит пластическая деформация. Затем частицы металла выкрашиваются вследствие усталостных явлений. Наблюдается значительная потеря массы образца. Унос поверхностного слоя металла происходит за счет отрыва частиц под действием срезающих и изгибающих усилий, порождаемых кумулятивными струями в месте удара. Смыкание каверн сопровождается характерным шумом [29].
При кавитации материал испытывает многократное ударное воздействие различных по величине импульсов. Удельное давление в местах ударов при скоростях потока влаги 3 0 м/с [42] превосходят пределы текучести многих металлов, применяемых в турбостроении. Кавитационная нагрузка в металле, в том числе и нержавеющих турбинных сталях, при кавитационном износе может быть представлена как циклическая с напряжениями от самых малых до величин, превосходящих предел текучести металла.
Кавитационное изнашивание поверхностного слоя металла деталей кроме прочностных свойств жидкости и условий возникновения кавитации в сильной степени зависит от состояния, чистоты обработки поверхности детали и напряженного состояния поверхностного слоя металла. Износ поверхностного слоя, по данным В. Г. Старицкого (ЛПИ), начинается и концентрируется у плохо зачищенных сварных швов, в местах грубой механической обработки, около пористостей, рыхлостей, раковин, рванин за различными выступами и бугорками. Исследованиями К. К. Шальнева было установлено, что обтекание водой неровностей поверхности детали аналогично срывной кавитации плохо обтекаемых тел. С повышением чистоты обработки поверхности уменьшается интенсивность начального кавитационного износа. На основе анализа результатов обследования гидротурбин, находившихся в эксплуатации, установлено повышенное влияние неоднородностей и дефектов поверхности металла на развитие кавитационной эрозии.
Заметное влияние на кавитационную эрозию оказывает величина напряженного состояния поверхностного слоя. Опытами ЛПИ была установлена повышенная кавитационная эрозия напряженных деталей, причем отмечена увеличивающаяся эрозия во впадинах и углублениях. Этим объясняется снижение кавитационного износа с повышением чистоты обработки — происходит уменьшение напряжений во впадинах. Для напряженных деталей от впадин и углублений кавитационная эрозия проникает в глубь поверхности.
Захлопывание каверны и связанный с захлопыванием износ металла имеют место и в паровых турбинах при ударе капли с высокой относительной скоростью о поверхность рабочих лопаток. Как было обнаружено О. Энджел [67], при ударе капли о твердую поверхность в центре капли возникают местные разрывы, обусловленные быстрым растеканием жидкости вдоль поверхности. Образование каверн в центре капли, ударившейся о твердую поверхность, Энджел обнаружила при малых скоростях столкновения капли с пластиной — 8,2 м/с. При увеличении скорости столкновения вероятность возникновения каверн еще больше возрастает.
По опытам [67], время существования кавитационного пузыря в растекающейся капле составляло 1,5-10 с. Для объяснения механизма появления кавитационных каверн в центре растекающейся капли было выдвинуто две гипотезы: 1. Кавитационная каверна возникает при появлении значительных скоростей растекания, больших, чем скорости подлета капли к поверхности, на которой происходит последующее растекание жидкости капли. 2. При ударе капли в точке первоначального соприкосновения с поверхностью твердого тела возникает волна сжатия, которая, распространяясь по капле, отражается от поверхности капля—воздух, возвращается к месту удара в виде волны разряжения, сфокусированной криволинейной поверхностью отражения. В зоне встречи волны разряжения с твердой поверхностью возникают кавитационные каверны.
При ударе единичной капли о поверхность образца из турбинной стали происходило образование мелкого блюдцеобразного углубления с характерным кольцевым валиком по краю. В центре углубления наблюдалось еще одно мелкое углубление диаметром 5-10—5-10 мм, приписываемое результату смыкания кавитационной каверны.
Опыты по изучению смыкания кавитационных каверн с помощью скоростной киносъемки показывают, что, несмотря на большое количество кавитационных каверн, образующихся в жидкости за одну секунду, только одна каверна из 30 000 принимает участие в эрозионном износе.
Испытания образцов на кавитационный износ проводятся в кавитационных камерах и соплах, где испытуемый образец располагается за препятствием для водяного потока. Образующаяся за препятствием кавитационная каверна при своем смыкании образует кавитационный износ образца. К сожалению, повторяемости результатов износа образцов в кавитационных трубах и соплах не наблюдается. Поэтому исследования стойкости металлов на кавитационное изнашивание производят на магнитно- стрикционной установке, использующей для испытания образца эффект продольных колебаний опущенного в воду конца никелевой трубки (концентратора) с частотами 5-10—2,5-10 Гц, колеблющейся под воздействием переменного магнитного поля обмотки возбуждения.
Испытания образцов на магнитно-стрикционной установке отличаются исключительной стабильностью и повторяемостью. Они просты, дешевы и кратковременны. Поэтому в настоящее время все результаты сравнительной кавитационной стойкости различных материалов, применяемых в турбинах, насосах, гребных винтах и других механизмах, подверженных кавитации, проводятся преимущественно на магнитно-стрикционных установках.
