CC BY
26
Mr Radosav Nikolić,
pukovnik, dipl. in Ž.
Vojna akademija — Odsek logistike, Beograd
vanredni profesor dr Zoran Nikolić,
dipl. inž.
Institut tehničkih nauka SANU, Beograd
POJAVA KAVITACIJE U BRODSKIM DIZEL MOTORIMA
UDC: 532.528 : [621.436 : 623.82]
Rezime:
U radu je obrađen proces nastajanja kavitacije, uzroci koji dovode do njene pojave, kao i posledice koje izaziva na materijalima. Razmotren je uticaj kavitacije na delove brod-skih dizel motora koji se hlade vodom, kao i kavitacione erozije na površine cilindarskih ko-šuljica hlađenih vodom. Težište rada posveceno je uzrocima nastajanja kavitacije na ras-hladnim površinama brodskih dizel motora, a posebno uticaju vrste rashladne tecnosti, priti-ska i temperature na gubitak mase modela ispitivanih na kavitaciju u jednakim uslovima i na istom uređaju. Posebno je izvršena analiza i upoređenje kavitacionih razaranja od pritiska i temperature rashladne tecnosti.
Kljucne reci: brodski dizel motor, kavitacija, kosuljica cilindra, rashladna tecnost.
THE CAVITATION IN MARINE DIESEL ENGINES
Summary:
This paper work presents the cavitation arises, causes of its appearing and consequences which it setsup on materials. It represents the influence of cavitation on parts of marine Diesel engines cooled by water, as well as, influence of cavitation erosion on surface of the cylinder liner cooled by water. The focus of this paperwork is the influence of cavitation appearing on cooling surfaces of marine Diesel engines, and specially the influence of cooling fluid type, pressure and temperature on the loss of mass of models examined on cavitation in equal conditions and on the same device. Particularly performed analysis and comparison of cavitation destruction dependent on pressure and temperature of cooling fluid.
Key words: marine Diesel engines, cavitation, cylinder liner, cooling fluid.
Uvod
Sagorevanjem goriva u cilindru brodskog dizel motora oslobađa se odre-đena količina toplotne energije koja se pretvara u mehanički rad. Deo te energije prenosi se i na delove motora koji se pri tome zagrevaju, sto ima za posledicu po-većanje njihove temperature. Da bi se sprečilo nekontrolisano zagrevanje delo-va motora vrsi se hlađenje: spoljnih po-vrsina cilindarskih kosuljica, cilindarskih
glava, klipova, izduvnih ventila, vazduha iza turbokompresora i turbokompresora, dok se ostali delovi hlade indirektno uljem za podmazivanje.
Visokotermički opterećeni savre-meni brodski dizel motori hlade se na vise načina, a na brodovima najčesće vodom, pri čemu se javljaju određeni problemi zbog ostećenja rashladnih po-vrsina. Ova ostećenja posledica su ve-ćeg broja faktora, a jedan od njih je uticaj kavitacije.
VOJNOTEHNICKI GLASNIK 2/2005.
191
Najveći intenzitet oštećenja prime-ćen je na površinama cilindarskih košu-ljica i blokova motora koje su u dodiru sa rashladnom tecnošću. Posebno su izraže-na oštećenja nastala kavitacionom erozi-jom motora lakših konstrukcija. Među-tim, kod motora sa većom specificnom masom ta oštećenja su zanemarljiva. Uzrok većih oštećenja, nastalih kavitacionom erozijom, povezan je sa povećanim oscilacijama tankih cilindarskih košulji-ca. Erozija cilindarske košuljice umanju-je njenu cvrstoću i ta oštećenja su najce-šće trajna.
Povećanjem snage i srednjeg efektiv-nog pritiska srednjebrzohodnih i sporo-hodnih brodskih dizel motora primećena su veća oštećenja nastala uticajem kavita-cije, kako na cilindarskim košuljicama, ta-ko i na blokovima cilindara motora. Istra-živanjem problema kavitacije na određe-nim tipovima brodskih dizel motora usta-novljeno je da je razaranje cilindarskih košuljica intenzivno, i da se nakon 12 000 do 15 000 radnih casova dizel motora ove košuljice moraju remontovati ili zameniti. U velikom broju slucajeva razaranja nastala uticajem kavitacije prouzrokuju i po-javu pukotina neposredno ispod prirubni-ce cilindarske košuljice.
Zbog stalnog povećanja snage po ci-lindru i smanjenja debljine košuljica, intenzitet kavitacionih razaranja stalno je u porastu, zbog cega je neophodno prouca-vanje problema nastajanja kavitacije, nje-nog negativnog uticaja na rashladne po-vršine, kao i mera zaštite od ove pojave.
Na osnovu eksperimenata, koji su do sada realizovani na brodskim dizel motorima, može se doći do određenih sa-znanja: o uzrocima pojave kavitacije, mestima gde se javlja, vrstama nastalih
oštećenja na rashladnim površinama, po-sledicama po pouzdanost rada brodskog dizel motora, o merama zaštite od kavita-cije i nacinu primene mera zaštite radi produžavanja veka trajanja cilindarskih košuljica i povećanja pouzdanosti rada brodskih dizel motora.
Kavitacija
Pocetak nastajanja kavitacije ve-zan je za velicinu pritiska u rashladnoj tecnosti. Naime, smanjenjem pritiska na vrednost isparavanja tecnosti na od-ređenoj temperaturi, dolazi do pojave stvaranja mehurića, što se smatra po-cetkom nastajanja procesa kavitacije. Pocetak pojave procesa kavitacije na-staje prekomernim padom pritiska ili lokalnim ubrzanjem struje rashladne tecnosti. Mehurići pare, nošeni strujom tecnosti, dolaskom u polje povišenog pritiska se kondezuju. Ako se konden-zacija završava blizu površine cvrstog tela ili na njoj, dolazi do pojave razaranja materijala tog tela, što se naziva kavitacionom erozijom [2].
Proces isparavanja tecnosti događa se na svim temperaturama pri atmosfer-skom pritisku, međutim, sa aspekta prou-cavanja kavitacije interesantno je kljuca-nje na nižim pritiscima i temperaturama, odnosno „hladno kljucanje“. Kao ras-hladno sredstvo brodskih dizel motora najcešće se koristi voda, cija je zavisnost pritiska kljucanja od temperature
p = f (t) prikazana na slici 1.
Rashladna tecnost u sebi sadrži od-ređeni procenat nerastvorenih gasova (O2, N2, CO2, vazduh i dr.) u obliku me-hurića koji predstavljaju klice - centre
192
VOJNOTEHNICKI GLASNIK 2/2005.
Sl. 1 — Zavisnost temperature kljucanja vode od pritiska
kavitacije. Velicina mehurića je razlicita i zavisi od pritiska tecnosti. Najmanja di-menzija gasnih mehurića je reda velicine 1 pm, a zavisi od stisljivosti gasova. Me-hurići gasa, noseni strujom tecnosti, do-laze u polje sniženog pritiska koji odgo-vara temperaturi isparavanja, a difuzijom kroz povrsinu (opnu) mehurića ustrujava para, zbog cega zapremina mehurića stal-no raste. Kada mehurić, nosen strujom, dole u polje povećanog pritiska dolazi do kondenzacije pare i smanjenja njego-ve zapremine.
Za analizu dobijenih rezultata, kako teorijskih, tako i eksperimentalnih, pri procesima kavitacije koristi se bezdimen-zijski broj k, koji predstavlja odnos sile zbog razlike u pritiscima, prema inerci-jalnoj sili. Ovaj broj naziva se Ojlerov ili kavitacioni broj, a veoma lako se dobija iz Navije-Stoksove jednacine za pritisak
kljucanja tecnosti pк:
к
Pi - Pk p- v2
(1)
" kg
p 3
m
m
Vi —
s
nosti.
gde je:
pi [Pa] - pritisak struje rashladne tecno-sti,
pk [Pa] - pritisak kljucanja tecnosti,
- gustina rashladne tecnosti, i
- brzina strujanja rashladne tec-
Zbog prisustva mehurića u tecnosti koja struji, njen protocni presek se sma-njuje. Od broja mehurića u struji tecnosti zavisi smanjenje protocnog preseka, kao i promena strujnih karakteristika. Prome-ne strujnih karakteristika mogu ići cak dotle da potpuno zaguse strujni tok.
U procesu kavitacije postoje tri faze: prva faza - stvaranje mehurića, druga faza - rast mehurića, i treća faza - nesta-janje mehurića.
Prva faza kavitacije povezana je sa mehanizmom nastajanja mehurića i ka-verni zbog prisustva nerastvorenih gasova u tecnosti. Postoje dva modela pomoću kojih je moguće objasniti stvaranje centra kavitacije. Prvi model (slika 2a) odnosi se na stvaranje mehurića na povrsini tela. Naime, svaka povrsina je, u manjoj ili ve-ćoj meri, hrapava sto potice od tehnolo-
Sl. 2 — Proces stvaranja mehurića na površini tela
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 2/2005.
193
skog procesa obrade povrsine, ali i od uslova eksploatacije. U tim mikroneravni-nama nalaze se „zarobljeni“ mehurići ne-rastvorenih gasova koji u uslovima delo-vanja kriticnog pritiska u okolnoj tecnosti predstavljaju centre isparavanja tecnosti.
Drugi model (slika 2b), takode, za-sniva se na prisustvu nerastvorenih gasova u tecnosti. Mehurići nerastvorenih gasova noseni strujom tecnosti dolaze u zo-nu gde pritisak dostiže vrednost isparavanja, pri cemu im se povećava zapremina.
Osim ova dva modela formiranja centara isparavanja tecnosti, treba nagla-siti da parni mehurić može nastati i u centrima vrtloga. Na slici 3 prikazan je proces stvaranja mehurića na cvrstoj po-vrsini i „životni put“ parnog mehurića pri opstrujavanju tela. U odgovarajućem pre-seku na telu (slika 3 a) pritisak dostiže
vrednost , kada mehuriću nastalom
od nerastvorenih gasova, koji se nalazi na zidu, raste zapremina zbog isparavanja tecnosti.
Sl. 3 — Proces stvaranja mehurića na površini tela i „zivotniput“parnog mehurićapri opstrujavanju tela
Dejstvom hidrodinamickih sila na-stali mehurić raste (slika 3b), deformise se i izdužuje u smeru strujanja. U trenut-ku kada hidrodinamicke sile nadvladaju povrsinske sile prijanjanja mehurića za cvstu povrsinu, on se otkida od te povrsi-ne (slika 3v), a na tom mestu (slika 3g) zapocinje ciklus stvaranja novog. Taj proces stvaranja mehurića nastavlja se sve dok postoje uslovi za održavanje kriticnog pritiska p^.
Otkidanjem parnog mehurića sa zida zapocinje druga faza njegovog „života“ -rast mehurića. Stvoreni mehurići u tecno-sti su razlicitih velicina i oblika. Medutim, pri analizi se pretpostavlja da mehurići imaju oblik sfere koja je ispunjena parom ili parom i gasom. Otkinuti mehurić nosi struja tecnosti u smeru strujanja, tako da na mestima gde se povećava brzina pritisak pada, mehurić raste i obrnuto.
Od trenutka kada se u tecnosti po-stigne pritisak p > p^, uslovi za opsta-
nak parne faze prestaju i nastaje konden-zacija mehurića - treća faza. Kako se kondenzacija obavlja trenutno, obicno se smatra da je mehurić iscezao ili da je do-živeo kolaps. Pri kondenzaciji mehurića zapremina parne faze se trenutno sma-njuje, a u nju velikom brzinom ustrujava tecnost. Usled toga, na mestima kolapsa mehurića nastaju lokalni hidro udari pro-praćeni naglim lokalnim porastom priti-ska. Ako se kondenzacija mehurića zavr-sava na cvrstoj povrsini ili blizu nje, tada je ta povrsina izložena dejstvu velike sile (reda velicine 1000 do 1500 MPa) na maloj povrsini. Kod dugotrajnog procesa kondenzacije mehurića na cvrstoj povrsi-ni ona će biti ostećena, a taj proces nazi-va se kavitacionom erozijom. Svi mehu-rići koji se kondenzuju ne ucestvuju u ra-
194
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 2/2005.
zaranju površine, već samo oni koji išce-zavaju na njoj ili blizu nje.
Proces kavitacione erozije propra-ćen je površinskim razaranjem materija-la, pa samim tim i gubitkom njegove ma-se. Svi materijali, bez obzira na kvalitet i mehanicka svojstva, podložni su kavita-cionoj eroziji. Pri razvijenoj kavitaciji sa-mo je pitanje vremena kada će nastupiti razaranje površinskog sloja. Ispitivanje procesa kavitacije obavlja se u laborato-rijskim uslovima, jer ispitivanje na objektima u stvarnim uslovima eksploa-tacije nije preporucljivo, zbog narušava-nja radnog procesa i promene karakteri-stika, kao i zbog toga što je ova pojava u eksploataciji nepoželjna. U laboratorij-skim uslovima brže se dolazi do podata-ka o kavitacionoj eroziji.
Na metalnim površinama stalno je prisutna i korozija, pa je u normalnim uslovima eksploatacije na mestima sa pro-cesom kavitacije stalno prisutan i koroziv-no-erozivni proces. Eksperimentima u la-boratorijskim uslovima dobijeni su podaci o gubitku mase (tabela) razlicitih vrsta materijala u uslovima kavitacione erozije.
Gubitak mase nekih materijala u uslovima kavitacione erozije
Materijal Nacin obrade Sastav Gubitak mase uzorka posle 2 h ispitivanja Am |mgl
Bronza toplo valjana Cu 83%; Al 10,3%; Fe 5,8% 3,2
livena Cu 83,1%; Al 12,4%; Fe 4,1% 5,8
Čelik valjan, otporan na koroziiu Cr 26%; Ni 13% 8,0
valjan, otpušten, otporan na koro-ziju Cr 12% 9,0
liven, otporan na koroziju Cr 18%; Ni 8% 13
Cr 12% 20
Aluminium 124
Mesing 156
Kovano gvožđe 224
Pojava kavitacije u brodskim
dizel motorima
Oštećenja površina cilindarskih ko-šuljica i blokova cilindara hlađenih vo-dom posledica su istovremenog dejstva mehanickih, hemijskih, toplotnih i elek-trohemijskih procesa. Pri analizi ošteće-nja najpre se smatralo da su ona posledica korozije zbog prisustva kiseonika. Međutim, kasnijim eksperimentima do-šlo se do saznanja da oštećenja rashlad-nih površina direktno zavise od kavitacije. Glavni uzrok kavitacije i kavitacionih oštećenja je promenljivi pritisak u ras-hladnoj tecnosti, izazvan oscilacijama ci-lindarskih košuljica, što je zakljuceno na osnovu direktne zavisnosti između poja-ve kavitacije i procesa koji se odvijaju u cilindru dizel motora, kao i na osnovu identicnosti karaktera i oblika oštećenja na rashladnoj površini cilindarske košu-ljice brodskih dizel motora i brodskih propelera, usisnih delova hidraulicnih mašina i dr.
Na spoljnoj površini cilindarskih košuljica, koje se hlade vodom, dolazi do oštećenja nastalih procesom kavitacije. Kavitaciona oštećenja spoljnih površina košuljica dizel motora nastaju zbog pul-ziranja vode usled dejstva normalne sile koja nastaje pri udaru klipa o zid cilin-darske košuljice. Udarni impuls izaziva lokalne elasticne deformacije u obliku ra-dijalnih i uzdužnih oscilacija cilindarske košuljice koje dovode do pobuđivanja zvucnih i ultrazvucnih oscilacija u prste-nastom sloju vode oko cilindarske košu-ljice, odnosno izaziva njeno pulziranje.
Procesi pulziranja vode za hlađenje uz oscilatorne površine uticu na stvaranje kavitacionih mehurića. Pri nestajanju
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 2/2005.
195
mehurića stvara se prazan prostor na povrsini cilindarske kosuljice, a voda veli-kom brzinom nadire (naleće) u taj prostor i udara u povrsinu cilindarske kosuljice. Pritisak vode u tim slucajevima kreće se u granicama od 1000 do 1500 MPa, a cvrstoća sivog liva (od koga je kosuljica izrađena) iznosi od 200 do 400 MPa. Tada najveća opterećenja na mi-kropovrsini, na kojoj deluje navedeni pritisak, prelaze granicu tecenja metala, sto dovodi do skidanja (erozije) njegovih de-lova. Zbog udaranja klipa o cilindarsku kosuljicu nastaju ostećenja i mikropuko-tine i na povrsini sa strane hlađenja. Zbog pojave ponovnih hidraulicnih udara cestice sa tih povrsina se otkidaju, a oko tog mesta stvara se mreža pukotina koje se s vremenom produbljuju. Iz sivog liva najpre se oslobađaju grafitni sastojci koji imaju zanemarljivo malu cvrstoću u od-nosu na metal. Kod cvrsćih i tvrđih kon-strukcionih materijala ovaj proces razara-nja tece relativno sporo. Paralelno sa me-hanickim prisutna su i hemijska, toplotna i elektrohemijska ostećenja rashladnih povrsina. Pri naglom nadiranju mehurića visokog pritiska u mikroprostore tecnosti dolazi do naglog povećanja temperature. U tom slucaju, kada mehurić dođe u do-dir sa povrsinom cilindarske kosuljice i ako je temperatura u tom mikroprostoru veća od temperature topljenja materijala kosuljice, materijal se na toj povrsini topi. Visa temperatura pojacava elektrohe-mijske procese, a njihova uloga pri kavi-taciji koja se razvija na povrsini cilindarske kosuljice je poznata. Naime, udarci klipa o kosuljicu izazivaju deformacije i povećavaju opterećenje materijala na maloj povrsini. Na tim mestima nastaju anodni sektori, koji sa vodom za hlađenje
(elektrolitom) i osnovnom povrsinom cilindarske kosuljice (katodom) formiraju galvanski par. U sistemima za hlađenje dizel motora osim kavitacije javljaju se i procesi korozije koji potpomažu osteće-nja. Pod uticajem kavitacije razaranje materijala je stalno, a posebno je velikog intenziteta kada se stalno ponavljaju ka-vitaciono-korozivni procesi.
Procesi kavitacije ispituju se pomo-ću mikrofotografja i metodom difrakcije rendgenskih zraka. U oba slucaja kod ka-vitacionih ostećenja primećuju se i pla-sticne deformacije. Ispitivanja uzoraka materijala razlicitog hemijskog sastava pokazala su da su ostećenja nastala kavi-tacijom jednaka. Osim toga, vrsena su ispitivanja uzoraka od nikla u vodi i u tec-nom metil-benzolu, bez prisustva vazdu-ha i dodira sa helijumom. U obe tecnosti kavitacija je izazvala plasticne deformacije jednakog oblika i velicina. Eksperi-menti izvrseni sa uzorcima od nerđajućeg celika, zlata, platine, plasticne mase, gu-me i drugih neoksidirajućih materijala dali su iste rezultate. Svi ovi materijali imali su ostećenja nastala uticajem kavitacije. To znaci da nema materijala koji je apsolutno otporan na uticaj kavitacio-ne erozije.
Mehanizam razaranja cvrstih tela, u prvom redu, zavisi od uzroka pojava ka-vitacionog razaranja. Uzrocni faktori, uglavnom, zavise od prepreka u struji tecnosti (u rashladnom prostoru dizel motora) i zatvorenih (zarobljenih) kavita-cionih mehurića. Međutim, ukoliko se primene mere za smanjenje kaverni, tada se u principu uvek smanjuju i kavitacio-na ostećenja opstrujavanih povrsina ci-lindarskih kosuljica i blokova cilindara.
196
VOJNOTEHNICKI GLASNIK 2/2005.
Osim oštećenja nastalih od kavitaci-je na košuljicama i blokovima cilindara, kod brodskih dizel motora primećena su oštećenja izazvana kavitacijom i na leža-jima kolenastog vratila, elementima si-stema za ubrizgavanje goriva (pumpa za gorivo, ubrizgac goriva) [1], ventilima motora, pumpama za rashladnu vodu i dr. U sistemu za hladenje klipa kavitacija se javlja u teleskopskim cevima. Kolena-sto vratilo se ne obrće ravnomerno u le-žajima, već izvodi složeno kretanje u za-visnosti od sila koje na njega deluju. Ako se zbog pomeranja zazor izmedu vratila i ležišta naglo poveća, nastaju mehurići u ulju za podmazivanje, koji implodiraju kada se vratilo približava ležišnoj šolji, što dovodi do pojave kavitacione erozije.
Zavisnost kavitacionih razaranja
od temperature i pritiska
rashladne tečnosti
Laboratorijska ispitivanja pojave kavitacije obavljaju se razlicitim metoda-ma na razlicitim uređajima. U ovom radu korišćeni su podaci dobijeni merenjem na magnetostrikcionom oscilatoru. Ovi podaci dobijeni su pri ispitivanju modela u razlicitim sredinama rashladne tecnosti sa konstantnim velicinama hidrostatskog pritiska, konstantnim zazorima (20 mm) između aktivnih i pasivnih modela i u in-tervalu od 30 do 90°C.
Pri ispitivanju su korišćene sledeće rashladne tecnosti: voda iz vodovoda, voda iz vodovoda sa 0,5% sadržajem adi-tiva i posebno pripremljena voda.
Voda iz vodovoda
Na slici 4 prikazana je zavisnost kavitacionih razaranja od temperature vode
za cetiri konstantne vrednosti pritisaka, pri cemu se razaranje odnosi na ukupnu rashladnu površinu motora. Uocava se da velicina kavitacionih razaranja zavisi od kolicine kavitacionih mehurića u vodi.
Sl. 4 — Zavisnost kavitacionih razaranja od temperature i pritiska vode:
1. p = 0,05 MPa; 2. p = 0,15 MPa;
3. p = 0,25 MPa; 4. p = 0,29 MPa
Pošto se sa povećanjem temperature vode smanjuje zasićenje gasom i sla-be amortizaciona svojstva gasova ras-tvorenih u vodi, velicina razaranja modela, u prvom trenutku naznacenih pritisaka, raste i dostiže maksimalnu vred-nost na temperaturama od 50°, 65° i 80°C. Daljim porastom temperature vode dolazi do ubrzanog preobražaja unu-tar kavitacionih mehurića koji, zahva-ljujući tome, ponovo dobijaju amortizaciona svojstva. Na osnovu rezultata i karaktera prikazanih grafova vidi se da se velicina kavitacionih razaranja smanjuje sa povećanjem temperature i pritiska, pri cemu se maksimalne vrednosti razaranja dostižu na višim temperaturama.
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 2/2005.
197
Prema tome, pri pritisku p = 0,05 MPa (kriva 1) maksimalna razaranja (AG « 70 mg) su u zoni temperature od 50°C, pri pritisku p = 0,15 MPa (kriva 2, AG « 64 mg) na temperaturi od 65°C, pri pritisku p = 0,25 MPa (kriva 3, AG « 28 mg) na temperaturi od 80°C, dok pri pritisku p = 0,29 MPa (kriva 4, AG « 22 mg) na temperaturi od 90°C maksimalnih razaranja gotovo da i nema. Ovakvi rezultati merenja obja{njavaju se kasnijim pocetkom nastajanja pare pri povi{enim pritiscima vode u sistemu. Analizom apsolutnih velicina razaranja modela (gubitka mase) po krivama 1 do 4, uocava se da sa povećanjem pritiska iznad vrednosti p = 0,25 MPa (krive 3 i 4) velicina kavitacionih razaranja postaje stabilna u intervalu temperatura od 30°C do 90°C i manja je za 2,5 do 3,5 puta u odnosu na vrednosti za pritiske prikazane krivama 1 i 2.
Voda iz vodovoda sa aditivima
Za ovu analizu kori{ćena je voda iz vodovoda kojoj je dodata određena koli-cina aditiva (0,5% Schell Dromus oil B u odnosu na ukupnu masu vode u sistemu). Ispitivanja su vr{ena pri konstantnim pritiscima od 0,15 i 0,29 MPa na razlicitim temperaturama, a rezultati su prikazani na slici 5. Na dijagramu su prikazane i vrednosti kavitacionih o{tećenja za vodu iz vodovoda (bez aditiva) pri istim priti-scima, {to omogućava upoređivanje re-zultata i dono{enje određenih zakljucaka.
Koncentracija aditiva sa 0,5% uzeta je na osnovu ranijih ispitivanja ciji su rezultati pokazali da je to optimalna kolici-na. Kod manjih koncentracija aditiva ve-ći su gubici mase nastali kavitacijom,
dok se kod većih koncentracija ti gubici neznatno smanjuju. Kod nekih vrsta aditiva sa koncentracijom > 0,5% povećava-ju se o{tećenja i gubici mase usled poja-ve kavitacije.
Sl. 5 - Zavisnost kavitacionih razaranja od temperature ipritiska vode bez i sa aditivom:
1. p = 0,15 MPa (voda iz vodovoda); 2. p = 0,15 MPa (voda sa aditivima); 3. p = 0,29 MPa (voda iz vodovoda); 4. p = 0,29 MPa (voda sa aditivima)
Sa slike 5 vidi se da pri pritisku od 0,15 MPa kavitaciono razaranje u vodi bez aditiva (kriva 1) ima najveće vrednosti na temperaturi od oko 65°C. U vodi sa aditivima (kriva 2) na istom pritisku kavitaciono razaranje ima relativno naj-veće oscilovanje u intervalu temperature od 35°C do 80°C, a po apsolutnoj vrednosti znatno manji gubitak mase u odno-su na vodu bez aditiva.
Povećanjem hidrostatskog pritiska do vrednosti od 0,29 MPa apsolutna vred-
198
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 2/2005.
nost razaranja je dva do tri puta manja (kriva 4). Znaci da sa povećanjem temperature velicina razaranja u vodi sa aditivi-ma postepeno raste. U intervalu tempera-tura od 30° do 72°C gubitak mase zbog kavitacije je za 1,5 do 2 puta manji nego kod modela ispitivanog u vodi bez aditiva (kriva 3). Medutim, pri temperaturama vi-sim od 72°C gubitak mase zbog kavitacije u vodi sa aditivima mnogo je veći nego u vodi bez aditiva. To se može objasniti smanjenjem adhezionih osobina aditiva sa povećanjem temperature.
Posebno pripremljena voda
Posebno pripremljena voda (voda visoke cistoće) dobija se neutralizacijom, odnosno odstranjivanjem soli i kiseonika iz nje. Time se voda prakticno prevodi u dielektrik (elektricni otpor iznosi do 10 Q cm) i povećava joj se povrsinski napon (u poredenju sa destilovanom vodom skoro dva puta). To znaci da se upotre-bom ovakve vode u rashladnom sistemu dizel motora iskljucuje proces elektrohe-mijske korozije, dok se razaranja nastala kavitacionom erozijom smanjuju.
Na slici 6 prikazana je zavisnost ve-licine kavitacionih razaranja od temperature u vodi visoke cistoće (krive 1 i 4) pri konstantnim hidrostatskim pritiscima ko-ji imaju vrednosti 0,15 i 0,29 MPa.
Na slici su prikazane i dobijene vrednosti gubitaka mase pri istim hidro-statskim pritiscima modela u vodi iz vo-dovoda (krive 2 i 3) radi uporedenja sa rezultatima ispitivanja modela u vodi vi-soke cistoće. Uocava se da se maksimal-ni gubitak mase modela u vodi visoke ci-stoće (krive 1 i 4) desava nezavisno od pritiska na nižim temperaturama od oko
Sl. 6 — Zavisnost kavitacionih razaranja od temperature vode visoke ~isto}e pri konstantnim hidrostatskim pritiscima:
1. p = 0,15 MPa (voda visoke ~isto}e);
2. p = 0,15 MPa (voda iz vodovoda); 3. p = 0,29 MPa (voda iz vodovoda); 4. p = 0,29 MPa (voda visoke ~isto}e)
50°C. Apsolutna vrednost razaranja u toj sredini pri pritisku od 0,29 MPa (kriva 4) gotovo je tri puta manja u odnosu na pri-tisak 0,15 MPa (kriva 1) tj. skoro sest puta u odnosu na vodu iz vodovoda (kriva 2) pri temperaturi od 65°C. Daljim pora-stom temperature velicina razaranja u oba slucaja (voda visoke cistoće) sma-njuje se, s tim da pri pritisku od 0,15 MPa naglo opada, a na temperaturi od 70°C i visoj, apsolutna velicina razaranja postaje prakticno jednaka, nezavisno od velicine hidrostatskog pritiska.
Uporedenjem karaktera razaranja u posmatranoj sredini (krive 1 i 4) sa ka-rakterom razaranja u vodi iz vodovoda (krive 2 i 3) može se primetiti da je na pritisku od 0,15 MPa i temperaturi od oko 50°C razaranje u vodi visoke cistoće većeg intenziteta. Dalje povećanje temperature dovodi do znatnog razaranja u
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 2/2005.
199
neutralizovanoj vodi. Pri pritisku od 0,29 MPa, u svim intervalima temperatura, veli~ina razaranja modela je u neutralizovanoj vodi donekle manja u odnosu na vodu iz vodovoda.
Prema tome, u neutralizovanoj vodi u pore|enju sa vodom iz vodovoda znat-no su manje vrednosti gubitka mase modela nastalih kavitacionom erozijom kod niskih pritisaka temperaturama 50°C i vi-{im. Pri povećanju hidrostatskog pritiska (0,25 do 0,29 MPa i vi{im) rashladna te~-nost manje uti~e na kavitaciono razara-nje, pa su njihove apsolutne vrednosti prili~no niske u obe sredine.
Zaključak
Savremeni visokotermi~ki optereće-ni brodski dizel motori hlade se na vi{e na~ina, a naj~e{će vodom, pri ~emu se ja-vljaju odreleni problemi, jer dolazi do o{tećenja rashladnih povr{ina nastalih uticajem kavitacione erozije, odnosno gubitkom mase rashladnih povr{ina.
Pojava kavitacije na rashladnim po-vr{inama brodskih dizel motora poveza-na je sa padom pritiska do vrednosti klju-~anja i isparavanja rashladne te~nosti na ni'im temperaturama. Tom prilikom na-staju parni mehurići, pri ~emu im se po-većava zapremina, odvajaju se sa rashladnih povr{ina i stvaraju slobodan pro-stor odrelene zapremine. U taj prostor naglo ustrujava okolna te~nost pod veo-ma visokim pritiskom, i otkida ~estice
materijala rashladne povr{ine (proces kavitacione erozije), pri ~emu dolazi do o{tećenja tih povr{ina.
Za proces nastajanja kavitacije od posebnog je zna~aja uticaj koncentracije aditiva u rashladnoj vodi kao i pritisaka i temperature u sistemu hlalenja. Kod brodskih dizel motora do maksimalnog gubitka mase cilindarskih ko{uljica, na-stalog procesom kavitacije, dolazi na re-žimu rada pri temperaturi rashladne vode oko 50°C. Povećanjem pritiska rashladne vode, upotrebom aditiva odrelene kon-centracije i materijala veće ~vrstoće, smanjuje se uticaj kavitacione erozije na rashladnim povr{inama cilindarskih ko-{uljica. Osim uticaja kavitacione erozije, na dužinu veka upotrebe u eksploataciji cilindarskih ko{uljica bitno uti~u meha-ni~ka o{tećenja, hemijski i elektrohemij-ski procesi, proces korozije, toplota i drugi ~inioci. Svi materijali, bez obzira na kvalitet i mehani~ka svojstva, podlo-žni su kavitacionoj eroziji.
Literatura:
[1] Ivosević, S.: Kavitacija u sistemu za ubrizgavanje sporo-hodnih dizel motora, doktorska disertacija, Masinski fakul-
tet, Beograd, 1972.
[2] Cantrak, S.; Crnojević, C.: Hidraulika, teorija, problemi, za-daci, Gralevinska knjiga, Beograd, 1990.
[3] Cantrak, S.; Crnojević, C.; Radojević, Z.; Jovanović, P.: Hidraulika, kavitacija, elektrohidraulika, OMO, Beograd, 1987.
[4] Рождественский, В. В.: Кавитация, Судостроение, Лен-нинград, 1977.
[5] Пимощенко, A. П.: Защита судовых дизелей от кавитационных разрушений, Судостроение, Ленинград, 1983.
[6] Đorlević, V.: Pregled metoda za laboratorijska ispitivanja kavitacione erozije, Tehnika, Masinstvo, Beograd, 1973.
[7] Nikolić, R.: Istraživanje problema kavitacije brodskih dizel motora, magistarski rad, Masinski fakultet, Beograd, 1999.
200
VOJNOTEHNICKI GLASNIK 2/2005.
p [bar]
О 20 40 60 80 100
tra
Sl. 1 — Zavisnost temperature kljucanja vode od pritiska
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 2/2005.
201
Sl. 3 — Proces stvaranja mehurića na površini tela i „ 'ivotni put “ parnog mehurića pri opstrujavanju
tela
202
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 2/2005.
1. p = 0,05 MPa; 2. p = 0,15 MPa; 3. p = 0,25 MPa; 4. p = 0,29 MPa
1. p = 0,15 MPa (voda iz vodovoda);
2. p = 0,15 MPa (voda sa aditivima);
3. p = 0,29 MPa (voda iz vodovoda);
4. p = 0,29 MPa (voda sa aditivima) mih razaranja od temperature i pritiska vode
iranja od tem1
AG,mg
t/C
1. p = 0,15 MPa (voda visoke čistoće);
2. p = 0,15 MPa (voda iz vodovoda);
3. p = 0,29 MPa (voda iz vodovoda);
4. p = 0,29 MPa (voda visoke čistoće)
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 2/2005.
203
