Badanie zjawiska kawitacji

1

download: http://www.mech.pk.edu.pl/~m52/pdf/[13_opis].pdf

Ćwiczenie 13

BADANIE ZJAWISKA KAWITACJI

13.1. Wprowadzenie

Kawitacją nazywamy zjawisko wywołane zmiennym polem ciśnień w cieczy

polegające na powstawaniu, wzroście i zanikaniu pęcherzyków lub innych obszarów

zamkniętych /kawern/ zawierających parę danej cieczy, gaz lub mieszaninę parowo-gazową.

Kawitacja jest zjawiskiem występującym wyłącznie w cieczach.

Zjawisko kawitacji może występować w przepływie lub w cieczy pozostającej

w spoczynku. Może mieć miejsce w pobliżu ścian /przewodu, ciała zanurzonego/ lub

w obszarze nieograniczonym. Utrata przez ciecz ciągłości powoduje, że kawitacja jest

nieustalonym zjawiskiem dwufazowym, którego dotychczas nie potrafiono opisać

analitycznie, za pomocą równań dynamiki ośrodków ciągłych. Kawitacja występuje na skutek

obniżenia ciśnienia a więc można nią sterować zmieniając ciśnienie, a ściślej - regulując

minimalną wartość ciśnienia bezwzględnego.

Jeśli powstająca w cieczy kawerna /pęcherz/ zostanie uniesiona w obszar

podwyższonego ciśnienia to początkowo jej wzrost zostaje zatrzymany, a następnie wskutek

kondensacji pary i rozpuszczania gazu kawerna, zanika /imploduje/.

Zanikanie kawern /pęcherzy/ zachodzi skokowo, gdy parowe kawerny lub pęcherze

zawierają niewiele gazu lub wolniej, jeżeli w ich wnętrzu znajduje się duża ilość pary lub

gazu. Kawitację cechuje szereg zjawisk występujących w okresie czasu od powstania

pęcherza do jego zaniknięcia.

Jeżeli uwzględnić skalę czasu zachodzących zjawisk /wzrost pęcherza około 0,002[s]

i jego zanikania rzędu 0,001 [s]/ oraz wartość ciśnienia przy implozji pęcherza ~150 [MPa]/

to mamy obraz trudności wynikających przy ilościowym badaniu zjawiska kawitacji.

Kawitacja zachodzi z tak dużymi prędkościami, że oko ludzkie lub zwykła kamera filmowa

nie potrafią zarejestrować jej przebiegu. Mimo, że istnieje kilka rodzajów kawitacji, prawie

wszystkie przypominają obłok piany.

Konieczność uniknięcia kawitacji w wielu przypadkach poważnie ogranicza

możliwości konstruowania maszyn i urządzeń hydraulicznych. Wszystkie typy turbin

wodnych w odpowiednich warunkach są narażone na kawitację. Pompy wirowe i wyporowe

2

Badanie zjawiska kawitacji

download: http://www.mech.pk.edu.pl/~m52/pdf/[13_opis].pdf

również są narażone na Jej szkodliwy wpływ. Kawitacja występuje w zaworach oraz

przyrządach do pomiaru natężenia przepływu np. zwężka Venturiego. Powstanie kawitacji

narusza pole ciśnień; przed i za przyrządem, powodując błędne wyniki pomiarów. Kawerny

tworzące się wokół śrub napędowych statków w sposób istotny zmniejszają ich ciąg ponadto

może ona występować również na kadłubach. Chcąc uniknąć kawitacji, trzeba często do

granic możliwości ograniczyć ciężar, wymiary czasem stateczność urządzeń. Jest to

niemożliwe w budowie szeregu układów przepływowych. Dlatego w takich przypadkach

główną uwagę przykłada się do uniknięcia jej skutków nie eliminując samego zjawiska.

Opracowanie w ostatnim dwudziestoleciu; kierownic turbin wytrzymujących skutki kawitacji,

śrub okrętowych oraz szeregu rozwiązań pomp i turbin - odzwierciedla tę tendencję,

najczęściej badano kawitację w wodzie, niemniej występuje ona w szeregu cieczach, które

mają zastosowanie w określonych konstrukcjach technicznych. Należy liczyć się z jej

wystąpieniem projektując rurociągi transportujące ropę naftową. Kawitacja przeszkadza

w kierowaniu strumieniem stopionych metali. Obserwuje się jej skutki przy przepływie cieczy

kriogenicznych /ciekły tlen, wodór, azot i hel/. Kawitacja wywołuje szereg skutków, które

można ocenić ilościowo, a mianowicie:

−

narusza ciągłość cieczy wywołując zazwyczaj wzrost strat energii strumienia

−

zmniejsza ciąg śrub napędowych, a więc zmniejsza prędkość obiektów pływających,

−

zmniejsza moc i sprawność turbin wodnych,

−

obniża wysokość podnoszenia i sprawność pomp,

−

powoduje erozję - wszystkich bez wyjątku – materiałów konstrukcyjnych,

−

wywołuje hałas i szumy, zarówno w obszarze słyszalnym, jak również w obszarze

częstotliwości (2-10)*10

4

[Hz],

−

prowadzi da drgań łopatek; turbin wodnych i pomp.

13.2. Rodzaje kawitacji. Pojęcia podstawowe.

Kawitacja parowa

Powstaje na ogół przy ciśnieniu krytycznym, bliskim ciśnieniu parowania cieczy

w danej temperaturze. Wyróżnia się tym, że niestabilne pęcherzyki kawitacyjne, po

osiągnięciu rozmiaru krytycznego, rosną bardzo szybko i są wypełnione przede wszystkim

parą danej cieczy.

Badanie zjawiska kawitacji

3

download: http://www.mech.pk.edu.pl/~m52/pdf/[13_opis].pdf

Kawitacja gazowa

Powstaje w wyniku dyfuzji gazu znajdującego się w cieczy do istniejących już w niej

pęcherzyków gazowych /np. w drodze pobudzania pęcherzyków do intensywnych drgań/.

Charakteryzuje się tym, że pęcherzyki kawitacyjne rosną wolniej niż podczas kawitacji parowej.

Kawitacja hydrodynamiczna (przepływowa, strumieniowa)

Powstaje wskutek spadku ciśnienia statycznego w cieczy poniżej ciśnienia

krytycznego, spowodowanego miejscowym wzrostem prędkości przepływu lub odpowiednią

zmianę warunków zewnętrznych. Często pojawia się w przewężeniach kanałów

przepływowych oraz w miejscach zakrzywienia linii prądu i oderwań strumienia cieczy od

opływanego ciała.

Kawitacja wibracyjna

Powstaje podczas spadku ciśnienia spowodowanego rozprzestrzenianiem się fali

akustycznej w cieczy. Często pojawia się w czasie wibracji cieczy lub jej otoczenia względnie

na skutek szybkich drgań ciała stałego w cieczy. Rozrywanie cieczy i powstawanie

pęcherzyków kawitacyjnych następuje w czasie półokresów rozrzedzenia, a ich implozja

w czasie półokresów ściskania.

Kawitacja zaczątkowa /pęcherzykowa/

Początek kawitacji znamienny pojawieniem się w cieczy pierwszych pęcherzyków

kawitacyjnych lub kawerny powłokowej.

Kawitacja rozwinięta

Stadium rozwoju kawitacji w przepływie charakteryzujące się silnym 'oddziaływaniem

obłoku kawitacyjnego na pole przepływu /zmiana natężenia przepływu/ oraz na energetyczne

własności maszyny hydraulicznej /moc, sprawność/.

Superkawitacja

Stadium kawitacji silnie rozwiniętej. Charakterystyczną cechą superkawitacji są

kawerny utworzone przez całkowite oderwanie cieczy od powierzchni opływanego ciała

i wypełnione jej parą i wydzielającymi się z niej gazami.

Przepływ kawitacyjny

Dwufazowy przepływ, złożony z cieczy oraz jej pary i wyzwolonych gazów, będący

wynikiem obniżenia ciśnienia. Zjawisko jest znamienne tym, że zmiany ciśnienia

spowodowane są wyłącznie procesami hydrodynamicznymi.

4

Badanie zjawiska kawitacji

download: http://www.mech.pk.edu.pl/~m52/pdf/[13_opis].pdf

Pseudokawitacja

Zjawisko podobne do kawitacji, polegające na wydzielaniu się z cieczy pęcherzyków

wypełnionych gazem, które są na ogół stabilne i pozostają w równowadze pod wpływem

otaczającego pola ciśnienia.

Ciśnienie krytyczne

Ciśnienie w cieczy, przy którym powstaje kawitacja. Jest ono uzależnione od rodzaju i

stanu cieczy, jej własności fizykochemicznych i temperatury, od ilości i rodzaju jąder

kawitacyjnych oraz zawartości nierozpuszczonego gazu w cieczy. W przepływie ciśnienie

krytyczne jest funkcją ciśnienia hydrodynamicznego i fluktuacji ciśnień związanych

z turbulencją.

Prędkość krytyczna

Prędkość przepływu cieczy lub prędkość ciała poruszającego się w polu stałego

ciśnienia zewnętrznego, przy której pojawia się kawitacja.

Ciśnienie implozji

Ciśnienie występuje w polu zanikającego pęcherzyka kawitacyjnego. Jego wartość jest

funkcją wymiarów pęcherzyka. Szacuje się, że wartość ciśnienia implozji wynosi kilkaset,

a nawet kilka tysięcy MPa.

13.3. Powstawanie kawitacji

Elementarna teoria kawitacji zakłada, że do jej powstania potrzeba i wystarcza, aby

lokalna wartość ciśnienia w cieczy obniżyła się do ciśnienia pary nasyconej w danej

temperaturę. W rzeczywistości zjawisko jest znacznie bardzie;] skomplikowane. Chociaż

z badań eksperymentalnych wynika, że kawitacja powstaje przy ciśnieniu bliskim wartości

pary nasyconej dla wody/ niemniej dla szeregu innych cieczy występują odchylenia, którą

zaprzeczają przytoczonej teorii. Przy powstaniu kawerny w cieczy jednorodnej powinno mieć

miejsce lokalne rozerwanie cieczy /utrata ciągłości/. Niezbędne dla tego celu naprężenie jest

równe wytrzymałości cieczy na rozerwanie przy danej temperaturze a nie ciśnieniu pary

nasyconej. Wynika stąd pytanie o wartość naprężeń, które ciecz może przenieść przy

rozerwaniu. Chemicznie czysta woda może przenieść naprężenia rozrywające do 20[MPa],

woda z sieci wodociągowej przenosi naprężenie 0.4 [MPa] przez bardzo krótki okres. Gdyby

w układach hydraulicznych pracowały tylko czyste ciecze jednorodne to kawitacja była by

problemem nieznanym, bez praktycznego znaczenia dla techniki. Mogłaby w takich cieczach

wystąpić tylko w warunkach superwysokich prędkości lub dużych temperatur. Eksperymenty

z przepływem odgazowanej cieczy w zwężce Venturiego prowadzą do jednoznacznego

Badanie zjawiska kawitacji

5

download: http://www.mech.pk.edu.pl/~m52/pdf/[13_opis].pdf

wniosku, że im mniejsza zawartość nierozpuszczonego gazu w cieczy, tym ciecz jest bardziej

"odporna" na kawitację / kawitacja zachodzi przy niższych ciśnieniach/. Nierozpuszczony gaz

w cieczy musi znacząco wpływać na obniżenie wytrzymałości na rozerwanie, ponieważ jego

obecność wywołuje obszary nieciągłości. Bardzo często myli się wpływ obecności gazu

rozpuszczonego i nierozpuszczonego na powstanie kawitacji, mimo, że problem został

jednoznacznie rozstrzygnięty. Badania wody zawierającej nierozpuszczone powietrze

wykazały jej nieznaczną wytrzymałość na rozerwanie, ta sama woda wstępnie poddana

sprężaniu od 2-130 [MPa] wytrzymywała kilkaset razy większe naprężenia.

Gaz rozpuszczony w cieczy nie wpływa na jej skłonność do kawitacji.

Na to, aby nierozpuszczony gaz lub nieskroplona para mogły pozostawać statecznie w cieczy

potrzeba ich nosiciela. Oczywistym miejscem gdzie może zatrzymać się gaz są

mikroskopowe i submikroskopowe szczeliny w ściankach stałych ograniczeń oraz mikropory

wtrąceń stałych /pyłów/. Gaś może być również bezpośrednio adsorbowany przez ścianki.

Przyjmuje się, że jądra kawitacji stanowią pęcherzyki gazu średnicy 10

5

÷10

7

[m], które

przebywają w mikroszczelinach ścian i mikroporach cząsteczek ciała stałego znajdującego się

w cieczy. Mikroszczeliny i mikrochropowatości posiadające wymiary mogące pomieścić

takie jądra, występują w ściankach rurociągów i zbiorników, a także w pyłach

przemysłowych.

13.4. Liczba kawitacji

Podstawowe badania kawitacji będą najprawdopodobniej trwały jeszcze wiele lat

zanim powstanie jasna i syntetyczna teoria kawitacji, która w sposób logiczny powiąże

w jedną całość zjawiska mechaniczne termodynamiczne i elektrochemiczne. Chcąc

analizować zjawisko kawitacji powinniśmy znać parametr lub liczbę kryterialną, pozwalającą

na ilościową ocenę przepływu w dwu aspektach:

−

parametr, który przyjmuje jednakową wartość przy dowolnych, podobnych dynamicznie

warunkach kawitacji,

−

parametr określający warunki przepływu bezkawitacyjnego oraz warunki powstania,

zanikania lub rozwoju poszczególnych stadiów kawitacji.

Istotnym jest by te dwa aspekty połączyć i opisać za pomocą Jednego kryterium.

Rozpatrzymy przepływ cieczy przez zwężkę Venturiego (rys.13.1) zakładając, że

w najmniejszym przekroju zwężki ciśnienie wynosi p

v

, a prędkość przepływu v

k

. Napiszemy

równanie Bernoulliego dla ustalonego przepływu jednowymiarowego cieczy doskonałej dla

przekrojów 0-0 i 1-1:

6

Badanie zjawiska kawitacji

download: http://www.mech.pk.edu.pl/~m52/pdf/[13_opis].pdf

Rys. 13.1. Schemat przepływu i rozkład ciśnień w zwyżce Venturiego

2

2

v

1

1

k

p

v

p

v

2g

2g

+

=

+

γ

γ

(13.1)

które po przekształceniu przyjmuje postać:

(

)

1

v

2

2

k

1

2 p

p

v

v

−

−

=

ρ

(13.2)

lub

(

)

2

1

v

k

2

2

1

1

p

p

v

1

v

v

2

−

− =

ρ⋅

(13.3)

Jeżeli założymy, że w przekroju 1-1 zwężki wystąpiła kawitacja, a więc naprężenia

normalne w elemencie przyjmują wartość równą zero to wtedy p

v

jest ciśnieniem pary

nasyconej w danej temperaturze.

Prawa strona równania (13.3) ma postać liczby Rulera, a tutaj nazywać ją będziemy

liczbą kawitacji:

(

)

1

v

2

1

p

p

K

v

2

−

=

ρ⋅

(13.4)

Wielkość stanowiącą lewą stronę równania (13.3) nazywa się współczynnikiem rozrzedzenia:

Badanie zjawiska kawitacji

7

download: http://www.mech.pk.edu.pl/~m52/pdf/[13_opis].pdf

2
k
2

1

v

Z

1

v

=

−

(13.5)

Należy mieć na uwadze wpływ nierozpuszczonego powietrza /gazu/, który prowadzi

do odchylenia wartości krytycznego ciśnienia odpowiadającego początkowi kawitacji od

ciśnienia pary nasyconej p

y

. Bezwymiarowa liczba kawitacji (13.4) jest niezupełnym

kryterium podobieństwa zjawiska.

Sens fizyczny liczby kawitacji można przedstawić następująco: w liczniku wyrażenia (13.4)

mamy ciśnienie pod wpływem którego kawerna zanika, a w mianowniku ciśnienie dynamiczne.

Zmiana ciśnienia na ściankach przewodu lub na powierzchni ciała opływanego przez ciecz, jest w

głównej mierze zależna od zmiany prędkości. Dlatego ciśnienie dynamiczne można uznać za

wielkość określającą spadek ciśnienia, w wyniku którego kawerna powstaje i rośnie.

Liczba kawitacji K jest stosunkiem ciśnienia pod działaniem którego występuje

zanikanie pęcherzyków /kawern/ do ciśnienia pod wpływem którego pęcherzyki /kawerny/

powstają i rosną.

Oczywiście im mniejsza jest wartość K tym większa jest wartość dopuszczalnego

spadku ciśnienia w układzie, a więc mniejsze niebezpieczeństwo powstania kawitacji.

13.5. Kawitacja w pompach wirowych

Przedstawimy kilka elementarnych informacji o kawitacji w pompach wirowych.

Powstawaniu kawitacji w pompach wirowych sprzyjają następujące okoliczności:

−

zbyt duża wysokość ssania lub zbyt mała wysokość napływu,

−

przekroczenie normalnej wydajności /obrotów wału/,

−

gwałtowne zmiany kierunku przepływu i nieprawidłowe warunki zasilania wirnika.

Kawitacja w pompach przejawia się obniżeniem wysokości podnoszenia i sprawności

pompy oraz hałasem i drganiami. W pompach odśrodkowych wystąpią uszkodzenia erozyjne;

na łopatkach i bocznych ścianach wirnika oraz końcach łopatek na wylocie i w kierownicy.

Przy badaniu wpływu kawitacji na charakterystyki robocze pompy należy wybrać

sposób określenia zależności między warunkami pracy i kawitacją. Dla pompy pracującej

przy rożnach naporach i obrotach należy określić warunki podobieństwa dla stopnia rozwoju

kawitacji. Analogicznie, dla dwóch pomp o identycznej konstrukcji i różnej skali /np. model

i prototyp/ powinno się znaleźć warunki podobieństwa kawitacyjnego. Zazwyczaj w tym celu

stosuje się wyróżnik kawitacyjny, będący stosunkiem tzw. depresji dynamicznej do

całkowitej wysokości przenoszenia.

8

Badanie zjawiska kawitacji

download: http://www.mech.pk.edu.pl/~m52/pdf/[13_opis].pdf

*

a

s max

v

T

H

H

H

h

H

H

−

−

∆

σ =

=

(13.6)

gdzie:

H

a

- wysokość ciśnienia atmosferycznego,

H

smax

- manometryczna wysokość ssania /wartość maksymalna/,

H

v

- wysokość ciśnienia pary nasyconej,

∆

h

*

- depresja dynamiczna,

H - całkowita wysokość podnoszenia.

Gdy pompa pracuje z napływem /H

smax

= -H

smin

/ wyróżnik kawitacyjny pompy jest

równy:

a

v

s min

T

H

H

H

H

−

+

σ =

(13.7)

Równania (13.6) i (13.7) stanowić podstawę do obliczania maksymalnej wysokości ssania

H

smax

lub minimalnej wysokości napływu H

smin

. Ponieważ depresja dynamiczna

∆

h

*

i wysokość podnoszenia H są proporcjonalne do kwadratu względnej prędkości wlotowej,

możemy napisać:

*

T

h

const.

H

∆

σ =

=

(13.8)

Zależność (13.8) powinna być prawdziwa zarówno dla przepływów przez jedną i tą

samą pompę przy różnych szybkościach obrotowych, jak i dla przepływów przez dwie pompy

o tym samym wyróżniku szybkobieżności, pracujące przy wydajnościach określonych

homologicznymi punktami charakterystyk przepływu. Antykawitacyjną nadwyżką wysokości

ciśnienia pompy, zwaną zapasem antykawitacyjnym pompy, określa się wzorem:

2

s

v

s

cav

p

p

v

h

2g

−

∆

=

+

γ

(13.9)

gdzie p

s

i v

s

odpowiednio ciśnienie bezwzględne i prędkość bezwzględna w króćcu ssawnym pompy.

Wartość

∆

h

cav

jest indywidualną cechą pompy, zależną od jej konstrukcji i dokładności

wykonania. Stosunek:

cav

T

TKr

h

H

∆

σ =

= σ

(13.10)

nazywamy krytyczną wartością wyróżnika kawitacji i stanowi ona jedno z kryteriów

powstawania kawitacji w pompie. Zależność zapasu antykawitacyjnego pompy od jej

wydajności

∆

h

cav

= f(Q) nazywa się krzywą zaczątkowej kawitacji.

Badanie zjawiska kawitacji

9

download: http://www.mech.pk.edu.pl/~m52/pdf/[13_opis].pdf

Rys. 13.2. Krzywe charakterystyczne pompy odśrodkowej w obszarze kawitacyjnym /krzywe
regulowanej kawitacji/

Rzędne

∆

h

cav

/por. rys. 13.2/ przedstawiają minimalne wartości wysokości napływu,

przy których może wystąpić kawitacja. Względne zmniejszenie wysokości podnoszenia:

TH

H

H

∆

σ =

(13.11)

można usnąć za jedną z miar kawitacji w pompie. Wyróżnik kawitacyjny pompy

σ

T

zmienia

się nie tylko wraz ze zmianą warunków wpływających na rozwój kawitacji, lecz również ze

zmianą wyróżnika szybkobieżności pompy. Przez dynamiczny wyróżnik szybkobieżności

pompy rozumiemy zależność:

s

3

4

3.65 n

Q

n

H

⋅ ⋅

=

(13.12)

gdzie:

n - szybkość obrotowa [obr/min]

Q - wydajność pompy [m

3

/s]

H - wysokość podnoszenia pompy [m],

Z warunków podobieństwa dynamicznego dla kanałów ssących wirnika wyprowadza

się nowy parametr tzw. kawitacyjny wyróżnik szybkobieżności:

3

4

sv

5.63 n

Q

S

H

⋅ ⋅

=

(13.13)

gdzie H

sv

= H – H

v

- różnica miedzy wysokością podnoszenia i wysokością ciśnienia pary

nasyconej w danej temperaturze.

10

Badanie zjawiska kawitacji

download: http://www.mech.pk.edu.pl/~m52/pdf/[13_opis].pdf

W zasadzie kawitacja będzie się rozwijać na wirnikach dla jednakowych wartości S,

jeżeli jej wystąpienie jest uzależnione tylko od geometrii części przepływowej oraz od

przepływu w obszarze ssania. Zależność między wyróżnikami szybkobieżności przyjmuje

postać:

3

3

4

s

sv

4

T

n

H

0.65

0.65

S

H





=

=

⋅σ









(13.14)

Pompy obecnie stosowane w przemyśle posiadają przedział bezkawitacyjnej pracy,

charakteryzowany wartością S < l300. Wiadomo, że wpływ kawitacji na charakterystyki

pomp, przedstawiony wyróżnikiem

σ

T

lub S zmienia się wraz ze zmianą szybkości obrotowej

i wymiarów (dla n

s

= const.) albo ze zmianą szybkości obrotowej dla zadanych wymiarów.

Pompy posiadające jednakowy wyróżnik szybkobieżności nie mają identycznych łopatek

i geometrii kanałów przepływowych /nawet z tej samej serii produkcyjnej/. Ponadto pompa

stanowi kombinacje wirnika i korpusu. Gdyby wirnik był izolowany to mógłby dawać

jednakowe charakterystyki w szerokim zakresie zmian szybkości obrotowej. Korpus

natomiast posiada optymalną charakterystykę praktycznie tylko dla jednej kombinacji

wydajności i szybkości obrotowej. W konsekwencji dla warunków różniących się od

optymalnych, korpus wywołuje nierównomierny rozkład ciśnienia na wyjściu z wirnika.

Wpływa to na zmianę przepływu w kanałach wirnika oraz na zmianę sprawności

i charakterystyk kawitacyjnych / rys. 13.3/.

Rys. 13.3. Kawitacyjne charakterystyki pompy wirowej (n

s

= 117) przy zmianie warunków pracy.

Q

nom

i H

nom

odpowiadają maksymalnej sprawności

Badanie zjawiska kawitacji

11

download: http://www.mech.pk.edu.pl/~m52/pdf/[13_opis].pdf

Niżej przytaczamy sposoby zapobiegania kawitacji w pompach wirowych:

1) konstrukcyjne

−

zastosowanie prerotacji /niewielkie zawirowania wstępne w kierunku zgodnym

z kierunkiem obrotów wirnika/,

−

zastosowanie wirników o powiększonej szerokości wylotu,

−

zastosowanie wirników o łagodnej krzywiźnie przedniej tarczy,

−

zastosowanie niezbyt dużej liczby łopatek i skracanie co drugiej łopatki od strony wlotu,

−

zaostrzenie obrzeża łopatki na wlocie.

2) eksploatacyjne

−

instalowanie pomp w ten sposób, by wysokość ssania była możliwie najmniejsza,

−

pompowanie możliwie chłodnych, cieczy,

−

dla pomp do cieczy gorących zapewnić odpowiednią wysokość napływu,

−

praca pompy odpowiadająca najwyższej sprawności.

13.6. Badanie kawitacji przy przepływie cieczy przez zwężkę Venturiego

Schemat stanowiska badawczego przedstawiono na rys.13.4. Celem ćwiczenia jest

zbadanie zależności wysokości miejscowych strat ciśnienia na zwężce Venturiego h

sm

od tzw.

zapasu kawitacyjnego ciśnienia

∆

h. Ta ostatnia wielkość jest zdefiniowana następująco:

1

v

p

p

h

−

∆ =

γ

(13.15)

gdzie:

p

1

- ciśnienie przed wejściem do zwężki Venturiego,

p

v

- ciśnienie pary nasyconej wody w temperaturze pomiaru,

γ

- ciężar właściwy wody w temperaturze pomiaru.

Przebieg ćwiczenia

a) Po włączeniu pompy (1) (patrz rys.13.4) za pomocą, zaworu (2) ustalamy natężenie przepływu

wody Q = const. Należy wybrać natężenie przepływu z przedziału Q = 16-22 [l/min].

b) Dla warunków Q = const. dokonujemy odczytu wielkości mierzonych,

−

temperatury wody w obiegu,

−

ciśnienia panującego w zbiorniku p

zb

są pomocą manometru (8),

−

ciśnienia p

1

przed, wlotem do zwężki Venturiego (4),

−

ciśnienia straconego

∆

p

sm

przy przepływie przez zwężkę.

12

Badanie zjawiska kawitacji

download: http://www.mech.pk.edu.pl/~m52/pdf/[13_opis].pdf

Dla zmierzonych wartości obliczamy za pomocą wzoru (13.15) zapas kawitacyjny

ciśnienia

∆

h oraz wysokość miejscowych strat ciśnienia zwężki:

sm

sm

p

h

∆

=

γ

(13.16)

c) Włączamy pompę próżniową (6) obniżając ciśnienie w zbiorniku a więc w całym układzie

przepływowym o około 20÷50[mmHg]. Utrzymujemy stałość natężenia przepływu

z dokładnością – 0.1 [l/min] i dokonujemy odczytów wielkości mierzonych oraz obliczeń

jak wyżej. Zjawisko kawitacji nie powinno wystąpić /poziomy odcinek krzywej

h

sm

=f(

∆

h) na rys.14.5/. Może ulec niewielkiej zmianie wartość ciśnienia p

1

.

d) Włączamy ponownie pompę próżniową obniżając ciśnienie o około 100 [mmHg],

sprawdzamy natężenie przepływu i dokonujemy pomiarów oraz obliczeń h

sm

i

∆

h.

e) Powyższe czynności kilkakrotnie powtarzamy aż do momentu, gdy za przewężeniem

zwężki pojawi się obłok kawitacyjny. Obserwujemy wtedy gwałtowny przyrost oporu

przepływu przez zwężkę oraz wzrost wartości h

sm

przy niezmiennym zapasie

∆

h.

f) Dokonujemy podobnie jak wyżej niezbędnych pomiarów i obliczeń. Pomiary kończymy

w chwili, gdy zacznie wzrastać ciśnienie p

1

przed zwężką.

g) Wykonujemy wykres zależności h

sm

= f(

∆

h) oraz Q = f(

∆

h).

Rys. 13.4. Schemat stanowiska do badania kawitacji w zwężce Venturiego oraz pompie wirowej:
1 - pompa typ 32SVA, 2 - zawór regulacyjny, 3 - przepływomierz PMB 6000, 4 - zwyżka,
5 - zbiornik, 6 - pompa próżniowa typ VRO 0521, 7-8 - manometry 8 – wodowskaz, 9 – termopara

Badanie zjawiska kawitacji

13

download: http://www.mech.pk.edu.pl/~m52/pdf/[13_opis].pdf

Rys. 13.5. Orientacyjny przebieg kawitacyjnej charakterystyki zwężki Venturiego

h) Obliczamy krytyczną wartość liczby kawitacji za pomocą wzoru:

kr

kr

2

1

h

K

v

2g

∆

=

(13.17)

Uwaga: prędkość w poszczególnych przekrojach zwężki obliczamy ze wzorów:

0

2
0

1

2

1

4Q

v

d

4Q

v

d

=

π

=

π

(13.18)

wiedząc, że d

0

= 5 [mm] a d

1

= 19,05 [mm].

Liczbę kawitacji obliczamy za pomocą wzoru (13.4).

13.7. Badanie kawitacji w pompie wirowej

Przebieg ćwiczenia

a) Łączymy wnętrze zbiornika (5) (patrz rys.13.4) z atmosferą a następnie włączamy pompę

(1). Zamykamy zawór (2) na przewodzie tłocznym. Odczytujemy wartości:

−

temperatury cieczy,

−

ciśnienia; w króćcu tłocznym pompy p

t

,

−

ciśnienia w króćcu ssawnym pompy p

s

,

−

obroty pompy.

14

Badanie zjawiska kawitacji

download: http://www.mech.pk.edu.pl/~m52/pdf/[13_opis].pdf

b) Otwieramy zawór (2) tak by uzyskać wydajność pompy Q = 5-6 [l/min]. Odczytujemy

wartości:

−

temperatury cieczy,

−

ciśnienia; w króćcu tłocznym pompy p

t

,

−

ciśnienia w króćcu ssawnym pompy p

s

,

−

obroty pompy,

−

natężenia przepływu.

c) Zwiększamy skokowo natężenie przepływu Q

i

/i = 2,3,..., 6/ aż do Uzyskania

maksymalnej wydajności pompy Q

max

. Dla każdej wydajności pompy Q

i

odczytujemy

wartości wielkości mierzonych Jak w punkcie b.

d) Dla każdego zbioru wartości zmierzonych, przy Q

i

= const. obliczamy użyteczną

wysokość podnoszenia H:

2

2

t

s

t

s

p

p

v

v

H

2g

−

−

=

+

γ

(13.19)

gdzie : v

t

i v

s

- odpowiednio prędkości cieczy w króćcu tłocznym i ssawnym.

e) Sporządzamy wykres charakterystyki wydajności pompy H = f(Q) /pracującej

z napływem, lecz bez udziału kawitacji/.

f) Odcinamy połączenie zbiornika z atmosferą i włączamy pompę próżniową (6) obniżając

ciśnienie w zbiorniku o około 150 [mmHg]. Następnie powtarzamy procedury pomiarową

Jak w pkt. b-d oraz obliczamy niezbędne wielkości.

g) Sporządzamy wykres charakterystyki wydajności pompy w warunkach kawitacji oraz

wykres zależności zapasu antykawitacyjne pompy

∆

h

cav

= f(Q). Obliczamy wartości

kawitacyjnego wyróżnika szybkobieżności S zgodnie z wzorem (13.9).

13.8. Literatura

[1] Bębenek B., Bębenek H.: Straty energii w przepływach płynów. Skrypt PK, tom I,

Kraków 1987.

[2] Rudniew S.S., Podwidz L.G.: Laboratornyj kurs gidrawliki nasosow i gidropieriedacz,

Maszinostrojenie, Moskwa 1974.