background image

Badanie zjawiska kawitacji 

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 

background image

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. 

background image

Badanie zjawiska kawitacji 

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. 

background image

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 

background image

Badanie zjawiska kawitacji 

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: 

background image

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: 

background image

Badanie zjawiska kawitacji 

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. 

background image

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. 

background image

Badanie zjawiska kawitacji 

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. 

background image

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 

background image

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. 

background image

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 

background image

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. 

background image

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.