Badanie zjawiska kawitacji 1
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
download: http://www.mech.pk.edu.pl/~m52/pdf/[13_opis].pdf
2 Badanie zjawiska kawitacji
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)*104 [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.
download: http://www.mech.pk.edu.pl/~m52/pdf/[13_opis].pdf
Badanie zjawiska kawitacji 3
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.
download: http://www.mech.pk.edu.pl/~m52/pdf/[13_opis].pdf
4 Badanie zjawiska kawitacji
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
download: http://www.mech.pk.edu.pl/~m52/pdf/[13_opis].pdf
Badanie zjawiska kawitacji 5
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 105�107 [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 pv, a prędkość przepływu vk. Napiszemy
równanie Bernoulliego dla ustalonego przepływu jednowymiarowego cieczy doskonałej dla
przekrojów 0-0 i 1-1:
download: http://www.mech.pk.edu.pl/~m52/pdf/[13_opis].pdf
6 Badanie zjawiska kawitacji
Rys. 13.1. Schemat przepływu i rozkład ciśnień w zwyżce Venturiego
2
v1 p1 v2 pv
k
+ = + (13.1)
2g ł 2g ł
które po przekształceniu przyjmuje postać:
2 p1 - pv
( )
2
v2 - v1 = (13.2)
k
�
lub
p1
)
v2 ( - pv
k
-1 = (13.3)
2
��" v1
v1 2
2
Jeżeli założymy, że w przekroju 1-1 zwężki wystąpiła kawitacja, a więc naprężenia
normalne w elemencie przyjmują wartość równą zero to wtedy pv jest ciśnieniem pary
nasyconej w danej temperaturze.
Prawa strona równania (13.3) ma postać liczby Rulera, a tutaj nazywać ją będziemy
liczbą kawitacji:
p1
( - pv
)
K = (13.4)
2
��" v1
2
Wielkość stanowiącą lewą stronę równania (13.3) nazywa się współczynnikiem rozrzedzenia:
download: http://www.mech.pk.edu.pl/~m52/pdf/[13_opis].pdf
Badanie zjawiska kawitacji 7
v2
k
Z = -1 (13.5)
2
v1
Należy mieć na uwadze wpływ nierozpuszczonego powietrza /gazu/, który prowadzi
do odchylenia wartości krytycznego ciśnienia odpowiadającego początkowi kawitacji od
ciśnienia pary nasyconej py. 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 znalez
ć warunki podobieństwa kawitacyjnego. Zazwyczaj w tym celu
stosuje się wyróżnik kawitacyjny, będący stosunkiem tzw. depresji dynamicznej do
całkowitej wysokości przenoszenia.
download: http://www.mech.pk.edu.pl/~m52/pdf/[13_opis].pdf
8 Badanie zjawiska kawitacji
Ha - Hsmax - Hv "h*
�T == (13.6)
HH
gdzie:
Ha - wysokość ciśnienia atmosferycznego,
Hsmax - manometryczna wysokość ssania /wartość maksymalna/,
Hv - wysokość ciśnienia pary nasyconej,
"h* - depresja dynamiczna,
H - całkowita wysokość podnoszenia.
Gdy pompa pracuje z napływem /Hsmax = -Hsmin/ wyróżnik kawitacyjny pompy jest
równy:
Ha - Hv + Hsmin
�T = (13.7)
H
Równania (13.6) i (13.7) stanowić podstawę do obliczania maksymalnej wysokości ssania
Hsmax lub minimalnej wysokości napływu Hsmin. Ponieważ depresja dynamiczna "h*
i wysokość podnoszenia H są proporcjonalne do kwadratu względnej prędkości wlotowej,
możemy napisać:
"h*
�T = = const. (13.8)
H
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
ps - pv vs
"hcav =+ (13.9)
ł 2g
gdzie ps i vs odpowiednio ciśnienie bezwzględne i prędkość bezwzględna w króćcu ssawnym pompy.
Wartość "hcav jest indywidualną cechą pompy, zależną od jej konstrukcji i dokładności
wykonania. Stosunek:
"hcav
�T = =�TKr (13.10)
H
nazywamy krytyczną wartością wyróżnika kawitacji i stanowi ona jedno z kryteriów
powstawania kawitacji w pompie. Zależność zapasu antykawitacyjnego pompy od jej
wydajności "hcav = f(Q) nazywa się krzywą zaczątkowej kawitacji.
download: http://www.mech.pk.edu.pl/~m52/pdf/[13_opis].pdf
Badanie zjawiska kawitacji 9
Rys. 13.2. Krzywe charakterystyczne pompy odśrodkowej w obszarze kawitacyjnym /krzywe
regulowanej kawitacji/
Rzędne "hcav /por. rys. 13.2/ przedstawiają minimalne wartości wysokości napływu,
przy których może wystąpić kawitacja. Względne zmniejszenie wysokości podnoszenia:
"H
�TH = (13.11)
H
można usnąć za jedną z miar kawitacji w pompie. Wyróżnik kawitacyjny pompy �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:
3.65�"n �" Q
ns = (13.12)
3
H4
gdzie:
n - szybkość obrotowa [obr/min]
Q - wydajność pompy [m3/s]
H - wysokość podnoszenia pompy [m],
Z warunków podobieństwa dynamicznego dla kanałów ssących wirnika wyprowadza
się nowy parametr tzw. kawitacyjny wyróżnik szybkobieżności:
5.63�" n �" Q
S = (13.13)
3
4
Hsv
gdzie Hsv = H  Hv - różnica miedzy wysokością podnoszenia i wysokością ciśnienia pary
nasyconej w danej temperaturze.
download: http://www.mech.pk.edu.pl/~m52/pdf/[13_opis].pdf
10 Badanie zjawiska kawitacji
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
ns Hsv
4
= 0.65�ł �ł4 = 0.65�"�T (13.14)
�ł �ł
SH
�ł łł
Pompy obecnie stosowane w przemyśle posiadają przedział bezkawitacyjnej pracy,
charakteryzowany wartością S < l300. Wiadomo, że wpływ kawitacji na charakterystyki
pomp, przedstawiony wyróżnikiem �T lub S zmienia się wraz ze zmianą szybkości obrotowej
i wymiarów (dla ns = 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 (ns = 117) przy zmianie warunków pracy.
Qnom i Hnom odpowiadają maksymalnej sprawności
download: http://www.mech.pk.edu.pl/~m52/pdf/[13_opis].pdf
Badanie zjawiska kawitacji 11
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 krzywiz
nie 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 hsm od tzw.
zapasu kawitacyjnego ciśnienia "h. Ta ostatnia wielkość jest zdefiniowana następująco:
p1 - pv
"h = (13.15)
ł
gdzie:
p1 - ciśnienie przed wejściem do zwężki Venturiego,
pv - ciśnienie pary nasyconej wody w temperaturze pomiaru,
ł - 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 pzb są pomocą manometru (8),
- ciśnienia p1 przed, wlotem do zwężki Venturiego (4),
- ciśnienia straconego "psm przy przepływie przez zwężkę.
download: http://www.mech.pk.edu.pl/~m52/pdf/[13_opis].pdf
12 Badanie zjawiska kawitacji
Dla zmierzonych wartości obliczamy za pomocą wzoru (13.15) zapas kawitacyjny
ciśnienia "h oraz wysokość miejscowych strat ciśnienia zwężki:
"psm
hsm = (13.16)
ł
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
hsm =f("h) na rys.14.5/. Może ulec niewielkiej zmianie wartość ciśnienia p1.
d) Włączamy ponownie pompę próżniową obniżając ciśnienie o około 100 [mmHg],
sprawdzamy natężenie przepływu i dokonujemy pomiarów oraz obliczeń hsm 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 hsm przy niezmiennym zapasie "h.
f) Dokonujemy podobnie jak wyżej niezbędnych pomiarów i obliczeń. Pomiary kończymy
w chwili, gdy zacznie wzrastać ciśnienie p1 przed zwężką.
g) Wykonujemy wykres zależności hsm = 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
download: http://www.mech.pk.edu.pl/~m52/pdf/[13_opis].pdf
Badanie zjawiska kawitacji 13
Rys. 13.5. Orientacyjny przebieg kawitacyjnej charakterystyki zwężki Venturiego
h) Obliczamy krytyczną wartość liczby kawitacji za pomocą wzoru:
"hkr
Kkr = (13.17)
2
v1
2g
Uwaga: prędkość w poszczególnych przekrojach zwężki obliczamy ze wzorów:
4Q
v0 =
2
Ąd0
(13.18)
4Q
v1 =
2
Ąd1
wiedząc, że d0 = 5 [mm] a d1 = 19,05 [mm].
Liczbę kawitacji obliczamy za pomocą wzoru (13.4).
13.7. Badanie kawitacji w pompie wirowej
Przebieg ćwiczenia
a) A
ączymy 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 pt,
- ciśnienia w króćcu ssawnym pompy ps,
- obroty pompy.
download: http://www.mech.pk.edu.pl/~m52/pdf/[13_opis].pdf
14 Badanie zjawiska kawitacji
b) Otwieramy zawór (2) tak by uzyskać wydajność pompy Q = 5-6 [l/min]. Odczytujemy
wartości:
- temperatury cieczy,
- ciśnienia; w króćcu tłocznym pompy pt,
- ciśnienia w króćcu ssawnym pompy ps,
- obroty pompy,
- natężenia przepływu.
c) Zwiększamy skokowo natężenie przepływu Qi /i = 2,3,..., 6/ aż do Uzyskania
maksymalnej wydajności pompy Qmax. Dla każdej wydajności pompy Qi odczytujemy
wartości wielkości mierzonych Jak w punkcie b.
d) Dla każdego zbioru wartości zmierzonych, przy Qi = const. obliczamy użyteczną
wysokość podnoszenia H:
2
pt - ps v2 - vs
t
H =+ (13.19)
ł2g
gdzie : vt i vs - 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 "hcav = 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.
download: http://www.mech.pk.edu.pl/~m52/pdf/[13_opis].pdf