BADANIE ZJAWISKA KAWITACJI

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 0,00[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

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 (-10)*10 4 [Hz], prowadzi da drgań łopatek; turbin wodnych i pomp. 13.. 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 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 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 0[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 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 -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 Rys. 13.1. Schemat przepływu i rozkład ciśnień w zwyżce Venturiego v p v + = + g γ g γ 1 1 k p v które po przekształceniu przyjmuje postać: (13.1) lub v k 1 ( ) p p v = ρ 1 v (13.) v v k 1 1= ( p p ) 1 v ρ v1 (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: ( p p ) K = ρ 1 v v1 (13.4) Wielkość stanowiącą lewą stronę równania (13.3) nazywa się współczynnikiem rozrzedzenia:

Badanie zjawiska kawitacji 7 v Z= 1 (13.5) v k 1 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 H H H h H H * a smax v σ T = = (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: H H + H H a v smin σ T = (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: * h σ 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: ps pv vs hcav = + (13.9) γ g 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: h H cav σ T = =σ TKr (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 Rys. 13.. Krzywe charakterystyczne pompy odśrodkowej w obszarze kawitacyjnym /krzywe regulowanej kawitacji/ Rzędne h cav /por. rys. 13./ przedstawiają minimalne wartości wysokości napływu, przy których może wystąpić kawitacja. Względne zmniejszenie wysokości podnoszenia: H σ TH = (13.11) H 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: n 3.65 n = Q (13.1) H s 3 4 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: 5.63 n S = Q (13.13) H 3 4 sv gdzie H sv = H H v - różnica miedzy wysokością podnoszenia i wysokością ciśnienia pary nasyconej w danej temperaturze.

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: n S 3 3 4 s Hsv 4 = 0.65 = 0.65 σ T H (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 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. ) 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: p h = p γ 1 v (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 () ustalamy natężenie przepływu wody Q = const. Należy wybrać natężenie przepływu z przedziału Q = 16- [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.

1 Badanie zjawiska kawitacji Dla zmierzonych wartości obliczamy za pomocą wzoru (13.15) zapas kawitacyjny ciśnienia h oraz wysokość miejscowych strat ciśnienia zwężki: h sm p = γ sm (13.16) c) Włączamy pompę próżniową (6) obniżając ciśnienie w zbiorniku a więc w całym układzie przepływowym o około 0 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 3SVA, - zawór regulacyjny, 3 - przepływomierz PMB 6000, 4 - zwyżka, 5 - zbiornik, 6 - pompa próżniowa typ VRO 051, 7-8 - manometry 8 wodowskaz, 9 termopara

Badanie zjawiska kawitacji 13 Rys. 13.5. Orientacyjny przebieg kawitacyjnej charakterystyki zwężki Venturiego h) Obliczamy krytyczną wartość liczby kawitacji za pomocą wzoru: K h = (13.17) kr kr v1 g Uwaga: prędkość w poszczególnych przekrojach zwężki obliczamy ze wzorów: v v 4Q = π 0 d0 4Q = π 1 d1 wiedząc, że d 0 = 5 [mm] a d 1 = 19,05 [mm]. Liczbę kawitacji obliczamy za pomocą wzoru (13.4). (13.18) 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 () 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 b) Otwieramy zawór () 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 =,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: p p v v H = + γ g t s t s (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. [] Rudniew S.S., Podwidz L.G.: Laboratornyj kurs gidrawliki nasosow i gidropieriedacz, Maszinostrojenie, Moskwa 1974.