Kawitacją nazywamy zjawisko wywołane w obszarze płynącej cieczy miejscowym obniżeniem się ciśnienia poniżej wartości krytycznej, bliskiej ciśnieniu parowania cieczy przy danej temperaturze i polegające na tworzeniu się pęcherzyków parowo-gazowych w miejscach najniższego ciśnienia oraz ich zanikaniu w strefie wyższego ciśnienia. Zanikanie pęcherzyków parowo- gazowych następuje gwałtownie w czasie krótszym od 0,001 s i ma charakter implozji, tak, że napływająca z dużą prędkością w miejsce pęcherzyków ciecz może osiągnąć ciśnienie rzędu 350 MPa (3500 at).

W przypadku zasklepienia się pęcherzyków przy ściance kanału przepływowego (rys. 3.13) powierzchnia jej jest poddana uderzeniu cieczy z wielką siłą. Następujące po sobie z dużą częstotliwością bombardowanie powierzchni przez ciecz powoduje mechaniczne jej niszczenie. Ziarna materiału, a często dość duże grudki, zostają wyrwane tworząc wżery, czyli kawerny (rys. 3.14). Towarzyszy temu działaniu hałas (nieregularne trzaski, szumy), a przy rozwiniętej kawitacji również drgania

Powstawanie pęcherzyków parowo-gazowych występuje w pompie każdego z rodzajów, w obszarze najniższego ciśnienia, a więc najczęściej w obszarze wlotowym wirnika tuż przed lub na wlocie na łopatki (rys ) Zanikanie pęcherzyków powodujące niszczenie materiału występuje w kanałach międzyłopatkowych wirnika lub na wewnętrznej stronie ścian bocznych. Na przedstawionych zdjęciach pokazano miejsce i rozmiary zniszczeń kawitacyjnych. Na rys. 3.16a pokazano wyniki działania kawitacji w wirniku żeliwnym pompy odśrodkowej do cieczy zanieczyszczonych (ścieków). Na rysunku tym są widoczne wżery kawitacyjne na biernej powierzchni łopatki w połowie jej długości, na rys. 3.16b zniszczoną powierzchnię wewnętrzną ściany bocznej przedniej.

 W pierwszym, tzw. zaczątkowym stadium, gdy zaczynają się tworzyć niewielkie pęcherzyki parowo-gazowe, kawitacja nie wpływa ujemnie na pracę pompy, a nawet zdaniem niektórych badaczy powoduje nieznaczny wzrost sprawności, tłumaczony zmniejszeniem się oporów tarcia cieczy o ścianki, dzięki pęcherzykom.  W drugim stadium, tzw. rozwiniętej kawitacji, implozje pęcherzyków wywołują drgania całej pompy, a jednocześnie występują silne nieregularne wahania wskazań mierników ciśnienia na tłoczeniu, a w jeszcze większym stopniu po stronie ssawnej pompy oraz widoczny spadek wysokości podnoszenia i sprawności.  W trzecim stadium tzw. bardzo silnej kawitacji, występuje załamanie się charakterystyk (krzywych) przepływu, poboru mocy oraz sprawności. W pompach odśrodkowych załamanie się charakterystyk jest bardziej gwałtowne, niż w pompach śmigłowych. Należy to tłumaczyć kształtem wirnika. W wirniku pompy odśrodkowej występowanie kawitacji w kanałach międzyłopatkowych wpływa na znaczną część strug przepływu międzyłopatkowego, podczas gdy łopatki pomp śmigłowych nie tworzą zamkniętych kanałów i wpływ zjawiska kawitacyjnego ogranicza się do strug znajdujących się najbliżej łopatki.

Głównym czynnikiem wpływającym na występowanie kawitacji jest temperatura cieczy i ciśnienie. Wpływ na zjawisko kawitacji w cieczy o danej temperaturze mają przede wszystkim jej prędkość, kształt powierzchni z jaką się kontaktuje, występowanie w cieczy zanieczyszczeń i inne.

Rejon objęty kawitacją, jest obszarem burzliwego (turbulentnego) przepływu cieczy. Ruch taki charakteryzuje się wielką złożonością, zaś wystąpienie kawitacji dodatkowo utrudnia jego opis, ponieważ ciecz jako taka traci ciągłość i należy taki przepływ opisywać jako przepływ wielofazowy.

 dużą wysokością ssania (względnie małą wysokością napływu),  dużą prędkością obrotową wirnika,  przekroczeniem nominalnej wydajności, co wiąże się z nadmiernym wzrostem prędkości i spadkiem ciśnienia w przekroju ssawnym pompy,  nieprawidłowym zasilaniem wirnika wynikającym ze złego kształtu kanału wlotowego, nierówną powierzchnią kanału. Miarą tych nieprawidłowości jest sprawność hydrauliczna pompy h h.

 Kawitacja może mieć jednak także użyteczne zastosowania, takie jak produkcja emulsji, czyszczenie powierzchni, pompa kawitacyjna, urządzenia grzewcze o bardzo wysokiej sprawności.  Kawitacja występuje także podczas intensywnego podgrzewania cieczy i to ona jest odpowiedzialna za syczenie wody podczas jej podgrzewania.  Zjawisko kawitacji wykorzystywane jest w tzw. sonicznych szczoteczkach do zębów. W cieczy poddanej działaniu fali dźwiękowej (ultradźwiękowej) powstają obszary zwiększonego i obniżonego ciśnienia (a nawet próżni), które to pomagają usunąć (rozluźniają) przylegającą do zęba płytkę nazębną (bakterie), nawet w pewnej odległości od włókna szczoteczki

 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 najwyżej sprawności

Depresja dynamiczna. Ponieważ pęcherzyki pary tworzą się w miejscach o ciśnieniu niższym niż ciśnienie parowania przy danej temperaturze, należy określić miejsce występowania najniższego ciśnienia oraz przedsięwziąć środki, aby w tym miejscu nie następował spadek ciśnienia, aż do ciśnienia parowania

Chcąc analizować zjawisko kawitacji powinniśmy znać parametr lub liczbę kryterialną pozwalającą na ilościową ocenę przepływu w dwóch 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

 Kawitacja parowa  Kawitacja gazowa  Kawitacja hydrodynamiczna (przepływowa)  Kawitacja wibracyjna  Kawitacja zaczątkowa (pęcherzykowa)  Kawitacja rozwinięta  Superkawitacja  Pseudokawitacja

Parametry do doboru pomp:  Wysokość podnoszenia  Wydajność  Wysokość ciśnienia napływu Parametry odczytane z katalogu:  Moc silnika pompy  Sprawność (hydrauliczna pompy, …, całego układu)  Wymiary geometryczne ( i średnice króćców)  Masa pompy

 Ustawianie pomp z zapewnieniem możliwie małej wysokości ssania lub dużego napływu,  Eksploatowanie w pobliżu nominalnej wydajności przy nadmiernym zwiększeniu, jak również i zmniejszeniu wydajności występuje kawitacja,  Zabezpieczenie przed nadmiernym wzrostem temperatury cieczy,  Zabezpieczenie przed nieprzewidzialnym zwiększeniem prędkości obrotowej pompy,  Dopuszczanie do obszaru powstawania pęcherzyków pary pewnej ilości powietrza.

Pompa wirowa – pompa, w której łopatkowy wirnik zwiększa moment pędu (kręt) cieczy powodując efekt ssania we wlocie i nadwyżkę ciśnienia po stronie tłocznej pompy. Pompy wirowe dzielą się na:  pompy wirowe krętne  pompy wirowe krążeniowe zwane też pompami samozasysającymi.

Pompa wirowa krętna - jest typem pompy wirowej w której obrotowy ruch wirnika powoduje wzrost momentu pędu (krętu) cieczy. Wirniki pomp wirowych mają różne konstrukcje. Konstrukcja wirnika decyduje o charakterystyce pompy. Konstrukcję wirnika pompy z parametrami pracy :  prędkość obrotową wirnika n,  wydajność Q,  wysokość podnoszenia H, wiąże współczynnik szybkobieżności pompy wirowej, który obliczany jest na podstawie formuły:

Typy pomp wirowych w zależności od współczynnika szybkobieżności:  Pompa odśrodkowa - wirnik odśrodkowy o pojedynczej krzywiźnie łopatek. Pompy o dużej wysokości podnoszenia np. wysokociśnieniowe,  Pompa odśrodkowa - wirnik odśrodkowy o przestrzennej krzywiźnie łopatek.Pompy o dużej wysokości podnoszenia może pracować jako turbina,  Pompa helikoidalna - wirnik helikoidalny zamknięty. Pompy o średniej wysokości podnoszenia i wysokiej wydajności, może pracować jako turbina,  80 – 150 Pompa helikoidalna lub Pompa diagonalna - wirnik diagonalny lub helikoidalny otwarty. Pompy o niewielkiej wysokości podnoszenia i wysokiej wydajności może pracować jako turbina.  135 – 320 Pompa śmigłowa - Wirnik śmigłowy. Pompy na małej wysokości podnoszenia i bardzo dużej wydajności może pracować jako turbina.

Pompa wirowa krążeniowa – pompa wirowa, w której uzyskano efekt samo zasysania, to znaczy zdolność rozruchu bez konieczności zalania rurociągu ssawnego. Istnieje wiele różnych konstrukcji takich pomp. Należą do nich pompy z bocznymi kanałami pierścieniowymi, pompy peryferalne, pompy z wirującym pierścieniem wodnym i wiele innych. Pompy samozasysające stosuje się tam gdzie istnieje konieczność rozruchu bez wstępnego zalania rurociągu, na przykład w pompach strażackich lub jako pompy rozruchowe (zalewające) w układach pompowych.

Podstawowe badania kawitacji będą najprawdopodobniej trwały jeszcze wiele lat zanim powstanie jasna i syntetyczna forma kawitacji, która w sposób logiczny powiąże w jedna 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 wartość przy dowolnych, podobnych dynamicznie warunkach kawitacji,  parametr określający warunki przepływu bezkawitacyjnego oraz warunki powstania, zanikania lub rozwoju poszczególnych stadiów kawitacji.

Pompa odśrodkowa Pompa helikoidalna Pompa śmigłowa kolankowa



 Bębenek B., Bębenek H.: Straty energii w przepływach płynów. Skrypt PK, tom I, Kraków 1987  Rudniew S.S.,Podwidz L.G.: Laboratoryjny kurs gidrawliki nasosow i gidropieriedacz, Maszinostrojenie, Moskwa  Hhttp:// pis].pdf  Wyszukiwarka google :D

Prezentacja została przygotowana w ramach przedmiotu “Bezpieczeństwo i niezawodność systemów inżynierskich” przez grupę Agnieszki Kuć