Badanie zjawiska kawitacji w pompach wyporowych

Badanie zjawiska kawitacji w pompach wyporowych
Fot. Adobe Stock. Data dodania: 20 września 2022

W artykule omówiono zjawisko kawitacji w pompach wyporowych. Podano warunki i miejsce powstawania zjawiska. Badania własne autorów oraz studia literaturowe obrazują wizualizację zjawiska kawitacji. Dokonano identyfikacji efektu akustycznego towarzyszącego procesowi rozwoju kawitacji w pompach - wielotłoczkowej i zębatej.

1. Wprowadzenie

Podstawowa tendencja współczesnej techniki to optymalizacja gabarytowa i wagowa maszyn i urządzeń. Ten sam kierunek działania zauważa się w rozwoju napędów hydrostatycznych.

Działania rozwojowe idą, między innymi, w kierunku minimalizacji masy elementów hydraulicznych oraz strat energetycznych i zwiększenia przenoszonej mocy. Należy zaznaczyć, że elementy hydrostatycznego układu napędowego mają zatem, nieosiągalną dla innych rodzajów napędu, zwartość konstrukcji, tzn. małą masę na jednostkę generowanej lub przekazywanej mocy. Przykładowo, gęstość mocy dla pomp i silników hydraulicznych może dochodzić nawet do 10 kW/kg, podczas gdy gęstość mocy przeciętnych silników elektrycznych wynosi od 0,1 kW/kg do 0,15 kW/kg [2, 3]. Jednym z podstawowych ograniczeń parametrów eksploatacyjnych układów hydraulicznych takich jak: maksymalne prędkości obrotowe wałów pomp wyporowych, maksymalne wartości natężenia przepływu czynnika roboczego przy danej średnicy hydraulicznej, czyli dalszego zwiększenia współczynnika gęstości mocy - jest zjawisko kawitacji. Objawia się ono powstawaniem w cieczy obszarów nieciągłości wypełnionych gazem lub parą cieczy [9]. Zjawisko kawitacji w układach hydraulicznych polegające w pierwszej fazie na uwalnianiu i wydzielaniu się powietrza w postaci pęcherzy rozpuszczonego w oleju hydraulicznym [3, 4], określane jest mianem aeracji, jednakże na podobne skutki tego zjawiska jak dla kawitacji parowej powszechnie stosuje się termin kawitacja gazowa.

W artykule podjęto próbę ustalenia warunków powstawania kawitacji oraz akustycznego sygnału diagnostycznego pozwalającego w prosty sposób określić początek powstawania i rozwoju tego zjawiska w pompach wyporowych instalowanych powszechnie w hydrostatycznych układach napędowych.

Badano pompę wielotłoczkową osiową i zębatą.

2. Warunki powstawania kawitacji

W zakresie ciśnień powszechnie stosowanych w układach napędowych hydrostatycznych (do 30 MPa) obowiązuje prawo Henry’ego mówiące, że ilość powietrza rozpuszczonego w oleju jest proporcjonalna do ciśnienia [4]:

 Na podstawie zależności (1) można twierdzić, że największy wpływ na ilość rozpuszczonego powietrza ma ciśnienie, przy którym zachodzi absorbcja. Wynika z tego, że np. przy ciśnieniu p = 20 MPa, ilość rozpuszczonego powietrza w oleju przekracza około 20-krotnie objętość oleju, w którym nastąpiła absorbcja.

Kawitacja pojawia się wtedy, gdy wartość ciśnienia w dowolnym punkcie obwodu hydraulicznego znajdzie się poniżej poziomu nasycenia rozpuszczonrgo powietrza w oleju dla danej temperatury. W celu określenia wartości ciśnienia na początku kawitacji pkawprzeprowadzono, za pomocą urządzenia przedstawionego na rys. 1, obserwację pojawienia się pęcherzyków powietrza w obszarze zajętym przez badany olej w trakcie obniżania ciśnienia w naczyniu pomiarowym. Badany olej znajduje się w zbiorniku pomiarowym 1 (górnym, zaciemniony).

Po zamknięciu górnego zaworu 2 i szczelnym odcięciu objętości pomiarowej od otoczenia obniża się ciśnienia w przestrzeni pomiarowej przez opuszczanie zbiorniczka z rtęcią 4. Opuszczając powoli zbiorniczek z rtęcią 4, obserwuje się pojawienie się bardzo małych pęcherzyków o średnicy dp= 0,2-0,3 mm wokół ścianek objętości pomiarowej. W miarę dalszego niewielkiego obniżania ciśnienia pęcherzyki rozszerzają się i unoszą się, zbierając się w jeden niewielki pęcherz w górnej części rurki pomiarowej. Po upływie czasu około 3-5 minut więcej pęcherzyków nie pojawia się. Przy dalszym obniżaniu ciśnienia zaczynają się pojawiać pojedyncze, względnie duże (dp= 1-1,5 mm) pęcherzyki powietrza, w dolnej części obszaru zajmowanego przez badany olej, które powoli przemieszczają się do górnej części. Wówczas można uważać, że następuje wydzielanie się powietrza rozpuszczonego w oleju. Ciśnienie panujące w przestrzeni zajmowanej przez badany olej można wówczas uznać za ciśnienie wydzielania się powietrza z oleju. Ogrzewając olej znajdujący się w urządzeniu, za pomocą lamp grzejnych 3, można określić ciśnienie wydzielania się powietrza z oleju dla różnych temperatur odczytywanych na miliwoltomierzu 7.

Do pomiaru temperatury oleju zastosowano ogniwo termoelektryczne 6, którego sondę wprowadzono do wnętrza zbiornika pomiarowego z badanym olejem.

Na rys. 2 przedstawiono, określoną doświadczalnie, zależność wartości ciśnienia pkaw(dla oleju hydraulicznego HL46), przy której następuje wydzielanie się powietrza w postaci pęcherzyków z oleju hydraulicznego w funkcji temperatury.

Po aproksymacji punktów pomiarowych otrzymujemy zależność (w zakresie temperatury t = 20-70 oC):


3. Stanowisko badawcze

Znając wartość ciśnienia pkaw, w praktyce trudno jest określić początek powstawania kawitacji w konkretnym miejscu i konkretnym układzie napędowym bez przeprowadzenia pomiarów ciśnienia w punkcie, w którym zachodzi podejrzenie wystąpienia zjawiska wydzielania się powietrza z oleju z negatywnymi skutkami (jak erozja kawitacyjna, zwiększona pulsacja ciśnienia i związany z tym wzmożony hałas i drgania). Dokładnie te skutki przedstawiono w literaturze [4, 8-11]. Newralgicznym miejscem w obwodzie hydraulicznym, ze względu na możliwość wystąpienia zjawiska kawitacji, jest układ zasilania pomp wyporowych. Ustalenie warunków powstawania kawitacji w pompie wyporowej wymagało badań akustycznych i hydraulicznych.

Badania hydrauliczne polegały na pomiarze spadku wydajności pompy wyporowej w zależności od wartości ciśnienia w króćcu ssącym. W badaniach akustycznych mierzono hałas w zależności od ciśnienia na ssaniu pomp wyporowych przy wykorzystaniu komory akustycznej. Badania hydrauliczne i akustyczne powstawania kawitacji w pompie wyporowej przeprowadzono na stanowisku pokazanym na rys. 4. Komora pogłosowa do badań wibroakustycznych spełnia wymogi normy ANSI S1.21-1972 i PN-85/N-01334, co pozwalało na atestowanie maszyn i urządzeń pod względem drgań oraz hałasu.

Izolacyjność akustyczna komory od zakłóceń zewnętrznych w zakresie częstotliwości od 20 Hz do 20 kHz wynosi 50 dB.

Taka izolacyjność zapewnia eliminację zakłóceń pochodzących od układu napędowego oraz hydraulicznego układu zasilającego badaną pompę. Zestaw aparatury do pomiaru hałasu badanych elementów umieszczonej w dyfuzyjnej komorze akustycznej pokazano na rys. 4. W ośmiu punktach rozstawiono mikrofony pomiarowe umożliwiające odczytywanie, a następnie wyliczenie średniego poziomu ciśnienia akustycznego.

Mikrofony pomiarowe wybierano podczas odczytywania danych za pomocą multipleksera, a poziom ciśnienia z widmem zapisywano w pamięci analizatora dwukanałowego. Edycji danych dokonywano w komputerze klasy PC za pomocą oprogramowania firmy B&K typ 5306.

Pompa 1 napędzana jest silnikiem 2 prądu stałego. Układ przed przeciążeniem zabezpieczony jest zaworem maksymalnym 4. Ciecz przez filtr 10 zasysana jest przez pompę doładowującą 12 i podawana do układu. Nastawny zawór dławiący 13 ustala ciśnienie ssania pompy 1. Za pomocą manowakuometru 14 kontrolowano wartość ciśnienia w króćcu ssawnym pompy 1, tak aby było ono zgodne z przyjętym wcześniej programem badań. Nastawny zawór dławiący 3 ustala ciśnienie tłoczenia pompy 1. Manometr 8 wskazuje ciśnienie tłoczenia pompy 1, które ustalono na 10 MPa. Przed nadmiernym wzrostem ciśnienia po stronie tłocznej układ chroni zawór maksymalny 4. U-rurka 5 wskazywała z dużą dokładnością straty przepływu na rurze stalowej długości 1 m i średnicy wewnętrznej dw= 0,014 m, będące miarą spadku wydajności pompy.

Średnicę odcinka pomiarowego AB (rys. 4) przyjęto kierując się warunkiem przepływu laminarnego na tej drodze. Przy maksymalnej wydajności badanych pomp i lepkości czynnika roboczego (Q = 32 l/min i lepkość kinematycznav = 46 cSt), liczba Reynoldsa Re, w każdym przypadku spełniała warunek: Re < 1000, gwarantując przepływ laminarny. W związku z występowaniem przepływu uwarstwionego ważność zachowuje równanie Hagena-Poiseuille’a [1, 3, 6]:


 Jeżeli przyjmiemy, że:

 Reprezentuje ono zależność liniową między Q a Äp.

4. Wyniki badań

Na podstawie przeprowadzonych pomiarów pompy wielotłoczkowej osiowej typu PNZ-25 budowano wykres zależności strat ciśnienia Äp [mmHg], na odcinku pomiarowym A- B, od ciśnienia ssania ps [MPa] pompy 1. Jako hydrauliczne kryterium początku powstawania kawitacji, zgodnie z zaleceniami literatury [5-8] i możliwego technicznie pomiaru, przyjęto spadek wydajności ÄQ = 2%Qn, gdzie Qn jest wydajnością nominalną.

Przebieg zależności Äp od wartości ciśnienia ssania pokazano na rys. 5.

Schemat konstrukcyjny pompy wielotłoczkowej osiowej typu PNZ-25 pokazano na rys. 6. Na schemacie tym zaznaczono miejsce pomiaru ciśnienia i pulsacji ciśnienia w króćcu ssawnym i tłocznym, a także zaznaczono obszar powstawania kawitacji (pod denkiem tłoczka). Należy zaznaczyć, że pomiędzy pomiarem ciśnienia w króćcu ssawnym (pkt 3 na rys. 6), a miejscem powstawania kawitacji (punkt 1 na rys. 6) znajduje się okno wlotowe, które dla pompy PNZ-25 ma wymiary: średnica okna wlotowego d = 8 mm, długość l = 8 mm. Spadkiem ciśnienia na tym elemencie oporowym należy tłumaczyć różne wartości początku powstawania kawitacji (rys. 2 i rys. 5).

Pomiar ciśnienia początku powstawania kawitacji został dokonany w króćcu ssawnym (punkt 3 na rys. 6), natomiast powstawanie kawitacji w pompie wielotłoczkowej osiowej zaczyna się pod denkiem tłoka (punkt 1 na rys. 6). Obrazuje to fotografia (rys. 7) uzyskana z pracy Kudźma Z., Mackiewicz J.

1996 [5]. W pracy tej przedstawionow model symulacyjny, w którym zastosowano tłoczek od pompy PNZ-25, napędzany przez mechanizm korbowy, a umieszczony w cylindrze wykonanym ze szkła organicznego (plexi). Okno wlotowe ma takie same wymiary jak w pompie rzeczywistej, a układ hydrauliczny zasilający model zapewniał warunki przepływu, jak w pompie rzeczywistej. Umożliwiało to obserwację kawitacji w przestrzeni cylindra modelu, przy oświetleniu lampą stroboskopową oraz wykonanie zdjęć obrazujących kawitację podczas fazy ssania.

W czasie pomiarów rejestrowano przebiegi zmian ciśnienia w cylindrze modelu za pomocą oscylografu, oraz jednocześnie filmowano proces za pomocą specjalnej kamery filmowej Pentazet 16 z szybkością 2000 klatek filmu w ciągu sekundy.

Gdy ciśnienie w przestrzeni podtłokowej spadło do wartości ciśnienia wydzielania się powietrza z oleju, (którą to wartość można wyznaczyć za pomocą naczynia próżniowego) wówczas warunki pracy pompy można uznać za warunki kawitacyjne.

W celu całkowitego scharakteryzowania pracy pompy wyznaczono doświadczalnie pulsacje ciśnienia w króćcu ssawnym i tłocznym w zależności od wartości ciśnienia ssania. Wyniki pomiarów pokazano na rys. 8. Jak wynika z przedstawionych oscylogramów, amplituda pulsacji ciśnienia w przewodzie tłocznym rośnie w miarę obniżania się wydajności pompy. Natomiast maleje w tych samych warunkach amplituda pulsacji w króćcu ssawnym. Można to wytłumaczyć jako wynik wzrostu ściśliwości cieczy spowodowany pojawieniem się powietrza w oleju.

Badania polegały na jednoczesnym pomiarze wartości ciśnienia w króćcu ssawnym pompy, spadku ciśnienia na odcinku pomiarowym A-B oraz poziomu ciśnienia akustycznego. Jako początek powstawania kawitacji przyjęto kryterium hydrauliczne odpowiadające 2% spadkowi wydajności. Ciśnienie ssania w tym momencie przyjęto jako pskaw. Rejestrując jednocześnie poziom ciśnienia akustycznego uzyskano sygnał akustyczny (objawiający się nagłym wzrostem jego wartości) przy początku powstawania kawitacji. Dodatkowym wskaźnikiem jest analiza widmowa hałasu w zakresie kawitacyjnym obrazująca dominację wyższych składowych nad podstawową, która jest najwyższa w obszarze bezkawitacyjnym. Zależność poziomu ciśnienia akustycznego Lmod ciśnienia ssania ps dla badanej pompy wielotłoczkowej PNZ-25 zamieszczono na rys. 9, gdzie zaznaczono też wartość ciśnienia odpowiadającą początkowi powstawania kawitacji, wyznaczoną w badaniach hydraulicznych korzystając z kryterium spadku 2% wydajności pompy.

Na bazie przeprowadzonej analizy wąskopasmowej poziomu ciśnienia akustycznego, wyodrębniono trzy podstawowe harmoniczne w funkcji ciśnienia ssania. Do dalszych analiz wyznaczono częstotliwość dominującą wg wzoru:

 Wartość prędkości obrotowej była ustalona i wynosiła n = 1500 obr./min, liczba tłoczków dla badanej pompy wielotłoczkowej PNZ-25 wynosiła z = 7. Zatem częstotliwość dominująca wynosi f1 ≈ 175 Hz. Konstruowany wykres, przedstawiający poziom ciśnienia akustycznego Lmw zależności od ciśnienia ssania pompy, uwzględniając pierwsze trzy składowe harmoniczne widma wąskopasmowego, pokazano na rys. 10.

Obok pompy wielotłoczkowej PNZ-25 w podobnym cyklu przebadano pompę zębatą typu PZ3-32, przyjmując takie samo kryterium początku powstawania kawitacji jak dla pompy wielotłoczkowej.

Wyniki pomiarów zamieszczona na rys. 11-13.

5. Podsumowanie

W artykule podjęto próbę ustalenia warunków powstawania kawitacji oraz akustycznego sygnału diagnostycznego pozwalającego w prosty sposób określić początek powstawania i rozwoju tego zjawiska w pompach wyporowych. Badano pompę wielotłoczkową typu PNZ-25 oraz pompę zębatą PZ3-32.

W badaniach wstępnych, za pomocą naczynia próżniowego, wyznaczono wartość ciśnienia wydzielania się pęcherzy powietrza z oleju HL46 w funkcji temperatury czynnika roboczego.

W badaniach hydraulicznych jako kryterium początku powstawania kawitacji w pompach przyjęto spadek wydajności ÄQ = 2%Qn, gdzie Qn jest wydajnością nominalną.

Z przedstawionych rezultatów badań widać istotny związek między kawitacją a efektem akustycznym, co obrazuje wzrost poziomu ciśnienia akustycznego Lmwraz z postępującym rozwojem kawitacji (rys. 9, 10, 12, 13). Zauważamy, iż w miarę spadku ciśnienia w przewodzie ssawnym pompy (mierzonym w króćcu ssawnym) aż do wartości podciśnień, emitowany poziom ciśnienia akustycznego wzrasta w dużym zakresie rzędu 15 dB w przypadku pompy wielotłoczkowej i 10 dB dla pompy zębatej, co pozwala stwierdzić istnienie wyraźnego sygnału diagnostycznego sygnalizującego pracę kawitacyjną pompy.

Ponadto z analiz widmowych ciśnienia akustycznego, zamieszczonych w pracy, widać, że podczas pracy pompy w zakresie kawitacyjnym, dominujące są wyższe składowe harmoniczne widma hałasu wynikające z prędkości wału pompy i ilości elementów wyporowych, rys. 10 i 13. Analizując zamieszczone wykresy zauważyć można, iż wraz z postępującym rozwojem kawitacji maleje pulsacja ciśnienia po stronie ssawnej pompy, a znacząco rośnie po stronie tłocznej (rys. 8). Przeprowadzając prezentowane badania autorzy dysponowali komorą akustyczną, która jest w warunkach krajowych urządzeniem unikalnym. W warunkach przemysłowych wykorzystując kryterium akustyczne zastosowanie może znaleźć sonda akustyczna, której zestaw pomiarowy pokazano na rys. 14, jako przyrząd łatwy w obsłudze i dający wyniki z satysfakcjonującą dokładnością, co zostało potwierdzone pracą autorów [12].

Bibliografia

1. Martin H.R., Noise analysis and control in fluid power systems, "Hydraulics & Pneumatics", January 1985, 119-121.

2. Kollek W., Kudźma Z., Rutański J., Stosiak M., Acoustic problems relating to microhydraulic components and systems, "Archive of Mechanical Enginering", Vol. 57, No. 3, 2010, 293-308, DOI: 10.2478/v10180-010-0016-9.

3. Kudźma Z., Tłumienie pulsacji ciśnienia i hałasu w układach hydraulicznych w stanach przejściowych i ustalonych, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2012.

4. Kleinbrener W., Werkstoffzerstörung durch Kavitation in hydraulischen Systemen, "Industrie Anzeiger", Vol. 61, 1976.

5. Kudźma Z., Mackiewicz J., Wpływ parametrów pracy pompy wielotłoczkowej w warunkach kawitacji na jej hałaśliwość. Konferencja Naukowo-Techniczna Napędy i Sterowania Hydrauliczne ’96. Szklarska Poręba, Polska 1996.

6. Kudźma Z., Mackiewicz J., Warunki powstawania kawitacji w układach hydraulicznych, Konferencja Naukowo- -Techniczna Napędy i Sterowania Hydrauliczne 1999. Polanica 1999.

7. Kollek W., Kudźma Z., Stosiak M., Mackiewicz J., Possibilities of diagonsting cavitation in hydraulic systems, "Archives of Civil and Mechanical Engineering", Vol. 7, No. 1, 2007, 61-73.

8. Bachert R., Ludwig G., Stoffel B., Frobenius M., Schilling R., Three-dimensional unsteady cavitation effects on a single hydrofoil and in a radial pump - measurements and numerical simulations, 5th International Symposium on Cavitation (CAV2003), Osaka, Japonia 2003.

9. Bugała R., Szkoda M., Zależność przebiegu krzywych niszczenia kawitacyjnego od Frakcyjnego Rozkładu Obciążeń Kawitacyjnych, Krajowa Konferencja Dobór i Eksploatacja Materiałów Inżynierskich, Politechnika Gdańska, Jurata, Polska 1997.

10. Lecoffre Y., Archer A. A method to evaluate cavitation erosion in valves, 3rd International symposium on Cavitation, Grenoble, France 1998.

11. Koivula T., On cavitation in fluid power, Proc. of 1st FPNI-PhD Symp., Hamburg, Germeny 2000.

12. Kollek W., Kudźma Z., Osiński P., Rutański J., Lokalizacja i próby redukcji hałasu w zasilaczu hydraulicznym, XIV Konferencja Naukowa Problemy Rozwoju Maszyn Roboczych, Zakopane 2001.
×

DALSZA CZĘŚĆ ARTYKUŁU JEST DOSTĘPNA DLA SUBSKRYBENTÓW STREFY PREMIUM PORTALU WNP.PL

lub poznaj nasze plany abonamentowe i wybierz odpowiedni dla siebie. Nie masz konta? Kliknij i załóż konto!

Zamów newsletter z najciekawszymi i najlepszymi tekstami portalu

Podaj poprawny adres e-mail
W związku z bezpłatną subskrypcją zgadzam się na otrzymywanie na podany adres email informacji handlowych.
Informujemy, że dane przekazane w związku z zamówieniem newslettera będą przetwarzane zgodnie z Polityką Prywatności PTWP Online Sp. z o.o.

Usługa zostanie uruchomiania po kliknięciu w link aktywacyjny przesłany na podany adres email.

W każdej chwili możesz zrezygnować z otrzymywania newslettera i innych informacji.
Musisz zaznaczyć wymaganą zgodę

KOMENTARZE (0)

Do artykułu: Badanie zjawiska kawitacji w pompach wyporowych

NEWSLETTER

Zamów newsletter z najciekawszymi i najlepszymi tekstami portalu.

Polityka prywatności portali Grupy PTWP

Logowanie

Dla subskrybentów naszych usług (Strefa Premium, newslettery) oraz uczestników konferencji ogranizowanych przez Grupę PTWP

Nie pamiętasz hasła?

Nie masz jeszcze konta? Kliknij i zarejestruj się teraz!