KAVITACIJATomislav Arelić

4c

ŠTO JE KAVITACIJA?Kavitacija je proces oštećivanja stjenke

cijevi ili lopatica pumpi, odnosno turbina. Tokom strujanja tekućine, pri padu pritiska ispod 0,3 bara, u tekućini se oslobađaju mjehurići upijenog zraka. Kad ih struja donese u područje većeg pritiska, događa se proces kompresije, što je praćeno snažnim porastom temperature. Proces kompresije, zagrijavanja i eksplodiranja mjehurića naziva se i diesel efekt.

Brodski vijakPokus u vodenom tunelu, na kojem se pojavljuje kavitacija.

KAVITACIJAIsparavanje vode, kao što je poznato iz

termodinamike, nastaje pri temperaturi od 100°C kod atmosferskog tlaka, međutim kod hidrauličkih strojeva pojava isparavanja nastaje kod okolišnje temperature vode (5-20°C), ali sada pri tlakovima znatno nižim od atmosferskog tlaka. Kod vodnih turbina kavitacija se javlja na mjestima najnižeg tlaka. U pravilu su to mjesta u blizini izlaznog brida lopatice rotora na podtlačnoj strani. Voda na ovim mjestima ima najniži tlak iz razloga što je kompletnu energiju (koja je uglavnom bila sadržana u tlaku) predala lopatici rotora.

Oštećenje od kavitacije na ploči ventila (hidraulična pumpa sa aksijalnim klipom)

INERCIJALNA KAVITACIJAUočeno je da kavitacija nastaje pri svakom snažnom

impulsnom udaru energije u čvrstu prepreku, tako postoje optička kavitacija, koja nastaje udarom snažnog zraka lasera i električna kavitacija - na primer na svećicama vozila na benzinski pogon.

Treba napomenuti da je energija kavitacije neverovatno visoka: prilikom implozije mjehurića plina temperatura iznosi nekoliko tisuća ºC, tlak nekoliko stotina bara, a stvara se i svjetlost (sonoluminiscencija). Ma koliko ovi podaci izgledali neverovatni, ustanovljeni su pri laboratorijskim mjerenjima kavitacije, jer je njeno sprječavanje jedno od glavnih područja proučavanja hidrodinamike, obzirom da rad u kavitacionom režimu izaziva znatna oštećenja i nepouzdanost u radu hidrodinamičkih uređaja, te se po svaku cijenu nastoji izbjeći.

Kavitacija brodskog vijka

NEINERCIJALNA KAVITACIJA

Neinercijalna kavitacija je postupak kontroliranog nastajanja sitnih mjehurića plina uz dovođenje energije izvana - najčešće akustične (zvučne). Ova energija prisiljava mjehuriće plina da titraju određenom frekvencijom i po određenom obrascu prije implozije, i na taj način vrše koristan rad. Ovako nastaje mnogo manja pojava erozije, a koristi se u ultrazvučnim kadama za čišćenje precizno izrađenih dijelova od osjetljivih materijala, na primer dijelova hidrodinamičkih upravljačkih sistema - ventila i slično, silikonskih brtvi i drugih dijelova, čija je izrada vrlo precizna i skupa, a materijal osjetljiv na druge načine čišćenja i popravka.

Tipična kavitacijska oštećenja rotora centrifugalnih crpki

DJELOVANJE KAVITACIJEMehanička oštećenja uzrokovana kavitacijomNastanak zvuka tokom kavitacijeHladna fuzija kod kavitacije

MEHANIČKA OŠTEĆENJA UZROKOVANA KAVITACIJOM

Ako kavitacija nastupi na površini čvrstih tijela (kao što su npr. brodski vijci), pod određenim okolnostima može doći dotzv. kavitacijske korozije. Površinski materijal se zbog mehaničkih opterećenja deformira na mikroskopskoj razini. Nakon određenog vremena iz površine sečestoodlome veći dijelovi. Proces nastajanja navedenih oštećenja još nije detaljno razjašnjen.

 

Mlaz fluida velike brzine djeluje na čvrstu površinu

NASTANAK ZVUKA TOKOM KAVITACIJEZvuk koji nastaje prilikom implozije

(udar,pucketanje) prije je često razotkrio poziciju podmornica – podmornice su se u tom slučaju mogle locirati pasivnim sonarom. Otkad su razvijeni brodski vijci sasmanjenom kavitacijom, kavitacija igra za podmornice samo sporednu ulogu do određene brzine u ovisnosti sa dubinom ronjenja. Brodski vijci sa smanjenom kavitacijom mogu se prepoznati po izrazito savinutim krajevima, pomoću kojih mnogo„nježnije“ i tiše prolaze kroz vodu.

HLADNA FUZIJA KOD KAVITACIJE

Kontroverzno se diskutira o tome, seže li energija oslobođena procesom kavitacije u nuklearno područ je, tj. može li ona uzrokovatinuklearnu fuziju, u navedenom slučaju tzv. „fuziju mjehurića“. Kod navedene pojave nastaje svjetlost, pojava je prvi put promatrana 1934. pod nazivom sonolumiscencija,svjetlost dokazuje da se kod te pojave pobuđuju elektroni. Na površini mjehurića koji kolabiraju izmjerene su temperature veće od 10.000 °C.

Kavitacija na brodskom vijku tijekom rada

HIDRODINAMIČKA KAVITACIJAUkoliko tlak vode padne ispod tlaka zasićenja vodene

pare, dolazi do snažne promjene iz tekućeg u plinovito stanje, čime se stvaraju diskontinuiteti u toku, šupljine (mjehure pare okružene tekućinom). Viši specifični obujam mjehura pare ne dozvoljava daljnji pad tlaka. Mjehur pare nakon isparavanja u području nižeg tlaka tokom fluida dolazi u područje višeg tlaka u kojem trenutno implodira pretvarajući se u tekućinu (kondenzira). Tada dolazi do naglog povećanja tlaka radi sudara fronta vode sa svih strana mjehura pare. Kako je tok tekućine konstantan, to je i pojava formiranja mjehura pare i njenog kasnijeg implodiranja također konstantna.

Prikaz tipova kavitacije vijčanog propelera(1 – mjehurasta kavitacija, 2 – plošna kavitacija; 3,4 – pjenasta kavitacija; 5,6,7 – vrtložna kavitacija)

NEGATIVNI UTJECAJI KAVITACIJEkavitacijska erozijanagli pad snage radi pada gustoće fluida

(dvofazni fluid; voda + para)pad stupnja iskorištenja turbine ili crpkevibraciješumbljeskovi

Kavitacija uzrokuje oštećenja i u većim dizelskim motorima

KAVITACIJA KOD CRPKI Ako u nekoj točki unutar crpke apsolutni tlak

kapljevine postane niži od tlaka zasićenja para te kapljevine, u njoj započinje isparavanje i stvaranje mjehurića pare. Kad, nošeni strujom fluida unutar crpke, mjehurići pare dospiju u područje apsolutnog tlaka višeg od tlaka zasićenja para, trenutno kondenziraju u obliku implozije, a njihove prostore popunjava kapljevina, uslijed čega nastaje hidraulički udar, pri kojem tlak trenutno poraste i do nekoliko tisuća bara. Tako nastaje kavitacija kod crpki (pumpe, sisaljke).

VRSTE KAVITACIJA CRPKIUsisna ili klasična kavitacija javlja se na impeleru

pumpe prilikom usisa i potiskivanja tekućine ka potisnom ventilu (komori). Uslove za kavitaciju stvara kretanje impelera kroz pumpanu tekućinu.

Potisna ili recirkulaciona kavitacija je rezultat promjene tlaka prilikom izlaska tekućine iz pumpe, na potisnom ventilu. Javlja se zbog toga što ventil tehnički ne može da propusti svu tekućinu da izađe u jednom trenutku, tako da različite brzine kretanja tekućine izazivaju minijaturne promjene u inače jednakom pritisku tekućine. Čak i tako male promjene tlaka dovoljne su da dođe do pojave kavitacije.

Francisova turbina pri kraju životnog vijeka pokazuje znakove kavitacije, umora materijala i katastrofalnog kvara.

KRAJ!!!