BUDAPESTI MŰSZAKI ÉS GAZDASÁGTUDOMÁNYI EGYETEM GÉPÉSZMÉRNÖKI KAR

HIDRODINAMIKAI RENDSZEREK TANSZÉK

Áramlástechnikai Gépek

Szivattyú kavitációs vizsgálata Mérési jegyzőkönyv

Készítették: NEPTUN: Aláírás:

A mérés ideje: A mérés helyszíne:

BME Hidrodinamikai Rendszerek Tanszék Laboratóriuma

2

Tartalomjegyzék

BUDAPESTI MŰSZAKI ÉS GAZDASÁGTUDOMÁNYI EGYETEM ......................................... 1

Szivattyú kavitációs vizsgálata Mérési jegyzőkönyv .................................................................... 1 1. A Mérés célja: ......................................................................................................................... 3 2. A mérőberendezés Leírása, vázlata, felhasznált műszerek ........................................................ 3 3. A mérés menete ....................................................................................................................... 4 4. A berendezésekhez tartozó műszaki adatok: ............................................................................ 4 5. A számításokhoz felhasznált összefüggések............................................................................. 5 6. A mért és számított adatok: ..................................................................................................... 6

6.1. Előzetesen mért, ismert adatok: .................................................................................... 6 6.2. A számítások bemutatása egy mérési pontra: ............................................................... 6 6.3. Hibaszámítás: .............................................................................................................. 8

7. Saját feladat ........................................................................................................................... 10 8. Összegzés .............................................................................................................................. 11 9. Források, felhasznált irodalom ............................................................................................... 12

3

1. A MÉRÉS CÉLJA:

Folyadékot szállító rendszerekben, ha a helyi nyomás a folyadék telített gőznyomásáig csökken,

gőz képződése mellett felléphet a kavitáció jelensége. Ilyen rendszerek, illetve elemek

leggyakrabban a szivattyúk, illetve elzáró és szabályzó szerelvények. A gőzbuborékok zaj illetve

rezgéshatásokat okozhatnak, illetve fizikai károsodást is eredményezhet.

A mérés során egy plexi előlappal lezárt szivattyún vizsgáljuk a kavitációs jelenség alakulását,

a szívó, illetve a nyomó oldali tolózárak által létrehozott fojtásból eredő ellenállások

változtatásával, a térfogatáram állandó értéken tartása mellett.

A mérés célja a szivattyú leszívási jelleggörbéjének meghatározása, a mért adatok alapján.

A mérés során meghatározandó, elkészítendő feladatok:

A leszívási görbe felvétele, egy előre megadott térfogatáram mellett

Önálló feladat, 2a: Villanymotor választása a szivattyúhoz, amennyiben hatásfoka 85%

2. A MÉRŐBERENDEZÉS LEÍRÁSA, VÁZLATA, FELHASZNÁLT MŰSZEREK

Az alábbi rajzon egy olyan mérőállomás látható, mely egy plexi előlapos szivattyúra épült,

emiatt szemrevételezhető a szivattyúban kialakuló kavitációs jelenség vizuális megfigyelése. Az S

jelű szivattyú az ST szívóoldali tartályból szívja a vizet T1 illetve T3 tolózárakon keresztül, melyek

a szívócső ellenállásának változtatására alkalmasak. a szívó, illetve nyomó oldali nyomásértékeket

higanyos manométerrel mérjük, a vízhozamot pedig MP mérőperemmel vizsgáljuk! A plexi előlap

megvilágítását az Str jelű stroboszkóp lámpával világítjuk meg, melynek villanási frekvenciáját a

fordulatszámmal azonos értékre beállítva az „állni látszó” lapátokon a kavitáció könnyedén

megfigyelhető. A mérés során a kavitációs zóna nagyságát vonalzóval mérjük.

KÉZI RAJZ HELYE:

Az ábrán látható jelölések rendre: -S: szivattyú -MP: mérőperem -ST: szívóoldali tartály -T1; T2; T3; T4: tolózárak -Str: stroboszkóp -SC: konfúzor

4

3. A MÉRÉS MENETE

A mérés megkezdéséhez ellenőrizni kell a tartály vízszintjét, a nyomóoldali tolózárak (T2; T4)

zárt állapotát, miközben ügyelünk arra is, a T1 legalább félig nyitott állapotba kerüljön. Ellenőrizni

kell még, hogy a számítógép melletti kapcsolószekrény kapcsolója RS állásban legyen.

Ezután elindíthatjuk az S szivattyút, majd az SS segédszivattyút a frekvenciaváltóval. Ekkor

nyithatjuk a T2, T4 tolózárakat, miközben a mérőperem manométerét figyeljük. Végül

felkapcsoljuk a stroboszkópot is.

A mérés során egy először beállítjuk a kívánt Q térfogatáramot, melyet a mérés végéig

igyekszünk a tolózárak állításával állandó értéken tartani. A mérést teljesen nyitott T1 illetve T3

tolózárállásról indítjuk, s a kívánt Q eléréséhez a T2, T4 jelzésű tolózárakon állítunk.

A mérést amennyiben T1 tolózárat teljesen elzártuk a T3 zárásával folytatjuk oly módon, hogy

közben a Q térfogatáram értéke a T2, T4 tolózárak állításával ne változzon. A mérés során az egyes

pontokban a manométer kitérések leolvasásra kerülnek, s a folyamatot a szivattyú plexi borításán

keresztül vizuálisan is kísérjük. A pontokat úgy válasszuk meg, hogy a szívómagasság szemmel

láthatóan változzon a tolózárak állításával. A pontok felvétele után a berendezést az indítási

sorrendet megfordítva kapcsoljuk ki.

4. A BERENDEZÉSEKHEZ TARTOZÓ MŰSZAKI ADATOK:

Megnevezés Gyártó; típus Gyári szám/Sn

Szivattyú DiGÉP TTA85/2011 909/5156

Villanymotor EVIG VZ51/4 086517

Mérőperem Blende Ø60 2-17-226

Fordulatszám távadó: Gamma 5ES-1/3000 778121

Stroboszkóp 1538-Strobotac General Radio US PAT 2977508

Dobozos manométer Haenni 3066977

Elektromotor MTA 121-3654 EFK41K4MOT107755

Fordulatszám mérő Jacquet Indicator 346813

5

5. A SZÁMÍTÁSOKHOZ FELHASZNÁLT ÖSSZEFÜGGÉSEK

A szivattyú térfogatáramának meghatározása:

2 22 2 ( )( , , ) ( , , )

4 4mp Hg viz mp

viz viz

p g hd dQ D d Q D d Q

,

ahol:

α - átfolyási szám d – mérőperem belső átmérője ρvíz – víz sűrűsége ∆pmp –mérőperem nyomásváltozása ρHg – higany sűrűsége g – gravitációs gyorsulás ∆hmp – a mérőperemre kapcsolt manométer kitérése

ami a mérőperem, illetve szivattyú adatai ismeretében a

0.53.2472( )mpQ h

értékre egyszerűsödik, ahol Q mértékegysége [m3/h], mph értéke pedig [mm]-ben van

megadva.

H szállítómagasság értékének meghatározása:

21 2

2 1 2 2 2 2 21 1 2 2 2

1 1( )2

Hg v s s nn n

v s s s s n sn n s

l l lQH h z z lg d A d A d A A A

ahol: H – szállítómagasság ∆hn- szivattyú szívó és nyomócsövéhez tartozó nyomáskülönbség, a manométer kitérése z1; z2; ls1; ls2; ln; az ábráról leolvasható hosszúságadatok Q – térfogatáram ds1, ds2, dn, As1, As2, An a szükséges átmérők illetve keresztmetszetek

Az ismert adatokat behelyettesítve az alábbi egyszerűsített képlet adódik:

23

13.6 0.18 97811000 1000 3600

nn

mQh mm h

H m h mm

6

A rendelkezésre álló szivattyú szállítómagasság számítása: 2

0 1 22 1 2 2 2 2

1 1 2 2 1 2

1 1( )2

g Hg s sa sj sb sj

v v s s s s s s

p p l lQNPSH h h h z zg g d A d A A A

ahol:

hsj, hsb –a szívócsonkra kötött manométer jobb és bal oldalának kitérése p0 –légköri nyomás pg – a szállított közeg hőmérsékletéhez tartozó telített gőznyomás

Az ismert adatok behelyettesítése után kapjuk:

23

13.611.13 ( ) 107731000 1000 3600

sja sb sj

mQh mm h

NPSH m h mm h mm

6. A MÉRT ÉS SZÁMÍTOTT ADATOK:

6.1. Előzetesen mért, ismert adatok:

A labor hőmérséklete: T0=22.5 C

nyomás: P0=715 [Hgmm]1018 [Mbar]101,8 [kPa] víz sűrűsége: ρvíz= 1000 [kg/m3] higany sűrűsége: ρHg= 13600 [kg/m3] A csővezeték belső átmérője: D=72 [mm] A szűkítő nyílás legkisebb átmérője: d=52 [mm]

6.2. A számítások bemutatása egy mérési pontra:

3

0.5 0.53.2472( ) 3.2472 (150) 39.77mpmQ h mmh

23

213.6 12.6 820 39.770.18 9781 820 0.18 9781 10.141000 1000 3600 1000 1000 3600

nn

mQh mm h

H m h mm m

23

2

13.611.13 ( ) 107731000 1000 3600

13.6 777 39.7711.13 (221 777) 10773 3.031000 1000 3600

sja sb sj

mQh mm h

NPSH m h mm h mm

m

7

Ssz n ∆hmp ∆hn hsb hsj Megfigyelés zónahossz Q H NPSHa

[1/min] [mm] [mm] [mm] [mm] [mm] [m3/h] [m] [m] 1. 2130 150 1120 505 482 -

39,77 14,22 10,61

2. 2140 150 1120 435 555 -

39,77 14,22 8,74 3. 2140 150 1115 315 668 fizikai(élen)

39,77 14,15 5,68

4. 2140 150 1111 222 777 technikai 25 39,77 14,10 3,04 5. 2140 150 820 221 777 technikai 35 39,77 10,14 3,03 6. 2140 150 432 212 784 technikai 50 39,77 4,86 2,82 7. 2140 150 1128 308 683 fizikai 5 39,77 14,33 5,40 8. 2135 150 1115 248 747 technikai 40 39,77 14,15 3,78 9. 2140 150 980 229 778 technikai 45 39,77 12,31 3,13

1.táblázat: mérést kiértékelő táblázat

1 diagram: A kiértékelés eredménye. ( A hibasávok %-os arányban feltüntetve)

0

2

4

6

8

10

12

14

16

0 2 4 6 8 10 12

H[m]

NSPHa[m]

Leszívási görbe

8

6.3. Hibaszámítás: A hibaszámítás során az f(x;y;z) függvény szórásnégyzetét az alábbi összefüggést felhasználva

számolhatjuk:

22 22 2 2 2u x y z

f f fx y z

Ez alapján a térfogatáram (Q) hibája: 0.53.2472( )mpQ h

Ahol a hiba m ph -t terheli.

4mphE mm

2mph mm

11,6236mp mp

Qh h

2 2 31,6236 2 0.265150mpQ h

mp

Q mh h

Abszolút hibasáv:

3

2 0.530Q QmEh

Relatív hiba:

0.530100 100 1.380%

39.77Q

Q

Ee

Q

3

1 39.77 0.530 mQh

A Szállítómagasság hibája:

213.6 0.18 97811000 1000 3600

nn

h QH h

A hiba nh t és Q t terheli

3

0.530QmEh

4nhE m m

9

3

0.265Qmh

1nh m m

14.22 0.01271120n

Hh

297812

3600H QQ

2 2

2 22

97810.0127 1 ( 39.77 2 0, 265) 0.02093600nQ h Q

n

H H mh Q

Abszolút hiba:

3

2 0.0418QmE Hh

Relatív hiba:

0.0418100 100 2.965%

14,10H

HEeH

4 14.10 0.0418H m

Rendelkezésre álló szívómagasság hibája:

213.611.13 ( ) 107731000 1000 3600

sja sb sj

h QNPSH h h

Itt a hiba a Q-t, hsb-t, és hsj-t, terheli.

3

0.530QmEh

2sbhE mm 2

sjhE mm

3

0.265Qmh

1sbh mm 1hj mm

222 2 2

22

10773 13,6 12.6( 39.77 2 0.265) 1 1 0.02553600 1000 1000a sb sj

a a aNSPH Q h h

sb sj

NSPH NSPH NSPH mQ h h

Abszolút hiba:

2 0,051a aNHSP NHSPE m

Relatív hiba:

0.051100 100 1.678%

3.04a

a

NSPHNHSP

a

Ee

NSPH

3.04 0.051aNPSH m

10

Ssz Q absz. hiba(EQ)

Q rel. Hiba(eQ)

H absz. hiba(Eh)

Q rel. Hiba(eH)

NPSHa absz. hiba(ENHSPa)

NPSHa rel.hiba(eNPSHa)

[m3/h] [%] [m] [%] [m] [%] 1. 0,530 1,380 0,0418 2,965 0,051 0,481

2. 0,530 1,380 0,0418 2,965 0,051 0,584 3. 0,530 1,380 0,0418 2,965 0,051 0,897 4. 0,530 1,380 0,0418 2,965 0,051 1,675 5. 0,530 1,380 0,0418 2,965 0,051 1,683 6. 0,530 1,380 0,0418 2,965 0,051 1,808 7. 0,530 1,380 0,0418 2,965 0,051 0,945 8. 0,530 1,380 0,0418 2,965 0,051 1,351 9. 0,530 1,380 0,0418 2,965 0,051 1,631

2.táblázat: Hibaszámítási adatsor táblázata

7. SAJÁT FELADAT

2/a feladat megoldása:

Válasszon villanymotort, ha a szivattyú hatásfoka 85%!

n=2140[1/min]

ρvíz= 1000 [kg/m3] ρHg= 13600 [kg/m3] η=85 [%] Q=39,77 [m3] A szivattyú hasznos teljesítménye, az előadáson tanultakból:

39.77 / 3600 1000 9.81 14,1 1528h vízP Q g H W ahol:

Q: Térfogatáram ρvíz: Víz sűrűsége H: a választott mérési ponthoz tartozó szállítómagasság g: gravitációs gyorsulás

A szivattyú beveztett teljesítménye:

1528 17980.85

h hbe

be

P Pahonnan P WP

ahol: Ph: hasznos teljesítmény Pbe: bevezetett teljesítmény η: hatásfok

11

Szivattyú választásához szükséges még a bemenő nyomaték számítása:

1798 60 8.022 2140 2be

bePM Nm

n

ahol:

n: a mért fordulatszám A választott motor az Iramkodrive SM motor katalógusából:

3. táblázat: A választott villanymotor:(http://iramkodrive.com/download.php?fid=2665)

8. ÖSSZEGZÉS

A mérés során az előre megbeszélteknek megfelelően felvett mérési pontokkal sikerült

megfelelő részletességgel előállítani a leszívási jelleggörbét. Fontos megfigyelés volt, hogy a

beépített fojtás változtatására a kavitációs jelenségek megjelenése után nagyon érzékenyen reagált a

berendezés. A pontok felvétele során a kavitáció minden típusát megfigyelhettük. A

nyomásváltozás során előbb fizikai, majd technikai kavitáció alakult ki, később pedig a

szuperkavitációhoz közeledve egy pontban a görbe a H szállítómagasság hirtelen esésével megtörik.

A letörési értéknél található az előre beállított térfogatáramhoz tartozó NPSHr érték.

Az ellenőrző program eredményei:

1. ábra: A Ellenőrzött eredmények

12

9. FORRÁSOK, FELHASZNÁLT IRODALOM

1. Szivattyú kavitációs vizsgálata, mérésjegyzet

( http://www.hds.bme.hu/letoltesek/targyak/BMEGEVGAG02/Kav.pdf )

2. Előadásvázlat az Áramlástechnikai gépek című tárgyakhoz; Kullmann László; 2013

(http://www.hds.bme.hu/letoltesek/targyak/BMEGEVGAG02/atg_jegyzet.pdf

3. SM motor katalógus ( http://iramkodrive.com/download.php?fid=2665)