Reklama

Časté chyby v projektech z oblasti vodního hospodářství

16.1.2026

Ing. Jiří Kratěna, Ph.D.

Recenzovaný

Přehrát audio verzi

Časté chyby v projektech z oblasti vodního hospodářství

00:00

0.25x
0.5x
0.75x
1x
1.25x
1.5x
2x

Problém kavitace, zejména v souvislosti s dopravou vody potrubím a jeho klíčovými prvky, jako jsou čerpadla, zpětné armatury, uzavírací armatury a regulační ventily, se objevuje stále častěji. Kavitace, tedy jev, kdy se v kapalině vytvářejí bubliny, může být způsobena různými faktory, včetně nevhodného tlaku a rychlosti proudění. Následky kavitace mohou vést k vážným poškozením zařízení a snížení účinnosti systému. Příspěvek také upozorňuje na časté chyby v projektech, které mohou tuto problematiku opomíjet, zejména při návrhu regulačních ventilů a čerpadel. Cílem je zvýšit povědomí o těchto otázkách a podpořit lepší projektové praxe v oboru. Článek vychází z diskusí na konferenci VODA 2025 v Litomyšli.

Reklama

Kavitace je jev vzniku a zániku bublin v proudící kapalině. Ke vzniku kavitace dochází v okamžiku, kdy tlak v kapalině poklesne pod tlak sytých par. Kapalina se začne odpařovat a její páry postupně tvoří bubliny. V momentě, kdy se bubliny dostanou do míst s vyšším tlakem, pára v nich začne kondenzovat a dochází k jejich zániku.

Zánik kavitační bubliny je ukázán na obr. 1 a obr. 2. Po vstupu do oblasti s vyšším tlakem přestává bublina růst, naopak dochází k jejímu zániku tzv. kolapsu. Tento proces je velice rychlý ve srovnání s dobou růstu.

Obr. 1 Stádia zániku kavitační bubliny na povrchu pevného tělesa

A, B – Bublina o maximálním poloměru.
C–E – Díky nerovnoměrnému pronikání vody do bubliny přestává mít kulový tvar a dochází k tvorbě „důlku“.
F, G – Dochází k tvorbě proudu procházejícím středem bubliny.
H – Proud dosáhl konce a protrhává bublinu.
I – Bublina se protrhla a došlo k vyslání tlakového impulsu směrem ke stěně.
J – Bublina může dále kolabovat a způsobovat další impulz.

Bublina se skládá hlavně z páry, ale obsahuje i určité množství nerozpuštěného plynu. Zatímco pára během kolapsu kondenzuje na vodu, tak plyn může být pouze stlačen, ale nemůže nikam zmizet. Díky tomu se bublina rozpadne na několik dalších menších bublin, u kterých dochází k jejich opětovnému nárůstu a kolapsu.

Dochází-li k zániku bubliny poblíž obtékaného povrchu, má vlivem proudící kapaliny strana blíže stěně tendenci kolabovat pomaleji. Bublina tak nezaniká rovnoměrně, ale dochází k většímu pronikání kapaliny do ní z vnější strany tak, že se uprostřed vytvoří malý „důlek“, který se postupně zvětšuje, až dojde k úplnému protržení bubliny. Díky tomu dochází k vyslání vysokého tlakového pulzu směrem k obtékanému povrchu a k jeho možnému poškození.

Obr. 2 Zobrazení jednotlivých stádií zániku kavitační bubliny

Příčiny vzniku kavitace

Příčiny vzniku kavitace zahrnují snižování tlaku v kapalině, což zvyšuje pravděpodobnost vzniku kavitace. Při snižujícím se tlaku iniciovaným nárůstem rychlosti proudu roste počet kavitních jader a bublin, které přetrvávají déle v proudu. Kavitace může také vznikat v oblastech vírů (vírová kavitace), na plochách uvnitř čerpadel (plošná kavitace) a v oblastech, kde se bubliny vzájemně ovlivňují (oblaková kavitace). Dále se kavitace může vyvolat i mechanickým opotřebením nebo zničením hydrodynamických komponent při kolapsu kavitačních bublin, což vede k extrémnímu nárůstu tlaku a teploty.

Detekce kavitace

V praxi se setkáváme s názorem, že hluk v čerpadle nebo za armaturou je kavitace. Ne vždy to je ale pravda. Rozhodnutí, jestli se jedná o kavitaci nebo ne je velice složité. Do potrubí není vidět. Kavitace v odstředivých čerpadlech nebo za armaturami může být detekována pomocí několika metod:

Vibrační metoda: Kavitace se projevuje jako náhlý nárůst amplitudy vibrací při vyšších průtocích. Frekvenční analýza vibračního signálu ukazuje důležité vlastnosti, které mohou indikovat kavitaci.
Akustická metoda: Kavitace může být detekována pomocí efektivní hodnoty akustického signálu, která se zvyšuje při různých průtocích. Při frekvenční analýze akustického signálu se také objevují užitečné vlastnosti, které odrážejí provoz a stav čerpadla.
Metoda IAS (Instantaneous Angular Speed): Tato metoda analyzuje tlakové pulzace čerpadla a kolísání otáček, které se zvyšují s přítomností kavitace. Efektivní hodnota IAS se mění s průtokem čerpadla a může být použita jako primární ukazatel kavitace.
Metoda MCSA (Motor Current Signature Analysis): Tato metoda analyzuje fázový proud motoru čerpadla. Efektivní hodnota fázového proudu koreluje s průtokem čerpadla a může poskytnout spolehlivou metodu pro identifikaci vzniku kavitace.

Každá z těchto metod má své výhody a nevýhody, a jejich účinnost může záviset na konkrétních podmínkách a aplikacích.

Hodnocení nebezpečí vzniku kavitace

Při návrhu čerpadel je potřeba věnovat pozornost parametru NPSH (Net Positive Suction Head). Parametr NPSH označuje množství energie na jednotku hmotnosti kapaliny, která je k dispozici na vstupu do čerpadla, aby se zabránilo kavitaci. Hodnoty NPSH jsou vždy pro daný prvek funkcí rychlosti proudu, tedy průtoku.

Existují dva typy NPSH:

NPSH dostupný (NPSHA): Toto je skutečná hodnota NPSH, která je k dispozici v systému.
NPSH požadovaný (NPSHR): Toto je minimální hodnota NPSH, kterou čerpadlo potřebuje k tomu, aby pracovalo bez kavitace.

Vztah pro výpočet NPSHA je následující:

kde je

p_atm: atmosférický tlak,
H_S: výškový rozdíl mezi hladinou kapaliny a osou oběžného kola:
kladná výška (+), pokud je hladina nad čerpadlem (nátok),
záporná výška (−), pokud je hladina pod čerpadlem (sání),
p_vapor: tlak nasycené páry kapaliny při dané teplotě,
h_z,s: ztráty třením v sacím potrubí,
ρ: hustota kapaliny,
g: gravitační zrychlení.

Tento vztah zohledňuje všechny faktory, které ovlivňují dostupné NPSHA na vstupu do čerpadla, jako je výška hladiny nad vztažnou rovinou čerpadla (pokud je čerpadlo nad hladinou, tak výška je záporná), teplota a typ čerpané kapaliny.

Charakteristiku NPSHR stanovuje výrobce čerpadla. Aby nedocházelo ke kavitaci, tak musí být splněna podmínka:

NSPHA > NPSHR

Tak, jako je pro vyhodnocení nebezpečí vzniku kavitace u čerpadel parametr NPSH, existuje u armatur podobný parametr – kavitační index systému Σ. Kavitační index systému je bezrozměrné číslo, které pomáhá určit, zda při daných provozních podmínkách dojde k tvorbě kavitace. Definice kavitačního indexu systému je následující:

kde je

p₁: tlak na vstupu do armatury,
p₂: tlak na výstupu z armatury,
p_vapor: tlak nasycené páry kapaliny při dané teplotě.

Tento vztah zohledňuje všechny faktory, které popisují podmínky provozu armatur, jako je tlak před a za armaturou, teplota a typ dopravované kapaliny.

Kavitační index systému se porovnává s kavitačním součinitelem uzávěru (Σ_V), příklad kavitačního diagramu je na obr. 3. Aby byl zajištěn bezkavitační provoz armatury, musí být kavitační index systému větší než kavitační součinitel uzávěru.

Obr. 3 Kavitační diagram

Existuje více přístupů pro prokázání hranice výskytu kavitace, všechny využívají kavitační charakteristiky daného posuzovaného prvku. Hodnoty charakteristik jsou zjišťovány experimentálně pro daný prvek a případně i jeho otevření (u regulačních armatur).

Následky

Při kavitaci se vytvářejí bubliny, které mohou způsobit hluk, mechanické poškození a erozi. Nejčastější je mechanické poškození lopatek čerpadel, disků armatur, potrubí apod. Poškození je způsobeno zánikem kavitačních bublin a následnými rázy na povrchu, v blízkosti stěny nebo při pulzujících změnách tvaru kavitační oblasti. Kavitace může také způsobit změny objemové (úbytek částic materiálu) a ovlivnit složení a stav povrchové vrstvy. Dále se mohou projevovat elektrochemické, chemické, tepelné, termoelektrické a piezoelektrické vlivy, které mohou být podstatné zejména u materiálů snadněji podléhajících korozi. Intenzita kavitace ovlivňuje, jak moc se tyto vlivy projevují. Ukázka následků kavitace je na obr. 4 a obr. 5. Na obr. 4 je zobrazen úbytek materiálu na oběžném kole lopatky čerpadla. Kromě úbytku materiálu kavitace může způsobit i mechanické poškození (obr. 5).

Obr. 4 Kavitační eroze na oběžném kole čerpadla

Obr. 5 Kavitační poškození lopatky čerpadla

Obr. 6 Kavitační poškození tělesa kulového kohoutu: délka 40 cm, šířka 4 cm, hloubka 2 mm

Další příklad následků kavitace je na obr. 6, kde je vidět poškození vnitřního povrchu tělesa kulového uzávěru DN 800, PN 50 kavitační erozí. K poškození došlo po pouhém půl roce provozu. Uzávěr pracoval jako uzavírací na výtlaku čerpadla a škrtí pouze při otevírání, resp. zavírání uzávěru při startu a vypnutí čerpadla (tzv. rozběh čerpadla do zavřeného výtlaku).

Chyby v projektech

Chybně stanovené NPSH – při výpočtu NPSHA nejsou brány v úvahu časové změny podmínek na sání čerpadel. S postupem času dochází ke zvyšování ztrát v potrubí, což ovlivňuje tvar křivky NPSHA, viz obr. 7. Dále nebývá zohledněno kolísání hladin, které může vést k variabilitě výšky (úrovně tlaku) na sání, viz obr. 8. V obou případech může nastat situace, kdy NPSHA klesne pod úroveň NPSHR, což následně způsobí kavitaci.

Obr. 7 NPSH v závislosti na průtoku – změna dynamické složky systému

Obr. 8 NPSH v závislosti na průtoku – změna statické výšky sání

Chybný nátok na čerpadlo – tvar nátokového potrubí má zásadní vliv na vznik kavitace. Sání k čerpadlu bylo vedeno odbočkou ze společného sání, za odbočkou bylo koleno, klapka a redukce (viz obr. 9). Při kontrole NPSH bylo zjištěno, že NPSHA je větší než NPSHR. Ale přesto docházelo ke kavitaci v sacím hrdle čerpadla. Při dispozičních návrzích je důležité vzít v úvahu dynamiku proudění a jeho deformaci poproudně se propagující za protékaným (obtékaným) prvkem v potrubí, kde se vyskytuje nárůst turbulence a vírové struktury. Při průtoku v koleně potrubí může docházet k odtrhávání proudnice, což vede k lokálnímu snížení tlaku pod tlak nasycených par a následně k vzniku kavitace. Jako řešení tohoto problému bylo následně navrženo osazení uklidňovacích lopatek do svislého potrubí před čerpadlo, což přispělo k stabilizaci proudění a snížení rizika kavitace.

U regulačních uzávěrů je nutné hlídat hlavně způsob výtoku z armatury. Na obr. 10 je zobrazen příklad, kdy na odtokovém potrubí z nádrže byl osazen regulační ventil, potrubí dále bylo napojeno na odtok, který byl o 1 m níže. Ve vodorovném odtokovém potrubí bylo proudění o volné hladině. Za ventilem docházelo ke vzniku podtlaku a ke kavitaci. Řešením v tomto případě bylo osazení zavzdušnění za ventil.

Obr. 9 Chybně provedený nátok na čerpadlo

Obr. 10 Regulační uzávěr s výtokem do volna

Závěr

Při návrhu systému s čerpadly, regulačními uzávěry je vždy potřeba věnovat pozornost hydraulice systému a proudění v potrubích. Při nedostatečné kontrole hydraulických parametrů, např. NPSH čerpadel, kavitačního indexu systému může dojít ke vzniku kavitace a tím i poškození použitého zařízení. U čerpadel a armatur výrobci uvádějí doporučení pro instalaci, tak je potřeba se jimi řídit a nebrat je na lehkou váhu. Vždy je vhodné si vyžádat od výrobců nebo dodavatelů mezní kavitační charakteristiky regulačního prvku nebo vodního stroje.

Literatura a normy

LIVORA, T.: Kavitace za porézní přepážkou, Bakalářská práce, VUT v Brně, Fakulta strojního inženýrství, Energetický ústav, 2024.
SOCHOREC, R.: Testy kavitační eroze, Bakalářská práce, VUT v Brně, Fakulta strojního inženýrství, Energetický ústav, 2015.
PIŇOS, O.: Vliv rozpuštěného vzduchu na hydrodynamickou kavitaci, Diplomová práce, VUT v Brně, Fakulta strojního inženýrství, Energetický ústav, 2024.
MANCUSO, G., LANGONE, M., ANDREOTTOLA, G.: A critical review of the current technologies in wastewater treatment plants by using hydrodynamic cavitation process: principles and applications, Journal of Environmental Health Science and Engineering, 2020.
THAMSEN, P. U., BUBELACH, T., PENSLER, T., SPRINGER, P.: Cavitation in Single-Vane Sewage Pumps, International Journal of Rotating Machinery Volume 2008, 2008.
A ALHASHMI, S.: Detection and diagnosis of cavitation in centrifugal pumps, Doctor of Philosophy thesis, University of Manchester, Faculty of Engineering and Physical Sciences, School of Mechanical, Aerospace and Civil Engineering, 2005.
PIŇOS, O: Vliv rozpuštěného vzduchu na hydrodynamickou kavitaci. Diplomová práce, VUT v Brně, Fakulta strojního inženýrství, Energetický ústav, 2023.

Komentář recenzenta prof. Ing. Jan Šulc, CSc., VUT v Brně, Ústav vodních staveb

Jedná se o aktuální problematiku, v článku je spíše metodické upozornění na nedostatky či chyby v projekčních pracích, které mohou způsobit kavitační jevy na obtékaných nebo protékaných částech hydraulických okruhů. Vlastní kavitace způsobuje abrazi obtékaných povrchů, může ohrožovat i tlakovými pulzacemi šířícími se poproudně i protiproudně namáhaní ložisek strojů a ovládání pohybovacích mechanizmů (u regulačních armatur). Drobné změny byly akceptovány, doporučuji k vydání.