کاویتاسیون در پمپ و اتصالات

کاویتاسیون در لغت از کلمه ی cavity به معنای حفره آمده و منظور از کاویتاسیون ایجاد حفره یا حفره زایی است. درصورت وقوع کاویتاسیون یکی از خسارات کاویتاسیون ایجاد خوردگی و حفره بر روی بدنه پروانه و پوسته پمپ است. قبل از توضیح پدیده کاویتاسیون لازم است اشاره ای به نقطه جوش و فشار بخار مایعات صورت گیرد. نقطه جوش مایعات به فشاری که مایع در آن قرار دارد بستگی دارد. مثلا آب در فشار یک آتمسفر در دمای C 100 میجوشد که دمای C 100 در فشار ۵/۰ آتمسفر حدود C 80 است. ممکن است در داخل پمپ شرایطی بوجود آید بطوری که در دمای موجود با توجه به کاهش فشاری که ایجاد شده، سیال بجوشد. جوشیدن سیال در صورت وقوع در ابتدای پره در داخل پروانه پمپ آب رخ میدهد.

تبدیل مایع به حباب بخار همراه با افزایش حجم ناگهانی میباشد (دانسیته مایع بیشتر از ۱۰۰۰ برابر دانسیته بخار در این شرایط است). حباب تشکیل شده با سرعت زیادی به جلو هدایت میشود. در نیمه دوم پره با افزایش فشار سیال شرایط از حالت اشباع به حالت مایع فشرده برمیگردد و طی پدیده پیچیده ای حباب بخار سقوط کرده و ضمن تقطیر شدن با سرعت بسیار زیاد (تا ۵۰m/s) به اطراف برخورد میکند. قطرات سیال که با سرعت (۵۰m/s) به اطراف بر خورد میکنند، دارای ممنتوم بسیار بالایی هستند بطوریکه نیروی وارد شده از طرف این ذرات بر دیواره پروانه قادر است قسمتی از بدنه پروانه کنده و بر روی پروانه ایجاد حفره کند. کاویتاسیون با ایجاد ارتعاشاتی با فرکانس حدود ۲۰ khz  همراه میباشد.

کمتر فلزی در مقایل نیروی ۲۰ khz مقاومت میکند، آلیاژ فولاد_کرم مقاومت بهتری در مقابل کاویتاسیون دارند. پدیده کاویتاسیون معمولا با ایجاد سر و صدا نیز همراه است که از فرکانس سر و صدا به ۱mhz میرسد. به این صدا اصطلاحا صدای سفید گفته میشود.

میتوان از طریق اندازه گیری صدا بروز کاویتاسیون را تشخیص داد.

این داده برای پمپ آب خاص در دوره متفاوت استخراج شده است. همانطورکه ملاحظه میشود در دور ۵۰۰۰RPM پس از بروز کاویتاسیون بطور ناگهانی هد پمپ آب سقوط کرده،از حالت معمولی خارج میشود. از این منحنی میتوان نتیجه گرفت که افزایش دور امکان وقوع کاویتاسیون را افزایش میدهد. از عوامل کاهش فشار در ابتدای پره میتوان از ارتفاع مکش قبل از پمپ و افت در ورودی پمپ آب نام برد.

چنانچه یک پروانه رو به عقب را در نظر بگیریم، دو طرف پره دارای فشار متفاوت میباشند. سمت فشار (pressure side) دارای فشار بیشتری نسبت به سمت مکش (suction side) است. واضح است تولید حباب و شروع پدیده جوشش جایی در سمت مکش که دارای فشار کمتر است، رخ میدهد. اگر P min کمترین فشار در نقطه ای که در سمت مکش پره باشد، رابطه تجربی اختلاف فشار P min و فشار ورود به پروانه را بر حسب سرعت نسبی ورودی سیال به پروانه میدهد. بعبارتی بر اساس این رابطه P min به سرعت در ورود پروانه ارتباط داده شده است. برای سرعت بالا مقدار P min کاهش یافته، احتمال بروز پدیده کاویتاسیون بیشتر میشود. بعبارتی در دبی زیاد احتمال وقوع کاویتاسیون بیشتر است. بدین علت در منحنی مشخصه پمپ سانتریفوژ انتهای سمت راست منحنی مشخصه (دبی ماکزیمم) حذف میگردد، یعنی عملکرد پمپ در ناحیه دبی ماکزیمم ممکن است همراه با کاویتاسیون باشد.

همانطورکه قبلا هم اشاره شد فلزات نمیتوانند در مقابل کاویتاسیون مقاومت کنند. بهترین آلیاژ برای این منظور عبارتند از فولاد زنگ نزن، فولاد با ۱۳% کرم، فولاد معمولی، برنز معمولی و بالاخره چدن که به ترتیب داده شده بر اساس بهترین مقاومت به پایین میباشد. چنانچه کاویتاسیون در پمپ آب رخ دهد، برای قطع کاویتاسیون یا دبی عبوری از پمپ و یا دور پمپ کاهش داده میشود. البته در بسیاری از نقاط منحنی مشخصه پمپ، کاویتاسیون جزئی وجود دارد و طبق استاندارد بین المللی تا ۳% اطراف نقطه بیشترین راندمان، کاویتاسیون نداریم ولی خارج از این ناحیه کاویتاسیون با شدت کم وجود دارد. میتوان وقوع کاویتاسیون و نحوه تاثیر کاویتاسیون را بر منحنی مشخصه و عملکرد پمپ از طریق آزمایش ملاحظه کرد. اگر چنانچه شیر ورودی پمپ را به آرامی ببیندیم، در جائی مشاهده میشود که ضمن پیدایش صدا منحنی مشخصه پمپ ناگهان افت میکند. در وضعیت افت پمپ، پمپ در حالت کاویتاسیون بوده و نقطه عملگرد پایدار نمیباشد.

کاویتاسیون ثانویه (secondary cavitation)

چنانچه دبی عبوری از پمپ آب بسیار کم شود ممکن است لایه مرزی نزدیک سطح سمت مکش پره از پره جدا شده و پدیده get &wake ایجاد شود. در این حالت مقدار کمی از جریان از ناحیه گسترده wake و بیشتر جریان بصورت جت با سرعت بالا از ناحیه باریک get عبور میکند. با کاهش دبی نقطه A به طرف ابتدای پره حرکت میکند و باعث میشود سرعت عبور آب از منطقه get افزایش یافته و برخورد آب با سرعت بالا به پره بعدی منجر به ایجاد خسارت بر منطقه get شود. به این پدیده کاویتاسیون ثانویه گفته میشود. معمولا کارخانه سازنده قسمت ابتدایی منحنی مشخصه را که محل وقوع احتمالی کاویتاسیون ثانویه میباشد، حذف میکند. از عوامل دیگر جدائی لایه مرزی زاویه بازشدگی پره است که این زاویه بایستی کمتر از ۷ درجه باشد.