پدیده کاویتاسیون

هرگاه در سیستم هیدرودینامیکی (مانند پمپ‌ها، پروانه کشتی) افت فشار ایجاد شود بطوری که فشار سیال به فشار بخار نزدیک گردد، سیال در همان دما شروع به جوشش می‌کند که منجر به ایجاد حباب‌های بخار در سیال می‌شود. پدیده جوشش سیال در اثر افت فشار (نه افزایش دما) را کاویتاسیون می‌نامند. در تمامی سیستم‌های هیدرودینامیکی که سیال به سرعت بالا میرسد نظیر سرریز سد، می‌بایست پدیده کاویتاسون را مطالعه و بررسی کرد.

عدد کاویتاسیون کمیت بدون بعدی است که بیانگر جوشش ناشی از جریان مایع باشد عدد کاویتاسیون می‌نامند:

CA = (Pa - Pb) / (1/2 ρ V^2)

از مهم‌ترین عواملی که در این زمیه ممکن است دخیل باشند می‌توان به موارد زیر اشاره کرد :

1. عوامل هندسی : که شامل موارد زیر می‌شود

ناهمواری‌های سطحی سرریز‚خصوصاً برآمدگی‌ها و فرورفتگی‌های موضعی - شکاف‌های دریچه‌های کشویی و پایه‌های دریچه‌های قطاعی - ستون‌ها piers - درزهای ساختمانی -جداکننده جریان ودفلکتورها Flow splitter & deflector - دهانه مجاری ولوله Ports of ducts & pipe - تغیر در شکل عبور جریان Change of water passage shape - انحنا یا انحراف در مسیر جریان در آبراهه Misalignment of conduit

2. عوامل هیدرودینامیکی

دبی مخصوص – سرعت جریان - عملکرد دریچه - توسعه لایه‌مرزی

3. عوامل متفرقه

انتقال حرارت در طی فروریختن - درجه حرارت آب - تعداد وانداده حباب‌های درون آب Diffusion of air - پراکندگی هوا

یکی از مثال‌های بارز و خطرناک کاویتاسیون در پره های توربین دیده می‌شود و به‌راحتی می‌تواند باعث تخریب پره گردد. از دیکر مثال هل برای این پدیده می‌توان به کاویتاسیون در پروانه‌ی کشتی‌ها اشاره کرد.

شایعترین نوع کاویتاسیون می باشد و حدود 70% از کاویتاسیون ها را در بر می گیرد. برای جلوگیری از این نوع کاویتاسیون، مقدار NPSHa در سیستم باید از مقدار NPSHr (حداقل انرژی مورد نیاز پمپ که توسط کارخانه سازنده توسط منحنی هایی به همراه کاتالوگ پمپ ارائه می گردد) بیشتر باشد.برای جلوگیری از صدمات ناشی از این نوع کاویتاسیون، راهکار های زیر پیشنهاد می گردد:

1- کاهش دما که مقدار هد ناشی از فشار بخار سیال را کاهش دهد، هرچه دما کمتر باشد در نتیجه فشار اشباع متناظر به آن کمتر خواهد شد و در نتیجه احتمال کمتر شدن این فشار نسبت به فشار داخل پمپ افزایش می یابد . بنابراین وقتی خواستید که سیال با دمای بالا را پمپ کنید بسیار باید به این نوع کاویتاسیون دقت کنید. 2- افزایش تراز مایع در مخزن مکش که مقدار هد استاتیکی را افزایش می دهد. 3- بهبود و اصلاح پمپ شامل موارد زیر : - کاهش سرعت که مقدار Hf(هد ناشی از افت) را کاهش می دهد. - افزایش قطر چشمه پره - بکار بردن دو پمپ کوچکتر بصورت موازی که موجب کاهش افد هد می شود. در این شرایط مایع مجبور می شود از ناحیه پر فشار پمپ به طرف ناحیه کم فشار آن در عرض پره بازگردش کند. وقتی در قسمت مکش یا تخلیه جریان گردابی ایجاد می شود که ناشی از سرعت بالای سیال می باشد جریان سیال برعکس شده و در خلاف جریان حرکت جریان عادی سیال باز گردش می کند. باز گردش سیال باعث می شود که قطر مفید عبور سیال در قسمت مکش و تخلیه کاهش یابد و باعث کاهش فشار سیال گردد(مطابق اصل برنولی). با کاهش فشار و رسیدن فشار به فشار بخار سیال پدیده کاویتاسیون ایجاد می شود. این نوع کاویتاسیون به دو حالت اتفاق می افتد : اول اینکه مایع داخل محفظه پمپ با سرعت موتور باز گردش کرده و یکباره حرارتش افزایش پیدا کرده و فوق گرم می شود. دوم وقتی که سیال مجبور می شود که از میان آب بند ها و درزهای بین قطعات به سرعت عبور کند در این حالت حرارت بالا باعث تبخیر مایع خواهد شد. صدمات ناشی از کاویتاسیون در پمپ های باز بیشتر در لبه تیغه های ایمپلر سمت چشم پره و در نوک تیغه ها تا قطر خارجی ایمپلر اتفاق می افتد. در پمپ های با ایمپلر بسته این صدمات روی نوار های سایشی بین پرهو بدنه محفظه ایجاد می شود. برای بهبود و تصحیح شرایط در حالت ایمپلر باز باید ایمپلر را به گونه ای تنظیم کرد که تلرانس بین تیغه ها و محفظه دقیقا تصحیح شود.در پمپ های پره بسته امکان تصحیح شرایط نیست اما لازم است جریان محصور شده در قسمت تخلیه پمپ آزاد شود.

فضای آزاد بین نوک پره و زبانه باید معادل 4% قطر پره باشد. صدمات ناشی از این نوع کاویتاسیون بیشتر در نوک تیغه های خارجی پره و پشت زبانه، روی دیواره محفظه داخلی دیده می شود.

- کاویتاسیون از نوع مکش مکش هوا می تواند به اشکال مختلف در لوله ها و نقاط دیگر پمپ اتفاق بی افتد. مثلا در صورت ایجاد خلا در پمپف هوا می تواند به درون لوله ها وارد شود. یکی از این نمونه ها پمپبالاکش (Lift pump) می باشد. هوا از راههای زیر می تواند وارد پمپ شود. 1- آببند شفت پمپ 2- آببند ساق متصل به صفحه شیر در لوله مکش 3- رینگ های اتصالی لوله مکش 4- واشر های آب بند صفحه فلنج در اتصالات لوله 5- ارینگ ها و اتصالات پیچی در قسمت مکش 6- ارینگ ها و آب بندهای ثانویه در آب بندهای تک 7- سطوح آب بندهای مکانیکی تک 8- از طریق حباب ها و حفره های هوا در لوله مکش 9- از طریق مایعات کف کننده راه های جلوگیری از کاویتاسیون نوع مکش هوا: 1- آب بندی و بستن تمام سطوح، صفحات فلنج ها و واشر ها 2- درزبندی و بستن رینگ های آب بند و آببندهای ساقه متصل به صفحه شیر در لوله مکش 3- نگه داشتن سرعت سیال به میزان 8 فوت بر ثانیه (با افزایش قطر لوله) 4- استفاده از آب بند های مکانیکی دوبل