پديده كاويتاسيون

در يك تعريف ساده مي توان توربو ماشين هيدروليكي را به صورت ماشين‌ مكانيكي دواري معرفي كرد كه در آن‌، انرژي بين ماشين و سيال به دليل وجود حركت ديناميكي ماشين انتقال مي يابد. به بيان ديگر توربو ماشين ماشيني است كه در آن انرژي مكانيكي بين سيال عامل (Working fluid) و پره‌ هاي چرخان با حركت ديناميكي اين پره‌ ها منتقل مي‌ يابد. جهت بررسي نحوه ايجاد و رخداد پديده كاويتاسيون لازم است تا علت وقوع ناحيه اي كم فشار را بررسي كنيم. چرا كه ايجاد ناحيه كم فشار در يك سيال است كه حباب بخار را ايجاد ميكند.

جهت انتقال انرژي در توربو ماشين ها اهميت بسيار زيادي دارد و دو گروه اصلي از توربو ماشين ها را تعيين مي كند. در ادامه اين دو گروه معرفي شده اند:

• پمپ ها
• توربين ها

در پمپ جهت انتقال انرژي از پره چرخان به سيال عامل است يعني سيال با ورود به پمپ و خروج از آن انرژي مي گيرد. در توربين اين فرايند برعكس است. يعني جهت انتقال انرژي از سيال عامل به پره است و سيال پس از عبور از توربين انرژي از دست مي دهد و باعث چرخش پره مي شود.

در هر محلي كه از توربوماشين هاي هيدروليكي (پمپ ها و توربين ها) استفاده مي گردد، وقوع كاويتاسيون ممكن و داراي اهميت بسيار است. در طراحي و همچنين در حين كاركرد اين دستگاه ها بايد پديده كاويتاسيون به دقت بررسي شود و از آن جلوگيري شود.

لازم به ذكر است كه پديده كاويتاسيون در محل هاي ديگري هم رخ مي دهد از جمله : پروانه كشتي ‌ها، اژدرها، پمپ ‌هاي سانتريفيوژ (گريز از مركز) و سرريز سدها.

پديده كاويتاسيون چيست؟

به زبان ساده كاويتاسيون، كه با نام هاي ديگري همچون حباب‌زايي، خوردگي و حفره‌سازي نيز شناخته مي شود، فرآيندي است كه طي آن، در ناحيه‌اي از مايع با فشار پايين، حباب بخار شكل مي‌گيرد و سپس اين حباب دچار تركيدگي شده و انرژي از خود آزاد مي كند.

جهت بررسي نحوه ايجاد و رخداد پديده كاويتاسيون لازم است تا علت وقوع ناحيه اي كم فشار را بررسي كنيم. چرا كه ايجاد ناحيه كم فشار در يك سيال است كه حباب بخار را ايجاد ميكند.

در مواردي كه مايعات داراي حركات متلاطم مي باشد، تغييرات فشار در مايع رخ مي دهد.

در اثر تغييرات شديد فشار در سيال (اكثرا افت فشار)، فشار موضعي كم‌ تر از فشار بخار مايع مي ‌شود و اين امر سبب مي شود تا حباب‌ هايي پر شده از بخار ايجاد شود كه تحت عنوان حباب يا حفره شناخته مي شوند.

لازم به ذكر است كه در حالت عادي در يك دماي خاص، فشار بخار مايع مشخص است. حال اگر فشار قسمتي از مايع كمتر از فشار بخار باشد و دما همان دماي مشخص، اتفاقي كه مي افتد اين است كه در آن دما مايع شروع به تبخير مي كند. تبخير موضعي مايع در جايي كه فشار كمتر از فشار بخار است، سبب ايجاد حباب هاي بخار مي شود.

تاثير پديده كاويتاسيون

پديده كاويتاسيون نامطلوب بوده و به قطعات آسيب مي رساند. كاويتاسيون با هدف قرار دادن پروانه ‌ها (در كشتي ها يا پمپ ها) و بدنه داخلي پمپ سبب ايجاد مشكلات زيادي مي شود كه در ادامه آن ها را نام برده ايم.

برخي تاثيرات پديده كاويتاسيون در پمپ ها

• آسيب رساندن به اجزاي داخلي
• ايجاد صداهاي ناهنجار
• كاهش بازدهي
• لرزه در پمپ

انواع كاويتاسيون در پمپ ها

در اين بخش به معرفي انواع كاويتاسيون در پمپ ها مي پردازيم و راه حل هايي براي جلوگيري از وقوع انواع كاويتاسيون را معرفي مي كنيم.

انواع كاويتاسيون در پمپ ها به شرح زير است:

• كاويتاسيون تبخيري: اين نوع كاويتاسيون از جمله معمول ترين انواع كاويتاسيون در پمپ ها است و در اثر پايين بودن مقدار مطلق مكش مثبت در سيستم (NPSHA) نسبت به مقدار مطلق مكش مثبت لازم براي كاركرد مناسب پمپ كه توسط شركت سازنده ارائه مي شود (NPSHR)، ايجاد مي شود. راه جلوگيري از اين نوع پديده كاويتاسيون، بالاتر نگه داشتن NPSHA نسبت به NPSHR است.
• كاويتاسيون چرخش مجدد داخلي (Recirculation): كاويتاسيون چرخش مجدد داخلي بر خلاف ديگر انواع كاويتاسيون ها در اثر پايين بودن مقدار مطلق مكش مثبت در سيستم (NPSHA) رخ نمي دهد. اين نوع پديده كاويتاسيون هنگامي رخ مي دهد كه جريان به هر دليلي نتواند از قسمت تخليه پمپ خارج شود و يا از قسمت مكش پمپ وارد شود. اين امر سبب ايجاد چرخش مجدد (recirculation) در جريان داخل پمپ مي شود و آسيب مي رساند.
• كاويتاسيون از نوع مكش هوا: در صورت ايجاد خلا در داخل پمپ مي تواند مكش هوا به داخل پمپ رخ بدهد. اين پديده مكش هوا باعث ايجاد اختلال در كاركرد پمپ و آسيب رساندن مي شود. اين پديده كاويتاسيون از نوع مكش هوا نام دارد. براي جلوگيري از اين اتفاق بايد قطعات مختلف پمپ و كل سيستم به خوبي آب بندي و متصل شوند تا مكش هوا رخ ندهد.