تحقيق در مورد پديده کاويتاسيون در پمپهای گريز از مرکز توسط فريدون حبيب زاده

كاويتاسيون پديده اي است كه در سرعتهاي بالا باعث خرابي و ايجاد گودال مي گردد گاهي در يك سيستم هيدروليكي به علت بالا رفتن سرعت و فشار منطقه اي پائين مي آيد وممكن است اين فشار به حدي پائين بيايد كه برابر فشار سيال در آن شرايط باشد و يا درطول سرريز يا حوضچه خلاءزايي در اثر وجود ناصافيها و يا ناهمواريهاي كف سرريز خطوطجريان از بستر خود جدا شده و بر اثر اين جداشدگي فشار موضعي در منطقه جداشدگي كاهشيافته و ممكن است كه به فشار بخار سيال برسد . در اين صورت بر اثر اين دوعاملبلافاصله مايعي كه در آن قسمت از مايع در جريان است به حالت جوشش درامده و سيال به بخار تبديل شده و حبابهايي از بخار بوجود ميايد . اين حبابها پس از طي مسير كوتاهيبه منطقه اي با فشار بيشتر رسيده و منفجر ميشود و توليد سر وصدا مي كند و امواجضربه اي ايجاد مي كند و به مرز بين سيال و سازه ضربه زده و پس از مدت كوتاهي رويمرز جامد ايجاد فرسايش و خوردگي ميكند . تبديل مجدد حبابها به مايع و فشار ناشي ازانفجار آن گاهي به ١٠٠٠ مگا پاسكال ميرسد.

از آنجايي كه سطوح تماس اينحبابها با بستر سرريز بسيار كوچك مي باشند نيروي فوق العاده زيادي در اثر اينانفجارها به بسترهاي سرريز ها و حوضچه هاي آرامش وارد مي كند . اين عمل در يك مدت كوتاه و با تكرار زياد انجام مي شود كه باعث خوردگي بستر سرريز مي شود و به تدريجاين خوردگيها تبديل به حفره هاي بزرگ مي شوند . اين مرحله را : Cavitation erosion or cavitation pitting مي نامند.

در سرريز هاي بلند چون سرعت سيالفوق العاده زياد مي باشد ‚در نتيجه نا صا فيهاي حتي در حد چند ميليمتر هم مي تواندباعث ايجاد جدا شدگي جريان شود . هر نوع روزنه با برامدگي تعويض ناگهاني سطح مقطعهم مي تواند باعث جدايي خطوط جريان شود . اين پديده معمولا در پايه هاي دريچه ها برروي سرريز ها‚در قسمت زير دريچه هاي كشويي و انتهاي شوتها رخ دهد.

شرايطيكه موجب كاويتاسيون مي گردد اغلب در جريانهاي با سرعت بالا پديد مي ايد . بطور مثالسطح آبروي سريز كه  ٤٠ تا ٥٠ متر پايين تر از سطح تراز آب مخزن مي باشد بطور حاد درمعرض خطر كاويتاسيون قرار دارد . پديده كاويتاسيون در جريانات فوق اشفته در پرشهيدروليكي در مكانهايي مثل حوضچه هاي خلاءزايي مشكلات فراواني ايجاد مي كند. صدمه كاويتاسيون به سازه هاي طراهي شده براي سرعتهاي بالا و در سد هاي بلندو سرريزهاي بزرگ يك مشكل دائمي است.

فاكتورهاي موثر در پديده كاويتاسيون :

در طي حداقل ٢٠ سال تجربه و بررسي عملكرد سرريزها ( شامل مدل و آزمايش برروي پروتوتيپ ) اين طور نتيجه گيري شده كه كاويتاسيون در اثر عملكرد مجموعه اي ازعوامل و شرايط است . معمولا يك عامل به تنهايي براي ايجاد مسئله كاويتاسيون كافينيست ولي تركيبي از عوامل هندسي و هيدروديناميكي و فاكتورهاي وابسته ديگر ممكن استمنجر به خسارت كاويتاسيون گردد.

از مهمترين عواملي كه مي توانند در اينزميه ممكن است دخيل باشند مي توان به موارد زير اشاره كرد :

الف ـ عوامل هندسي که خود شامل موارد زير مي باشد :

1- نا همواريهاي سطحي سرريز و خصوصا برآمدگيها و فرورفتگيهاي موضعي 2- شكافهاي دريچه هاي كشويي و پايه هاي دريچه هاي قطاعي 3- ستونها (piers). 4- درزهاي ساختماني. 5- جدا كننده جريان و دفلكتورها Flow spitter & deflector)). 6- دهانه مجاري ولوله Ports of ducts & pipe 7- تغيير در شكل عبورجريان (Change of water passage shape)8-انحنا يا انحراف در مسير جريان درآبراهه (Misalinment of conduit).

ب ـ عوامل هيدروديناميکی :

1ـ دبي مخصوص 2ـسرعت جريان 3ـ عملكرد دريچه 4ـ توسعه لايهمرزي

ج ـ عوامل متفرقه :

1- انتقال حرارتدر طي فروريختن.  2ـ درجه حرارت آب. 3ـ تعداد واندازه حبابهاي درون آب. 4- پراكندگي هوا(Diffusion of air)

عملكرد پمپهاي سانتريفوژ در حالت بحراني مي تواند موجب اختلال سيستمهاي مربوطه شود. از جمله اين سيستمها نيروگاههاي حرارتي و صنايع پتروشيمي است. در بعضي مواقع تعيين علت دقيق عملكرد ناپايدار پمپ ممكن نيست. جريان توربولان و يا شرايط غير عادي جريان مي تواند موجب لرزشهاي شديد و خارج شدن پمپ از مدار شود. يكي از دلايل اوليه لرزشهاي پمپ سانتريفوژ كاويتاسيون است. در اين حالت در اثر كاهش فشار مايع و تبخير صورت گرفته در سمت مكش پروانه توده هاي حباب توليد و به خروجي پروانه جهت تخليه ارسال مي شوند. در اثر افزايش فشار، حبابهاي توليد شده فشرده مي شوند فشرده شدن حبابها همراه با صدا (مشابه صداي ضربه به بادكنك) و ايجاد لرزش   مي شود.

توليد حباب در پروانه وقتي رخ مي دهد كه NPSH  موجود مكش پمپ كمتر از NPSH لازم پمپ شود. اين امر مي تواند به علت وجود مانع در مسير مكش، وجود زانوئي در فاصله نزديك ورودي پمپ و يا شرايط غير عادي بهره برداري مي باشد. عواملي مانند افزايش دما و يا كاهش فشار در سمت مكش نيز مي تواند شرايط فوق را ايجاد كند. البته انتخاب پمپ براي سيستمهايي كه در دبي هاي متفاوت و سرعت متغير كار مي كنند بايستي با دقت صورت گيرد تا از پديده كاويتاسيون جلوگيري گردد. با توجه به ملاحظه مراجع مختلف لرزش پمپ ها معلوم شده است يك عامل رايج اين لرزشها پديده كاويتاسيون است و مي تواند مخرب نيز باشد.

چنانچه آب به بخار تبديل شود حجم آن مي تواند تا  50000 برابر افزايش يابد كه موجب تخليه پروانه از آب گردد خسارات پمپ در اثر كاويتاسيون شامل خوردگي پره ها در منطقه ضربه حباب و آسيب ديدگي ياتاقانها باشد.

بعضي نتايج نشان مي دهد، ارتعاشات مربوط به كاويتاسيون در فركانسهاي بالاي 2000 هرتز توليد يك پيك با طيف پهن مي نمايد. گزارش ديگر اثر كاويتاسيون بر فركانس پاساژ پره (تعداد پره ضربدر فركانس دوران محور) را شرح مي دهد و ديگري اثر دامنه ارتعاشي پيك را در سرعت محور نشان مي دهد. البته دليل تفاوت در فركانسهاي فوق كه از طرف متخصصين مختلف پمپ ارائه شده تفاوت در طراحي پمپ، نصب و بهره برداري آن مي باشد. حتي اخيرا لرزش در اثر كاويتاسيون با ظهور Peak با فركانس %60دور روتور در طيف مشاهده شده است كه اين در اثر تشديد فركانس طبيعي پوسته پمپ در اثر برخورد حبابها با آن بوده است. مشخصه ديگر كاويتاسيون تغييرات و نوسان فشار خروجي پمپ است. يك روش سريع جلوگيري ازكاويتاسيون بستن آرام شيرخروجي وكاهش دبي پمپ است تاNPSH  لازم كمتر از موجود شود.

کاويتاسيون را مي توان رفتار خلل و حباب هايي دانست که در سيال بوجود مي آيند. از نظر رفتاري کاويتاسيون را مي توان به دو دسته تقسيم بندي نمود: 1- کاويتاسيون غير فعال (گذرا) 2- کاويتاسيون فعال

کاويتاسيون غيرفعال : فرايندي است که يک خلل يا حباب در سيال به سرعت از بين مي رود و يک موج ضربه بوجود مي آورد. اين نوع کاويتاسيون اغلب در پمپ ها، پروانه هاي کشتي، پروانه هاي موتور و در بافت هاي آوندي گياهان رخ مي دهد.

کاويتاسيون غير فعال ابتدا در اواخر قرن نوزدهم توسط LordRayleigh  وقتي از بين رفتن يک خلل کره اي را در يک سيال مشاهده نمود، بررسي شد. وقتي يک حجم مايع در معرض يک فشار کم کارامدي قرار مي گيرد، مايع مي ترکد و يک حفره تشکيل مي دهد. اين پديده آغاز کاويتاسيون ناميده مي شود و مي تواند در پشت تيغه يک ملخ يا پروانه که به سرعت مي چرخد يا هر سطح ديگري که در زير آب با اندازه و شتاب کافي ارتعاش مي کند، رخ دهد. چنين حباب کاويتاسيون با فشار کم درون مايع، به خاطر فشار بالاتر محيط از بين مي رود. همانطور که حباب از بين مي رود، فشار و دماي بخار درون آن افزايش مي يابد. در نهايت حباب به کسر کوچکي از اندازه اصلي خود تبديل مي شود که در اين نقطه گاز درون حباب به محيط مايع پراکنده شده و يک مقدار انرژي زيادي را به شکل موج ضربه صوتي و نور مرئي رها مي سازد. در نقطه فروپاشي کلي دماي بخار درون حباب مي تواند چندين هزار درجه کلوين و فشار آن چند صد اتمسفر باشد.

کاويتاسيون غيرفعال مي تواند در حضور يک ميدان صوتي نيز رخ دهد. حباب هاي گاز ميکروسکوپي که عموما در يک مايع حضور دارند بدليل بکار گرفتن ميدان صوتي مجبور به نوسان مي شوند. اگر چگالي صوتي به مقدار کافي بالا باشد، حباب ها ابتدا از لحاظ اندازه رشد مي کنند و سپس به سرعت فروپاسيده مي شوند. بنابراين کاويتاسيون غير فعال حتي اگر کاهش فشار مايع براي خلل مشابه مشاهده Rayleighکافي نباشد، مي تواند رخ دهد. حمام هاي فراصوتي معمولا از کاويتاسيون غيرفعال حباب هاي گاز ميکروسکپي براي فرسايش چرک از مواد استفاده مي کنند. عمل کاويتاسيون بسيار شبيه به جوشش مي باشد. اما تفاوتي که بين اين دو فرايند وجود دارد بصورت زير است. جوشش وقتي رخ مي دهد که انرژي مايع به حدي برسد که بر فشار محيط غلبه کند و به عبارتي افزايش فشار دارد. اما در کاويتاسيون مايع افت فشار را تا حدي ادامه مي دهد تا به فشار اشباع رسيده و شروع به تبخير نمايد.

کاويتاسيون فعال :

 فرايندي است که حباب هاي کوچک در يک مايع به نوسان در حضور يک ميدان صوتي، وقتي شدت ميدان صوتي براي فروپاشي کلي حباب ناکافي باشد، واداشته مي شوند. اين شکل از کاويتاسيون فرسايش بسيار کمتري نسبت به کاويتاسيون غيرفعال را سبب مي شود و اغلب براي پاک کردن مواد ظريف مانند قطعات پنجره اي سيليکون استفاده مي شوند. معايب کاويتاسيون در برخورد حباب هاي کوچک شده با دماي بسيار بالا و داراي موج ضربه با سطوحي مانند پروانه کشتي و پمپ ها مي باشد.

کاويتاسيون : صداي زيادي توليد مي کند ، اجزاء را تخريب مي کند ، ارتعاشات توليد مي نمايد و راندمان را کاهش مي دهد.

مزايا :

با وجود آنکه کاويتاسيون در بسياري از محيط ها مطلوب نمي باشد، اما هميشه بدين صورت نيست. از کاويتاسيون نيز مي توان سود برد. به عنوان مثال از کاويتاسيون در ابزارهاي پاک کننده فراصوتي استفاده مي شود. اين ابزارها کاويتاسيون را با امواج صوتي توليد کرده و از فروپاشي حباب ها براي تمييز کردن سطوح بهره مي گيرند. اين کاربرد مفيد نياز به مواد شيميايي مضر را در برخي موارد از بين مي برند. همچنين از کاويتاسيون در برخي مايعات براي هموژنيزه کردن استفاده مي کنند. و در نهايت در تصفيه و خالص سازي آب نيز مي توان از کاويتاسيون بهره برد. 

کاويتاسيون در پمپ ها و پروانه ها :

بيشترين جايي که کاويتاسيون رخ مي دهد در پمپ ها، روي پروانه هاي کشتي مي باشد. همانطور که يک تيغه پروانه در يک پمپ يا پروانه کشتي يا زيردريايي در سيال حرکت مي کند فشار در اطراف آن تيغه کاهش مي يابد. با افزايش سرعت تيغه اين کاهش فشار به جايي مي رسد که فشار تبخير سيال تامين مي شود. در اين حالت سيال تبخير شده و حباب تشکيل مي شود. حال کاويتاسيون رخ داده است. وقتي اين حباب ها فروپاشي مي شوند، امواج ضربه قوي در سيال بوجود مي آيد که قابل شنيدن است و حتي تيغه ها را از بين مي برد. کاويتاسيون در پمپ ها به دو صورت رخ مي دهد:

کاويتاسيون در مکش :

اين کاويتاسيون بدليل فشار کم در مکش رخ مي دهد که سبب ايجاد حباب در ورودي پروانه پمپ گشته و تا خروجي پمپ ادامه مي يابد. در خروجي بدليل فشار زياد سيال خروجي اين حباب ها از بين مي روند. در پمپ هايي که تحت اين نوع کاويتاسيون عمل مي کنند، مقدار زيادي از سطح پروانه ها از بين رفته و در نتيجه پمپ بطور ناگهاني از کار مي افتد.

کاويتاسيون در خروجي :

در اين نوع کاويتاسيون فشار خروجي پمپ بسيار بالا است و اين بدليل کار کردن پمپ در کمتر از 10 درصد راندمان آن مي باشد. فشار خروجي بالا سبب برقراري يک چرخه از سيال درون پمپ مي شود تا اينکه آن سيال را به جريان وادار سازد. همانطور که سيال در اطراف پروانه جريان مي يابد در اثر سرعت سيال خلا ايجاد شده و حباب تشکيل مي شود. در نتيجه کاويتاسيون موجب بروز اثرات مخرب در پمپ مي گردد. اين اثرات عبارتند از: از بين رفتن تيغه ها، از کار افتادگي کامل ياتاقان ها و آب بندهاي پمپ تحت فشارهاي بالا، در شرايط بحراني تر مي تواند محور پروانه را بشکند. 

نتيجه گيري :

1- در راه اندازي پمپ هاي گريز از مرکز حتما بايد به اين نکته توجه داشت که لوله و پمپ از آب پر باشند، زيرا که اين پمپ ها بدليل ايجاد مکش نمي توانند هواي باقي مانده در لوله را پمپ نمايند. بهمين دليل هميشه در راه اندازي شير خروجي بسته است و شير ورودي باز مي ماند. از طرف ديگر آمپر راه اندازي پمپ کاهش مي يابد و در نتيجه به موتور آسيبي نمي رسد. 2- در پمپ هاي گريز از مرکز اگر پمپ کردن دبي بيشتر از سيال مورد نظر باشد، از پمپ هاي نوع جريان شعاعي بهره ميگيريم. 3- در پمپ هاي گريز از مرکز اگر فشار سيال داراي اهميت باشد، از پمپ هاي محوري کمک مي گيريم. 4- تيغه هاي منحني شکل در درون پروانه پمپ راندمان بالاتري از تيغه هاي کاملا صاف و شعاعي دارند. 5- نابالانسي در پمپ هاي گريز از مرکز به هر دليلي که رخ دهد مي تواند باعث آسيب رساندن به پمپ و مخصوصا روتور و قطعات سوار شده بر روي آن گردد. 6- از کاويتاسيون مي توان در جهت بهره گرفتن از آن استفاده نمود و نياز به مواد شيميايي مضر را در برخي موارد حذف نمود.

 در پمپ ها از بروز کاويتاسيون بايد جلوگيري نمود که اين کار را مي توان با روش هاي مذکور انجام داد: 

1- دور کردن خم ها و شيرها از محل ورودي پمپ تا ميزان تجربي حداقل 3 برابر قطر لوله 2- جلوگيري از پائين آوردن ميزان کار پمپ تا کمتر از 10 درصد راندمان آن تا از ايجاد فشار بيش از اندازه در محلي بعد از پروانه پمپ جلوگيري شده و احتمال بروز خلاء و در نتيجه کاويتاسيون کم شود. 3- در نظر گرفتن قطر مناسب لوله ورودي تا از افت فشار در قبل از ورودي پمپ و در نتيجه بروز خلاء و کاويتاسيون اجتناب نمود.