پدیده کاویتاسیون

در یک تعریف ساده می توان توربو ماشین هیدرولیکی را به صورت ماشین‌ مکانیکی دواری معرفی کرد که در آن‌، انرژی بین ماشین و سیال به دلیل وجود حرکت دینامیکی ماشین انتقال می یابد. به بیان دیگر توربو ماشین ماشینی است که در آن انرژی مکانیکی بین سیال عامل (Working fluid) و پره‌ های چرخان با حرکت دینامیکی این پره‌ ها منتقل می‌ یابد. جهت بررسی نحوه ایجاد و رخداد پدیده کاویتاسیون لازم است تا علت وقوع ناحیه ای کم فشار را بررسی کنیم. چرا که ایجاد ناحیه کم فشار در یک سیال است که حباب بخار را ایجاد میکند.

جهت انتقال انرژی در توربو ماشین ها اهمیت بسیار زیادی دارد و دو گروه اصلی از توربو ماشین ها را تعیین می کند. در ادامه این دو گروه معرفی شده اند:

• پمپ ها
• توربین ها

در پمپ جهت انتقال انرژی از پره چرخان به سیال عامل است یعنی سیال با ورود به پمپ و خروج از آن انرژی می گیرد. در توربین این فرایند برعکس است. یعنی جهت انتقال انرژی از سیال عامل به پره است و سیال پس از عبور از توربین انرژی از دست می دهد و باعث چرخش پره می شود.

در هر محلی که از توربوماشین های هیدرولیکی (پمپ ها و توربین ها) استفاده می گردد، وقوع کاویتاسیون ممکن و دارای اهمیت بسیار است. در طراحی و همچنین در حین کارکرد این دستگاه ها باید پدیده کاویتاسیون به دقت بررسی شود و از آن جلوگیری شود.

لازم به ذکر است که پدیده کاویتاسیون در محل های دیگری هم رخ می دهد از جمله : پروانه کشتی ‌ها، اژدرها، پمپ ‌های سانتریفیوژ (گریز از مرکز) و سرریز سدها.

پدیده کاویتاسیون چیست؟

به زبان ساده کاویتاسیون، که با نام های دیگری همچون حباب‌زایی، خوردگی و حفره‌سازی نیز شناخته می شود، فرآیندی است که طی آن، در ناحیه‌ای از مایع با فشار پایین، حباب بخار شکل می‌گیرد و سپس این حباب دچار ترکیدگی شده و انرژی از خود آزاد می کند.

جهت بررسی نحوه ایجاد و رخداد پدیده کاویتاسیون لازم است تا علت وقوع ناحیه ای کم فشار را بررسی کنیم. چرا که ایجاد ناحیه کم فشار در یک سیال است که حباب بخار را ایجاد میکند.

در مواردی که مایعات دارای حرکات متلاطم می باشد، تغییرات فشار در مایع رخ می دهد.

در اثر تغییرات شدید فشار در سیال (اکثرا افت فشار)، فشار موضعی کم‌ تر از فشار بخار مایع می ‌شود و این امر سبب می شود تا حباب‌ هایی پر شده از بخار ایجاد شود که تحت عنوان حباب یا حفره شناخته می شوند.

لازم به ذکر است که در حالت عادی در یک دمای خاص، فشار بخار مایع مشخص است. حال اگر فشار قسمتی از مایع کمتر از فشار بخار باشد و دما همان دمای مشخص، اتفاقی که می افتد این است که در آن دما مایع شروع به تبخیر می کند. تبخیر موضعی مایع در جایی که فشار کمتر از فشار بخار است، سبب ایجاد حباب های بخار می شود.

تاثیر پدیده کاویتاسیون

پدیده کاویتاسیون نامطلوب بوده و به قطعات آسیب می رساند. کاویتاسیون با هدف قرار دادن پروانه ‌ها (در کشتی ها یا پمپ ها) و بدنه داخلی پمپ سبب ایجاد مشکلات زیادی می شود که در ادامه آن ها را نام برده ایم.

برخی تاثیرات پدیده کاویتاسیون در پمپ ها

• آسیب رساندن به اجزای داخلی
• ایجاد صداهای ناهنجار
• کاهش بازدهی
• لرزه در پمپ

انواع کاویتاسیون در پمپ ها

در این بخش به معرفی انواع کاویتاسیون در پمپ ها می پردازیم و راه حل هایی برای جلوگیری از وقوع انواع کاویتاسیون را معرفی می کنیم.

انواع کاویتاسیون در پمپ ها به شرح زیر است:

• کاویتاسیون تبخیری: این نوع کاویتاسیون از جمله معمول ترین انواع کاویتاسیون در پمپ ها است و در اثر پایین بودن مقدار مطلق مکش مثبت در سیستم (NPSHA) نسبت به مقدار مطلق مکش مثبت لازم برای کارکرد مناسب پمپ که توسط شرکت سازنده ارائه می شود (NPSHR)، ایجاد می شود. راه جلوگیری از این نوع پدیده کاویتاسیون، بالاتر نگه داشتن NPSHA نسبت به NPSHR است.
• کاویتاسیون چرخش مجدد داخلی (Recirculation): کاویتاسیون چرخش مجدد داخلی بر خلاف دیگر انواع کاویتاسیون ها در اثر پایین بودن مقدار مطلق مکش مثبت در سیستم (NPSHA) رخ نمی دهد. این نوع پدیده کاویتاسیون هنگامی رخ می دهد که جریان به هر دلیلی نتواند از قسمت تخلیه پمپ خارج شود و یا از قسمت مکش پمپ وارد شود. این امر سبب ایجاد چرخش مجدد (recirculation) در جریان داخل پمپ می شود و آسیب می رساند.
• کاویتاسیون از نوع مکش هوا: در صورت ایجاد خلا در داخل پمپ می تواند مکش هوا به داخل پمپ رخ بدهد. این پدیده مکش هوا باعث ایجاد اختلال در کارکرد پمپ و آسیب رساندن می شود. این پدیده کاویتاسیون از نوع مکش هوا نام دارد. برای جلوگیری از این اتفاق باید قطعات مختلف پمپ و کل سیستم به خوبی آب بندی و متصل شوند تا مکش هوا رخ ندهد.