کاویتاسیون پمپ چیست؟ بررسی انواع کاویتاسیون در پمپ ها

کاویتاسیون پمپ چیست؟

کاویتاسیون (Cavitation) در لغت از کلمه ی cavity به معنای حفره آمده و منظور از کاویتاسیون ایجاد حفره یا حفره زایی است. در صورت وقوع کاویتاسیون یکی از خسارات کاویتاسیون ایجاد خوردگی و حفره بر روی بدنه پروانه و پوسته پمپ است.

ممکن است در داخل پمپ شرایطی به وجود 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 می دهد. تبدیل مایع به حباب بخار همراه با افزایش حجم ناگهانی می باشد(دانسیته مایع بیشتر از ۱۰۰۰ برابر دانسیته بخار در این شرایط است).حباب تشکیل شده با سرعت زیادی به جلو هدایت می شود.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 به طوریکه 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 می باشد.

توجه کنید:

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 می رسد.به این صدا اصطلاحا صدای سفید گفته می شود.

این داده برای پمپ آب خاص در دوره متفاوت استخراج شده است. در دور  ۵۰۰۰RPM پس از بروز کاویتاسیون به طور ناگهانی هد پمپ آب سقوط کرده،از حالت معمولی خارج می شود. میتوان نتیجه گرفت که افزایش دور امکان وقوع کاویتاسیون را افزایش می دهد. از عوامل کاهش فشار در ابتدای پره می توان 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 می باشند.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 می دهد.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 می دهد.

 به عبارتی 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 می شود.به عبارتی در دبی زیاد احتمال وقوع کاویتاسیون بیشتر است. بدین علت در منحنی مشخصه پمپ سانتریفوژ انتهای سمت راست منحنی مشخصه (دبی ماکزیمم) حذف می گردد،یعنی عملکرد پمپ در ناحیه دبی ماکزیمم ممکن است همراه با کاویتاسیون باشد.

همانطور که قبلا اشاره شد:

فلزات نمی توانند در مقابل کاویتاسیون مقاومت کنند. بهترین آلیاژ برای این منظور عبارت اند 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 می باشد. چنانچه کاویتاسیون در پمپ آب رخ دهد، برای قطع کاویتاسیون یا دبی عبوری از پمپ و یا دور پمپ کاهش داده می شود. 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.

می توان 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 می شود که ضمن پیدایش صدا منحنی مشخصه پمپ ناگهان افت می کند.در وضعیت افت پمپ،پمپ در حالت کاویتاسیون بوده و نقطه عملگرد پایدار نمی باشد.

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 به صورت جت با سرعت بالا از ناحیه باریک  get  عبور می کند. با کاهش دبی نقطه A به طرف ابتدای پره حرکت می کند و باعث می شود 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 می شود.

معمولا کارخانه سازنده قسمت ابتدایی منحنی مشخصه را که محل وقوع احتمالی کاویتاسیون ثانویه می باشد، حذف می کند.از عوامل دیگر جدائی لایه مرزی زاویه بازشدگی پره است که این زاویه بایستی کمتر از ۷ در جه باشد.

انواع کاویتاسیون

از آنجایی که کاویتاسیون به شکل‌های مختلفی در ایمپلر پمپ به وقوع می‌پیوندد، در این بخش به بررسی انواع کاویتاسیون در پمپ‌ها پرداخته می‌شود. شکل زیر برخی از انواع کاویتاسیون در یک ایمپلر جریان محوری بدون شراد را نشان می‌دهد.

زمانی که فشار ورودی پمپ کاهش پیدا می‌کند، کاویتاسیون در گردابه‌های نوک ایمپلر آغاز می‌شود که این گردابه‌ها، زمانی تولید می‌شوند که لبه‌ حمله پره به نوک ایمپلر می‌رسد. به این نوع کاویتاسیون، «کاویتاسیون گردابه‌ای نوک» (Vortex Cavitation) گفته می‌شود و در شکل زیر، نمونه‌ای از آن به تصویر کشیده شده است. نکته مهمی که وجود دارد این است که جریان برگشتی در نوک، باعث ایجاد مولفه‌ عمودی در سرعت بالا دست می‌شود.

زمانی که عدد کاویتاسیون کاهش پیدا کند، نوع دیگری از کاویتاسیون به وجود می‌آید که نمایی از آن در شکل زیر به تصویر کشیده شده است. این نوع از کاویتاسیون «کاویتاسیون حباب» (Bubble Cavitation) نامیده می‌شود و مطابق با شکل زیر با استفاده از حباب‌هایی ایجاد شده در سطح مکش، به وجود می‌آید.

با کاهش بیشتر عدد کاویتاسیون، حباب‌ها با یکدیگر ترکیب می‌شوند و حفره‌های بزرگ چسبیده در سطح مکش پره‌ها را تولید می‌کنند. در مسائل عمومی این نوع از کاویتاسیون با نام «کاویتاسیون چسبیده» (Attached Cavitation) شناخته می‌شود اما در مسائل مربوط به پمپ‌ها، این پدیده را «کاویتاسیون پره» (Blade Cavitation) می‌نامند.

با ادامه روند بالا:

حفره‌های پره، گسترش می‌یابند و به نقطه‌ای روی سطح مکش در مقابل لبه‌ حمله پره بعدی، می‌رسند. در این زمان، اگر فشار سیال در مسیر عبور پره‌ها افزایش یابد، حفره ایجاد شده از بین می‌رود و آسیب‌های ناشی از کاویتاسیون در ناحیه‌ای از سطحی رخ می‌دهد که مقابل لبه حمله پره‌ بعدی (این نقطه، انتهای حفره روی سطح مکش پره است) قرار دارد.

دو نوع از کاویتاسیون پره، در سطح مکش پره ایمپلر رخ می‌دهد. نوع اول در قسمت بالا توضیح داده شد و به عنوان «کاویتاسیون جزئی» (Partial Cavitation) شناخته می‌شود. نوع دیگری از کاویتاسیون پره نیز وجود دارد که در اعداد کاویتاسیون بسیار پایین رخ می‌دهد و طی آن، حفره‌های طویل روی پره تشکیل می‌شود. این نوع از کاویتاسیون پره به «کاویتاسیون گسترده» (Supercavitation) معروف است و در ماشین‌های با «صلبیت» (Solidity) پایین رخ می‌دهد.

برخی از پمپ‌ها طوری طراحی می‌شوند که کاویتاسیون گسترده در آن‌ها ایجاد شود. نکته مثبت در این حالت این است که نابودی حباب، در پایین دست پره‌ها اتفاق می‌افتد، بنابراین میزان خسارات ناشی از کاویتاسیون در پمپ به حداقل مقدار ممکن می‌رسد. در شکل زیر تفاوت کاویتاسیون جزئی و کاویتاسیون گسترده، به صورت کامل به تصویر کشیده شده است.

نوع دیگری از کاویتاسیون به نام «کاویتاسیون جریان برگشتی» (Backflow Cavitation) نیز موجود است:

که در آن، احتمال وقوع تمام انواع کاویتاسیون‌ها موجود است. زمانی که یک پمپ با جریانی کمتر از جریان طراحی آن مورد استفاده قرار می‌گیرد، حباب‌ها و گردابه‌های کاویتاسیون در ناحیه چرخشی بالادست پمپ تشکیل می‌شوند. افزایش فشار پمپ در این شرایط، ممکن است باعث نشتی جریان از نوک و حرکت آن به سمت بالادست و در نتیجه تولید جریان برگشتی شود.

این جریان معمولا مقدار زیادی در بالا دست صفحه ورودی پمپ نفوذ می‌کند. در این شرایط اگر پمپ دچار کاویتاسیون شود، حباب‌ها و گردابه‌ها نیز با استفاده از این جریان برگشتی به سمت بالا دست حرکت می‌کنند. این نوع از کاویتاسیون مشهودترین نوع کاویتاسیون در پمپ‌ها است و شکل زیر یک نوع رایج از کاویتاسیون جریان برگشتی در صفحه ورودی را نشان می‌دهد.

راه‌های از بین بردن کاویتاسیون پمپ

همانطور که نشان داده شد، کاویتاسیون باعث ایجاد مشکلات متعددی مانند خوردگی می‌شود. شکل زیر اثرات ناشی از خوردگی در یک پمپ آب را به تصویر کشیده است. این پدیده را در دستگاه‌های مختلف می‌توان شناسایی کرد و با انجام برخی اقدامات، آن را از بین برد. مفاهیم اصلی این فرآیند به صورت کامل در بخش قبلی مورد بررسی قرار گرفت و همانطور که اشاره شد، کاویتاسیون یک موج شوک در سیال تولید می‌کند و این موج باعث ایجاد ارتعاشات مکانیکی و صدای قابل شنیدن می‌شود. بنابراین می‌توان نتیجه گرفت که شناسایی وقوع کاویتاسیون کار سختی نیست.

ساده‌ترین راه برای کاهش احتمال وقوع کاویتاسیون در یک پمپ، افزایش فشار ورودی آن است و این کار با استفاده از کاهش فاصله بین پمپ و مخزن یعنی کاهش ارتفاع پمپ و یا افزایش ارتفاع مخرن آب امکان پذیر است.

روش دیگر برای از بین بردن این پدیده، کاهش افت فشار و توربولانس جریان در مسیر جریان قبل از پمپ است. این موضوع را می‌توان با استفاده از دو راه، انجام داد. راه اول انتخاب پمپی است که قطر ورودی یکسانی با قطر لوله دارد و راه دوم کاهش تعداد اتصالات در مسیر جریان است.

نکته مهم دیگر:

نکته دیگر که تمام تولیدکنندگان، خود را ملزم به رعایت آن می‌دانند، بحث تعمیر و نگهداری دستگاه‌ها است. آن‌ها معتقدند که عامل اصلی برای کاهش صدمات ناشی از کاویتاسیون جدی گرفتن تعمیر و نگهداری است به طوری که این عملیات در صنایع، تنها یک توصیه نیست بلکه یک الزام جدی در نظر گرفته می‌شود. همچنین استفاده از مکمل‌های خنک کننده افزودنی در موتورهای دیزل برای کاهش صدمات ناشی از کاویتاسیون به صورت جدی توصیه می‌شود.

در بسیاری از کاربردهای دیگر مانند «هیدروفویل‌ها» (Hydrofoils) و «پروانه‌ها» (Propellers)، کنترل محیط بیرون کار سختی است و استفاده از روش‌هایی که در بالا اشاره شد یعنی افزایش فشار و یا دمای ورودی کاربرد زیادی ندارد. طراحی دقیق این تجهیزات باید طوری در نظر گرفته شود که پدیده کاویتاسیون در شرایط کاری آن‌ها رخ ندهد. در ادامه به بررسی کاربردهای مثبت پدیده کاویتاسیون پرداخته می‌شود.

کاربرد کاویتاسیون پمپ

همانطور که اشاره شد پدیده‌هایی مانند کاویتاسیون و ضربه قوچ اثرات مخرب زیادی را در یک سیستم آبی و توربوماشین اعمال می‌کنند. اما کاویتاسیون به صورت کلی پدیده مخربی نیست و کاربردهای عملی بسیار زیادی نیز دارد. برخلاف بسیاری از صنایع که به دنبال حذف احتمال بروز این پدیده در محصولات خود هستند، صنایعی مانند پزشکی نیز وجود دارند که به دنبال ساخت تجهیزاتی برای ایجاد پدیده کاویتاسیون و استفاده از اثرات آن هستند.

در علم پزشکی از پدیده کاویتاسیون فراصوت برای از بین بردن سنگ کلیه و درمان تعدادی از سرطان‌ها استفاده می‌شود. درواقع جریان فراصوت متمرکز با شدت بالا، کاربرد بسیار زیادتری نسبت به روش‌های سنتی دارد. تحقیقات بسیار گسترده‌ای نیز در علم پزشکی انجام شده، که هدف آن‌ها تخریب بافت‌های بیمار بدن به کمک پدیده کاویتاسیون است.

پدیده کاویتاسیون در صنعت تولید شیر نیز برای همگن‌سازی محصولات مورد استفاده قرار می‌گیرد. همانطور که می‌دانید، چربی به صورت طبیعی بالای سطح شیر جمع می‌شود و فرایند همگن‌سازی با شکستن چربی در این محصولات، مخلوط یکنواختی را تولید می‌کند. کاویتاسیون در تصفیه آب نیز کاربرد بسیار زیادی دارد و برای مثال محصول DynaJets با استفاده از کاویتاسیون اجزای مضر را تخریب می‌کند.

علاوه بر موارد بالا:

«کاویتاسیون گسترده» (Supercavitation)، کاربرد بسیار زیادی در صنایع دریایی دارد. برای مثال از این پدیده برای افزایش ماکزیمم سرعت دستگاهی مانند زیردریایی استفاده می‌شود. کاویتاسیون گسترده، همانطور که در بخش قبلی اشاره شد، پدیده‌ای است که طی آن حباب‌های بزرگی، تقریبا تمام جسم را پوشانده است. در این شرایط با دور راندن آب از اطراف جسم، «نیروی پسا» (Drag Force) به شدت کاهش می‌یابد.

برخی از جانوران دریایی نیز از پدیده کاویتاسیون برای شکار طعمه خود استفاده می‌کنند. به طور خاص گونه‌ای از میگوها با حرکت سریع پنجه خود باعث وقوع پدیده کاویتاسیون می‌شوند و در صورتی که ضربه پنجه آن‌ها نیز به طعمه برخورد نکند، شوک ناشی از آن برای کشتن طعمه کافی است.

همانطور که اشاره شد، کاویتاسیون فرآیندی است که طی آن، در ناحیه‌ای از مایع با فشار پایین، حباب بخار شکل می‌گیرد. در این مطلب، ابتدا کاویتاسیون و روابط حاکم بر آن به صورت دقیق مورد بررسی قرار گرفتند و در ادامه اثرات مخرب این پدیده و راه‌های رفع آن بیان شدند. در انتها نیز فواید و کاربردهای این پدیده در صنایع مختلف مورد بررسی قرار گرفتند.