اندازه گیری تجربی کاویتاسیون در پمپها

• اندازه ، سرعت ،قیمت و کاویتاسیون در یک پمپ

در نقطه کار مشخص شده توسط ارتفاع (H) و آبدهی (Q) ، قدرت پمپ با محدودیت های کمی ثابت مانده و تنها متغیر قابل دسترسی ، راندمان آن می باشد .
اگر سرعت چرخشی N و قطر پروانه D (نشان دهنده اندازه آن ) با شد آنگاه داریم :

بنا بر این ماشینهای تند ( سرعت چرخش بالا ) دارای اندازه کوچک و در نتیجه قیمت کمتری می باشند . اما در سرعتهای بالا خطر افزایش کاویتاسیون و جود دارد .
برای نشان دادن این مطلب ضریب کاویتاسیون را به شکل زیر تعریف می کنیم.

فشار مایع : P سرعت نسبی مایع : W

فشار بخار مایع : Pv چگالی مایع :
صورت این عبارت فشار موجود برایجلوگیری از کاویتاسیون و مخرج آن ارتفاع سرعت است که به طور مستقیم نشان دهنده احتمال کاویتاسیون می باشد ، بنابر این نسبت مقدار جلوگیری کننده از کاویتاسیون به مقدار تولید کننده کاویتاسیون می باشد و بالعکس.

تعریف ضریب کاویتاسیون بالا می تواند با در نظر گرفتن سرعت محیطی (u)و سرعت نسبی (w) به صورت زیر اصلاح شود .
بنابر این یک ماشین تند کوچکتر و ارزانتر بوده ، اما دارای ریسک بالایی در کاویتاسیون می باشد و بنابر این به دلایل اقتصادی مقداری از کاویتاسیون در پمپ ها مطلوب می باشد . از نقطه نظر صنعت یک سازنده پمپ کاویتاسیونی پمپهایش را برای خریدار معین میکند . برای یک سری شرایط خاص مکش و نقطه کار ، پمپ برای کار رضایت بخش تضمین می شود و این تضمین به صورت گرافیکی به یک سری منحنی های مشخصه داده می شود این منحنی ها دارای پایه تجربی در نتیجه آزمایشاتی که به عمل می آیند هستند.
• روشهای مطالعه تاثیرات کاویتاسیون در پمپ ها

تاثیرات سوء کاویتاسیون قبلا” بیان شد . کلا” سه روش برای مطالعه کاویتاسیون وجود دارد که در دو تای آنها از مشاهده غیر مستقیم و در یک روش ، از مشاهده مستقیم استفاده می شود .
۱٫ روش مشاهده غیر مستقیم با اندازه گیری اثر کاویتاسیون روی عملکرد یک پمپ به شکل افت بار یا افت راندمان .
۲٫ روش مشاهده غیر مستقیم با اندازه گیری تولید شده از کاویتاسیون از پمپ .
۳٫ روش مشاهده غیر مستقیم با استفاده از عکسبرداری مرئی
غیر از شرایط خاصی که قسمتهای شفاف روی قطعات نصب می شوند و عکسبرداری مورد استفاده قرار می گیرد مشاهده مستقیم عملا” خیلی مشکل است . بنابراین توجه بیشتر در اینجا روی روش های غیر مستقیم با مثالهای مخصوص می باشد .

ارتباط کاویتاسیون و سرعت ویژه پمپ
سرعت ویژه – تعاریف متعددی در مورد سرعت ویژه بیان شده است که هدف همه آنها تعیین معیاری برای مقایسه عملکرد پمپ های مختلف می باشد . در مورد پمپ های که دارای تشابه هندسی و درشرا یط عملکرد یکسانی عمل می کنند می توان در معادلات مربوط به ظرایب آبدهی و ارتفاع عامل قطر پروانه را با تقسیم مجذور معادله (۱) بر توان سه چهارم معادله (۲) حذف کرد :
دراین عبارت سرعت ویژه است که در اروپا عدد نوع (type number ) نیر گفته می شود . د دور در دقیقه ( رادیان بر ثانبه استفاده نمی شود ) ، Q آبدهی ( معمولا بر حسب متر مکعب و گاهی بر حسب لیتر بر ثانیه یا متر بر ساعت

است) و ارتفاع دینامیک کل بر متر است . این معادله علی رغم آنکه ار نظر ابعادی صحیح نمی باشد در سیستم آحاد امریکایی نیز به همین صورت بکار می رود . سرعت ویژه ، n دور بر دقیقه ، Q آبدهی بر حسب گالن در دقیقه و ارتفاع دینامیک کل بر حسب فوت منظور می شود . ظرایب تبدیل سرعت ویژه بر حسب وا حدهای مختلف در جدول ۱ ارائه شده است.
برای هر پمپ در سرعت دوران معین ، سرعت ویژه بر اساس آبدهی و ارتفاع در نقطه بهترین بازده (bep) درنظر گرفته می شود . هنگام استفاده از معادله (۳) در مورد پمپ های دو مکشه نصف آبدهی منظور می شود ، مگر اینکه روش دیگری توصیه شده باشد . در پمپ های چند طبقه ارتفاع هریک از طبقات در نظر گرفته می شود . تغییرات قابل قبول دربازده ماکزیمم ، براساس تغییر دراندازه ، ظرفیت و سرعت ویژه در مورد پمپ های گریز از مرکز یک طبقه و یک مکشه درشکل ۱ نشان داده شده است.

نحوه تغییر درشکل پروانه ، متناسب با افزایش سرعت ویژه نیز دراین شکل مشخص شده است . با افزایش اندازه پمپ ، بازده افزایش می یابد زیرا تلفات اصطکاکی در پاساژهای پمپ کاهش یافته و تلفات حجمی نیز کم می شود. بالاترین بازده در پمپ یک طبقه یک مکشه با محفظه حلزونی حاصل می شود.
کاویتاسیسون و بار مکش مثبت خالص
کاویتاسیون یکی از پیچیده ترین مسائل در عملکرد پمپ ها بشمار می آید و باعث صدمه دیده پمپ و افت مشخصه های آن می گردد .
کاویتاسیون و اثرات آن

کاویتاسیون یک خطر بالقوه است، بخصوص هنگامی که پمپ در دورهای بالا و یا در ظرفیت خیلی بیشتر و یا بسیار کمتر از نقطه بهترین بازده (bep) کار کند. کاویتاسیون باهث کاهش آبدهی و بازده شده و ممکن است گاهی سبب تخریب سریع پمپ شود. کاویتاسیون در پمپ زمانی اتفاق می افتد که فشار مطلق در مکش پمپ تا کمتر از فشار بخار سیال مورد پمپاژ کاهش یابد. آنگاه تشکیل حبابهای بخار در ورودی پروانه شروع می شود. همچنانکه حبابها در پروانه پیش می روند به ناحیه ای که فشار بیشتر است وارد شده و با شدت می ترکند. اگر ترکیدن حباب روی سطح جسم جامد روی دهد، جریان سیالی که برای پرکدن خلاء حاصل از ترکیدن حباب، با فشار و سرعت زیاد به حرکت درآمده است؛ به یک ناحیه بسیار کوچک ضربه می زند. تمرکز فضار باعث خوردگی و فرسایش سطح می گردد. همچنین در جایی که سرعت موضعی جریان زیاد است امکام وقوع کاویتاسیون وجود دارد، این حالت در پروانه هایی با پره های باریک و شیرهای نزدیک به بسته شدن پیش می آید.

پروانه شکل ۳-الف به دلیل کم بودن NPSH خورده شده است. تخریب شیپور مکش در شکل ۳-ب تاثیر جریانهای گردابی است که به علا کارکرد پمپ در ۳۵% آبدهی نقطه بهترین بازده روی داده است. به نظر می رسد که خوردگی و فرسایش تحت تاثیر عوامل شیمیایی شدت یافته است و یا افزایش ناگهانی فشار باعث بالا رفتن درجه حرارت در آن ناحیه شده و سرعت خوردگی را افزایش داده است.
کاویتاسیون علاوه بر خوردگی و فرسایش باعث ارتعاش و سر و صدا (نوفه) می گردد. نوفه در اثر ترکیدن حبابها هنگام وارد شدن در ناحیه پرفشار ایجاد یم شود و ارتعاش ناشی از عدم تعادل و امواج ایجاد شده در هنگام وقوع کاویتاسیون است.

تاثیر کاویتاسیون در عملکرد پمپ
اگر پمپی که سرعت ویژه آن کمتر از ۳۰ ]۱۵۰۰[ است کاویتاسیون رخ دهد چنانکه از شکل ۴ مشخص است افت شدید و ناگهانی در آبدهی، ارتفاع، بازده و توان اتفاق می افتد. لازم به ذکر است که تشکیل حباب در ابدهی کمتری نسبت به آبدهی که در ماویتناسیون کامل رخ می دهد، اتفاق می افتد.
در پمپ هایی با سرعت ویژه بین ۳۰ ]۱۵۰۰[ تا ۸۰ ]۴۰۰۰[ منحنی مشخصه پمپ تا نقطه قطع کامل جریان سیال بتدریج افت می کند.
در پمپ هایی با سرعت ویژه بزرگتر از ۸۰ ]۴۰۰۰[ نقطه افت قطعی مشخص نیست.
بار مکش مثبت خالص (NPSH)

برای تعیین وضعیت وقوع کاویتاسیون، بار مکش مثبت خالص موجود (NPSHA) در چشم پروانه محاسبه شده و با بار مثبت خالص لازم (NPSHR) که توسط سازنده پمپ مشخص شده است مقایسه می شود تا امکان ایجاد کاویتاسیون به حداقل برسد. بار دینامیک مطلق در چشم پروانه (NPSHA) با محاسبه عوامل زری تعیین می شود تاثیر فشار بارومتریک، ارتفاع مکش، افت ارتفاع در نتیجه توبولانس و اصطکاک در لوله مکش و فشار بخار آب در دمای موجود. آب همیشه حاوی مقداری هوای نامحلول است اما غلظت آن بندرت قابل تخمین است لذا تاثیر اندکی دارد و بطور معمول از اثر آن صر فنظر می شود. با توجه به شکل ۵ و ۶، NPSHA توسط معادله ۴ تعیین می شود

(۴)
که در آن Hbar فشار بارومتریک، hs ارتفاع مکش استاتیک در چشم پروانه (اگر سطح آب پایین تر از پمپ مباشد علامت آن منفی درنظر گرفته می شود.)، hext افت در ورودی، hfs افت اصطکاکی در لوله مکش، مجموع افت های موضعی در اتصالات و شیرها، تمام موارد بر حسب متر ستون آب است. ارتفاع ناشی از سرعت در چشم پروانه در معادله ۴ منظور نشده است زیرا قسمتی از ارتفاع دینامیک مطلق است که به طور معمول در محاسبه NPSNR درنظر گرفته می شود.
یادآور می شود که:

-فشار بارومتریک باید بر اساس ارتفاع از سطح دریا شود.
-توفان ممکن است کباعث کاهش فشار بارومتریک تا حدود ۷/۱% شود.
-دمای آب به شدت بر فشار بخار تاثیر می گذارد.
به علت عدم دقت در محاسبات NPSHA معمول است که حداقل ۶/۰ متر ]۲ فوت[ یا ۲۰% NPSHA به عنوان ضریب اطمینان درنظر گرفته یوشد.
بار مکش مثبت خالص لازم (NPSHR) برای پمپ

NPSHR از طریق آزمایش روی پمپ هایی که از نظر هندسی مشابه بوده و در سرعت دوران و آبدهی ثابت ولی با ارتفاع مکش متغییر کار یم کنند تعیین می شود. فرض می شود هرگاه به نحوی در مکش پمپ اختناق ایجاد شود. گسترش کاویتاسیون با ۳% افت در ارتفاع مشخص می شود. این موضوع در شکل ۷ نشان داده شده است. می دانیم که شروع کاویتاسیون پیش از افت ۳% ارتفاع، اتفاق می افتد. کاویتاسیون اساساً می تواند پیش از هرگونه افت در ارتفاع قابل تشخیص باشد، گسترش یابد. در واقع فرسایش در ۱% کاهش ارتفاع (با تعداد اندکی حباب) با سرعت بیشتری نسبت به ۳% کاهش ارتفاع ۰با تعداد زیادی حباب) انجام می گیرد. در حقیقت در یک پمپ در حال کاویتاسیون با ورود هوا به لوله مکش و ایجاد حبابهای فراوان از فرسایش جلوگیری می شود.