کاویتاسیون یک مشکل رایج در حین کار پمپ های سانتریفیوژ است که می تواند باعث افزایش لرزش و نویز پمپ، کاهش عملکرد و آسیب جدی به قطعات شود.
این مقاله دانش نظری حرفهای در مورد کاویتاسیون را بررسی نمیکند، بلکه تنها تلاش میکند از زبان نسبتاً ساده برای ارائه مقدمهای مفصل در مورد چندین نوع رایج کاویتاسیون در پمپهای گریز از مرکز، خطرات کاویتاسیون و اقدامات رایج برای بهبود کاویتاسیون در محل استفاده کند.
1. انواع کاویتاسیون
از محل وقوع، کاویتاسیون را می توان به کاویتاسیون تیغه، کاویتاسیون شکاف، کاویتاسیون خشن، کاویتاسیون حفره و کاویتاسیون جریان برگشتی تقسیم کرد.
(1) کاویتاسیون برگی
هنگامی که کاویتاسیون رخ می دهد، تشکیل و ترکیدن حباب ها عمدتا در جلو و پشت پره ها اتفاق می افتد که به عنوان کاویتاسیون ایرفویل نیز شناخته می شود که شکل اصلی کاویتاسیون در پمپ های گریز از مرکز است. هنگامی که پمپ خیلی بالا نصب می شود، حتی اگر پمپ در شرایط طراحی کار می کند، یک ناحیه فشار کم-در پشت ورودی و خروجی تیغه مستعد ایجاد می شود:
1) هنگامی که پمپ در شرایط جریان بالا کار می کند، جدا شدن جریان و گرداب ها در لبه جلویی پره ها ایجاد می شود و فشار منفی ایجاد می کند که ممکن است باعث ایجاد حفره در جلوی تیغه ها شود.
2) هنگامی که پمپ در شرایط جریان کم کار می کند، گرداب هایی در پشت پره ها ایجاد می شود که یک ناحیه فشار کم- ایجاد می کند و باعث ایجاد حفره در پشت پره ها می شود.
(2) کاویتاسیون شکاف
به حفره ای اطلاق می شود که هنگام عبور مایع از یک کانال یا شکاف باریک، باعث افزایش موضعی در سرعت جریان و کاهش فشار به فشار تبخیر اجزای جریان می شود.
در شکاف بین حلقه مقاوم در برابر سایش محفظه پمپ گریز از مرکز و لبه بیرونی (صفحه پوششی) پروانه، تحت اختلاف فشار (به ویژه اختلاف فشار زیاد) در دو طرف ورودی و خروجی پروانه، مایع سمت خروجی با سرعت زیاد به عقب برمیگردد و باعث افت فشار موضعی و ایجاد حفره میشود.
در شکاف کوچک بین لبه بیرونی پرههای پمپ جریان محوری و محفظه پمپ، تحت تأثیر اختلاف فشار بین جلو و پشت پرهها، سرعت جریان معکوس بالای مایع در شکاف نیز میتواند باعث افت فشار موضعی شود و در نتیجه حفرهای در لبه بیرونی مربوطه تیغهها در ناحیه بیرونی محفظه پمپ ایجاد شود و در قسمت بیرونی محفظه پمپ، یک حفره ایجاد شود. پروانه و تیغه ها
(3) کاویتاسیون ناهموار
کاویتاسیون خشن به تولید گرداب ها در پایین دست برآمدگی ها اشاره دارد که مایع از سطح ناهموار اجزای جریان ناهموار داخل محفظه پمپ جریان می یابد و باعث افت فشار موضعی و منجر به حفره می شود.
در حین ریختهگری و پردازش اجزای جریان پمپ، ناهمواریهای سطح، سوراخهای شن، سوراخهای هوا و غیره ممکن است باعث تغییرات ناگهانی در وضعیت جریان موضعی شوند و منجر به کاویتاسیون شوند.
(4) کاویتاسیون حفره
کاویتاسیون در یک حفره به تشکیل یک نوار گرداب مارپیچی در محفظه مکش در ورودی پمپ به دلیل شرایط نامناسب ورودی آب یا عمق ناکافی غوطه وری اشاره دارد. هنگامی که فشار مرکزی کمربند گردابی به فشار تبخیر کاهش می یابد، حفره نیز رخ می دهد که با ارتعاش قوی همراه است.
(5) کاویتاسیون رفلاکس
به طور کلی، پیش نیاز کاویتاسیون NPSHa است
زمانی که دبی پمپاژ خیلی کم باشد یا فشار ورودی خیلی زیاد باشد، جریان برگشتی رخ می دهد. هنگامی که نرخ جریان پمپاژ خیلی کم است، رفلاکس داخلی در ورودی پروانه رخ می دهد. هنگامی که فشار ورودی پمپ بیش از حد بالا باشد، رفلاکس داخلی در خروجی پروانه رخ می دهد. رفلاکس داخلی باعث افزایش سرعت جریان مایع می شود تا زمانی که تبخیر حباب هایی را تولید می کند که سپس تحت فشار بالاتر اطراف پاره می شوند. هنگامی که جریان برگشتی داخلی در درگاه مکش رخ می دهد، صدای تروق نامنظم در اطراف درگاه مکش پمپ منتشر می شود که با صدای انفجار با شدت- بالا همراه است.
رفلاکس کاویتاسیون به طور کلی می تواند از طریق روش های زیر بهبود یابد:
1) دبی خروجی پمپ را افزایش دهید.
2) یک بای پس بین ورودی و خروجی پمپ نصب کنید (پذیرش این روش برای مشتریان در کاربردهای عملی دشوار است).
3) ساختار پروانه را بهینه کنید (محیط ورودی پروانه را کاهش دهید).
2. خطرات کاویتاسیون
(1) تخریب عملکرد، آسیب خط لوله
کاویتاسیون می تواند به طور قابل توجهی عملکرد پمپ را کاهش دهد. معمولاً برای پمپ های گریز از مرکز، وقتی فشار ورودی تا حدی کاهش می یابد، عملکرد آنها به شدت کاهش می یابد که به آن شکست کاویتاسیون نیز می گویند. کاویتاسیون همچنین می تواند باعث ناپایداری در داخل سیال شود که می تواند منجر به نوسانات جریان و فشار شود. با کمک این نوسانات، ممکن است به پمپ و خطوط لوله ورودی و خروجی آن آسیب وارد کند.
(2) آسیب جدی به اجزای جریان اضافه پمپ
کاویتاسیون می تواند باعث آسیب به سطح قطعات شود. هنگامی که حباب ها می ترکند، مایع اطراف فشار ضربه بسیار بالایی (فشار اوج) تا 49 مگاپاسکال ایجاد می کند. هنگامی که استحکام هیدرولیکی کاویتاسیون از توانایی ماده برای مقاومت در برابر این ضربه فراتر رود، می تواند منجر به شکست خستگی موضعی مصالح دیوار و جدا شدن مواد سطحی شود. کاویتاسیون همزمان با خوردگی شیمیایی و الکتروشیمیایی اتفاق می افتد. اندازه گودال های ایجاد شده در اثر خوردگی و تغییر شکل پلاستیک مواد در مراحل اولیه کاویتاسیون حدود 10 میکرومتر تا 50 میکرومتر است، به ویژه برای برخی از مواد با مقاومت خوردگی ضعیف، که ممکن است ساختارهای لانه زنبوری را تحت کاویتاسیون طولانی مدت نشان دهند.
(3) ایجاد ارتعاش و سر و صدا
در لحظهای که حباب متراکم میشود، منقبض میشود و پاره میشود، مایع اطراف حباب با سرعت زیاد فضای خالی را پر میکند (که در اثر تراکم و پارگی حباب ایجاد میشود)، باعث ایجاد ضربانهای فشار و در نتیجه ارتعاش و نویز هیجانانگیز میشود. فرکانس صدای کاویتاسیون به طور کلی بین 10 کیلوهرتز تا 100 کیلوهرتز است، در حالی که فرکانس صدای کاویتاسیون ناشی از ریفلاکس و ضربان فشار حدود چند صد هرتز است که گوش انسان را به ویژه حساس می کند. در عین حال، کاویتاسیون همچنین می تواند ارتعاش را تحریک کند و فرکانس اصلی ارتعاش ایجاد شده توسط کاویتاسیون به طور کلی حدود 1 کیلوهرتز است.
کاویتاسیون نه تنها با سطوح بالای نویز مشخص می شود، بلکه با شاخص های ارتعاش مانند سفتی ناکافی پایه پمپ و پشتیبانی ضعیف خط لوله، که می تواند باعث تشدید ساختاری شود، مشخص می شود. پس از نصب پمپ، پایه با بتن پر می شود و سفتی پشتیبانی خط لوله کافی است که عموماً باعث ایجاد پدیده ارتعاش شدید نمی شود. با این حال، از طریق اندازهگیری ارتعاش در بدنه پمپ، جزء فرکانس بالا-فرکانس ارتعاش ایجاد شده توسط کاویتاسیون غالب است و مقدار شتاب ارتعاش بالاتر از جابجایی ارتعاش و سرعت ارتعاش است.
3. اقدامات مشترک برای بهبود عملکرد کاویتاسیون
(1) اقداماتی برای بهبود عملکرد ضد کاویتاسیون خود پمپ های گریز از مرکز
1) طراحی پورت مکش پمپ را بهبود بخشید
با سنگ زنی پروانه، می توان سطح جریان را افزایش داد.
شعاع انحنای بخش ورودی صفحه پوشش پروانه را افزایش دهید تا شتاب سریع و افت فشار جریان مایع را کاهش دهید.
ضخامت ورودی تیغه را به طور مناسب کاهش دهید و ورودی تیغه را گرد کنید (سر تیغه را پولیش دهید، آن را تیز کنید تا ضربه ورودی را کاهش دهید و حساسیت زاویه ورودی را کاهش دهید و مقدار کاویتاسیون لازم را می توان حدود 0.5 متر کاهش داد)، آن را به شکل جریان نزدیک کرد و همچنین افت فشار و افت فشار اطراف تیغه را کاهش داد.
برای کاهش افت مقاومت، صافی سطح پروانه و ورودی تیغه را بهبود بخشید.
لبه ورودی تیغه را به سمت ورودی پروانه بکشید تا جریان مایع از قبل کار را دریافت کند و فشار را افزایش دهد.
2) یک چرخ القایی جلو اضافه کنید
برای افزایش فشار جریان مایع، جریان مایع را از قبل در چرخ القایی جلویی کار کنید (این طرح به تغییرات ساختاری و کالیبراسیون مجدد پارامترهای طراحی مختلف نیاز دارد).
3) اتخاذ پروانه دو مکش
سطح ورودی پروانه را افزایش دهید و دبی مایع ورودی را کاهش دهید (کاهش دبی و افزایش فشار).
4) استفاده از زاویه حمله مثبت کمی بزرگتر
برای افزایش زاویه ورودی تیغه، خم شدن در ورودی تیغه را کاهش دهید، انسداد تیغه را به حداقل برسانید و در نتیجه سطح ورودی را افزایش دهید.
بهبود شرایط کار در شرایط جریان بالا برای کاهش تلفات جریان. اما زاویه حمله مثبت نباید خیلی زیاد باشد، در غیر این صورت روی کارایی تأثیر می گذارد.
5) استفاده از پمپ کم سرعت-
هرچه سرعت چرخش کمتر باشد، NPSHr کوچکتر است.
6) استفاده از مواد ضد کاویتاسیون
تمرین ثابت کرده است که هر چه استحکام، سختی و چقرمگی یک ماده بیشتر باشد، پایداری شیمیایی آن بهتر است و مقاومت آن در برابر کاویتاسیون قویتر است.
(2) اقداماتی برای افزایش میزان کاویتاسیون دستگاه
1) فشار سطح مایع را در مخزن ذخیره قبل از پمپ افزایش دهید تا میزان موثر کاویتاسیون بهبود یابد.
2) ارتفاع نصب پمپ را در دستگاه مکنده به خصوص هنگام انتقال آب گرم به عنوان واسطه کاهش دهید و ارتباط بین ارتفاع مکش و دمای محیط را در نظر بگیرید.
3) دستگاه مکش را با دستگاه جریان برگشتی تعویض کنید.
4) کاهش افت جریان در خط لوله مکش قبل از پمپ. در صورت امکان، خط لوله را در محدوده مورد نیاز کوتاه کنید، از قطر لوله مکش مناسب و منطقه فیلتراسیون فیلتر (در صورت وجود) استفاده کنید تا سرعت جریان در خط لوله را کاهش دهید، تعداد خم ها و شیرها را کاهش دهید و دهانه شیر را تا حد امکان افزایش دهید.
5) اگر کاویتاسیون شکاف شدید باشد، می توان از روش حفاری سوراخ های تعادل روی پروانه برای کاهش سرعت جریان نشتی و کاهش درجه کاویتاسیون استفاده کرد. سوراخ های تعادل روی تیغه ها اثر مخرب و تداخلی بر جریان مایع تزریق شده در ورودی پروانه دارند. مساحت سوراخ های تعادل نباید کمتر از 5 برابر سطح خلاصی حلقه آب بندی باشد تا سرعت جریان نشتی کاهش یابد و در نتیجه تاثیر آن بر جریان مایع اصلی کاهش یابد و قابلیت ضد حفره پمپ بهبود یابد.
6) تجربه نشان داده است که با شروع از مکانیسم کاویتاسیون، افزودن مقدار مناسب گاز به درگاه مکش می تواند شرایط ایجاد کاویتاسیون را مختل کند. با این حال، استفاده از پر کردن هوا برای جلوگیری از کاویتاسیون پمپ بسیار فنی است و تنها با حجم، مکان و روش مناسب پر کردن هوا می توان به نتایج خوبی دست یافت. در غیر این صورت باعث کاهش قابل توجه دبی، هد و راندمان پمپ شده و حتی منجر به قطع جریان و پیامدهای نامطلوب در حین کار می شود.
با توجه به دشواری کنترل مقدار مناسب هوا و اندازه گیری دقیق، همراه با تمرین نویسنده، استفاده از شیر سوزنی که می تواند دبی دریچه تامین هوا را تنظیم کند، توصیه می شود. در طول تنظیم-در محل، میتوان از صدای کاویتاسیون برای تشخیص استفاده کرد: حجم ورودی را از طریق دریچه سوزنی تنظیم کنید تا نویز کاویتاسیون به حداقل برسد (بعضی از سیستمها میتوانند نویز را کاملاً حذف کنند، اما برخی از سیستمها فقط میتوانند نویز کاویتاسیون را کاهش دهند، نه کاملاً آن را حذف کنند)، سپس دریچه سوزنی را کمی به عقب تنظیم کنید تا حجم ورودی را کاهش دهید، عملکرد را در شرایط مختلف مشاهده کنید تا زمانی که زمان خاصی قفل نشود. باز شدن دریچه سوزنی این روش هرگز نباید صدا را به پایین ترین سطح برساند! اگر فشار ورودی هنگام توقف کار پمپ مثبت باشد، برای جلوگیری از نشتی باید یک شیر چک نصب کرد.
7) تحقیقات نشان داده است که وقتی محیط حاوی گازهای فرار و ذرات جامد مانند شن و ماسه باشد، عملکرد کاویتاسیون پمپ کاهش می یابد. برای اطمینان از اینکه پمپ دچار کاویتاسیون نمی شود، ارتفاع مکش پمپ باید حداقل 4.2 متر از ارتفاع محاسبه شده آب تمیز کاهش یابد. در صنعت شهرداری به این نکته توجه شود.