دانلود پاورپوینت آشنایی با مبانی کاویتاسیون در پمپ ها و توربین ها: علل، اثرات و پیشگیری

کاویتاسیون پدیده‌ای است که در آن، به دلیل افت فشار موضعی در یک سیال (معمولاً آب)، حباب‌های بخار تشکیل شده و سپس در ناحیه‌ای با فشار بالاتر، به طور ناگهانی متلاشی می‌شوند. این پدیده به ویژه در تجهیزات هیدرولیکی مانند پمپ‌ها و توربین‌ها که در آنها سرعت جریان سیال و به تبع آن، فشار، دچار تغییرات شدید می‌شود، بسیار حائز اهمیت است و می‌تواند آسیب‌های جدی به بار آورد.

مکانیسم اصلی تشکیل کاویتاسیون، کاهش فشار استاتیک سیال در یک نقطه خاص به زیر فشار بخار اشباع آن سیال در دمای عملیاتی مشخص است. در پمپ‌ها، این افت فشار معمولاً در ناحیه ورودی پروانه (Eye of the Impeller) و در لبه‌های حمله پره‌ها رخ می‌دهد، جایی که سیال به سرعت شتاب گرفته و مسیر خود را تغییر می‌دهد. در توربین‌ها، این پدیده بیشتر در لبه‌های خروجی و نقاطی که سیال تحت شتاب و انحنای شدید قرار می‌گیرد (مانند ناحیه درفت تیوب در توربین‌های فرانسیس) مشاهده می‌شود. هرچه سرعت سیال افزایش یابد، طبق اصل برنولی، فشار استاتیک آن کاهش می‌یابد. اگر این کاهش فشار تا حدی پیش رود که به فشار بخار سیال برسد، تشکیل حباب‌های ریز بخار شروع می‌شود. این حباب‌ها خود از هسته‌های گازی یا ناخالصی‌های ریز موجود در سیال شکل می‌گیرند.

تخریب ناشی از کاویتاسیون به خودی خود توسط تشکیل حباب‌ها اتفاق نمی‌افتد، بلکه توسط فرآیند متلاشی شدن (Implosion) ناگهانی این حباب‌ها در نواحی فشار بالاتر ایجاد می‌شود. هنگامی که یک حباب بخار به ناحیه‌ای با فشار بالاتر وارد می‌شود، بخار موجود در آن فوراً متراکم شده و حباب با سرعت بسیار زیاد و به شکل نامتقارن فرو می‌پاشد. این فروپاشی، موج‌های ضربه‌ای (Shock Waves) بسیار قوی و همچنین جت‌های میکرو از سیال با سرعت‌های بالا تولید می‌کند که می‌توانند فشارهایی تا چندین صد یا حتی هزاران بار فشار جو را به سطح پره یا جداره تحمیل کنند. این ضربات مستمر و متوالی، به مرور زمان باعث فرسایش موضعی، حفره‌دار شدن (Pitting) و خوردگی شدید مواد در پره‌ها، جداره‌ها و سایر قطعات فلزی می‌شوند که نتیجه آن، کاهش کارایی (راندمان)، ارتعاشات و صدای زیاد، و در نهایت خرابی زودرس تجهیزات است.

برای پیشگیری و به حداقل رساندن اثرات کاویتاسیون، چندین راهکار مهندسی وجود دارد که هدف همگی، جلوگیری از افت فشار سیال به زیر فشار بخار اشباع در نقاط بحرانی است. در پمپ‌ها، مهمترین پارامتر، ارتفاع مثبت خالص مکش (NPSH) است. برای جلوگیری از کاویتاسیون، باید همیشه NPSH در دسترس (NPSH-Available) بیشتر از NPSH مورد نیاز (NPSH-Required) پمپ باشد. افزایش سطح مخزن ورودی، کاهش تلفات اصطکاکی در خط لوله مکش، کاهش دمای سیال (چون با کاهش دما، فشار بخار سیال کاهش می‌یابد)، و استفاده از پمپ‌هایی با دور چرخش کمتر (که طراحی پره بهتری برای کاویتاسیون دارند) از جمله راهکارهای عملی هستند. در توربین‌ها، افزایش عمق نصب یا طراحی با شکل پره بهینه‌تر می‌تواند کمک کننده باشد. همچنین، استفاده از مواد مقاوم در برابر کاویتاسیون (مانند فولاد ضدزنگ خاص یا پوشش‌های سرامیکی) می‌تواند طول عمر قطعات را در برابر آسیب‌های فرسایشی افزایش دهد.