مترجم: حبیب الله علیخانی
منبع:راسخون
منبع:راسخون
از دست رفت ارتفاع در پمپهای گریزازمركز
در تحلیل‌هائی كه در قسمت قبل برروی عملكرد پمپهای گریز از‌‌مركز انجام شد، پمپ گریز از مركز یك ماشین ایده ال فرض گردیده و از دست رفت انرژی (ارتفاع) در آن ناچیز در نظر گرفته شد.
ولی درپمپهای واقعی همواره مقداری از انرژی (ارتفاع) در داخل آن بشكل‌های مختلف بهدر رفته و موجب می‌شود تا منحنی مشخصه H-Q واقعی پمپ درزیرمنحنی مشخصه تئوریك پمپ گریزازمركزدرشرایط ایده ال قرار گیرد.
شناخت عوامل مؤثر در از دست رفت ارتفاع در پمپ، ضمن اینكه می‌تواند در شناخت منحنی مشخصه واقعی آن كمك كند، بلكه در زمینه اعمال اصلاحات لازم در طراحی و ساخت پمپ و كاهش از دست رفت ارتفاع و افزایش راندمان آن نیز مفید واقع شود. بطوری كه امروزه راندمان پمپهای گریزازمركزبه پیش از 90 درصد نیز رسانیده شده‌است. عمده‌ترین عوامل ازدست رفت ارتفاع در پمپهای گریزازمركز عبارتند از:
كه در آن n به نوع جریان بستگی داشته (غالباً n=2 در نظر گرفته می‌شود) و K تابعی از طول مسیر مایع در پمپ، شعاع هیدرولیكی (نسبت سطح مقطع جریان مایع به محیط‌تر شده توسط آن)، سطح مقطع‌های جریان مایع در پمپ و نسبت آنها و ضریب اصطكاك (و عوامل مؤثر برروی آن نظیر زبری سطح، ویسكوزیته مایع و...) بستگی دارد.
درهنگام طراحی پروانه و تعیین زاویه‌های ورودی و خروجی تیغه‌های آن، دبی معینی بنام “دبی طراحی”در نظر گرفته شده وبدنبال آن مشخصه‌های ابعادی پروانه محاسبه ودرساخت آن مورد‌استفاده قرار می‌گیرد. بدیهی‌است كه اگر دبی واقعی پمپ با دبی طراحی مغایرت داشته باشد، پمپ نمی‌تواند رفتاری مشابه با شرایط طراحی داشته باشد، كه عوارض آن بصورت مختلف و ازجمله بهم خوردن زاویه بردار سرعت نسبی در قسمتهای ورودی وخروجی پروانه یا بعبارت دیگر بروز پدیده جریان گردابی خود را نشان می‌دهد. همانطوری كه در شكل 1 مشاهده می‌شود میزان جریان گردشی در دو سمت BEP غیر قابل چشم پوشی بوده ولی در BEP به صفر می‌رسد. اساساًهرگونه انحراف در زوایای ورودی و خروجی مایع در پروانه در مقایسه با زوایای
یا بعبارت دیگر تغییر بردار سرعت نسبی مایع به پروانه می‌تواند موجب بروز جریان گردابی شده كه اصطلاحاً اتلاف شوكی نیز نامیده می‌شود.
پدیده فوق می‌تواند باعث كاهش بردار سرعت خروجی از پروانه و نهایتاً كاهش ارتفاع قابل دسترس در پمپهای واقعی در مقایسه با پمپهای ایده ال گردد.
بدیهی‌است در دبی‌های كم بعلت بالا رفتن اختلاف فشار بین قسمتهای مكش و دهش و وجود لقی بین پروانه و پوسته پمپ، میزان جریان گردشی در مقایسه با مواردی كه دبی پمپ بیشتر‌است، زیادتر می‌باشد.
، مقداری ازآن (Q_l ) بلحاظ وجود لقی بین لبه نافی چشمه پروانه و پوسته پمپ از قسمت فشار قوی به قسمت فشار ضعیف (چشمه پروانه) برگشت نماید. در این صورت دبی واقعی پمپ
برابر‌است با:
بنا بر تعریف راندمان حجمی‌پمپ برابر‌است با نسبت دبی واقعی به دبی كل:
همانطوری كه قبلاً گفته شد به لحاظ وجود مغایرت‌هائی بین شرایط بهره برداری و شرایط طراحی وحتی بصورت دقیقتر مغایرت با پیش فرضهای اولر، ارتفاع واقعی پمپ
ازارتفاع تئوریك
آن كمتر بوده كه نسبت آنهارا راندمان هیدرولیكی پمپ می‌نامند:
راندمان مكانیكی پمپ برابر‌است با:
كه در آن FHP از دست رفت انرژی ناشی از اصطكاك در یاطاقانها، سیستم آب بند‌ی كننده و اصطكاك دیسكی می باشد.
راندمان كلی پمپ عبارت‌است از نسبت توان داده شده به مایع مورد پمپاژ (WHP) به توان داده شده به شافت پمپ (BHP) كه برابر‌است با حاصلضرب راندمانهای حجمی، هیدرولیكی و مكانیكی.
کاویتاسیون
فشار بخار
بنا بر تعریف دمائی كه مایع به گاز (و بالعكس) تبدیل می‌شود را دمای اشباع می‌نامند. دمای اشباع هر مایع به فشار آن بستگی دارد. مثلاً آب در فشار یك اتمسفر (0133/1 بار) در دمای 100 درجه سانتیگراد بجوش می‌آید. تعریف فوق را می‌توان به صورت دو گزاره زیر بیان كرد:
الف: دمای اشباع آب در فشار 0133/1 بار، 100 درجه سانتیگراد‌است.
ب: فشار بخار آب در دمای 100 درجه سانتیگراد 0133/1 بار می‌باشد .
همانطوری كه از جدول 1 پیداست دمای اشباع آب با كاهش فشار كاهش مییابد (و بالعكس) ویا فشار بخار آب با كاهش درجه حرارت كاهش مییابد (و بالعكس). فشار بخار جزء خواص فیزیكی هر سیال می‌باشد. پدیده كاویتاسیون در پمپها هنگامی‌بوقوع می‌پیوندد كه فشار مایع در قبل از چشمه پروانه، (وحتی در مواردی در داخل پروانه) از فشار بخار آن در دمای پمپاژ كمتر گردد (شكل 4).
در شكل 4a، حداقل فشار در چشمه پروانه و بخش ابتدائی تیغه‌ها در حدی‌است كه از فشار بخار مایع در دمای انتقال بالاتر بوده و لذا پمپ فارغ از بروز پدیده كاویتاسیون بكار خود ادامه می‌دهد. ولی در شكل 4b در مناطقی از قسمت مكش و یا چشمه پروانه و حتی در قسمتهای ابتدائی تیغه‌های پروانه، فشار مایع می‌تواند آنقدر كاهش یابد كه از فشار بخار آن در دمای پمپاژ كمتر گردیده و همین امر می‌تواند موجب بروز پدیده كاویتاسیون شود. بنابراین می‌توان نتیجه گرفت كه بروز پدیده كاویتاسیون در انتقال هرمایع در درجه نخست به دمای مایع مورد پمپاژ و میزان فشار در مسیر جریان مایع از قسمت مكش تا داخل پروانه بستگی دارد. ولی دركنار آن عوامل دیگری نظیر مشخصه‌های رفتاری پمپ(پروانه) نیز در بروز این پدیده مؤثر بوده كه بطور جامع در قسمتهای بعد بدان اشاره خواهد شد.
جهت سهولت در تحلیل فوق NPSH به دو دسته تقسیم می‌شود:
خالص ارتفاع مثبت قابل دسترس در قسمت مكش پمپ (NPSHA)
خالص ارتفاع مثبت مورد نیاز در قسمت مكش پمپ (NPSHR)
NPSHA جزء مشخصه‌های سیستم پمپاژ بوده و به عوامل متعددی نظیر فشار جو، خواص فیزیكی مایع مورد پمپاژ (درجه حرارت، وزن مخصوص، فشار بخار در دمای انتقال، ویسكوزیته و... .)، اختلاف سطح انرژی پتانسیل (فشار یا ارتفاع) در منبع مكش تا دهانه چشمه پروانه، تعداد و نوع اتصالات مورد‌استفاده در قسمت مكش، طول و قطر لوله مكش، دبی جریان و... بسنگی دارد. بنابراین تعیین آن بعهده طراحان سیستم پمپاژمی‌باشد.
NPSHR به مشخصه‌های رفتاری و طراحی، دبی جریان، سرعت دورانی و... پمپ بستگی داشته كه از سوی شركت سازنده پمپ و بصورت یك دسته منحنی سهمی‌گونه صعودی برای قطر‌های مختلف پروانه‌های مورد‌استفاده در پمپ بر حسب تغییرات دبی پمپ تهیه شده و در اختیار مشتریان قرار داده می‌شود (شكل 5) . وجه مشترك NPSHR با NPSHA وابستگی هر دو آنها به دبی جریان مایع می‌باشد. با این تفاوت، در حالی كه NPSHR با افزایش دبی افزایش مییابد، NPSHA با افزایش دبی كاهش یافته و همین مغایرت رفتاری باعث می‌شود كه بتوان اذهان داشت كه یكی از عوامل اصلی بروز كاویتاسیون در پمپهای گریزازمركز بالا بودن دبی جریان می‌باشد.
خالص ارتفاع مثبت مورد نیاز در قسمت مكش پمپ (NPSHR)
NPSHR را می‌توان انرژی پتانسیل مورد نیاز (ارتفاع برحسب متر) در قسمت مكش پمپ مازاد بر فشار بخار مایع در دمای انتقال(برحسب متر) تعریف كرد كه امكان بهره برداری از پمپ بدون بروز پدیده كاویتاسیون در آن‌را میسر می‌سازد. NPSHR جزء مشخصه‌های رفتاری پمپ (یاپروانه) بوده و تابعی از سرعت جریان مایع بدرون پروانه می‌باشد و مقدار آن تقریباً با مربع دبی پمپ افزایش مییابد.
عوامل دیگری نظیر قطر چشمه پروانه، سطح مقطع مكش پروانه، تعداد تیغه‌های پروانه، فضای بین تیغه‌ها، قطر شافت، قطر نافی پروانه، سرعت مخصوص پمپ، طراحی مجاری مایع در قسمت مكش پروانه و... نیز برروی NPSHR مؤثر می‌باشند. در یك تعریف تجربی NPSHR در عمل عبارت‌است از افت فشار بین دهانه ورودی پمپ تا لبه خروجی پروانه كه اگر مقدار آن از NPSHA تجاوز نماید، مایع بصورت ناگهانی تبخیر شده و در منطقه فشار قوی خواهد تركید.
با كاهش NPSHA ارتفاع كل پمپ در دبی ثابت تغییری نخواهد كرد ولی در نقطه ای مانند NPSHi، اولین حبابهای بخار در پروانه پمپ تشكیل می‌شود كه اصطلاحاً آن كاویتاسیون مقدماتی یا ابتدائی می‌نامند. با وجود تشكیل حباب، منحنی مشخصه پمپ و ارتفاع اعمال شده توسط آن تغییر نمی‌كند. با استمرار كاهش NPSHA، در وضعیت خاصی بلحاظ افزایش میزان حبابهای تشكیل شده، شرایطی بوجود می‌آید كه ارتفاع كل پمپ شروع به كاهش می‌نماید.
بنابرقرار داد شروع پدیده كاویتاسیون هنگامی‌است كه مقدار NPSHA در حدی نزول یابد كه باعث شود تا ارتفاع كل پمپ به میزان 3 درصد كاهش یابد. مقدار NPSH در این وضعیت را NPSHR (براساس كاهش ارتفاع به میزان 3 در صد) و یا باختصار می‌نامند.
همانطوری كه قبلاً گفته شد، شروع كاویتاسیون در پمپ هنگامی‌است كه در اثر كاهش NPSHA، ارتفاع پمپ به میزان 3 درصد كاهش یابد. اما واقعیت امردراین‌است كه‌استناد به تعریف فوق برای شناخت بروز پدیده كاویتاسیون درپمپها كافی نبوده وگاهی اوقات غیرقابل تشخیص می‌باشد، به نحوی كه غالباً، هنگامی‌اپراتورها ویا تعمیركاران به وقوع این پدیده نامطلوب در پمپها پی می‌برند كه پمپ دچارخسارات جبران ناپذیری گردیده‌است. بنابراین لازم‌است كلیه افرادی كه بنحوی باپمپها سروكاردارند، به علائم مشخصه بروزكاویتاسیون درپمپها آشناشده تابه محض مشاهده آنها باانجام یك سری عملیات اصلاحی، مانع ازپیشرفت كاویتاسیون درپمپهاوبروزصدمات شدیددرساختارمكانیكی آن گردند. مهمترین علائم مشخصه بروز كاویتاسیون درپمپهای گریزازمركزعبارتند از تشكیل حباب در پروانه و پوسته، ایجاد سروصدا، افزایش لرزش، كاهش ارتفاع و دبی و راندمان پمپ، كاهش فشار دهش، لرزش در فشار سنج‌های مكش و دهش، خرابی زودرس یاطاقانها، آسیب دیدگی قطعات داخلی پمپ و... .
در شناخت كاویتاسیون اندازه گیری مقدار سروصدا (میزان مطلق آن) لازم نبوده و بلكه تغییر سطح (Level) آن باید معیار تشخیص قرار گیرد. این روش اجازه می‌دهد تا براساس آن بتوان سیستم‌های هشداردهنده را براساس سطح فشار صوتی ناشی از كاویتاسیون برای تشخیص وضعیت هشدار، توقف و یا كنترل پیش بینی كرده و از آن جهت كنترل شرایط یهره برداری‌استفاده نمود.
بعلت وجود تفاوت‌های اجتناب ناپذیردر تیغه‌ها، دنباله كاویتاسیون در تمامی‌تیغه‌ها یكسان نمی‌باشد، در نتیجه جریان مایع در اطراف تیغه‌ها در حال تغییر بوده و همین امر باعث نابالانسی در پروانه گردیده كه لرزش پمپ را بدنبال خواهد داشت.
دنباله كاویتاسیون دائماً در حال تغییر بوده و همین امر باعث بروز كاویتاسیون با فركانس زیاد و در حال تغییر خواهد شد.
اگر گسترش دنباله كاویتاسیون درحدی باشدكه جریان مایع بطور چشم گیری پخش شود(كاهش ارتفاع)، جریان مایع خروجی از پروانه یكنواخت نبوده و می‌تواند باعث بروز پدیده جدا شدن در قسمت پائین دستی مجرای هر تیغه گردد. هرچه جریان مایع در اثر كاویتاسیون در پروانه بیشتر پخش شود، مایعی كه به گلوئی پوسته پمپ می‌رسد دارای نوسان بیشتری خواهد بود. فركانس لرزش در این حالت برابر‌است با فركانس دوران ضربدر تعداد تیغه‌های پروانه. در اینجا ذكر این نكته ضروری‌است كه بروز كاویتاسیون ابتداء با تشكیل مقادیر جزئی حباب شروع گردیده و در این مرحله فقط قسمتی از پروانه توسط حباب پر خواهد شد كه اصطلاحاً آن‌را ُ ُكاویتاسیون جزئی ُ ُ می‌نامند. بعد از گسترش كاویتاسیون، پروانه از حبابهای گاز پر شده و كاویتاسیون حالت كلی را بخود می‌گیرد. در حالت كاویتاسیون جزئی هرچند كه لرزش ناشی از‌تركش حبابها در مقایسه با كاویتاسیون كلی كمتر می‌باشد ولی بخاطر غیر یكنواختی توزیع سیالات (مایع و بخار) در آن، لرزش ناشی از نابالانسی در پروانه زیادتر از كاویتاسیون كلی خواهد بود. به همین خاطر در تحلیل فرآیند كاویتاسیون كاهش لرزش را نباید یك عامل بهبود شرایط عملكرد سیستم (رفع كاویتاسیون) تلقی كرد، بلكه خود می‌تواند تأئیدی بر پیشرفت و گسترش كاویتاسیون در پمپ باشد.
همانطوری كه در شكل 8 مشاهده می‌شود بروز كاویتاسیون در پمپ باعث انتقال محل تلاقی منحنی مشخصه پمپ با منحنی مشخصه سیستم بسمت چپ (دبی كمتر) شده و نقطه كار دارای ارتفاع، دبی و راندمان كمتری در مقایسه با حالتی كه NPSHA در حد كافی می‌باشد، می‌گردد.
هر چندكه در منابع علمی‌اشاره چندانی به تأثیر كاویتاسیون برروی توان مصرفی در پمپ تحت شرایط بروز كاویتاسیون نگردیده ولی با بررسی روابط قبل شاید بتوان نتیجه گرفت كه با توجه به كاهش همزمان دو پارامتر Q وH در صورت و كاهش راندمان در مخرج كسر نباید انتظار افزایش توان مصرفی را داشته و احتمال كاهش توان مصرفی بیشتری می‌باشد. ولی در هر حال اظهار نظر قطعی در این زمینه نیازمند تعیین مقادیر Q ، H وη بوده تا براساس آن بتوان نظر قطعی را در زمینه تأثیر كاویتاسیون برروی توان مصرفی در پمپ اعلام كرد.
كاهش فشار دهش
با توجه به رابطه زیر می‌توان نتیجه گرفت:
بروز پدیده كاویتاسیون ضمن كاهش ارتفاع قابل دسترس، باعث تشكیل حبابهای بخار گردیده كه دارای وزن مخصوص كمتری نسبت به فاز مایع می‌باشند.
آثار تخریبی كاویتاسیون نه در محل تشكیل حبابها و بلكه در نواحی با فشار بالا كه در اثر افزایش فشار، حبابها می‌تركند بوقوع می‌پیوندد. اگر‌تركش حبابها در حین جریان مایع بوقوع بپیونددآسیبی به پمپ وارد نمی‌شود ولی در نزدیكی دیواره قطعات و در اثر پدیده ضربه جت (Jet Impact)، در ابتدای امر فقط سطح قطعه آسیب دیده ولی بمرور زمان در عمق آن نفوذ خواهد كرد. در شكل 10 نقاطی كه می‌توانند در معرض آسیب دیدگی ناشی از كاویتاسیون قرار گیرند با پیكان نشان داده شده‌است كه شامل تیغه‌های پروانه اندكی دورتر از لبه هدایت كننده و در قسمت پشتی آن، نقاطی كه لقی متحرك وجود دارد، قسمت ورودی پروانه جائی كه تغییر ناگهانی مسیر جریان بروزمی‌كند و در تیغه‌های هدایت كننده بعدی بوقوع می‌پیوندد.
لازم به ذكر‌است كه در زمان تعمیرات پمپها غالباً مسئولین تعمیرات با خرابی‌هایی برروی پروانه وپوسته پمپ مواجه می‌شوند كه درابتدای امر به نظرمی‌رسد ناشی ازبروزپدیده كاویتاسیون می‌باشد. حا ل آنكه خرابی‌های موجودممكن‌است ناشی ازپدیده خوردگی و یا سایش و یا مجموعه از دو یا سه پدیده فوق باشد. شناخت علت خرابی پروانه و پوسته پمپ و یافتن راه حل مناسب برای برطرف كردن و یا جلوگیری از آن اهمیت بسزائی دارد كه در قسمتهای بعدی همین بخش مورد بررسی قرار خواهد گرفت.
بهر حال ممكن‌است شرایطی در سیستم انتقال مایع بوجود آید كه عملاً شرایط فوق برقرار نبوده و پمپ در معرض كاویتاسیون قرار گیرد. همانطوری كه قبلاً گفته شد NPSH (مورد نیاز و قابل دسترس) مقادیر ثابتی نبوده و خود تابعی از دبی جریان در سیستم می‌باشند.
منحنی تغییرات NPSHA و NPSHR بر حسب دبی، شكلی سهمی‌گونه دارند. NPSHA با افزایش دبی كاهش یافته (بجهت افزایش از دست رفت ناشی از اصطكاك در سیستم)، در عوض NPSHR با افزایش دبی پمپ كاهش مییابد. در شكل 11 تغییرات NPSHA و NPSHR برحسب دبی نشان داده شده‌است.
برای غلبه بر كاویتاسیون می‌توان از روشهای زیر‌استفاده كرد:
افزایش NPSHA
كاهش NPSHR
افزایش مقاومت مكانیكی قطعات پمپ در مقابل كاویتاسیون
روشهای افزایش NPSHA
NPSHA جزء مشخصه‌های سیستم و مایع مورد پمپاژ می‌باشد. بنابر این جهت افزایش آن باید در شرایط طراحی و بهره برداری از سیستم و مشخصه‌های فیزیكی مایع مورد انتقال تجدید نظر بعمل آورد. بنا بر تعریف NPSHA از رابطه زیر و در دهانه مكش پمپ محاسبه می‌شود:
ارتفاع سرعتی + ارتفاع معادل فشار بخار مایع - ارتفاع‌استاتیكی مكش = NPSHA
ارتفاع معادل از دست رفت انرژی در قسمت مكش - اختلاف ارتفاع مایع تا منبع مكش
رابطه فوق را می‌توان بصورت زیر خلاصه نمود:
كه در آن:
بار فشار مطلق در منبع مكش
بار فشار بخارمایع در دمای پمپاژ
متر بر ثانیه سرعت مایع در دهانه مكش پمپ
=
متر اختلاف ارتفاع سطح مایع تا دهانه مكش پمپ Z=
متر جمع از دست رفت انرژی در لوله مكش
وزن مخصوص مایع SG =
تذكر: اگر سطح مایع از دهانه مكش پمپ بالاتر باشد (Head)، علامت Z مثبت بوده و اگر از دهانه مكش پمپ پائین‌تر باشد ، علامت Z منفی خواهد بود. در حالتی كه مایع و دهانه مكش پمپ در یك سطح قرار دارند Z=0 می‌باشد. جهت افزایش NPSHA لازم‌است كه در روابط مقادیر مثبت افزایش داده شده و یا مقادیر با علامت منفی كاهش داده شود. افزایش NPSHA موجب افزایش هزینه‌های ثابت (هزینه‌های لوله كشی)در سیستم می‌گردد. .
در صورت‌استفاده از مبدل حرارتی از آنجائی كه عبور مایع مورد انتقال از درون مبدل حرارتی خود باعث كاهش فشار مایع در قسمت مكش پمپ می‌شود كه چندان مطلوب نمی‌باشد. بنابراین مبدل حرارتی باید طوری طراحی شود كه افت فشار مایع بهنگام عبور از آن حتی الامكان كم بوده و در حدی باشد كه نتایج حاصل از كاهش دمای مایع را كه منجر به كاهش فشار بخار آن می‌شود خنثی نسازد.
تزریق مایع سرد به مایع مورد انتقال حتی در مقادیر كم می‌تواند نتایج بسیار مطلوبی را در پی داشته و به همین خاطر در اكثر موارد برای كاهش فشار بخار مایع از این روش‌استفاده می‌شود. در سیستمی‌كه برای انتقال آب گرم (با دمای 163℃ ( طراحی شده‌است، تزریق آب با دمای 79℃ به میزان 4 درصد باعث افزایش NPSHA به میزان 20 فوت (6. 1 متر) می‌شود. در شكل 12 نحوه تزریق مایع سرد به قسمت مكش پمپ نشان داده شده‌است.
كاهش دبی پمپ
كاهش طول مسیر مكش
كاهش تعداد اتصالات
افزایش قطر لوله مكش
(افزایش NPSHA) باقی می‌گذارد. از دست ارتفاع در سیستم‌های لوله كشی با مربع دبی جریان (و یا بعبارت صحیحی‌تر با Q^1.85) رابطه مستقیم دارد. از سوی دیگر كاهش دبی موجب كاهش NPSHR نیز خواهد شد.
همانطوری كه مشاهده می‌شود، با كاهش دبی، فاصله NPSHA از NPSHR زیادتر شده و عملكرد پمپ در جهت بهره برداری با شرایط امن‌تر هدایت می‌شود. برای كاهش دبی پمپ می‌توان از روشهای مختلفی نظیر تغییر سرعت دورانی، ایجاد مقاومت در قسمت مكش و یا ایجاد مقاومت در مسیر دهش (استفاده از شیر كنترل دبی) و... استفاده كرد.
ایجاد مقاومت در قسمت مكش هرچند كه باعث كاهش دبی جریان در لوله مكش می‌گردد ولی باتوجه به اینكه خود باعث افزایش افت فشار در لوله مكش می‌شود روش منطقی نبوده و به هیچ وجه توصیه نمی‌شود. تغییر سرعت دورانی جهت كاهش دبی پمپ در صورت قابلیت اجراء روش مطمئنی می‌باشد. ایجاد خفگی در مسیر دهش پمپ جهت كاهش دبی روش ساده ای بوده و لذا جهت حل مقطعی مشكل بروز كاویتاسیون می‌توان آن‌را بهترین روش دانست.
البته كاهش دبی خود عوارض جدیدی را بدنبال داشته كه عمده‌ترین آن بروز جریان گردشی در قسمت مكش پمپ می‌باشد، لذا نباید این روش را بعنوان یك راه حل قطعی تلقی نمود.
كاهش طول مسیر مكش از طریق نزدیك كردن پمپ به منبع مكش هرچند كه روی ارتفاع كل مورد نیاز در سیستم تأثیری نمی‌گذارد ولی باعث كاهش ازدست رفت انرژی در لوله مكش و افزایش NPSHA می‌گردد. به همین خاطر در طراحی سیستم لوله كشی بویژه در مواردی كه احتمال بروز كاویتاسیون زیاد می‌باشد اكیداً توصیه می‌شود كه پمپ در نزدیك‌ترین محل نسبت به منبع مكش نصب گردد. تأثیر طول مسیر برروی افت فشار یك رابطه خطی بوده و لذا میزان ازدست رفت انرژی در لوله مكش با كم كردن طول آن بطور خطی كاهش مییابد.
افزایش قطر لوله و سایر اتصالات موجود در لوله مكش تأثیر زیادی برروی كاهش ازدست رفت انرژی باقی می‌گذارد. بطوری كه مثلاً با 2 برابر كردن قطر لوله مكش، میزان افت انرژی در آن حدود 32 برابركاهش مییابد.
در اكثر سیستم‌های انتقال حتی در مواردی كه احتمال بروز كاویتاسیون كم می‌باشد توصیه می‌شود كه لوله مكش حدود یك تا دو اندازه (Size)، از لوله دهش بزرگتر در نظر گرفته شود. با كاهش تعداد اتصالات وحذف قطعات غیر ضروری در مسیر مكش می‌توان NPSHA را افزایش داد. مثلاً باید از پیچ وخم دادن غیر ضروری مسیر مكش خودداری كرد و یا در مواقعی كه منبع مكش در پائین‌تر از دهانه ورودی پمپ قرار دارد نیازی به نصب شیر تعمیراتی در لوله مكش نمی‌باشد.
اتصالات براساس كیفیت طراحی و ساختمان آنها دارای از دست رفت انرژی مختلفی می‌باشند، مثلاً از دست رفت انرژی در زانوئی شعاع بلند در مقایسه با زانوئی استاندارد بسیار كمتر بوده، و یا افت فشار در هنگام عبور مایع از درون شیر كشوئی (Gate Valve) چندین برابر كمتر از شیر توپی (Globe Valve) می‌باشد. به همین خاطر در انتخاب اتصالات برای نصب در قسمت مكش پمپها باید سعی شود از اتصالاتی‌استفاده شود كه از دست رفت انرژی در آن در حداقل ممكن باشد.
پمپهای تقویتی عموماً پمپهای با سرعت و ارتفاع كم و از نوع یك مرحله ای با NPSHR كم می‌باشند كه با افزایش جزئی فشار مایع، NPSHA در دهانه مكش پمپ اصلی را افزایش می‌دهند.
استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد.
در تحلیل‌هائی كه در قسمت قبل برروی عملكرد پمپهای گریز از‌‌مركز انجام شد، پمپ گریز از مركز یك ماشین ایده ال فرض گردیده و از دست رفت انرژی (ارتفاع) در آن ناچیز در نظر گرفته شد.
ولی درپمپهای واقعی همواره مقداری از انرژی (ارتفاع) در داخل آن بشكل‌های مختلف بهدر رفته و موجب می‌شود تا منحنی مشخصه H-Q واقعی پمپ درزیرمنحنی مشخصه تئوریك پمپ گریزازمركزدرشرایط ایده ال قرار گیرد.
شناخت عوامل مؤثر در از دست رفت ارتفاع در پمپ، ضمن اینكه می‌تواند در شناخت منحنی مشخصه واقعی آن كمك كند، بلكه در زمینه اعمال اصلاحات لازم در طراحی و ساخت پمپ و كاهش از دست رفت ارتفاع و افزایش راندمان آن نیز مفید واقع شود. بطوری كه امروزه راندمان پمپهای گریزازمركزبه پیش از 90 درصد نیز رسانیده شده‌است. عمده‌ترین عوامل ازدست رفت ارتفاع در پمپهای گریزازمركز عبارتند از:
از دست اتلاف ناشی از اصطكاك
همانطوری می دانیم، ازدست رفت ناشی از اصطكاك در اثر عبور مایع از درون مجاری (پوسته پمپ) تابعی از دبی بوده كه با رابطه ی زیر نشان داده شده‌است:
كه در آن n به نوع جریان بستگی داشته (غالباً n=2 در نظر گرفته می‌شود) و K تابعی از طول مسیر مایع در پمپ، شعاع هیدرولیكی (نسبت سطح مقطع جریان مایع به محیط‌تر شده توسط آن)، سطح مقطع‌های جریان مایع در پمپ و نسبت آنها و ضریب اصطكاك (و عوامل مؤثر برروی آن نظیر زبری سطح، ویسكوزیته مایع و...) بستگی دارد.
ازدست رفت ناشی از جریان گردابی
پروانه عبارت‌است از تعدادی تیغه كه بصورت منحنی در آمده تا جریان مایع در پمپ آرام و بدرون اغتشاش صورت پذیرد. با افزایش تعداد تیغه‌ها، هدایت جریان مایع در پمپ بنحو مطلوبتری صورت پذیرفته، در صورتی كه با كاهش آن، از دست رفت انرژی در اثر جریان گردابی و گردشی در پروانه افزایش مییابد. همانطوری كه بعداً به آن اشاره خواهد شد، زاویه لبه تیغه پروانه تأثیر بسزائی برروی عملكرد پمپ های گریزازمركز می‌گذارد.درهنگام طراحی پروانه و تعیین زاویه‌های ورودی و خروجی تیغه‌های آن، دبی معینی بنام “دبی طراحی”در نظر گرفته شده وبدنبال آن مشخصه‌های ابعادی پروانه محاسبه ودرساخت آن مورد‌استفاده قرار می‌گیرد. بدیهی‌است كه اگر دبی واقعی پمپ با دبی طراحی مغایرت داشته باشد، پمپ نمی‌تواند رفتاری مشابه با شرایط طراحی داشته باشد، كه عوارض آن بصورت مختلف و ازجمله بهم خوردن زاویه بردار سرعت نسبی در قسمتهای ورودی وخروجی پروانه یا بعبارت دیگر بروز پدیده جریان گردابی خود را نشان می‌دهد. همانطوری كه در شكل 1 مشاهده می‌شود میزان جریان گردشی در دو سمت BEP غیر قابل چشم پوشی بوده ولی در BEP به صفر می‌رسد. اساساًهرگونه انحراف در زوایای ورودی و خروجی مایع در پروانه در مقایسه با زوایای
یا بعبارت دیگر تغییر بردار سرعت نسبی مایع به پروانه می‌تواند موجب بروز جریان گردابی شده كه اصطلاحاً اتلاف شوكی نیز نامیده می‌شود.
جریان گردشی
اولر در تحلیل عملكرد پمپهای گریزازمركز، فرض نمود كه تعداد تیغه‌های پروانه بینهایت باشد. اجرای فرضیه فوق در عمل غیر ممكن بوده و تعداد تیغه‌های پروانه بین 3 تا 10 (عموماً 5 تا 7)می‌باشد. كاهش تعداد تیغه‌های پروانه باعث می‌شود تا زاویه واقعی بردار سرعت مایع خروجی از پروانه β_2^' نتواند با مقدار فرض شده β_2 یكسان گردد. مغایرت فوق باعث می‌شود تا مثلث سرعت در لبه خروجی پروانه تغییر كرده (شكل 2) و مقداری مایع قبل ازخروج ازپروانه مجدداً به قسمت مكش آن برگشت مییابد(شكل 3).پدیده فوق می‌تواند باعث كاهش بردار سرعت خروجی از پروانه و نهایتاً كاهش ارتفاع قابل دسترس در پمپهای واقعی در مقایسه با پمپهای ایده ال گردد.
بدیهی‌است در دبی‌های كم بعلت بالا رفتن اختلاف فشار بین قسمتهای مكش و دهش و وجود لقی بین پروانه و پوسته پمپ، میزان جریان گردشی در مقایسه با مواردی كه دبی پمپ بیشتر‌است، زیادتر می‌باشد.
نقطه بهترین راندمان
همانطوری كه مشاهده شد، در یك نقطه معینی از دبی بهره برداری از پمپ، اختلاف فاصله بین دو منحنی واقعی و ایده ال كه همان از دست رفت ارتفاع در پمپ می‌باشد به حداقل خود رسیده یا بعبارت دیگر راندمان پمپ در این نقطه به حداكثر مقدارخود می‌رسد. این نقطه را نقطه بهترین راندمان یا باختصار BEP می‌نامند. بنابر یكی از اصول اساسی علوم مهندسی هرماشین هنگامی‌دارای حداكثر راندمان‌است كه در شرایط طراحی خود بكارگرفته شود. بنابراین BEP را می‌توان همان نقطه طراحی پمپ دانست. هرچند كه بلحاظ ویژگیهای خاص جریان گردشی و اصطكاك، مقادیر ازدست رفت‌های ارتفاع مربوط به هریك ازعوامل فوق در BEP حداقل نمی‌باشد ، ولی بلحاظ كاهش شدید از دست رفت ارتفاع ناشی از پدیده جریان گردابی، كل ازدست رفت ارتفاع در پمپ در BEP به حداقل رسیده و به همین خاطر مغایرت ارتفاع تئوریك و واقعی كمترین مقدار خود را نشان می‌دهد.
راندمان پمپ
فرض میشودكه ازكل دبی پمپ
، مقداری ازآن (Q_l ) بلحاظ وجود لقی بین لبه نافی چشمه پروانه و پوسته پمپ از قسمت فشار قوی به قسمت فشار ضعیف (چشمه پروانه) برگشت نماید. در این صورت دبی واقعی پمپ
برابر‌است با:
بنا بر تعریف راندمان حجمی‌پمپ برابر‌است با نسبت دبی واقعی به دبی كل:
همانطوری كه قبلاً گفته شد به لحاظ وجود مغایرت‌هائی بین شرایط بهره برداری و شرایط طراحی وحتی بصورت دقیقتر مغایرت با پیش فرضهای اولر، ارتفاع واقعی پمپ
ازارتفاع تئوریك
آن كمتر بوده كه نسبت آنهارا راندمان هیدرولیكی پمپ می‌نامند:
راندمان مكانیكی پمپ برابر‌است با:
كه در آن FHP از دست رفت انرژی ناشی از اصطكاك در یاطاقانها، سیستم آب بند‌ی كننده و اصطكاك دیسكی می باشد.
کاویتاسیون
فشار بخار
بنا بر تعریف دمائی كه مایع به گاز (و بالعكس) تبدیل می‌شود را دمای اشباع می‌نامند. دمای اشباع هر مایع به فشار آن بستگی دارد. مثلاً آب در فشار یك اتمسفر (0133/1 بار) در دمای 100 درجه سانتیگراد بجوش می‌آید. تعریف فوق را می‌توان به صورت دو گزاره زیر بیان كرد:
ب: فشار بخار آب در دمای 100 درجه سانتیگراد 0133/1 بار می‌باشد .
همانطوری كه از جدول 1 پیداست دمای اشباع آب با كاهش فشار كاهش مییابد (و بالعكس) ویا فشار بخار آب با كاهش درجه حرارت كاهش مییابد (و بالعكس). فشار بخار جزء خواص فیزیكی هر سیال می‌باشد. پدیده كاویتاسیون در پمپها هنگامی‌بوقوع می‌پیوندد كه فشار مایع در قبل از چشمه پروانه، (وحتی در مواردی در داخل پروانه) از فشار بخار آن در دمای پمپاژ كمتر گردد (شكل 4).
در شكل 4a، حداقل فشار در چشمه پروانه و بخش ابتدائی تیغه‌ها در حدی‌است كه از فشار بخار مایع در دمای انتقال بالاتر بوده و لذا پمپ فارغ از بروز پدیده كاویتاسیون بكار خود ادامه می‌دهد. ولی در شكل 4b در مناطقی از قسمت مكش و یا چشمه پروانه و حتی در قسمتهای ابتدائی تیغه‌های پروانه، فشار مایع می‌تواند آنقدر كاهش یابد كه از فشار بخار آن در دمای پمپاژ كمتر گردیده و همین امر می‌تواند موجب بروز پدیده كاویتاسیون شود. بنابراین می‌توان نتیجه گرفت كه بروز پدیده كاویتاسیون در انتقال هرمایع در درجه نخست به دمای مایع مورد پمپاژ و میزان فشار در مسیر جریان مایع از قسمت مكش تا داخل پروانه بستگی دارد. ولی دركنار آن عوامل دیگری نظیر مشخصه‌های رفتاری پمپ(پروانه) نیز در بروز این پدیده مؤثر بوده كه بطور جامع در قسمتهای بعد بدان اشاره خواهد شد.
خالص ارتفاع مثبت در قسمت مكش NPSH
پدیده كاویتاسیون در پمپهای گریزازمركز هنگامی‌بوقوع می‌پیوندد كه خالص ارتفاع مثبت در قسمت مكش پمپ از آنچه كه شركت سازنده پمپ توصیه نموده‌است كمتر شده باشد. بنا براین برای تحلیل شرایط بروز این پدیده در پمپهای گریزازمركز لازم‌است كه هم شرایط قسمت مكش پمپ از نظر فشار (ارتفاع) و هم مشخصه‌های پمپ مورد‌استفاده از نظر وجود حداقل شرایط مورد نیاز جهت ممانعت از بروز این پدیده مورد بررسی قرار گیرد.
خالص ارتفاع مثبت قابل دسترس در قسمت مكش پمپ (NPSHA)
خالص ارتفاع مثبت مورد نیاز در قسمت مكش پمپ (NPSHR)
NPSHA جزء مشخصه‌های سیستم پمپاژ بوده و به عوامل متعددی نظیر فشار جو، خواص فیزیكی مایع مورد پمپاژ (درجه حرارت، وزن مخصوص، فشار بخار در دمای انتقال، ویسكوزیته و... .)، اختلاف سطح انرژی پتانسیل (فشار یا ارتفاع) در منبع مكش تا دهانه چشمه پروانه، تعداد و نوع اتصالات مورد‌استفاده در قسمت مكش، طول و قطر لوله مكش، دبی جریان و... بسنگی دارد. بنابراین تعیین آن بعهده طراحان سیستم پمپاژمی‌باشد.
NPSHR به مشخصه‌های رفتاری و طراحی، دبی جریان، سرعت دورانی و... پمپ بستگی داشته كه از سوی شركت سازنده پمپ و بصورت یك دسته منحنی سهمی‌گونه صعودی برای قطر‌های مختلف پروانه‌های مورد‌استفاده در پمپ بر حسب تغییرات دبی پمپ تهیه شده و در اختیار مشتریان قرار داده می‌شود (شكل 5) . وجه مشترك NPSHR با NPSHA وابستگی هر دو آنها به دبی جریان مایع می‌باشد. با این تفاوت، در حالی كه NPSHR با افزایش دبی افزایش مییابد، NPSHA با افزایش دبی كاهش یافته و همین مغایرت رفتاری باعث می‌شود كه بتوان اذهان داشت كه یكی از عوامل اصلی بروز كاویتاسیون در پمپهای گریزازمركز بالا بودن دبی جریان می‌باشد.
NPSHR را می‌توان انرژی پتانسیل مورد نیاز (ارتفاع برحسب متر) در قسمت مكش پمپ مازاد بر فشار بخار مایع در دمای انتقال(برحسب متر) تعریف كرد كه امكان بهره برداری از پمپ بدون بروز پدیده كاویتاسیون در آن‌را میسر می‌سازد. NPSHR جزء مشخصه‌های رفتاری پمپ (یاپروانه) بوده و تابعی از سرعت جریان مایع بدرون پروانه می‌باشد و مقدار آن تقریباً با مربع دبی پمپ افزایش مییابد.
بررسی وضعیت شروع پدیده كاویتاسیون در پمپها
تا زمانی كه NPSHA در حدی باشد كه پمپ را از بروز پدیده كاویتاسیون مصون نگهدارد، مقدار آن نمی‌تواند بر عملكرد هیدرولیكی پمپ تأثیر بگذارد، یا بعبارت دیگر ارتفاع قابل دسترس توسط پمپ مقداری ثابت و مستقل از NPSHA خواهد بود (شكل 6).با كاهش NPSHA ارتفاع كل پمپ در دبی ثابت تغییری نخواهد كرد ولی در نقطه ای مانند NPSHi، اولین حبابهای بخار در پروانه پمپ تشكیل می‌شود كه اصطلاحاً آن كاویتاسیون مقدماتی یا ابتدائی می‌نامند. با وجود تشكیل حباب، منحنی مشخصه پمپ و ارتفاع اعمال شده توسط آن تغییر نمی‌كند. با استمرار كاهش NPSHA، در وضعیت خاصی بلحاظ افزایش میزان حبابهای تشكیل شده، شرایطی بوجود می‌آید كه ارتفاع كل پمپ شروع به كاهش می‌نماید.
علائم بروز كاویتاسیون در پمپهای گریزازمركز
پدیده كاویتاسیون همانند هر عارضه دیگری دارای نشانه‌ها و علائمی‌بوده كه بكمك آن می‌توان بروز پدیده كاویتاسیون در پمپ را شناسائی كرده و سپس براساس دستورالعمل‌هائی كه در ادامه این بخش ارائه خواهد شد، تصمیم مناسب جهت غلبه بر آن اتخاذ نمود.همانطوری كه قبلاً گفته شد، شروع كاویتاسیون در پمپ هنگامی‌است كه در اثر كاهش NPSHA، ارتفاع پمپ به میزان 3 درصد كاهش یابد. اما واقعیت امردراین‌است كه‌استناد به تعریف فوق برای شناخت بروز پدیده كاویتاسیون درپمپها كافی نبوده وگاهی اوقات غیرقابل تشخیص می‌باشد، به نحوی كه غالباً، هنگامی‌اپراتورها ویا تعمیركاران به وقوع این پدیده نامطلوب در پمپها پی می‌برند كه پمپ دچارخسارات جبران ناپذیری گردیده‌است. بنابراین لازم‌است كلیه افرادی كه بنحوی باپمپها سروكاردارند، به علائم مشخصه بروزكاویتاسیون درپمپها آشناشده تابه محض مشاهده آنها باانجام یك سری عملیات اصلاحی، مانع ازپیشرفت كاویتاسیون درپمپهاوبروزصدمات شدیددرساختارمكانیكی آن گردند. مهمترین علائم مشخصه بروز كاویتاسیون درپمپهای گریزازمركزعبارتند از تشكیل حباب در پروانه و پوسته، ایجاد سروصدا، افزایش لرزش، كاهش ارتفاع و دبی و راندمان پمپ، كاهش فشار دهش، لرزش در فشار سنج‌های مكش و دهش، خرابی زودرس یاطاقانها، آسیب دیدگی قطعات داخلی پمپ و... .
تشكیل حباب
همانطوری كه قبلاً اشاره شده، بروز پدیده كاویتاسیون با تشكیل حبابهای بخار شروع می‌شود. برای این منظور می‌توان از تجهیزاتی كه قادر به نشان دادن شرایط داخلی پمپ نظیرEndoscope می‌باشد، استفاده كرد.سروصدا
تشكیل حباب و‌تركش آنها در اثر پدیده كاویتاسیون همواره با بروز سروصدای غیر عادی (صدائی نظیر عبور ماسه از درون پوسته پمپ) توأم خواهد بود.در شناخت كاویتاسیون اندازه گیری مقدار سروصدا (میزان مطلق آن) لازم نبوده و بلكه تغییر سطح (Level) آن باید معیار تشخیص قرار گیرد. این روش اجازه می‌دهد تا براساس آن بتوان سیستم‌های هشداردهنده را براساس سطح فشار صوتی ناشی از كاویتاسیون برای تشخیص وضعیت هشدار، توقف و یا كنترل پیش بینی كرده و از آن جهت كنترل شرایط یهره برداری‌استفاده نمود.
لرزش
لرزشی كه در زمان بروز كاویتاسیون در پمپ پدید می‌آید ناشی از سه پدیده زیر می‌باشد:بعلت وجود تفاوت‌های اجتناب ناپذیردر تیغه‌ها، دنباله كاویتاسیون در تمامی‌تیغه‌ها یكسان نمی‌باشد، در نتیجه جریان مایع در اطراف تیغه‌ها در حال تغییر بوده و همین امر باعث نابالانسی در پروانه گردیده كه لرزش پمپ را بدنبال خواهد داشت.
دنباله كاویتاسیون دائماً در حال تغییر بوده و همین امر باعث بروز كاویتاسیون با فركانس زیاد و در حال تغییر خواهد شد.
اگر گسترش دنباله كاویتاسیون درحدی باشدكه جریان مایع بطور چشم گیری پخش شود(كاهش ارتفاع)، جریان مایع خروجی از پروانه یكنواخت نبوده و می‌تواند باعث بروز پدیده جدا شدن در قسمت پائین دستی مجرای هر تیغه گردد. هرچه جریان مایع در اثر كاویتاسیون در پروانه بیشتر پخش شود، مایعی كه به گلوئی پوسته پمپ می‌رسد دارای نوسان بیشتری خواهد بود. فركانس لرزش در این حالت برابر‌است با فركانس دوران ضربدر تعداد تیغه‌های پروانه. در اینجا ذكر این نكته ضروری‌است كه بروز كاویتاسیون ابتداء با تشكیل مقادیر جزئی حباب شروع گردیده و در این مرحله فقط قسمتی از پروانه توسط حباب پر خواهد شد كه اصطلاحاً آن‌را ُ ُكاویتاسیون جزئی ُ ُ می‌نامند. بعد از گسترش كاویتاسیون، پروانه از حبابهای گاز پر شده و كاویتاسیون حالت كلی را بخود می‌گیرد. در حالت كاویتاسیون جزئی هرچند كه لرزش ناشی از‌تركش حبابها در مقایسه با كاویتاسیون كلی كمتر می‌باشد ولی بخاطر غیر یكنواختی توزیع سیالات (مایع و بخار) در آن، لرزش ناشی از نابالانسی در پروانه زیادتر از كاویتاسیون كلی خواهد بود. به همین خاطر در تحلیل فرآیند كاویتاسیون كاهش لرزش را نباید یك عامل بهبود شرایط عملكرد سیستم (رفع كاویتاسیون) تلقی كرد، بلكه خود می‌تواند تأئیدی بر پیشرفت و گسترش كاویتاسیون در پمپ باشد.
كاهش ارتفاع قابل دسترس، دبی و راندمان پمپ
در مواردی كه NPSHA درحدی باشد كه پمپ دچار كاویتاسیون نگردد، نقطه كار پمپ، محل تلاقی منحنی مشخصه سیستم با منحنی مشخصه پمپ خواهد بود. عدم بروز كاویتاسیون باعث ثبات منحنی مشخصه پمپ گردیده و لذا ارتفاع قابل دسترس، دبی وراندمان پمپ مقادیر قابل قبول را خواهند داشت. ولی در شرایط بروز كاویتاسیون، منحنی مشخصه پمپ دچار تغییرات نامطلوبی گشته و قادر به اعمال ارتفاع همانند شرایط عادی نخواهد بود و همین امر باعث كاهش ارتفاع قابل دسترس، دبی و راندمان پمپ خواهد شد (شكل 7).همانطوری كه در شكل 8 مشاهده می‌شود بروز كاویتاسیون در پمپ باعث انتقال محل تلاقی منحنی مشخصه پمپ با منحنی مشخصه سیستم بسمت چپ (دبی كمتر) شده و نقطه كار دارای ارتفاع، دبی و راندمان كمتری در مقایسه با حالتی كه NPSHA در حد كافی می‌باشد، می‌گردد.
هر چندكه در منابع علمی‌اشاره چندانی به تأثیر كاویتاسیون برروی توان مصرفی در پمپ تحت شرایط بروز كاویتاسیون نگردیده ولی با بررسی روابط قبل شاید بتوان نتیجه گرفت كه با توجه به كاهش همزمان دو پارامتر Q وH در صورت و كاهش راندمان در مخرج كسر نباید انتظار افزایش توان مصرفی را داشته و احتمال كاهش توان مصرفی بیشتری می‌باشد. ولی در هر حال اظهار نظر قطعی در این زمینه نیازمند تعیین مقادیر Q ، H وη بوده تا براساس آن بتوان نظر قطعی را در زمینه تأثیر كاویتاسیون برروی توان مصرفی در پمپ اعلام كرد.
كاهش فشار دهش
با توجه به رابطه زیر می‌توان نتیجه گرفت:
بروز پدیده كاویتاسیون ضمن كاهش ارتفاع قابل دسترس، باعث تشكیل حبابهای بخار گردیده كه دارای وزن مخصوص كمتری نسبت به فاز مایع می‌باشند.
نوسان شدید عقربه فشار سنج‌های مكش و دهش
درمواردی كه پمپ دچارپدیده كاویتاسیون می‌گردد، فاقد رفتار یكنواخت وپایدارخواهد شد. یكی ازمهمترین ناهماهگنی رفتاری آن نوسان شدید درفشار مكش و دهش بوده كه بصورت نوسان شدید در عقربه‌های فشارسنج‌های مكش ودهش می‌توان آن‌رامشاهده كرد.خرابی زودرس یاطاقانها
پمپهای گریزازمركز غالباً دارای دونوع یاطاقان می‌باشند كه یكی از آنها برای بار شعاعی بوده ودیگری برای تحمل بار محوری می‌باشد. بروز پدیده كاویتاسیون درپمپها موجب تغییرات شدید بارهای وارده بریاطاقانها گردیده وهمین تغییرات شدید بار وارده، موجب تغییرات شدید در بردار نیروهای وارده بریاطاقان ها خواهد شد كه نهایتا باعث كاهش عمر مفید و خرابی زودرس یاطاقان ها می شود.بروز صدمات وخرابی درپروانه وپوسته یك پمپ
تشكیل حباب در هنگام بروز پدیده كاویتاسیون درداخل پروانه پمپ غالباً درقسمت فشارضعیف تیغه پروانه صورت پذیرفته وبدیهی‌است هنگامی‌كه این حبابها به مناطقی بافشار زیادمی‌رسند، وارد شدن فشاربراین حبابها موجب تركیدن آنها خواهد شد.تركیدن حبابها همواره باآزادشدن مقدارزیادی انرژی توأم بوده كه همان انرژی نهان تبخیر مایع می‌باشد كه در زمان تبخیر، به مایع داده شده‌است. انرژی آزادشده، بر روی سطوحی كه حباب ها برروی آن می‌تركندنیرو واردكرده ومی‌تواندباعث كنده شدن ذرات فلز از بدنه پروانه وپوسته گردد. كنده شدن فلز از بدنه پروانه را اصطلاحاً جوش زدن می‌نامند (شكل 9).آثار تخریبی كاویتاسیون نه در محل تشكیل حبابها و بلكه در نواحی با فشار بالا كه در اثر افزایش فشار، حبابها می‌تركند بوقوع می‌پیوندد. اگر‌تركش حبابها در حین جریان مایع بوقوع بپیونددآسیبی به پمپ وارد نمی‌شود ولی در نزدیكی دیواره قطعات و در اثر پدیده ضربه جت (Jet Impact)، در ابتدای امر فقط سطح قطعه آسیب دیده ولی بمرور زمان در عمق آن نفوذ خواهد كرد. در شكل 10 نقاطی كه می‌توانند در معرض آسیب دیدگی ناشی از كاویتاسیون قرار گیرند با پیكان نشان داده شده‌است كه شامل تیغه‌های پروانه اندكی دورتر از لبه هدایت كننده و در قسمت پشتی آن، نقاطی كه لقی متحرك وجود دارد، قسمت ورودی پروانه جائی كه تغییر ناگهانی مسیر جریان بروزمی‌كند و در تیغه‌های هدایت كننده بعدی بوقوع می‌پیوندد.
لازم به ذكر‌است كه در زمان تعمیرات پمپها غالباً مسئولین تعمیرات با خرابی‌هایی برروی پروانه وپوسته پمپ مواجه می‌شوند كه درابتدای امر به نظرمی‌رسد ناشی ازبروزپدیده كاویتاسیون می‌باشد. حا ل آنكه خرابی‌های موجودممكن‌است ناشی ازپدیده خوردگی و یا سایش و یا مجموعه از دو یا سه پدیده فوق باشد. شناخت علت خرابی پروانه و پوسته پمپ و یافتن راه حل مناسب برای برطرف كردن و یا جلوگیری از آن اهمیت بسزائی دارد كه در قسمتهای بعدی همین بخش مورد بررسی قرار خواهد گرفت.
روش های غلبه بر كاویتاسیون
پدیده كاویتاسیون هنگامی‌در پمپهای گریزازمركز بوقوع می‌پیوندد كه شرایط قسمت مكش (فشار مایع) در حد مطلوب نبوده، بنحوی كه مایع قبل از ورود بداخل پروانه (و درمواردی حتی درقسمت‌های ابتدائی پروانه) به بخار تبدیل نشود. لذا جهت جلوگیری از بروز این پدیده لازم‌است كه شرایط مایع در دهانه ورودی پمپ در حدی باشد كه مایع مورد انتقال در طول عبور از مسیر مكش تا قسمت خروجی پروانه بصورت بخار تبدیل نشود. برای این منظور از نظر تئوریك كافی‌است كه NPSHA از NPSHR پمپ در دبی بهره برداری بیشتر باشد. اكثر سازندگان پمپهای گریزازمركز توصیه می‌كنند كه جهت اطمینان از بروز پدیده كاویتاسیون بهتراست كه NPSHA حداقل 0. 5 متراز NPSHR بیشتر باشد در بعضی از مراجع توصیه شده‌است كه NPSHA برای آب حدود 20 در صد و برای هیدروكربورها حداقل 10 درصد از NPSHR بیشتر بوده ولی مقدار اختلاف نباید از 0. 5 متر كمتر باشد:
بهر حال ممكن‌است شرایطی در سیستم انتقال مایع بوجود آید كه عملاً شرایط فوق برقرار نبوده و پمپ در معرض كاویتاسیون قرار گیرد. همانطوری كه قبلاً گفته شد NPSH (مورد نیاز و قابل دسترس) مقادیر ثابتی نبوده و خود تابعی از دبی جریان در سیستم می‌باشند.
منحنی تغییرات NPSHA و NPSHR بر حسب دبی، شكلی سهمی‌گونه دارند. NPSHA با افزایش دبی كاهش یافته (بجهت افزایش از دست رفت ناشی از اصطكاك در سیستم)، در عوض NPSHR با افزایش دبی پمپ كاهش مییابد. در شكل 11 تغییرات NPSHA و NPSHR برحسب دبی نشان داده شده‌است.
برای غلبه بر كاویتاسیون می‌توان از روشهای زیر‌استفاده كرد:
افزایش NPSHA
كاهش NPSHR
افزایش مقاومت مكانیكی قطعات پمپ در مقابل كاویتاسیون
روشهای افزایش NPSHA
NPSHA جزء مشخصه‌های سیستم و مایع مورد پمپاژ می‌باشد. بنابر این جهت افزایش آن باید در شرایط طراحی و بهره برداری از سیستم و مشخصه‌های فیزیكی مایع مورد انتقال تجدید نظر بعمل آورد. بنا بر تعریف NPSHA از رابطه زیر و در دهانه مكش پمپ محاسبه می‌شود:
ارتفاع سرعتی + ارتفاع معادل فشار بخار مایع - ارتفاع‌استاتیكی مكش = NPSHA
ارتفاع معادل از دست رفت انرژی در قسمت مكش - اختلاف ارتفاع مایع تا منبع مكش
رابطه فوق را می‌توان بصورت زیر خلاصه نمود:
كه در آن:
بار فشار مطلق در منبع مكش
بار فشار بخارمایع در دمای پمپاژ
متر بر ثانیه سرعت مایع در دهانه مكش پمپ
=
متر اختلاف ارتفاع سطح مایع تا دهانه مكش پمپ Z=
متر جمع از دست رفت انرژی در لوله مكش
وزن مخصوص مایع SG =
تذكر: اگر سطح مایع از دهانه مكش پمپ بالاتر باشد (Head)، علامت Z مثبت بوده و اگر از دهانه مكش پمپ پائین‌تر باشد ، علامت Z منفی خواهد بود. در حالتی كه مایع و دهانه مكش پمپ در یك سطح قرار دارند Z=0 می‌باشد. جهت افزایش NPSHA لازم‌است كه در روابط مقادیر مثبت افزایش داده شده و یا مقادیر با علامت منفی كاهش داده شود. افزایش NPSHA موجب افزایش هزینه‌های ثابت (هزینه‌های لوله كشی)در سیستم می‌گردد. .
روشهای غلبه بر كاویتاسیون از طریق افزایش NPSHA
همانطوری كه قبلاً اشاره شد، جهت افزایش NPSHA لازم‌است كه در رابطه مقادیر منفی را كاهش و یا مقادیر مثبت را افزایش داد. برای این منظور می‌توان از روشهای زیر‌استفاده كرد:افزایش فشار در منبع مكش
این روش برای مواردی كه پمپ مایع مورد انتقال را ازمخزنی بسته دریافت می‌كند قابل اجراء می‌باشد. افزایش فشار منبع مكش می‌تواند با تزریق گاز به بالای سطح مایع و افزایش فشار مایع موجود در منبع بطور مستقیم صورت پذیرد. گاز مورد‌استفاده باید سازگاری لازم را با مایع مورد انتقال داشته باشد. در شرایط عادی غالباً از هوا و در شرایط خاص (ضرورت خنثی بودن گاز مورد‌استفاده) عموماً از ازت استفاده می‌شود.كاهش فشار بخار مایع از طریق سرد كردن آن
همانطوری كه دربالا اشاره شد، فشار بخار مایعات تابعی از دمای آن بوده و با افزایش درجه حرارت افزایش مییابد (و بالعكس). در مواقعی كه امكان كاهش درجه حرارت مایع موردانتقال مجازباشد، با‌استفاده از مبدل حرارتی و یا تزریق مایع سرد به قسمت مكش پمپ می‌توان درجه حرارت مایع و در نتیجه فشار بخار آن‌را كاهش داد.در صورت‌استفاده از مبدل حرارتی از آنجائی كه عبور مایع مورد انتقال از درون مبدل حرارتی خود باعث كاهش فشار مایع در قسمت مكش پمپ می‌شود كه چندان مطلوب نمی‌باشد. بنابراین مبدل حرارتی باید طوری طراحی شود كه افت فشار مایع بهنگام عبور از آن حتی الامكان كم بوده و در حدی باشد كه نتایج حاصل از كاهش دمای مایع را كه منجر به كاهش فشار بخار آن می‌شود خنثی نسازد.
تزریق مایع سرد به مایع مورد انتقال حتی در مقادیر كم می‌تواند نتایج بسیار مطلوبی را در پی داشته و به همین خاطر در اكثر موارد برای كاهش فشار بخار مایع از این روش‌استفاده می‌شود. در سیستمی‌كه برای انتقال آب گرم (با دمای 163℃ ( طراحی شده‌است، تزریق آب با دمای 79℃ به میزان 4 درصد باعث افزایش NPSHA به میزان 20 فوت (6. 1 متر) می‌شود. در شكل 12 نحوه تزریق مایع سرد به قسمت مكش پمپ نشان داده شده‌است.
بالا بردن سطح مایع در منبع مكش
شاید در نظر اول بالا بردن سطح مایع در منبع مكش جهت افزایش NPSHA راه حل ساده ای بنظر برسد ولی در خیلی از موارد این امر تقریباً غیر ممكن می‌باشد. مثلاً اگر پمپ برای انتقال آب از رودخانه و یا دریاچه بكارگرفته شود و یا هزینه بالا بردن منبع مكش زیاد باشد، امكان اجراء این دستورالعمل تقریباً غیر ممكن خواهد بود. با این وجود در مواردی كه این اقدام عملی باشد، افزایش جزئی ارتفاع سطح مایع ضمن حل مشكل كاویتاسیون این امكآن‌را مهیا می‌سازد تا بتوان ازپمپ ارزانتر وباراندمان بیشتر‌استفاده كرد كه در نهایت منجر به كاهش هزینه خرید، هزینه‌های بهره برداری (مصرف انرژی) و تعمیرات خواهد شد.پائین بردن پمپ
در اكثر موارد پائین بردن پمپ و كاهش میزان مكش و یا افزایش ارتفاع آسان‌تر از بالابردن سطح مایع می‌باشد. نتایج حاصل از این اقدام همانند حالت قبل خواهد بود. یك روش جایگزین و مشابه آن‌استفاده از پمپهای عمودی كه پروانه آن در قسمت زیرین پمپ و پائین‌تر از سطح زمین قرار دارد می‌باشد. مشكل این روش در روانكاری یاطاقانهای پمپ خواهد بود. باید بررسی شود كه آیا مایع مورد انتقال قابلیت روانكاری مطلوب یاطاقانها را دارا می‌باشد یا خیر؟ امروزه با پیشرفت‌هائی كه در طراحی و انتخاب مواد اولیه یاطاقانها حاصل شده‌است مشكل روانكاری یاطاقانها تقریباً حل شده‌است. با این وجود نباید انتظار داشت كه عمر مفید یاطاقانها حتی هنگامی‌كه باروغن ویا گریس روانكاری می‌شوند در حد عمر پمپ باشد. در هر حال این روش موجب افزایش میزان تعمیرات مورد نیاز برای پمپ می‌گردد.كاهش ازدست رفت انرژی در لوله مكش
جریان مایع از منبع مكش تا دهانه چشمه پروانه همواره با از دست رفت انرژی (افت فشار)توام می‌باشد. بنابراین هر اقدامی‌در زمینه كاهش افت فشار ناشی از عبور مایع از درون لوله و اتصالات موجود در مسیر مكش پمپ می‌تواند در افزایش NPSHA مؤثر واقع گردد كه عمده‌ترین آنها عبارتند از:كاهش دبی پمپ
كاهش طول مسیر مكش
كاهش تعداد اتصالات
افزایش قطر لوله مكش
استفاده از اتصالات با از دست رفت انرژی كمتر
هریك از اقدامات فوق تأثیری جداگانه در كاهش از دست رفت انرژی در لوله مكش(افزایش NPSHA) باقی می‌گذارد. از دست ارتفاع در سیستم‌های لوله كشی با مربع دبی جریان (و یا بعبارت صحیحی‌تر با Q^1.85) رابطه مستقیم دارد. از سوی دیگر كاهش دبی موجب كاهش NPSHR نیز خواهد شد.
همانطوری كه مشاهده می‌شود، با كاهش دبی، فاصله NPSHA از NPSHR زیادتر شده و عملكرد پمپ در جهت بهره برداری با شرایط امن‌تر هدایت می‌شود. برای كاهش دبی پمپ می‌توان از روشهای مختلفی نظیر تغییر سرعت دورانی، ایجاد مقاومت در قسمت مكش و یا ایجاد مقاومت در مسیر دهش (استفاده از شیر كنترل دبی) و... استفاده كرد.
ایجاد مقاومت در قسمت مكش هرچند كه باعث كاهش دبی جریان در لوله مكش می‌گردد ولی باتوجه به اینكه خود باعث افزایش افت فشار در لوله مكش می‌شود روش منطقی نبوده و به هیچ وجه توصیه نمی‌شود. تغییر سرعت دورانی جهت كاهش دبی پمپ در صورت قابلیت اجراء روش مطمئنی می‌باشد. ایجاد خفگی در مسیر دهش پمپ جهت كاهش دبی روش ساده ای بوده و لذا جهت حل مقطعی مشكل بروز كاویتاسیون می‌توان آن‌را بهترین روش دانست.
البته كاهش دبی خود عوارض جدیدی را بدنبال داشته كه عمده‌ترین آن بروز جریان گردشی در قسمت مكش پمپ می‌باشد، لذا نباید این روش را بعنوان یك راه حل قطعی تلقی نمود.
كاهش طول مسیر مكش از طریق نزدیك كردن پمپ به منبع مكش هرچند كه روی ارتفاع كل مورد نیاز در سیستم تأثیری نمی‌گذارد ولی باعث كاهش ازدست رفت انرژی در لوله مكش و افزایش NPSHA می‌گردد. به همین خاطر در طراحی سیستم لوله كشی بویژه در مواردی كه احتمال بروز كاویتاسیون زیاد می‌باشد اكیداً توصیه می‌شود كه پمپ در نزدیك‌ترین محل نسبت به منبع مكش نصب گردد. تأثیر طول مسیر برروی افت فشار یك رابطه خطی بوده و لذا میزان ازدست رفت انرژی در لوله مكش با كم كردن طول آن بطور خطی كاهش مییابد.
افزایش قطر لوله و سایر اتصالات موجود در لوله مكش تأثیر زیادی برروی كاهش ازدست رفت انرژی باقی می‌گذارد. بطوری كه مثلاً با 2 برابر كردن قطر لوله مكش، میزان افت انرژی در آن حدود 32 برابركاهش مییابد.
در اكثر سیستم‌های انتقال حتی در مواردی كه احتمال بروز كاویتاسیون كم می‌باشد توصیه می‌شود كه لوله مكش حدود یك تا دو اندازه (Size)، از لوله دهش بزرگتر در نظر گرفته شود. با كاهش تعداد اتصالات وحذف قطعات غیر ضروری در مسیر مكش می‌توان NPSHA را افزایش داد. مثلاً باید از پیچ وخم دادن غیر ضروری مسیر مكش خودداری كرد و یا در مواقعی كه منبع مكش در پائین‌تر از دهانه ورودی پمپ قرار دارد نیازی به نصب شیر تعمیراتی در لوله مكش نمی‌باشد.
اتصالات براساس كیفیت طراحی و ساختمان آنها دارای از دست رفت انرژی مختلفی می‌باشند، مثلاً از دست رفت انرژی در زانوئی شعاع بلند در مقایسه با زانوئی استاندارد بسیار كمتر بوده، و یا افت فشار در هنگام عبور مایع از درون شیر كشوئی (Gate Valve) چندین برابر كمتر از شیر توپی (Globe Valve) می‌باشد. به همین خاطر در انتخاب اتصالات برای نصب در قسمت مكش پمپها باید سعی شود از اتصالاتی‌استفاده شود كه از دست رفت انرژی در آن در حداقل ممكن باشد.
و: استفاده از پمپ تقویتی (Booster Pump) درقسمت مكش
این روش بویژه برای مواردی كه پمپ اصلی برای اعمال ارتفاع (فشار) زیاد طراحی شده‌است بسیار مؤثر می‌باشد، چرا كه اجازه می‌دهد تا پمپ اصلی با سرعت بیشتری كاركرده و همین امر ضمن كاهش قیمت پمپ اصلی، موجب افزایش راندمان، كاهش تعداد مراحل و افزایش قابلیت اعتماد در سیستم می‌گردد.پمپهای تقویتی عموماً پمپهای با سرعت و ارتفاع كم و از نوع یك مرحله ای با NPSHR كم می‌باشند كه با افزایش جزئی فشار مایع، NPSHA در دهانه مكش پمپ اصلی را افزایش می‌دهند.
استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد.
/ج
