Kavitasyon

Yüksek bir binadan düşmekle ilgili eski şaka şudur: "sizi öldüren düşüş değil, dipteki ani durmadır."Kavitasyon söz konusu olduğunda, pompayı öldüren buhar kabarcıklarının oluşumu değil, sonraki çöküştür.

Net pozitif emme kafası (NPSH) ve kavitasyon hakkında kabarcık oluşumu ve bunun sonucunda ortaya çıkan pompa hasarı hakkında geniş anlamda konuşan birçok makale vardır, ancak hasar mekanizmasının detayları nadiren tartışılmaktadır. Bu makalenin odak noktası, birkaç baloncuk için neden bu kadar endişelendiğimizi araştırmaktır.

Kavitasyon, pompa gürültüsünde ve titreşiminde artışa, ancak daha da önemlisi performans, verimlilik ve pervane erozyonunda düşüşe neden olur. Kavitasyondan kaynaklanan hasarın tamamı metal kaybı veya metal hasarı değildir. Bazen sorun, dengesiz akışlar (kabarma) nedeniyle rulman ve mekanik salmastra ömrünün kısalmasıdır.

Santrifüj pompalar açısından basitçe tanımlanan “klasik kavitasyon", pompa girişinde çarkın gözünün yakınında kabarcıkların oluşmasıdır. Kabarcıklar, yerel basıncın sıvının buhar basıncının altına düşmesi nedeniyle oluşur (bunu görmenin başka bir yolu da NPSH marjının yeterli olmamasıdır). Kesirli bir saniyeden daha kısa bir süre sonra, kabarcıklar pervane kanatlarının alçak basınç tarafı boyunca geçerken, daha yüksek basınçlı bir bölgeye girer ve çökerler.

Bunu, pervane kanadının diğer tarafında ortaya çıkan emme veya boşaltma devridaimi gibi diğer kavitasyon nedenlerinden ayırmak için klasik kavitasyon olarak adlandırıyorum. Devridaim kavitasyonu tipik olarak pompanın pompa çalışma eğrisinin sol tarafında (azaltılmış akışlar) ve en iyi verimlilik noktasından (BEP) uzakta çalıştırılmasından kaynaklanır. Gelen akışın yaklaşma açısı, dönen pervane giriş kanadı geometrisininkiyle uyuşmuyor. Sonuç olarak, kanatlar arasında girdap akımları ve türbülans oluşur.

Girdap akımının genel alanı içinde hız artar ve sonuç olarak basınç düşer. Bu eylem, Bernoulli denklemi ve basınç-hız ilişkisi ile açıklandığı gibi enerjinin korunumu yasaları nedeniyle gerçekleşir. Lokal basınç buhar basıncının altına düştüğünde kavitasyon kabarcıkları oluşur. Devridaim kavitasyonuna tipik olarak klasik anlamda yetersiz NPSH neden olmaz. Yeterli NPSH marjından fazlasına sahip olabilirsiniz ve pompa bep'sinden uzakta çalıştırıldığı için hala devridaim kavitasyonu yaşayabilirsiniz.

Bu durum oluştuğunda, pervane giriş geliş açısına kıyasla akış açısında bir uyumsuzluk olur. Pompa çarkının emme özgül hızı (NSS) ne kadar yüksek olursa, devridaim kavitasyonu o kadar olasıdır.

Pervane geçidinin ortasında parçalanan kavitasyon kabarcıkları simetrik olarak (her yönden eşit olarak) çöker, bu nedenle potansiyel gürültü ve belki biraz titreşim dışında daha az endişe nedeni vardır. Ocakta açık bir tavada kaynayan suya benzer (ancak farklı), tencerenin dibinde kabarcık oluşur, yüzeye çıkar ve sorunsuz veya zararlı etkiler olmadan çöker (teknik olarak bu bir patlamadır ve çökme değildir, bu nedenle neredeyse hiç enerji açığa çıkmaz).

Bununla birlikte, bir pompa çarkındaki buhar kabarcıkları kanadın metal yüzeyine bitişik olarak çöktüğünde, alt tabakadan kaynaklanan metal kaybı nedeniyle çok daha yüksek hasar ve endişe potansiyeli vardır. Kabarcık kanat yüzeyine yakın çöktüğünde asimetrik olarak çökecektir. Kanat yüzeyine yakınlığı nedeniyle kabarcık geometrisi değişir ve hareketi daha ölümcül hale getirir. Kabarcık çöktüğünde, o boşluğu doldurmak için içeri giren sadece çevreleyen sıvı değildir, daha da önemlisi buharın bir buhardan (geri) bir sıvıya dönüşmesidir.

Bir durum değişikliği için aktarılan enerji miktarının çok yüksek olduğunu vurgulamak için tekrarlıyorum. Entalpi denklemlerini kullanarak enerjiyi hesaplayabilirsiniz. Ek olarak, bir buhar kabarcığının çökmesi, bir hava kabarcığı olduğundan katlanarak daha etkilidir. Buhar kabarcıkları ile sıvıdan buhara ve geriye doğru bir durum değişikliği olurken, bir hava kabarcığı oluşumu veya dağılması bir durum değişikliği içermez. Ayrıca, buhar kabarcığı asimetrik olarak çöktüğünde, yerel, nano ölçekli bir seviyede güçlü olan (yerel ölçek 1 x 10-9, yani negatif dokuz üs veya milyarda 10'dur) ortaya çıkan yeniden giriş yapan bir mikro jet patlaması meydana gelir.

Mikro jet patlamasına dahil olan yerel basınç kuvvetleri, inç kare başına 10.000 pound'dan (psıg) daha yüksek şok dalgalarına neden olabilir. Kabarcık çökme fenomeni, saniyede 300 kez yüksek periyodiklikle ortaya çıkabilir ve tüm bu eylem ses hızında gerçekleşir. Ortaya çıkan mikro patlama jeti, sıvı akışı yerine neredeyse her zaman bitişik yüzeye yönlendirilir. Kanatlı malzeme substratı, lokalize bir yüzey yorulma arızasına maruz kalır. Bir buhar kabarcığının yaratılıştan çökmeye kadar ortalama ömrü yaklaşık 2 ila 3 milisaniyedir. Hasarı yaratanın şok dalgası mı yoksa yeniden giren mikro jet patlaması mı olduğu konusunda herkes hemfikir değildir. Muhtemelen, bu kombinasyon.

Umarım bu bakış açısıyla kavitasyonun bir pervaneye kısa sürede nasıl zarar verebileceğini anlamaya başlarsınız.

Bilimsel düzeyde, daha önce bahsedilen entalpi denkleminin yanı sıra, kabarcık çöküşünün enerjisi basitçe kinetik bir enerji hesaplamasıdır ve kütle ve hızın bir fonksiyonudur.

Kinetik enerji = 0.5 x mv2 

burada: m kütle ve v hızdır

Ortam sıcaklığında suda oluşan buhar kabarcıklarının, su sıcaklığının 200 F'ye yakın ve ona yaklaşmasından çok daha büyük boyutta (kütle) olduğuna dikkat edin.Kabarcık ne kadar büyükse, o kadar fazla enerji ve hasar olur. Bu nedenle soğuk su kavitasyonu, sıcak su kavitasyonundan çok daha tehlikelidir.

Buhar kabarcığı evriminin temel nedeni genellikle göz ardı edilir. Pompalar, suyun buharlaşmasını sağlamak için çok fazla ısı üretmez, bunun yerine pervane gözünün yakınındaki basınç düşüşünün bir sonucudur. Basıncı yeterince düşürürseniz suyu 33 ° C'de kaynatabileceğinizi unutmayın.

Kavitasyon gürültüsünün (yoğunluğunun) pervane hasarı ile bir miktar korelasyonu vardır. Şu anda kesin bir belirleme için kesin bir formül veya yöntemin farkında değilim. Bu konuda birçok kişinin çalışmalar yürüttüğünün farkındayım. Kavitasyon için gürültü seviyesi genel 10 kilohertz (kHz) ila 120 kHz aralığına düşer. İnsanlar için genel kabul görmüş işitme aralığı yalnızca 20 Hz ila 20 khz'dir. Belki gelecekteki bir makaleyi kavitasyonun akustik tespitine adayacağım. Kavitasyon gürültüsü duyuyorsanız, pompa muhtemelen kavitasyonludur, ancak kavitasyon gürültüsü duymamanız, kavitasyon olmadığı anlamına gelmez. En zararlı kavitasyondan bazıları, duyulabilir aralığın dışındaki gürültü seviyelerinde meydana gelir. Ayrıca birçok insanın kavitasyon gürültüsünü türbülanslı veya yüksek hızlı akış sesleriyle karıştırdığına tanık oluyorum.

Bazen kavitasyonsuz bir sisteme sahip olamazsınız ve problem yerine semptomu tedavi etmek isteyebilirsiniz. Tüm bu enerjinin pervane kanadının yüzeyine yakın bir yerde dağılmasıyla, tüm pervane malzemelerinin uygulanan kuvvete farklı tepki verdiğine dikkat etmek önemlidir.

Çarklar için 300 serisi paslanmaz, dökme demirden daha iyidir. Daha yüksek krom içerikli çelikler daha iyidir, CD4MCu (dubleks alaşım) ise yüksek kromlu paslanmazdan daha iyidir. Bu alanda iyi bilgi ve mühendislik çalışmaları tamamlanmıştır. Ampirik sonuçlarınız farklı olabilir.

Son olarak, mevcut npsh'nin gereken npsh'yi çok aştığı yüksek NPSH marjlarında bile, pompanın hala bir miktar kavitasyon yaşayabileceğini unutmayın. Sıfıra indirmek neredeyse imkansız bir iştir.