آب یا هر مایع دیگر، در هر درجه حرارتی، به ازای یک فشار معین تبخیر می شود. به عنوان مثال آب در فشار اتمسفر در کنار دریا در 100 درجه سانتی گراد و در فشار 0.2 اتمسفر، در 20 درجه سانتی گراد تبخیر می گردد. با این مثال ساده می توان فهمید که پدیده کاویتاسیون می تواند چه اختلالی در عملکرد توربوپمپ ایجاد کند. به طور کلی هرگاه در حین جریان مایع در داخل چرخ یک توربوپمپ فشار در نقطه ای از فشار تبخیر مایع در درجه حرارت مربوطه کمتر شود، حباب های بخاری بوجود می آید که به همراه مایع به نقطه ای دیگر با فشار بالاتر حرکت می نمایند. اگر در محل جدید، فشار مایع به اندازه کافی زیاد باشد حباب های بخار در این محل تقطیر شده و در نتیجه ذراتی از مایع از مسیر اصلی خود منحرف شده و با سرعت های فوق العاده زیاد به اطراف و از جمله پره ها برخورد می نمایند.
در چنین مکانی بسته به شدت برخورد، سطح پره ها خورده شده و متخلخل می گردد، این پدیده را کاویتاسیون (Cavitation) می نامند. پدیده کاویتاسیون برای پمپ ها بسیار خطرناک بوده و ممکن است پس از زمانی کوتاه چرخ آن از بین برود. لذا باید از وجود چنین پدیده ای در توربوپمپ جلوگیری گردد.
در پمپ های سانتریفیوژ به هنگام ورود مایع به داخل چرخ به علت افزایش سرعت، فشار به طور موضعی پایین می آید و در نقطه ای نزدیک به دهانه ورود چرخ، به حداقل خود می رسد. اگر در این نقطه (نقطه فشار مینیمم) فشار مایع از فشار تبخیر مایع عبوری از توربوپمپ بیشتر باشد، مایع در طول حرکت خود در داخل چرخ همواره در یک فاز باقی مانده و پدیده کاویتاسیون به وجود نخواهد آمد.
کاویتاسیون، همواره با صداهای منقطع شروع می شود و سپس در صورت ادامه کاهش فشار در دهانه ورودی توربوپمپ به شدت این صداها افزوده می گردد. صدای کاویتاسیون مخصوص و مشخص بوده و شبیه به برخورد گلوله هایی به یک سطح فلزی است. همزمان با تولید این صدا، پمپ نیز به ارتعاش در می آید. در انتها، این صداهای منقطع تبدیل به صداهایی شدید و دائم می گردد و در همین حال نیز دبی ماشین به شدت کاهش می یابد و یا قطع می شود. به هنگام بروز پدیده کاویتاسیون، راندمان پمپ نیز کاهش می یابد.
خوردگی های شدید فلز به وسیله کاویتاسیون در محل به وجود آمدن حباب های بخار نیست؛ بلکه هنگامی که این حباب ها همراه با جریان به نزدیک محل خروج از چرخ برسند، در اثرافزایش فشار به یکباره و به شدت تقطیر می شوند. تقطیر ناگهانی حباب های بخار موجب کوچک شدن ناگهانی فضای اشغالی توسط بخار می گردد. در این حالت، ذراتی از مایع که در همسایگی این ابر بخار قرار گرفته اند، مجبور به پر کردن این فضای خالی خواهند شد. این ذرات در اثر اختلافات فشار زیاد، سرعت های فوق العاده بالا (تا چندین ده متر بر ثانیه) پیدا می کنند. برخورد ذراتی با چنین سرعت و فرکانس بالا (بین 20000 تا 25000 هرتز) به طور مداوم به سطح چرخ، سبب کندگی فلز و از بین رفتن آن می گردد. در این محل است که خوردگی های شدید به چشم می خورد. شکل زیر نمونه ای از یک چرخ خورده شده، بعد از ایجاد پدیده کاویتاسیون نشان داده شده است.
در پمپ هایی که در آن ها، سرعت دورانی یا دبی تولیدی Q یا درجه حرارت بالا باشد (مانند پمپ های تغذیه دیگ بخار) پدیده کاویتاسیون حتی در یک زمان کوتاه می تواند ضایعات شدیدی را موجب شود.
فلزات مختلف در مقابل کاویتاسیون، مقاومت های گوناگونی از خود نشان می دهند و به طور کلی تا به امروز هیچ گونه فلزی یافت نشده که توانایی مقاومت به طور کامل را دارا باشد. اما از جدیدترین تکنولوژی های امروزه می توان به تحقیقات جدید در حوضه فناوری نانو و کاهش خوردگی پمپ ها و لوله ها اشاره کرد. باید توجه داشت که خوردگی مکانیکی بر اثر کاویتاسیون با خوردگی بر اثر واکنش های شیمیایی یا الکتروشیمیایی متفاوت می باشد. مقاومت فلزات در مقابل کاویتاسیون بستگی به پارامترهای مختلفی از لحاظ نحوه ساخت و تولید فلز، سطح فلز، آلیاژهای بکار رفته، یکنواخت بودن فلز در موقع ریخته گری یا عملیات حرارتی و سرانجام درجه مقاومت فلز در مقابل خستگی دارد.
شروتر (Schroeter) توانست آزمایشاتی در زمینه مقاومت فلزات مختلف در توربوپمپ صورت دهد. این آزمایش ها در یک وانتوری مخصوص و با سرعت سیال در حدود 197 فوت در ثانیه انجام گرفت. نتیجه، حاکی از آن بود که فولاد مشخصات بهتری را نسبت به سایر فلزات همچون: سرب، چدن، برنز و آلومینیوم دارد.
ارتفاع مثبت خالص مکش (Net Positive Suction Head(NPSH))
بنا به تعریف، NPSH عبارت است از فشار کل سیال در دهانه مکش پمپ که نسبت به فشار تبخیر سیال در درجه حرارت پمپاژ سنجیده می شود. واحد NPSH در دستگاه متریک بر حسب متر و در دستگاه انگلیسی بر حسب فوت می باشد. دو ارتفاع مثبت خالص مکش تعریف می شود:
- NPSH avail که عبارت است از فشار موجود سیال در دهانه مکش پمپ
- NPSH req که حداقل فشار مورد نیاز سیال در دهانه مکش پمپ است تا از بروز پدیده کاویتاسیون جلوگیری به عمل آید.
بر طبق استاندارد (ISO 2548)، برای پمپ هایی که دارای یک دهانه ورودی هستند، صفحه مبنا در دهانه ورودی، صفحه ای است افقی که از مرکز دایره ای وار بر نقاط منتهی الیه لبه ابتدایی پره ها بگذرد. در مورد پمپ های عمودی با دو دهانه مکش، صفحه فوقانی، ملاک کار است. برای پمپ هایی که دارای ساختمانی خاص باشند وضعیت ورودی چرخ و صفحه مبنا برای NPSH باید توسط کارخانه سازنده تعیین گردد.
برای کاهش NPSH req می توان از روش های زیر استفاده نمود:
- انتخاب پمپی با سرعت دورانی کمتر
- تقسیم جریان بین چند توربوپمپ و یا استفاده از پمپی با دو دهانه ورودی
- استفاده از یک چرخ با ورودی مخصوص
برای بالابردن NPSH avail نیز راهکارهای زیر پیشنهاد می شود:
- تحت فشار قرار دادن منبع مکش و یا به طور کلی سیستم که سبب افزایش فشار مکش توبوپمپ خواهد شد.
- در مواردی که درجه حرارت سیال مورد پمپاژ بالا است، به عنوان مثال، در پمپ های تغذیه دیگ بخار و یا سیستم های حرارت مرکزی، همواره منبع تغذیه باید بالاتر از پمپ و تحت فشار قرار گیرد.
- سرعت سیال در ورود به توربوپمپ کوچک انتخاب شود.
- کاهش تلفات در لوله مکش. برای این منظور، هیچ گاه شیر تنظیم دبی نباید بر روی لوله مکش قرار گیرد. همچنین قطر لوله مکش را در صورت لزوم بزرگتر از لوله رانش انتخاب می نمایند.
