امروزه در صنعت پمپاژ مایعات، بزرگترین دغدغه وجود كاویتاسیون می باشد. پدیده ی كاویتاسیون عبارت است از تشكیل حبابهای بخار در نواحی ای از جریان كه فشار در آنها از فشار بخار اشباع مایع كاهش می یابد. در این نواحی مایع به سرعت می جوشد و حبابهایی از بخار تشكیل می شود. حبابهای جریان با مایع حركت می كنند ولی چون فشار جریان ثابت نمی باشد به طور ناگهانی تقطیر می شوند. با تقطیر و فروپاشی هر حباب، حجم آن كاهش می یابد و توده ی نسبتا بزرگی از مایع اطراف به سمت آن هجوم می آورند و ضربه ی ناگهانی متمركزی وارد می كنند. این حباب اگر در مجاورت سطح مجاری پمپ تقطیر شود ضربه وارد بر سطح باعث تخریب موضعی می شود. تحقیقات جدید نشان داده است كه فشارهای موضعی ناشی از كاویتاسیون ممكن است به چند صد برابرفشار اتمسفر برسد. نوع ضربه زدگی یا خوردگی بر اثر كاویتاسیون در پمپ های كم فشار به صورت اسفنجی می باشد و مواد تشكیل دهنده ی ساختمان پمپ ها تاثیر زیادی در مقاومت آنها در مقابل كاویتاسیون دارد. مواد ترد مانند چدن، صدمات بیشتری در مقایسه با پمپ های ساخته شده ازكروم یا فولاد های چكش خوار می بینند. كاویتاسیون معمولا در سمت مكش پمپ بوجود می آید.

در طراحی پمپ ها برای اینكه احتمال وقوع و نوع كاویتاسیون را كاهش دهند، ورودی و پروفیل پره ای پروانه پمپ را به طرز مناسبی طراحی می كنند تا سرعت جریان را در ورودی پمپ ها كاهش دهند. همچنین تلاشهای طراحان در جهت شناخت بهتر مكانیزم كاویتاسیون و بهبود نسبی اثرات تخریبی ناشی از كاویتاسیون ادامه دارد. از آنجایی كه این پدیده در اصل ناشی از ویژگی ذاتی تمایل مایعات به تبخیر در فشارهای كم است و نوع آن در شرایط نامناسب صرف نظر از نوع پمپ و كیفیت طراحی آن قطعی است، لذا ضروری است كه با ایجاد شرایط مناسب و پیروی از آن امكان كاویتاسیون را كاملا منتفی سازیم.

ارتفاع مكش ماكزیمم:

یكی از پارامترهای مهم عدم وقوع كاویتاسیون این می باشد كه فشاردر دهانه ی مكش پمپ برای جلوگیری از بخار شدن مایع كافی باشد. برای بررسی این موضوع ابتدا شكل زیر را مورد بررسی قرار داده و رابطه ی برنولی را برای سطوح نشان داده در شكل می نویسیم:

شکل 1

معادله 1

كه در معادله فوق H_L تلفات مسیر مكش و H_s اختلاف ارتفاع مركز دهانه ی مكش پمپ با سطح مایع می باشد. با توجه به اینكه سرعت مایع در سطح صفر می باشد داریم:

معادله 2

اكنون با توجه به شكل پروانه، معادله ی انرژی را برای جریان نسبی بین نقطه ی (1) در ورودی جریان و نقطه ی فشار مینیمم یعنی نقطه ای كه حداقل فشار و حداكثر سرعت را دارد می نویسیم و از تغییرات سرعت محیطی و تلفات هیدرولیكی صرف نظر می كنیم:

معادله 3

معادله 4

كه در معادله ی فوق عبارت داخل براكت در سمت راست معادله را با K نشان می دهیم. در نتیجه خواهیم داشت:

معادله 5

معادله 6

عدد K یك پارامتر تشابهی است و برای پمپ هایی كه تشابه هندسی دارند و در شرایط مشابه كار می كنند یكسان می باشد. پارامتر K را پارامتر كاویتاسیون می نامیم. این پارامتر متناسب با میزان افت فشار از ورودی پره ها تا نقطه ی فشار مینیمم می باشد. طبق داده های تجربی مقدار K در نقطه ی طراحی در محدوده ی 0.3 یا 0.4 است.

با تركیب معادلات (2) و (6) داریم:

معادله 7

اكنون تصور كنیم كه سطح مایع مخزن مكش مرتب پایین می رود و ارتفاع مكش Hs زیاد می شود. با این كار حداقل فشار (P_min) داخل پروانه مرتبا كم می شود. اگر P_min بقدری كاهش یابد كه به فشاربخار اشباع برسد، (P_min=P_v) كاویتاسیون اتفاق می افتد. اندازه ی H_s را كه به ازای آن پمپ در آستانه ی كاویتاسیون قرار می گیرد ارتفاع مكش ماكزیمم H_{s max} می نامند. بنابراین معادله ی قبلی برای آستانه ی كاویتاسیون به صورت زیر نوشته می شود:

معادله 8

در این معادله نقش عوامل تاثیرگذار در كاویتاسیون به خوبی نشان داده شده است. جملات داخل پرانتز كه تاثیر نوع سیال و دمای آن، نوع پمپ و شرایط كاری آن و تلفات در سیستم لوله كشی را به خوبی نشان می دهند، همگی از ارتفاع مكش ماكزیمم می كاهند و تنها جمله ای كه تاثیرمثبت دارد فشار اتمسفریك روی مخزن آب می باشد. (P₀/𝛾)

حال با توجه به روابط و معادلات نوشته شده بخوبی می توان ارتفاع مكش خالص مثبت را بررسی نمود. در معادله ی (8) تعیین جملات V₁²/2g و K𝝎₁²/2g برای استفاده كنندگان پمپ میسر نمی باشد. لذا سازندگان پمپ می توانند با آزمایش مقدار آنها را تعیین كرده و در دسترس استفاده كنندگان پمپ قرار دهند. این مجموع، یعنی K𝝎₁²/2g+V₁²/2g  را با علامت اختصاری NPSH نشان می دهیم:

معادله 9

با قرار دادن P_v به جای P_min در رابطه (6) داریم:

معادله 10

همچنین با قرار دادن رابطه ی (10) در رابطه ی (9) خواهیم داشت:

معادله 11

بنابراین NPSH عبارت است از حداقل فشار كل (انرژی) لازم مازاد بر فشار بخار اشباع از ورودی پمپ برای جلوگیری از كاویتاسیون بر حسب ارتفاع ستون سیال. سازندگان پمپ در آزمایشگاه ها به روش های مختلف، مثلا با كاهش فشار ورودی، پمپ را به آستانه ی كاویتاسیون می رسانند و مقادیر P1 و V1 را در آن شرایط اندازه گیری نموده و NPSH را برای آن نوع پمپ تعیین می كنند. استفاده كنندگان از پمپ با معلوم بودن NPSH به آسانی می توانند حداكثر ارتفاع مكش ماكزیمم ممكن را از معادله ی زیر به دست آوردند:

معادله 12

قوانین تشابه در كاویتاسیون بصورت زیر می باشد. فرض كنیم دو دستگاه پمپ 1 و 2 در شرایط مشابه در حال كار می باشند:

معادله 13

با توجه به قوانین تشابه ماشین هایی كه در شرایط تشابه كار می كنند، K₁=K₂. بنابراین داریم:

معادله 14

معادله 15

شکل 2

این معادله مشخص كننده ی شرط تشابه در كاویتاسیون می باشد و از آن می توان برای محاسبه ی NPSH پمپ هایی كه در شرایط تشابه كار می كنند استفاده كرد. حال یك پارامتر تشابهی عمومی برای كاویتاسیون پمپ ها ارائه می كنیم. برای پمپ هایی كه در شرایط تشابه كار می كنند داریم:

معادله 16

و از طرفی طبق معادله (12) داریم:

معادله 17

از تركیب دو معادله وحذف D داریم:

معادله 18

اگر

می توانیم نشان دهیم:

معادله 19

كمیت های h و q برای پمپ هایی كه در شرایط تشابه كار می كنند یكسان می باشد. در نتیجه كمیت Ns نیز چنین است این كمیت را كه معیار عمومی تشابه برای كاویتاسیون پمپ ها است سرعت لحظه ای مكش پمپ می گوییم. مقدار سرعت مخصوص مكش بسته به مقاومت پمپ در مقابل كاویتاسیون در محدوده ی 100 تا 300 تغییر می كند.

با مشخص بودن مقدار Ns برای یك پمپ معین می توان از معادله ی (6) و سپس از معادله ی (7) مقدار ارتفاع مكش ماكزیمم را (Hs max) بدست آورد. ارتفاع مكش مجاز برای استفاده كنندگان، نقطه ی بحرانی مكش می باشد و عملا نمی توان آن را مجاز دانست. زیرا كمترین افت فشار و یا افزایش تلفات هیدرولیكی ناگهانی باعث بروز كاویتاسیون و پایین آمدن راندمان پمپ خواهد شد.

زمانی می توان از كاركرد پمپ در شرایط عادی اطمینان پیدا كرد كه پمپ تحت ارتفاع مكش مجاز (allowable) Hsa كه كمتر از Hs max می باشد نصب شده باشد. معمولا حاشیه ی اطمینان را برابر 0.5 متر و گاهی 25% مقدار NPSH در نظر می گیرند.

معادله 20

یا

معادله 21