5. SANTRİFÜJ POMPALARDA TEORİK ESASLAR 5.8. Santrifüj Pompalarda Kavitasyon ve Karakteristiklere Etkisi Emme boru hatlarının planlanmasında karşımıza çıkan en büyük sorun kavitasyondur. Kavitasyon tüm turbo makinelerde karşılaşılan, her zaman göz önüne alınması gereken ve son yıllarda üzerinde çok durulan konulardan biri olmuştur. Özellikle yüksek özgül hızlı pompaların kullanılması ile bu konunun önemi daha da artmıştır. Kavitasyon olayı santrifüj pompanın emme koşulları ile ilgilidir. Emme boru hattında en önemli sorun, emme yüksekliğinin hesaplanmasıdır. Eğer yeterli düzenleme yapılmazsa kavitasyon olayı meydana gelir. Kapalı bir sistem (boru hatları) içinde hareket etmekte olan suyun, herhangi bir noktadaki basıncı, sıcaklığına bağlı bulunan buhar basıncına veya altına düşerse erimiş gazlar ayrılır ve su buharı baloncukları oluşur. Bu buhar baloncukları su ile birlikte hareket ederken bir yüksek basınç bölgesine rastlandığında parçalanır ve buhar yoğunlaşarak su haline dönüşür. Bu olay kavitasyon olarak adlandırılır. Buharın yüksek basınç bölgesinde yoğunlaşması 1/000-1/3000 saniye gibi çok kısa bir zaman aralığında meydana gelir. Yoğunlaşma sonucu yerel basınç 300 atmosfere kadar yükselir. Eğer buhar baloncukları parçalandıkları zaman sert bir yüzeyin yakınında veya onunla temasta ise, suyun buhar baloncuklarına doğru hareketlerinden dolayı meydana gelen kuvvetler çok yüksek yerel basınçlar yaratarak sert yüzeyde mekanik darbeler meydana getirir ve aşınmalara neden olur. Bunun dışında kavitasyon santrifüj pompalarda çoğu zaman ses ve titreşimlere de yol açar. Kavitasyon altında çalışan pompa, içinde kum taneleri hareket eden bir pompa görüntüsü vermektedir. Santrifüj pompalarda kavitasyon, daha çok pompa çarkında ve pompa girişinde görülür. Pompa çarkının girişinde basıncın düşük olması nedeni ile su buharlaşır ve kavitasyon başlar. Kavitasyonun metalik malzeme üzerindeki etkisi basınç darbelerinin frekansına ve basıncın değerine bağlıdır. Santrifüj pompalarda kavitasyona neden olan aşırı basınç düşmesi aşağıdaki etkenlere bağlıdır. 1) Pompaj tesisinin kurulduğu yerdeki yüksekliğe bağlı olarak atmosfer basıncındaki azalma, ) Pompalanan suyun sıcaklığına bağlı buhar basıncı, 3) Statik emme yüksekliğinin fazla olması, 4) Emme borusundaki su hızının yüksek olması, 5) Emme borusundaki kayıpların büyük olması. Yukarıda sıralanan etkenler incelendiğinde, kavitasyon olayının pompanın emme koşulları ve emme boru hattındaki düzenleme ile yakından ilgili olduğu görülür. 167
Kavitasyonun oluşmasına neden olan etkenlerden ilk ikisi yerel koşullara bağlıdır ve değiştirilemez. Diğerleri ise tesise bağlı etkenlerdir. Yeterli bir düzenleme ile en az düzeye indirilebilirler. Bu nedenle kavitasyonu önlemek için, pompaj tesislerinde emme koşullarının çok iyi bir Şekilde incelenmesi gerekir. Şekil 5.38 de bir santrifüj pompanın emme boru hattı ve su girişi şematik olarak görülmektedir. Santrifüj pompa, (hse) statik emme yüksekliğinde çalışan tek kademeli bir pompadır. Emme borusundaki serbest su düzeyi olan () noktası ile suyun çarka girdiği (1) noktası arasında Bernoulli denklemi yazılırsa; Pa / hse P1 / hke Ve /. g olur. Pa : Atmosfer basıncı (kp/cm ), P1 : Suyun çarka girişindeki basınç (kp/cm ), hse: Statik emme yüksekliği (mss), Ve : Emme borusundaki su hızı (m/s), hke: Emme borusundaki kayıplar (mss), : Suyun özgül ağırlığı (kp/dm 3 ) dır. Yukarıdaki formülden giriş basıncı yazılırsa; P1 / Pa / hse hke Ve /. g 168
Şekil 5.38. Santrifüj pompada emme yüksekliği ve kavitasyon olayı (Tezer 1978). elde edilir. Bu bağıntı, çark girişinde su basıncının atmosfer basıncının altında olduğunu göstermektedir. Bir pompada emme borusunda suyun yükselmesi, emme deposunda serbest su yüzeyini etkileyen atmosfer basıncı ile sağlanır. Emme borusunda pompa ile yaratılan vakum basıncı nedeni ile su boru içinde yükselir. Deniz düzeyinde atmosfer basıncının değeri 760 mm civa sütunu veya 10,33 mss dur. Diğer bir değişle ideal koşullarda pompanın 10,33 m den su emebilmesi gerçekleşmelidir. Ancak emme borusunda oluşan kayıplar ve hız yüksekliği gibi etkenlerle bu değer daima 10,33 metrenin altında kalmaktadır. Santrifüj pompalarda pompanın giriş ağzındaki basıncın atmosfer basıncından ne kadar küçük olduğunu gösteren toplam emme yüksekliği (he), pompanın giriş ağzına bağlanan vakummetre ile doğrudan doğruya okunabilir. Buna göre toplam emme yüksekliği; h e h se h ke Ve. g olarak yazılabilir. Bu değer giriş basıncını veren formülde yerine konursa; P 1 Pa h e elde edilir. Ancak santrifüj pompalarda çark içinde basıncın en az olduğu bölge, suyun çarka tam giriş noktası değil, çarkın içinde ve kanatların arka yüzünde ve 169
girişe yakın olan yerdedir. Bu noktadaki basınç, yapılan araştırmalara göre (P1/) giriş basıncından h K. W /. g değeri kadar azdır. Burada: K : Çarkın yapılışı ile ilgili katsayı, W1: Suyun girişte çarka göre bağıl hızı (m/s) dir. Buna göre; çark içindeki en düşük basınç değeri yazılırsa; P / P / K. W /. g min 1 1 1 olur. Değerler yukarıdaki formülde yerine konularak aşağıdaki eşitlik yazılabilir. P min / Pa / hse hke Ve /. g K. W1 /. g Eşitlikteki (Pmin) basınç değeri kavitasyon yönünden önem taşır. Çarkın içinde meydana gelebilecek en küçük basıncı belirten bu değer, pompada kavitasyon meydana gelmemesi için, pompa tarafından iletilen suyun buhar basıncından daha büyük olmalıdır. Diğer bir deyişle kavitasyonun meydana gelmesi için aşağıdaki eşitsizlik olmalıdır. P / h b min veya min / h b 0 P olmalıdır. Buhar basıncı suyun sıcaklığına bağlıdır ve çeşitli sıcaklıklar için buhar basıncı değerleri çizelge. de verilmiştir. Pa a a ile gösterilir ve yerine konursa; h h V /. g K. W /. g h 0 se ke e olur. Burada hız yükseklikleri eşitsizliğin bir tarafında toplanarak; h h h V /. g K. W / g a se ke b e 1. elde edilir. Eşitsizliğin sol tarafındaki terim Emmedeki Net Pozitif Yük (ENPY) adını alır. Yukarıdaki eşitsizlik içine pompanın manometrik yüksekliği katılarak eşitsizlik aşağıdaki gibi yazılabilir (Özgür 1983). 1 b p k m a hse hke hb Ve /. g K. W1 /. g m Sol taraftaki terim Thoma-Moody kavitasyon katsayısı adını alır ve p ile gösterilir. Eşitsizliğin sağ tarafı k ile gösterilen kanat kavitasyon katsayısını 170
gösterir. Santrifüj pompalarda kavitasyon meydana gelmemesi için daima aşağıdaki koşul var olmalıdır. p k veya a h se h m ke h Thoma-Moody kavitasyon katsayısı değeri içinde atmosfer basıncı ve buhar basıncı değerleri tesisin kurulacağı yerdeki koşullara bağlıdır. Atmosfer basıncı (a) denizden yüksekliğe bağlı olarak azalır. Atmosfer basıncının (a) yükseklikle (h) değişimi bölüm deki çizelge.13 den alınabilir. Atmosfer basıncı ya da barometrik yükseklik h: m olmak üzere yerden 11 km yüksekliğe kadar aşağıdaki formülle de bulunabilir. b k a 5 5,6 10,33.(1,56.10. h) (m) Santrifüj pompaların özgül hızına göre kanat kavitasyon katsayısı bilinirse, suyun sıcaklığı ve tesisin kurulduğu yere göre çizelgelerden bulunacak basınç değerlerine ve emme borusundaki yük kaybına göre tesisin statik emme yüksekliği diğer bir deyimle pompanın serbest su düzeyinden en fazla ne kadar yukarı kurulabileceği hesaplanabilir. Santrifüj pompa tesislerinde, pompa serbest su düzeyinden yukarı yerleştirilirken statik emme yüksekliğinin kavitasyon koşullarına göre belirlenmesi gerekir. Gerek akarsular gerekse sığ kuyulardan pompajda, emme deposundaki su düzeyinin değişmesi göz önüne alınmalıdır. Bu durumda statik emme yüksekliği kavitasyon koşullarına göre saptandıktan sonra pompa, emme deposundaki su düzeyi ne kadar alçalırsa alçalsın hesaplanan statik emme yüksekliği değeri geçilmeyecek Şekilde yerleştirilir. Santrifüj pompalarda kanat kavitasyon katsayısı ile pompanın özgül hızı arasında belirli bir ilişki bulunmaktadır. Şekil 5.39 da bu ilişki belirtilmektedir. Nomogramda apsiste (ns) özgül hız değerleri, ordinatta ise (k) kanat kavitasyon değerleri verilmiştir. Nomogramdan da görüldüğü gibi k değerleri özgül hızla orantılı olarak artmaktadır. Diğer bir deyişle özgül hızı fazla olan pompalarda, statik emme yüksekliği değeri azalmaktadır. Kanat kavitasyon katsayısı özgül hıza bağlı olarak Şekil 5.39 dan alınabileceği gibi aşağıdaki formülden de hesaplanabilir (Yalçın 1998). k,14.10 4 n.(q). 3,65. 1/ 3 / 4 m 4 / 3 4 4 / 3 k,14.10.(ns ) erhangi bir tesiste kullanılacak pompa belirlendikten sonra statik emme yüksekliğinin incelenmesi gerekir. Bunun için aşağıdaki yol izlenir. 1) Pompanın karakteristik değerlerinden özgül hızı ve manometrik yüksekliği saptanır. 171
) Nomogramdan k kanat kavitasyon katsayısı bulunur, 3) Tesisin kurulduğu koşullarda atmosfer basıncı (a) ve suyun sıcaklığına bağlı buhar basıncı (hb) değerleri çizelgelerden yararlanarak bulunur, 4) Emme borusundaki yük kayıpları hesaplanır. Şekil 5.39. Santrifüj pompada özgül hıza bağlı kanat kavitasyon katsayısı (Özgür 1983) Daha sonra; 17
a h se h m ke h b k veya h se a (h ke h b m. k ) eşitsizliğinde yerine konarak pompanın kavitasyon meydana gelmeden çalışabileceği statik emme yüksekliği hesaplanır. Tesisteki statik emme yüksekliği hesaplanan değerden daima küçük olmalıdır, diğer bir deyişle hesaplanan değer sınır değeri olmaktadır. Santrifüj pompada aşırı emme yüksekliği etkisi ile oluşan kavitasyonun pompa karakteristikleri üzerinde önemli etkisi vardır. Aşırı emme yüksekliği sonucu kavitasyonun başlaması ile verdi sınırlanır ve (m-q) eğrisinde ani düşmeler görülür. Şekil 5.40 da bir pompanın değişik statik yüksekliklerde (m-q) karakteristiğindeki değişimler görülmektedir. Şekil 5.40. Statik emme yüksekliğinin etkisi (Tezer 1978). Şekilde görüldüğü gibi karakteristikleri aynı olan dört pompa farklı statik yüksekliklerde çalışmaktadır. Pompa A ve B durumlarında normal bir manometrik yükseklik eğrisi vermektedir. A ve B durumları için p > k dır ve pompalar emniyetli emme koşullarında çalışmaktadır. (C) durumunda eğrinin başlangıcı aynıdır, fakat belirli bir (C) değerinden sonra manometrik yükseklik ne kadar azaltılırsa da verdi değişmez ve eğrinin bu bölümü düşey bir hale geçer. QCmax pompanın hsc statik yüksekliğinde verebileceği maksimum verdidir. Statik emme yüksekliği daha da arttırılırsa, eğrinin düşme noktası daha geriye kayar ve QDmax verdisinden daha yüksek verdi elde edilemez. C ve D noktalarında, kavitasyondan dolayı belli bir verdiden daha fazla su verememektedir. Kavitasyondan dolayı pompada aşırı titreşim ve gürültü başlar. Pompanın m-q karakteristiği üzerinde, statik emme yüksekliğinin değişmesi ile meydana gelecek ilk sapmaya neden olan ilk statik emme 173
yüksekliği kritik statik emme yüksekliği değeri adını alır. Bu değer pompa karakteristiklerinde bir değişme meydana gelmeksizin çalışabileceği maksimum statik emme yüksekliğidir. Şekil 5.41 de yüksek verim noktasındaki manometrik yüksekliklere karşı çalışan iki santrifüj pompa görülmektedir. Şekil 5.41. Manometrik yüksekliğin etkisi (Tezer 1978). er iki pompada statik emme yüksekliği kritik değerdedir. Pompalar normal işletme noktasında çalışmaktadır. Şekilden görüleceği gibi, manometrik yükseklik arttıkça kavitasyon sınırını oluşturan statik emme yüksekliği değeri azalmaktadır. 5.8.1. Kavitasyonun belirtileri 5.8.1.1. Ses ve titreşim Kavitasyon olayı sırasında meydana gelen buhar baloncuklarının yüksek basınç bölgesinde parçalanmaları ses ve titreşim meydana getirir. Santrifüj pompalar yüksek verim noktasının dışındaki koşullarda çalıştırılırken her nekadar, suyun çarka normal şekilde diğer değişle çark kanatlarının büküklüğüne uyacak şekilde girmemesinden bir titreşim ve ses meydana gelirse de kavitasyondan dolayı oluşan ses ve titreşim daha çok mekanik bir gürültüyü andırır. Bu durumda bazı hallerde emme borusundan bir miktar havanın girmesine izin verilerek ses ve titreşim önlenebilir. Emme borusuna giren hava, buhar baloncuklarının parçalanması sırasında bir yastık görevini yapar. 5.8.1.. Karakteristik eğrilerin değişimi 174
Kavitasyonun karakteristik eğriler üzerindeki etkisi pompanın özgül hızına bağlı olarak farklılıklar gösterir. Şekil 5.4 de kavitasyonun çeşitli pompalarda karakteristikler üzerine olan etkisi görülmektedir. Radyal pompalarda, kavitasyon koşullarında m-q eğrisinde birden düşme görülür. Eğrinin kırılma noktası hse değeri arttıkça daha küçük verdilere doğru kayar. Pompanın özgül hızı arttıkça, kavitasyon nedeni ile m-q eğrisinin bütün boyunca düşme görülür. Şekildeki karışık akışlı bir pompaya ait karakteristik eğrilerde düşme, radyal pompalardaki gibi ani değil bütün eğri boyuncadır. Aksiyal pompalarda ise karakteristik eğrilerdeki düşme daha açıktır. Bu tip pompalarda kavitasyon özelilkle verim eğrisi üzerinde büyük düşmeler yaratır. Bu nedenle bir çok hallerde aksiyal pompalarda kavitasyon olayı incelenirken m-q eğrisi yerine verim eğrisi alınır. Kavitasyonun karakteristik eğriler üzerindeki etkisi çarkın yapısı ile de ilgilidir. Şekil 5.43 de çeşitli çark tipleri görülmektedir. Düşük özgül hızlı radyal çarklarda kanatlar arasında kalan kanal dar ve uzundur. Çarkın girişinde basınç buhar basıncına düştüğünde, kanatlar arasında kalan kanal genişliğinde, bu düşük basınç bölgesi kolayca yayılır. Pompanın manometrik yüksekliğinde azalma devam etse bile verdi artmaz. Çünkü suyu pompanın çarkına iten basınç farkı artmaz. Bu basınç farkı pompanın dışındaki emme basıncı ile çarkın girişinde herhangi iki kanat arasında kalan kanal boyunca mevcut bulunan buhar basıncı tarafından sabit tutulur. Çarkın özgül hızı büyüdükçe çark kanatları arasında kalan kanal genişliği artar ve kanal boyu kısalır. Buhar basıncı bölgesini bütün kanal boyunca yayabilmek için verdide daha büyük bir artma ve manometrik yükseklikte daha büyük bir azalma gerekir. Bu nedenle m-q karakteristiğinde ani düşme başlamadan önce bütün eğri boyunca bir düşme görülür. Aksiyal pompa çarklarında ise çark kanatları birbirini örtmez. Kavitasyon sebebi ile çark kanatlarında düşük basınç bölgesi meydana gelse de, kanatlar arasında kalan alan geniş olduğundan bu bölgede kanal genişliğince tamamen yayılmaz ve çark kanatları arasında daima buhar basıncından daha büyük olan bir kısım kalır. Bu nedenle kavitasyon tamamen var olmakla beraber, manometrik yüksekliğin azalması ile verdi devamlı olarak artar. Kademeli pompalarda ise kavitasyon sadece ilk kademedeki çarka etki eder. Bu nedenle kavitasyonun pompa karakteristikleri üzerindeki etkisi tek kademeli olan pompalara oranla kademeli olan pompalarda daha azdır. 175
176 Şekil 5.4. Kavitasyonun karakteristiklere etkisi (Stepanoff 1957).
Şekil 5.43. Çark ve gövde üzerinde kavitasyonun etkisi ((Stepanoff 1957). 177
5.8.1.3. Aşınma Santrifüj pompalar uzun süre kavitasyona maruz kalarak çalışırsa çark üzerinde kavitasyonun şiddeti ve çarkın yapı malzemesine bağlı olan bir aşınma meydana gelir. Kavitasyon nedeni ile ortaya çıkan aşınma, kimyasal etkilerle meydana gelen korozyon ve katı zerrelerin etkisi ile meydana gelen aşınmadan farklıdır (Şekil 5.44). Şekil 5.44. Kavitasyonun aşındırma etkisi (Tezer 1978). Kavitasyonun yarattığı aşınma, meydana gelen buhar baloncuklarının parçalandığı bölgede görülür. Yapılan araştırmalar gözenekli malzemelerde kavitasyon aşındırmasının daha fazla bulunduğunu, malzemenin molekül büyüklüğü ile sıvı viskozitesinin bu aşınmaya etkili olduğunu göstermiştir. Buhar baloncuklarının parçalanmasından doğan çekiçleme etkisinin frekansı oldukça yüksek ve basıncın 300 at olduğunu yapılan araştırmalar göstermiştir. Çekiçleme etkisi çark ve gövde üzerinde yayılarak titreşime neden olur. Şekil 5.43 de çark ve gövde üzerinde meydana gelen kavitasyon etkilerinin yeri görülmektedir. Santrifüj pompalarda normal olarak düşük basınç bölgesi emme ağzının biraz ilerisinde ve çark kanadının arkasında oluşur. Kavitasyon aşınması ise buhar baloncuklarının parçalandığı yerde olur. Şekil 5.43. ve 3 de bu durum görülmektedir. Eğer pompa devamlı olarak proje verdisinin üstündeki verdilerde çalıştırılırsa, çark kanatlarının emme tarafındaki ucunda ve kanadın arka tarafında aşınma görülür. Şekil 5.43. de çark kanatlarına uygun Şekil verilmemesinden doğan aşınma bölgeleri belirtilmiştir. Özellikle sivri noktalar en çok aşınmaya uğrayan bölgelerdir. Çark üzerinde meydana gelen kavitasyon aşınması nedeni ile çarkın geometrik ölçüleri küçülür ve performans değerleri değişir (Şekil 5.45). 178
Şekil 5.45. Aşınma nedeni ile karakteristiklerin değişimi Çark üzerindeki aşınma bölgeleri çarkın içindeki sürtünme kayıplarını artırdığından, çarkın hidrolik verimi azalır ve dolayısıyla pompanın toplam verimi düşer. Çarkın statik ve dinamik balansı, aşınmadan dolayı meydana gelen ağırlık azalması homojen olmadığından bozulur ve sonuçta pompada titreşim ortaya çıkar ve yatakların ömrü kısalır. 5.8.1.4. Kavitasyonu önleme yolları Kavitasyon çeşitli önlemler alınarak önlenebilir. Bunların başında pompaj tesisi kurulurken emme koşullarının çok iyi bir Şekilde etüt edilmesi gelmektedir. Satın almalar için hazırlanacak şartnamelerde pompanın Thoma kavitasyon katsayısının veya statik emme yüksekliğini sınırlandıran tesis koşullarında pompanın kavitasyon deneylerinin yaptırılması hükümlerinin konulması gerekir. Emme borusunun düzenlenmesinde, olabildiğince az basınç kaybı yaratacak Şekilde hareket edilmesi halinde kavitasyon yaratmadan statik emme yüksekliğini artırmak mümkün olabilir. Bunun için emme borusu çapı bir kademe büyük seçilmeli, boru boyu olabildiğince kısa tutulmalı ve az sayıda boru parçası kullanılmalıdır. Kullanılacak süzgecin delik alanları toplam emme borusu alanından en az üç katı büyük olmalıdır. Şayet pompaj tesisinin koşulları kavitasyonu önlemek için elverişli değilse kavitasyonun meydana getirdiği ses ve titreşim emme borusundan çok az miktarda havanın girmesine izin verilerek azaltılabilir veya ortadan kaldırılabilir. Kavitasyonun yaratacağı aşınma; pompa konstrüksiyonu dolayısıyla çark malzemesinin yapısı değiştirilerek azaltılabilir. 179
Kavitasyona dayanıklı malzemeler dayanım sırasına göre; kaynaklı paslanmaz çelik ( kat, 16 Cr-7 Ni), temperli paslanmaz çelik (1 Cr), döküm paslanmaz çelik (18 Cr-8 Ni), plaka çeliği, döküm çelik, aliminyum, bronz ve dökme demirdir. Pompaj tesisi kurulduktan sonra kavitasyonu azaltıcı önlemler almak çok zordur. Bu nedenle tesis kurulmadan önce mutlaka kavitasyon göz önüne alınmalıdır. Pompayı yüksek verim noktasında çalıştırarak da kavitasyon önlenebilir. 180