Cavitacion en Bombas y Turbinas Hidraulicas

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Fuerza motriz hidraulica

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<ul><li><p>TURBOMAQUINAS I</p><p>CAVITACION EN BOMBAS Y TURBINAS HIDRAULICASCatedratico : Ing. Hernan Pinto EspinozaAlumno : Hilbert Arturo Nuez Roman Facultad : Ing. Mecnica y Energa FIMA 2005</p></li><li><p>C A V I T A C I N</p><p>La CAVITACION es un fenmeno que se produce siempre que la presin en algn punto o zona de la corriente de un lquido desciende por debajo de un cierto valor mnimo admisible. El fenmeno puede producirse lo mismo en estructuras hidrulicas estticas (tuberas, Venturis, etc.), que en mquinas hidrulicas (bombas, hlices, turbinas). Por los efectos destructivos que en las estructuras y mquinas hidrulicas mal proyectadas o mal instaladas produce la CAVITACION es preciso estudiar este fenmeno, para conocer sus causas y controlarlo. </p></li><li><p>El fenmeno de cavitacin reduce la velocidad a que pueden funcionar las mquinas hidrulicas, disminuyendo su rendimiento, por la acumulacin de burbujas de vapor que perturban la afluencia normal de las masas liquidas. Adems de producir ruidos y vibraciones, es causa de una rpida y constante erosin de las superficies en contacto con el lquido, aun cuando stas sean de hormign, hierro fundido, aleaciones especiales, etc. </p></li><li><p>DESCRIPCION DE LA CAVITACION</p><p> Cuando un lquido fluye a travs de una regin donde la presin es menor que su presin de vapor, l liquido hierve y forma burbujas de vapor. Estas burbujas son transportadas por el lquido hasta llegar a una regin de mayor presin, donde el vapor regresa al estado lquido de manera sbita, implotando bruscamente las burbujas. Esta fenmeno se llama CAVITACION. </p></li><li><p>Si las burbujas de vapor se encuentran cerca o en contacto con una pared solida cuando cambia de estado, la fuerzas ejercidas por el liquido al aplastar la cavidad dejada por el vapor dan lugar a presiones localizadas muy alto, ocasionando picaduras sobre la superficie slida. El fenmeno generalmente va acompaado de ruido y vibraciones, dando la impresin de que se tratara de grava que golpea con diferentes partes de la mquina.</p></li><li><p> Segn se ha dicho, cuando, la corriente de un punto de una estructura o de una mquina alcanza una presin inferior a la presin de saturacin de vapor (Fig. 1), el lquido se evapora y se originan en el interior del lquido cavidades de vapor, de ah el nombre de CAVITACION. En el interior del fluido existen, pues, zonas en que reina un gradiente fuerte de presiones que aceleran las burbujas y producen un impacto en el contorno (Venturis, bombas, turbinas, etc.). </p></li><li><p> El fenmeno de la CAVITACION se explica con el mecanismo siguiente: si la presin en un lquido como el agua baja suficientemente, empieza a hervir a temperatura ambiente. Consideremos un cilindro lleno de agua y tapado con un pistn en contacto con el agua. Si se mueve el pistn en direccin fuera del agua, se reduce la presin y el agua se evapora formando burbujas de vapor, si ahora bajamos el pistn hacia el agua la presin aumenta, el vapor se condensa y la burbuja se destruye (colapso de la burbuja).</p></li><li><p> Cuando se repite este proceso con alta velocidad como por ejemplo -en el interior de una bomba de agua, se forman y se destruyen las burbujas rpidamente. Se demostr con clculos que una burbuja en colapso rpido produce ondas de choque con presiones hasta de 410 MPa. Estas fuerzas ya son capaces de deformar varios metales hasta la zona plstica, lo que est comprobado por la presencia de bandas de deslizamiento sobre partes de bombas o de otro equipo sujeto a cavitacin. </p></li><li><p> :Se distinguen dos tipos de cavitaciones: Cavitacin en burbuja o transitoria. Las burbujas aparecen repentinamente sobre el contorno del cuerpo slido sumergido en el lquido, que crecen en extensin y desaparecen. Cavitacin estacionaria o laminar. Las burbujas se forman en el contorno del cuerpo y permanecen sobre l, mientras no varan las causas productoras. </p></li><li><p>DAO POR CAVITACION</p><p> El dao por CAVITACION es una forma especial de corrosin-erosin debido a la formacin y al colapso de burbujas de vapor en un lquido cerca de una superficie metlica, que ocurre en turbinas hidrulicas, hlices de barcos, impulsores de, bombas y otras superficies sobre las cuales se encuentran lquidos de alta velocidad con cambios de presin.</p></li><li><p> Un dao por CAVITACION tiene un aspecto semejante a picaduras por corrosin, pero las zonas daadas son ms compactas y la superficie es ms irregular en el caso de la CAVITACION. El dao por CAVITACION se atribuye parcialmente a efectos de desgaste mecnico. La corrosin interviene cuando el colapso de la burbuja destruye la pelcula protectora, como se muestra esquemticamente en la siguiente figura, con los pasos siguientes:</p></li><li><p>Se forma una burbuja de CAVITACION sobre la pelcula protectora. El colapso de la burbuja causa la destruccin local de la pelcula. La superficie no protegida del metal est expuesta al medio corrosivo y se forma una nueva pelcula por medio de una reaccin de corrosin. Se forma una nueva burbuja en el mismo lugar, debido al aumento de poder nucleante de la superficie irregular. El colapso de la nueva burbuja destruye otra vez la pelcula. La pelcula se forma de nuevo y el proceso se repite indefinidamente hasta formar huecos bastante profundos.</p></li><li><p>Se acepta generalmente que la CAVITACION es un fenmeno de corrosin-erosin.</p></li><li><p>En forma general, es posible prevenir el dao por CAVITACION con los mtodos descritos en la prevencin de corrosin-erosin: </p><p>Modificar el diseo para minimizar las diferencias de presin hidrulica en el flujo de medio corrosivo Seleccionar materiales con mayor resistencia a la CAVITACION. Dar un acabado de pulido a la superficie sujeta a efectos de cavilacin, ya que es ms difcil nuclear burbujas sobre una superficie muy plana Recubrimiento con hules o plsticos que absorben las energas de choque.</p></li><li><p>Los alabes curvos son particularmente susceptibles a la CAVITACION en su cara convexa, donde se pueden tener reas sujetas a un picado fuerte e incluso a falla total.</p></li><li><p>Un inadecuado proyecto del propulsor tiene gran influencia, no slo sobre el rendimiento propulsivo, sino tambin sobre la aparicin de fenmenos de CAVITACION que dan origen a vibraciones y ruidos</p></li><li><p>El tnel de CAVITACION del Canal de Experiencias Hidrodinmicas de El Pardo, permite el estudio de las caractersticas de las hlices estudiando la generacin de CAVITACION, riesgo de erosin , fluctuaciones de presin y la produccin de ruidos inherente a la CAVITACION</p></li><li><p>PREVENCION DE LA CAVITACION Al igual que en las turbinas convencionales, en las BUTUs se presentar el fenmeno de CAVITACION en zonas donde la presin llega a un punto de magnitud inferior a la tensin de vapor del fluido, agua en este caso. Para evitar indicios de este fenmeno o la aparicin total del mismo, es necesario mantener una altura de succin o contrapresin en el lado de descarga de manera suficiente de modo que evite dicha problemtica.</p></li><li><p>Existe una forma rpida de calcular, con un buen grado de aproximacin, la altura de succin utilizando la siguiente expresin:</p><p> Hs = ha + ht - s . H neta Donde :Hs= Altura de succin del rodete sobre el nivel del mar.ha= Presin Atmosfrica, en unidades de longitud.ht = Tensin de vapor del agua.s = Coeficiente de cavitacinH =Altura Neta de la Turbina.</p></li><li><p>Para el calculo del coeficiente de CAVITACION es necesario recurrir a la experiencia que se encuentra en el campo de las turbinas hidrulicas; es decir, existe curvas que relacionan el coeficiente de CAVITACION (s) con la velocidad especifica de la mquina en cuestin (poner figura apropiada)</p><p>El calculo de este coeficiente de CAVITACION es solo aproximado, toda vez que la bomba utilizada como turbina no tendr exactamente las mismas relaciones de G y NB:</p></li><li><p>ALTURA DE ASPIRACIN EN BOMBAS Y TURBINASEFECTOS DE LA CAVITACIN</p><p> Las bombas utilizadas en el bombeo de agua para suministro de agua potable, son del tipo centrfugas por ser el tipo de bomba que mejor se adapta a las caractersticas de caudal y altura manomtrica requeridas. Solo presentan particularidades en su construccin que dependen del tipo de lquido a tratar.</p></li><li><p> En las instalaciones con bombas centrfugas, ya sean de eje vertical u horizontal, es de vital importancia asegurar la presin mnima requerida en la seccin de entrada del alabe impulsor. O sea disponer de una Altura Neta Positiva de Aspiracin(ANPA) igual o superior a la requerida por la bomba, que garantice las condiciones de presin en el seno del fluido por encima de las de vaporizacin, a los efectos de no producir CAVITACION.</p></li><li><p>Determinacin del ANPA o NPSH (net pressure suction head).</p><p>Tomando como referencia la Figura N 1 representando las alturas de energas del teorema de Bernoull referidas a un eje vertical O-O, a fin de evitar superposiciones en la tubera de aspiracin. Considerando que la velocidad en el depsito inferior puede despreciarse, Ca = 0 la energa inicial absoluta corresponder a la posicin y a la presin atmosfrica Esta energa debe igualar a la energa en un cierto punto del rotor M, en que la presin absoluta llegue a la correspondiente a la cavitacin Pv / mas las prdidas ocurridas en el trayecto. </p></li><li><p> Ei = EM + J</p><p> Hs Lm = (Pa - Pv)/ {C12 /2g + z + J + Ja}</p><p>El trmino entre corchetes puede expresarse en funcin de la altura manomtrica y del nmero especfico resultando, como en las turbinas:</p><p> Hs Lm = (Pa - Pv)/ - Hm = Hb - Hm</p><p>Sin embargo, cuando Ja sobrepasa los valores comunes este procedimiento no ofrece seguridad para evitar la CAVITACION.</p></li><li><p>a ) Concepto de la altura neta de aspiracin positiva:</p><p>Expresando la igualdad de energas entre el centro de la seccin de ingreso (3) y el punto de cavitacin (4) se tiene:</p><p>H3 + H4 + Hs Lm + Pv / + A.N.P.A. + U12 /2g + Ja =</p><p>H3 + H4 + Hs Lm + z + Pv / + C12 /2g + J + Ja de donde resulta:</p><p> A.N.P.A. = z + J + (C12 - U12) / 2g (1)</p></li><li><p>En consecuencia, la altura neta positiva de aspiracin equivale a la energa de presin disponible en la brida de entrada por encima de la presin de vaporizacin necesaria para llevar el fluido en la altura z, vencer las resistencias en ese recorrido y acelerar la masa lquida desde la velocidad en la brida hasta la velocidad en el lugar de CAVITACION.</p></li><li><p>b ) Determinacin de la altura de aspiracin lmite:</p><p>Expresando la igualdad de energas entre el nivel superficial inferior (2) y la brida (3) se tiene:H3 + H4 + Pa / = H3 + H4 + Hs Lm + Pv / + A.N.P.A. + U12 /2g + Ja =Por lo tanto: Hs Lm = (Pa - Pv)/ - A.N.P.A. + U12 /2g + Ja (2)</p><p>Considerando que A.N.P.A. segn (1) resulta para determinada bomba funcin de sus caractersticas geomtricas y del gasto que escurre y que U12 /2g y Ja tambin resultan funcin del gasto se podr graficar la funcin (2) en la forma que se indicaen la Figura N2.</p></li><li><p>c) Determinacin experimental de la altura neta de aspiracin positiva:</p><p>La expresin (2) puede escribirse:A.N.P.A. = (Pa - Pv)/ - U12 /2g + Ja + Hs Lm (3)Tambin se tiene en el diagrama, que la presin absoluta que debe reinar en la brida debe valer: Pb / = Pv/ + A.N.P.A.Reemplazando A.N.P.A. por su valor (3)Pb / = Pa / - U12 /2g + Ja + Hs Lm resulta que la presin relativa en la brida medida por el vacumetro vale:Pb / = U12 /2g + Ja + Hs Lm Finalmente la expresin (3) podr escribirse:A.N.P.A. = ((Pa - Pv)/ ) - ( Pb / )</p></li><li><p> En la que Pb / representa la depresin que mide el vacumetro en la brida en el momento de producirse la cavitacin. Colocando un vacumetro de precisin en la brida, y aforando el caudal que eleva la bomba se podr determinar la curva de A.N.P.A. representada en la Figura N2, cuyos valores se incrementarn por las alturas de la energa cintica y de la energa perdida en la aspiracin para definir, en funcin del gasto mximo de la bomba, el monto y el signo de la altura geomtrica de aspiracin.</p></li><li><p> La sumergencia exigida por la CAVITACION asegura que en la puesta en marcha, la bomba aspire el fluido necesario para entablar el movimiento de la corriente fluida, que al circular por la cmara anular refrigera la parte externa del motor, permitiendo su funcionamiento en condiciones de rgimen trmico. Durante el servicio intermitente, para limitar la temperatura del arrollamiento y asegurar la inercia trmica en la masa metlica, se limita el nmero de arranques a cuatro por hora.</p></li><li><p>SECCINES SOMETIDAS A CAVITACIN</p><p>Fig. N 2</p></li><li><p>CAVITACION EN UN ESTUDIO TCNICO DEL DIFUSORConsideramos el esquema de la Fig. (1.1) y apliquemos Bernoulli a una vena lquida comprendida entre la salida del rodete (2) y la del difusor (3) y entre esta ltima seccin y la del canal de descarga de la turbina (s). </p></li><li><p> 2 c2, p2, z2 </p><p> Hgs J23 S 3 c3, p3, z3Fig. 1.1</p></li><li><p>Z2 + p2 + c22 = Z3 + p3 + c23 + 23 (a) 2g 2g</p><p>Z3 + p3 + c23 = ZS + pS + 3S (b) 2g </p></li><li><p>pS = pat presin atmosfrica 23 = prdida de carga en el turbo difusor3S = prdida de carga debido al ensanchamiento del difusor (aproximadamente igual a c23 ) 2g </p><p>De las ecuaciones ( a ) y ( b ) se obtiene:Z2 + p2 + c22 = ZS + pat + c23 + 23 ( c ) 2g 2g</p></li><li><p>Adems, de la Fig.. ( 1.1 ) se observa que: Hgs = z2 - zS ( d )Generalmente a Hgs se le denomina altura geomtrica de aspiracinDe ( c ) y ( d ) se tiene: p2 = pat - c22 - c23 - Hgs - 23 ( e ) 2g Como c2 es mucho mayor que c3 , esta ltima se desprecia. Adems, de ( e ) se observa que p2 &lt; pat , es decir, vaco. </p></li><li><p> De esta forma, el valor mnimo de p2 corresponde a la presin de vaporizacin (pvap) a la temperatura de funcionamiento. De ocurrir esta condicin estaremos en presencia del fenmeno de CAVITACION, el cual produce serios daos a la turbina. Por lo tanto, para que no exista CAVITACION, la presin a la salida de la rueda debe ser mayor a la de vaporizacin, es decir, se debe cumplir: pat - Hgs - c22 + 23 &gt; pvap ( f ) 2g </p></li><li><p> En la practica, se considera un coeficiente de CAVITACION de la instalacin: pat - pvap - Hgs ( g ) = . Hn Que debe ser superior al coeficiente de CAVITACION CRITICO (c) de la turbina, el cual est definido a partir de las velocidades a la salida de la rueda. La (Fig. 1.2) muestra los rangos aproximados de c . </p></li><li><p>De esta forma, la altura mxima de aspiracin corresponder a: (Hgs)max = pat - pvap - c Hn ( h )...</p></li></ul>