TURBOMAQUINAS ITURBOMAQUINAS I

CAVITACION EN BOMBAS CAVITACION EN BOMBAS Y TURBINAS Y TURBINAS

HIDRAULICASHIDRAULICAS

Catedratico Catedratico :: Ing. Hernan Pinto EspinozaIng. Hernan Pinto Espinoza

Alumno Alumno : Hilbert Arturo Nuñez Roman: Hilbert Arturo Nuñez Roman

Facultad : Ing. Mecánica y EnergíaFacultad : Ing. Mecánica y Energía

FIMA 2005FIMA 2005

C A V I T A C I Ó NLa CAVITACION es un fenómeno que se

produce siempre que la presión en algún punto o zona de la corriente de un líquido desciende por debajo de un cierto valor mínimo admisible. El fenómeno puede producirse lo mismo en estructuras hidráulicas estáticas (tuberías, Venturis, etc.), que en máquinas hidráulicas (bombas, hélices, turbinas). Por los efectos destructivos que en las estructuras y máquinas hidráulicas mal proyectadas o mal instaladas produce la CAVITACION es preciso estudiar este fenómeno, para conocer sus causas y controlarlo.

El fenómeno de cavitación reduce la velocidad a que pueden funcionar las máquinas hidráulicas, disminuyendo su rendimiento, por la acumulación de burbujas de vapor que perturban la afluencia normal de las masas liquidas. Además de producir ruidos y vibraciones, es causa de una rápida y constante erosión de las superficies en contacto con el líquido, aun cuando éstas sean de hormigón, hierro fundido, aleaciones especiales, etc.

DESCRIPCION DE LA CAVITACION

Cuando un líquido fluye a través de una región donde la presión es menor que su presión de vapor, él liquido hierve y forma burbujas de vapor. Estas burbujas son transportadas por el líquido hasta llegar a una región de mayor presión, donde el vapor regresa al estado líquido de manera súbita, implotando bruscamente las burbujas. Esta fenómeno se llama CAVITACION.

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 sólida. El fenómeno generalmente va acompañado de ruido y vibraciones, dando la impresión de que se tratara de grava que golpea con diferentes partes de la máquina.

Según se ha dicho, cuando, la corriente de un punto de una estructura o de una máquina alcanza una presión inferior a la presión de saturación de vapor (Fig. 1), el líquido se evapora y se originan en el interior del líquido “cavidades” de vapor, de ahí 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.).

El fenómeno de la CAVITACION se explica con el mecanismo siguiente: si la presión en un líquido como el agua baja suficientemente, empieza a hervir a temperatura ambiente. Consideremos un cilindro lleno de agua y tapado con un pistón en contacto con el agua. Si se mueve el pistón en dirección fuera del agua, se reduce la presión y el agua se evapora formando burbujas de vapor, si ahora bajamos el pistón hacia el agua la presión aumenta, el vapor se condensa y la burbuja se destruye (colapso de la burbuja).

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 rápidamente. Se demostró con cálculos que una burbuja en colapso rápido produce ondas de choque con presiones hasta de 410 MPa. Estas fuerzas ya son capaces de deformar varios metales hasta la zona plástica, lo que está comprobado por la presencia de bandas de deslizamiento sobre partes de bombas o de otro equipo sujeto a cavitación.

:

Se distinguen dos tipos de cavitaciones:

Cavitación en burbuja o transitoria.

Las burbujas aparecen repentinamente sobre el contorno del cuerpo sólido sumergido en el líquido, que crecen en extensión y desaparecen.

Cavitación estacionaria o laminar.

Las burbujas se forman en el contorno del cuerpo y permanecen sobre él, mientras no varían las causas productoras.

DAÑO POR CAVITACION

El daño por CAVITACION es una forma especial de corrosión-erosión debido a la formación y al colapso de burbujas de vapor en un líquido cerca de una superficie metálica, que ocurre en turbinas hidráulicas, hélices de barcos, impulsores de, bombas y otras superficies sobre las cuales se encuentran líquidos de alta velocidad con cambios de presión.

Un daño por CAVITACION tiene un aspecto semejante a picaduras por corrosión, pero las zonas dañadas son más compactas y la superficie es más irregular en el caso de la CAVITACION.

El daño por CAVITACION se atribuye parcialmente a efectos de desgaste mecánico. La corrosión interviene cuando el colapso de la burbuja destruye la película protectora, como se muestra esquemáticamente en la siguiente figura, con los pasos siguientes:

Se forma una burbuja de CAVITACION sobre la película protectora.

El colapso de la burbuja causa la destrucción local de la película.

La superficie no protegida del metal está expuesta al medio corrosivo y se forma una nueva película por medio de una reacción de corrosión.

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 película.

La película se forma de nuevo y el proceso se repite indefinidamente hasta formar huecos bastante profundos.

Se acepta generalmente que la CAVITACION es un fenómeno de corrosión-erosión.

En forma general, es posible prevenir el daño por CAVITACION con los métodos descritos en la prevención de corrosión-erosión:

Modificar el diseño para minimizar las diferencias de presión hidráulica 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 cavilación, ya que es más difícil nuclear burbujas sobre una superficie muy plana

Recubrimiento con hules o plásticos que absorben las energías de choque.

Los alabes curvos son particularmente susceptibles a la CAVITACION en su cara convexa, donde se pueden tener áreas sujetas a un picado fuerte e incluso a falla total.

Un inadecuado proyecto del propulsor tiene gran influencia, no sólo sobre el rendimiento propulsivo, sino también sobre la aparición de fenómenos de CAVITACION que dan origen a vibraciones y ruidos

El túnel de CAVITACION del Canal de Experiencias Hidrodinámicas de El Pardo, permite el estudio de las características de las hélices estudiando la generación de CAVITACION, riesgo de erosión , fluctuaciones de presión y la producción de ruidos inherente a la CAVITACION

PREVENCION DE LA CAVITACION

Al igual que en las turbinas convencionales, en las BUTUs se presentará el fenómeno de CAVITACION en zonas donde la presión llega a un punto de magnitud inferior a la tensión de vapor del fluido, agua en este caso.

Para evitar indicios de este fenómeno o la aparición total del mismo, es necesario mantener una altura de succión o contrapresión en el lado de descarga de manera suficiente de modo que evite dicha problemática.

Existe una forma rápida de calcular, con un buen grado de aproximación, la altura de succión utilizando la siguiente expresión:

Hs = ha + ht - H neta

Donde :

Hs= Altura de succión del rodete sobre el nivel del mar.

ha= Presión Atmosférica, en unidades de longitud.

ht = Tensión de vapor del agua.

= Coeficiente de cavitación

H =Altura Neta de la Turbina.

Para el calculo del coeficiente de CAVITACION es necesario recurrir a la experiencia que se encuentra en el campo de las turbinas hidráulicas; es decir, existe curvas que relacionan el coeficiente de CAVITACION (s) con la velocidad especifica de la máquina en cuestión (poner figura apropiada)

El calculo de este coeficiente de CAVITACION es solo aproximado, toda vez que la bomba utilizada como turbina no tendrá exactamente las mismas relaciones de G y NB:

ALTURA DE ASPIRACIÓN EN BOMBAS Y TURBINAS

EFECTOS DE LA CAVITACIÓN

Las bombas utilizadas en el bombeo de agua para suministro de agua potable, son del tipo centrífugas por ser el tipo de bomba que mejor se adapta a las características de caudal y altura manométrica requeridas. Solo presentan particularidades en su construcción que dependen del tipo de líquido a tratar.

En las instalaciones con bombas centrífugas, ya sean de eje vertical u horizontal, es de vital importancia asegurar la presión mínima requerida en la sección de entrada del alabe impulsor.

O sea disponer de una Altura Neta Positiva de Aspiración(ANPA) igual o superior a la requerida por la bomba, que garantice las condiciones de presión en el seno del fluido por encima de las de vaporización, a los efectos de no producir CAVITACION.

Determinación del ANPA o NPSH (net pressure suction

head).Tomando como referencia la Figura N° 1 representando

las alturas de energías del teorema de Bernoullí referidas a un eje vertical O-O, a fin de evitar superposiciones en la tubería de aspiración. Considerando que la velocidad en el depósito inferior puede despreciarse, Ca = 0 la energía inicial absoluta corresponderá a la posición y a la presión atmosférica Esta energía debe igualar a la energía en un cierto punto del rotor M, en que la presión absoluta llegue a la correspondiente a la cavitación Pv /γ mas las

pérdidas ocurridas en el trayecto.

Ei = EM + ΣJ

Hs Lím = (Pa - Pv)/ γ C12 /2g + z + J +

ΣJa

El término entre corchetes puede expresarse en función de la altura manométrica y del número específico resultando, como en las turbinas:

Hs Lím = (Pa - Pv)/ γ - σHm = Hb - σHm

Sin embargo, cuando Σ Ja sobrepasa los valores comunes este procedimiento no ofrece seguridad para evitar la CAVITACION.

a ) Concepto de la altura neta de aspiración positiva:

Expresando la igualdad de energías entre el centro de la sección de ingreso (3) y el punto de cavitación (4) se tiene:

H3 + H4 + Hs Lím + Pv / γ + A.N.P.A. + U12 /2g +

ΣJa =

H3 + H4 + Hs Lím + z + Pv / γ + C12 /2g + J + ΣJa

de donde resulta:

A.N.P.A. = z + J + (C12 - U1

2) / 2g (1)

En consecuencia, la altura neta positiva de aspiración equivale a la energía de presión disponible en la brida de entrada por encima de la presión de vaporización necesaria para llevar el fluido en la altura z, vencer las resistencias en ese recorrido y acelerar la masa líquida desde la velocidad en la brida hasta la velocidad en el lugar de CAVITACION.

b ) Determinación de la altura de aspiración límite:Expresando la igualdad de energías entre el

nivel superficial inferior (2) y la brida (3) se tiene:

H3 + H4 + Pa / γ = H3 + H4 + Hs Lím + Pv / γ + A.N.P.A. + U1

2 /2g + ΣJa =

Por lo tanto: Hs Lím = (Pa - Pv)/ γ - A.N.P.A. + U1

2 /2g + ΣJa (2)

Considerando que A.N.P.A. según (1) resulta para determinada bomba función de sus características geométricas y del gasto que escurre y que U12 /2g y ΣJa también resultan función del gasto se podrá graficar la función (2) en la forma que se indicaen la Figura N°2.

c) Determinación experimental de la altura neta de aspiración positiva:La expresión (2) puede escribirse:

A.N.P.A. = (Pa - Pv)/ γ - U12 /2g + Σ Ja + Hs Lím (3)

También se tiene en el diagrama, que la presión absoluta que debe reinar en la brida debe valer:

Pb / γ = Pv/ γ + A.N.P.A.

Reemplazando A.N.P.A. por su valor (3)

Pb / γ = Pa / γ - U12 /2g + Σ Ja + Hs Lím

resulta que la presión relativa en la brida medida por el vacuómetro vale:

Pb / γ = U12 /2g + Σ Ja + Hs Lím

Finalmente la expresión (3) podrá escribirse:

A.N.P.A. = ((Pa - Pv)/ γ ) - ( Pb / γ )

En la que Pb / γ representa la depresión que mide el vacuómetro en la brida en el momento de producirse la cavitación. Colocando un vacuómetro de precisión en la brida, y aforando el caudal que eleva la bomba se podrá determinar la curva de A.N.P.A. representada en la Figura N°2, cuyos valores se incrementarán por las alturas de la energía cinética y de la energía perdida en la aspiración para definir, en función del gasto máximo de la bomba, el monto y el signo de la altura geométrica de aspiración.

La sumergencia exigida por la CAVITACIONCAVITACION 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 cámara anular refrigera la parte externa del motor, permitiendo su funcionamiento en condiciones de régimen térmico.

Durante el servicio intermitente, para limitar la temperatura del arrollamiento y asegurar la inercia térmica en la masa metálica, se limita el número de arranques a cuatro por hora.

SECCIÓNES SOMETIDAS A CAVITACIÓN

Fig. Nº 2

CAVITACION EN UN CAVITACION EN UN ESTUDIO TÉCNICO DEL ESTUDIO TÉCNICO DEL DIFUSORDIFUSOR Consideramos el esquema de la Fig. (1.1) y apliquemos Bernoulli a una vena líquida comprendida entre la salida del rodete (2) y la del difusor (3) y entre esta última sección y la

del canal de descarga de la turbina (s).

22 c c22, p, p22, z, z22

H Hgs J23

S S 33 c c33, p, p33, z, z33

Fig. 1.1Fig. 1.1

Z2 + p2 + c22 = Z3 + p3 + c2

3 + Ј23 (a)

γ 2g γ 2g 

Z3 + p3 + c23 = ZS + pS + Ј3S (b)

γ 2g γ

pS = pat presión atmosférica

Ј23 = pérdida de carga en el turbo difusor

 Ј3S = pérdida de carga debido al

ensanchamiento del difusor

(aproximadamente igual a c23 )

2g

De las ecuaciones ( a ) y ( b ) se obtiene:

 

Z2 + p2 + c22 = ZS + pat + c2

3 + Ј23 ( c )

γ 2g γ 2g

Además, de la Fig.. ( 1.1 ) se observa que: 

Hgs = z2 - zS ( d ) 

Generalmente a Hgs se le denomina “altura geométrica de aspiración”

 De ( c ) y ( d ) se tiene:

p2 = pat - c22 - c

23 - Hgs - Ј23 ( e )

γ γ 2g  

Como c2 es mucho mayor que c3 , esta última se desprecia. Además, de ( e ) se observa que

p2 < pat , es decir, vacío. γ γ

De esta forma, el valor mínimo de p2

corresponde a la presión de vaporización (pvap) a

la temperatura de funcionamiento. De ocurrir esta condición estaremos en presencia del fenómeno de CAVITACION, el cual produce serios daños a la turbina.

Por lo tanto, para que no exista CAVITACION, la presión a la salida de la rueda debe ser mayor a la de vaporización, es decir, se debe cumplir:

  pat - Hgs - c22 + Ј23 > pvap ( f )

γ 2g γ

En la practica, se considera un coeficiente de CAVITACION de la instalación:

 

pat - pvap - Hgs ( g )

σ = γ γ .

Hn

Que debe ser superior al coeficiente de

CAVITACION CRITICO (σc) de la turbina, el

cual está definido a partir de las velocidades a la salida de la rueda. La (Fig. 1.2) muestra los rangos aproximados de σc .

De esta forma, la altura máxima de aspiración corresponderá a:

 

(Hgs)max = pat - pvap - σc Hn ( h )

γ γ

 

De ( h ) se deduce que estaremos más expuestos a la CAVITACION cuando:

• Mayor es la temperatura del agua.• Mayor es la altitud donde será instalada la

turbina (pat disminuye al aumentar la altura

sobre el nivel del mar).• Mayor es el número específico.