008 MH tema8 - Cavitacion.pdf

7/22/2019 008 MH tema8 - Cavitacion.pdf

1/27

Antonio Fernndez Garca-Navas. Dpto. Ing. Aeroespacial y Mecnica de Fluidos. Universidad de Sevilla1

Cavitacin

CAVITACION

Antonio Fernndez Garca-Navas


2/27


Cavitacin

Cuando el volumen de una masa de gas aumenta, la presin en el interior del

volumen decrece; pero la presin permanece siempre positiva. Lo anterior

no es verdad para lquidos debido a que su ecuacin de estado es diferente.

Surge entonces la cuestin: Qu ocurre cuando las condiciones dinmicas

en la corriente de un lquido son tales que se alcanzan presiones negativas en

ciertos puntos del lquido? Tales presiones son dinmicamente posibles como

evidencia la ecuacin de Bernoulli para corriente estacionaria: la presin se

hace negativa en lugares donde la velocidad excede del valor

21

02

gz

P

La respuesta a la pregunta anterior, que tiene importantes consecuencias en

mquinas hidrulicas y en propulsin subacuatica, es que el lquido no puede

soportar tensiones y tiende a formar (vaporizndose), cavidades de vapor

que impiden que se alcancen presiones negativas


3/27


Cavitacin

La ecuacin de continuidad para lquidos deja de ser vlida, y para describir lacorriente es necesario dar las posicin y el movimiento de las cavidades de

vapor. Cuando las cavidades se mueven arrastradas por la corriente aguas

abajo se encuentran zonas donde la presin es mayor que la presin de vapor

y las cavidades colapsan.

Se distinguen pues dos fases en la cavitacin.

Fase 1: formacin de las cavidades de vapor que son arrastradas en el seno

de la corriente Fase 2: implosin de dichas cavidades

La cavitacin es un fenmeno que se presenta en hidrulica, tanto en

estructuras fijas (venturas, sifones, etc) como en las mquinas. Tambin en lapropulsin subacuatica; de hecho las primeras observaciones se produjeron en

1895, en las hlices del barco HMS Daring, como consecuencia de la perdida

de potencia en el barco. El primer informe acerca de la cavitacin (1907)

describe como en pocas semanas un rodete Francis quedo destruido en pocas

semanas.


4/27


Cavitacin

Cavitacin en una hlice

de un barco

En la garganta del venturi, al

acelerarse la corriente, la

presin puede bajar hasta

llega a la presin de vapor


5/27


Cavitacin

En la figura pueden verse las

dos fases de la cavitacin.

El colapso de las cavidades, cuando se encuentran cerca de las paredes, lleva

consigo un efecto indeseable, ya que erosiona el material, destruyndolo.

Al cambiar de estado gaseoso a lquido, las burbujas

de vapor colapsan sbitamente (implosionan) y estoproduce que el agua que las rodea se acelere hacia

el interior de las mismas formando una especie de

hendidura.


6/27Antonio Fernndez Garca-Navas. Dpto. Ing. Aeroespacial y Mecnica de Fluidos. Universidad de Sevilla6

Esto origina un Microchorro que golpea las paredes a muy alta velocidad

(v>1000 m/s), causando picos de presin de hasta 1000 bares, lo que erosiona

los materiales a nivel molecular. La erosin del material, acelera a su vez la

cavitacin al acelerarse el lquido localmente en dichas irregularidades.

Hay que decir que el fenmeno de la cavitacin es fundamentalmentemecnico, pero estas presiones por si mismas no son suficientes para provocar

tal deterioro en el material.

Cavitacin



Cavitacin

Como se ha dicho, al implosionar las burbujas de vapor, la presin local

en un determinado punto se hace enorme y aparece entonces una onda

de presin que se propaga en todas direcciones.

Esta onda, al pasar por el punto en el que la presin del lquido era la de

vapor, la aumenta, dejando de producirse las cavidades de vapor. Sin

embargo la onda de presin se amortigua, volviendo el campo depresiones a los valores iniciales, lo que hace que se inicie de nuevo el

proceso.

La frecuencia de este proceso es muy alta, entre 20.000 y 50.000 veces

por segundo. Sin embargo, tampoco esto basta para justificar la

erosin del material.



Se observa que localmente la temperatura crece enormemente, (se hanllegado a medir hasta 230) lo que contribuye a pensar que puede influir

en la destruccin del material. De todas formas, hay que decir que todava

no se conoce bien el mecanismo de dicha erosin

Aspecto esponjoso de

una superficie sometida

a cavitacin

Cavitacin



Cavitacin

Simultneamente se observan los efectos siguientes:

AudiblesAudibles.- trepidacin o golpeteo del lquido sobre la pared slida,

semejante a un chorro de grava o el ruido producido por cantos

rodados. VisiblesVisibles.- las burbujas de vapor son blancas, no transparentes.

SensiblesSensibles.- se producen vibraciones, que en ocasiones pueden ser

peligrosas para las mquinas, incluso tambin para las estructuras

EnergEnergticosticos.- las cavidades de vapor, causan una disminucin de la

seccin transversal til, (es decir, pueden cambiar los contornos de la

corriente de lquido) aumentando por tanto las prdidas hidrulicas y

por tanto disminuyendo el rendimiento



Cavitacin


11/27


Cavitacin

En bombas, el punto de mnima presin se encuentra a la entrada del rotor,por lo que la cavitacin se producir en la zona de entrada de los labes.

Zona de cavitacin en una

bomba centrifugaZona de cavitacin en una

bomba axial


12/27


Cavitacin

Altura de aspiraciAltura de aspiracinn

A

Para que la bomba de la instalacin funcione sin

cavitacin es necesario que la presin del lquido

en cualquier punto de la bomba sea superior a la

presin de vapor

La presin en la brida de aspiracin de la bomba,

punto A ser:

A la entrada de los labes

aspAAaspA ghvpp 2

2

1

A

haspp

minp

Ap

Aw

2

min2

1ApA wcpp


13/27


Cavitacin

vaporpp min

Naturalmente el funcionamiento de la bomba sin cavitacin se aseguraimponiendo la condicin

vaporApA pwcp 2

2

1

vApaspAAasp

pwcghvp 22

2

1

2

1

Ecuacin que tambin puede escribirse como

2

42

2

2

18Ap

asp

aspA

vasp

wcgD

Q

hg

pp

NPSHNPSHdd NPSHNPSHrr

Net Positive Succion Head, (Altura Neta de Succin Positiva)


14/27


Cavitacin

2

2

1A

vAaspA

vaspv

gg

pph

g

pp

Anteriormente, se ha visto que:

Definicin de NPSHNPSHdd,, es la altura total, esttica ms dinmica menos

la de vapor que el fluido deja disponible a la bomba en la brida deentrada de la misma

El NPSHNPSHrr, depende de la geometra a la entrada de la bomba y del punto

de funcionamiento de la misma, es decir del caudal que la atraviesa. Esuna cantidad esencialmente positiva, ya que sus dos sumandos lo son. Y

por ello, se hace hincapi en que la altura neta de succin ha de ser

POSITIVA


15/27


Cavitacin

Para medir la NPSHNPSHdd,, lo ideal sera tener un caudalmetro, y un vacumetro

en la brida de entrada de la bomba. Normalmente cuando esto no es posible

se calcula teniendo en cuenta lo anterior.

El NPSHNPSHdd,, la energa total del fluido al entrar a la bomba menos la de vapor,

solo depende de cmo se haya proyectado la aspiracin de la instalacin.

Es decir de:

De la longitud y dimetro de sus conductos,

Del material con el que estn construido,

De todas las prdidas, incluidas las localizadas en vlvulas codos,

reducciones etc,

De la cota de la bomba con respecto al nivel de aspiracin

De la presin en depsito de aspiracin.


16/27


Cavitacin

Curva NPSHNPSHdd -- QQ

aspA

vasp

AvA

d hg

ppv

gg

ppNPSH

22

1

El NPSHNPSHdd disminuye al aumentar el caudal, por lo que su curva tiene

pendiente negativa

dNPSH

Q

A

vasph

g

pp


17/27


Cavitacin

Curva NPSHNPSHrr -- QQ

La curva del NPSHr se obtiene de forma experimental. Como ya se ha

dicho, depende de la geometra a la entrada de la bomba, y del

punto de funcionamiento de la misma, es decir del caudal.Convencionalmente, los fabricantes toman como NPSHr para un

caudal determinado, la NPSHd correspondiente a ese caudal

cuando la altura desarrollada es un 3% menor que la

correspondiente a ese caudal en ausencia de cavitacin.

Se mencionaran a continuacin dos formas de obtenerla

1. NPSHd = constante. En una instalacin determinada, se prueba la

bomba, aumentado el caudal bombeado y midiendo la altura que

proporciona, hasta que est cae por debajo de su valor normal un3%. Se mide entonces el NPSHd y se obtiene de este modo un

punto de la curva. Se repita la operacin para distintas instalaciones

(NPSHd) obtenindose nuevos puntos que despus basta con unir.


18/27


Cavitacin

En las bombas de baja velocidad especifica, las curva H Q, coincide con la

normal, hasta el punto (NPSHd = NPSHr) en que comienza a cavitar.

Despus cae bruscamente casi perpendicular al eje de abscisas; la razn de

esta cada es que estas bombas poseen conductos bastante estrechos (entrelabes) y las burbujas, en cuanto comienzan la cavitacin, los llenan

rpidamente e impiden que el caudal aumente ms por mucho que se

disminuya la altura desarrollada por la bomba


19/27


Cavitacin

En las bombas de alta velocidad especifica, la desviacin de la curva H Q,

no es tan brusca, y aparece ms bien como un desplazamiento hacia debajo

de la curva normal a partir de un punto no claramente definido. En estas

bombas los conductos de paso son ms amplios y y por eso nos tanbruscamente bloqueados por el lquido vaporizado, como en las de baja

velocidad especifica.


20/27


Cavitacin

2. Q = constante. En este caso, se mantiene el caudal y se vara el

NPSH hasta que la altura cae un 3% sobre el valor normal sin

cavitacin.


21/27


dNPSH

Q

A

vasph

g

pp

rNPSH

maxQ

H

Cavitacin


22/27


Cavitacin

ExtensiExtensin de las reglas de semejanza para incluir la cavitacin de las reglas de semejanza para incluir la cavitacinn

Debe observarse que la NPSH requerida se mantiene constante mientras

que lo hagan las condiciones de aspiracin, independientemente de lo

que suceda aguas debajo de la misma (zona de alta presin). Es decir, la

NPSHr depende de

1. La magnitud y orientacin de la velocidad a la entrada2. Geometra y dimensiones de la regin de entrada

Estos dos puntos pueden caracterizarse haciendo uso de las condiciones

de operacin, Q y y de un valor caracterstico del tamao de la entrada(por ejemplo; el dimetro de aspiracin de la bomba, Da)

ar DQfNPSH ,,


23/27


Cavitacin

Que adimensionalmente se escribe

322

aa

r

D

Qf

D

gNPSH

Donde el parmetro

expresa la condicin de semejanza en el flujo a la entrada. Dos mquinas

de una misma familia estn en iguales condiciones de operacin frente a

la cavitacin cuando corresponden a un mismo punto de la relacinfuncional arriba expresada.

.3 cteD

Q

a

23 C

D

Q

a

122 C

D

gNPSH

a

r


24/27


Cavitacin

Si se elimina el dimetro de aspiracin entre las dos relaciones anteriores

con el fin de caracterizar a cualquier mquina de la familia, se obtiene la

velocidad especifica de succin o de aspiracin

43

21

rgNPSH

QS

Formalmente S solo difiere de en la sustitucin de H por NPSH, pero a

diferencia de , el parmetro S solo requiere semejanza geomtrica en la

aspiracin.

Comparando estos dos parmetros, se obtiene

ss

4

3

H

NPSH

S

rs


25/27


Cavitacin

H

NPSH

S

rs

34

Es decir,

A esta ultima relacin se la conoce como coeficiente de THOMA ( ).

Empricamente se ha observado que para una misma susceptibilidad de

cavitacin se cumple

3

4

. scte

Esto confirma el hecho de que S=Cte., indica una misma posibilidad decavitacin


26/27


Cavitacin

La velocidad especifica de succin es

tambin una medida del cuidado con

que est diseado el conducto deaspiracin y la entrada a la bomba, ya

que cuanto mayor sea S, menor es el

NPSHr.

El valor de S suele ser 3 para bombasde simple aspiracin, y alrededor de 4

para las de doble aspiracin.

Actualmente se llegan a valores de 6

y 7. Valores altos de S suelen estar

unidos frecuentemente a rendimientos

elevados.


27/27

Antonio Fernndez Garca-Navas Dpto Ing Aeroespacial y Mecnica de Fluidos Universidad de Sevilla27

Cavitacin

008 MH tema8 - Cavitacion.pdf

Documents

Transcript of 008 MH tema8 - Cavitacion.pdf