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Cavitacin
CAVITACION
Antonio Fernndez Garca-Navas
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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
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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.
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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
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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.
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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.
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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.
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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
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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
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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
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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
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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)
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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
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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.
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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
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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.
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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
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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.
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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.
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dNPSH
Q
A
vasph
g
pp
rNPSH
maxQ
H
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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 ,,
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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
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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
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H
NPSH
S
rs
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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
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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.
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