La cavitación o

aspiraciones en vacío

 Efecto hidrodinámico que se produce cuando el agua o cualquier otro fluido en estado líquido pasa a gran velocidad por una arista afilada, produciendo una descompresión del fluido debido a la conservación de la constante de Bernoulli. Puede ocurrir que se alcance la presión de vapor del líquido de tal forma que las moléculas que lo componen cambian inmediatamente a estado de vapor, formándose burbujas o, más correctamente, cavidades. Las burbujas formadas viajan a zonas de mayor presión e implosionan (el vapor regresa al estado líquido de manera súbita, «aplastándose» bruscamente las burbujas) produciendo una estela de gas y un arranque de metal de la superficie en la que origina este fenómeno.

El proceso físico de la cavitación es casi exactamente igual que el que ocurre durante la ebullición. La mayor diferencia entre ambos consiste en cómo se efectúa el cambio de fase. La ebullición eleva la presión de vapor del líquido por encima de la presión ambiente local para producir el cambio a fase gaseosa, mientras que la cavitación es causada por una caída de la presión local por debajo de la presión de vapor que causa una succión.

Un liquido se evapora cuando la energía no es suficiente para mantener las moléculas unidas, entonces estas se separan unas de otras y aparecen burbujas de vapor.

En las siguientes diapositivas se muestra

como ocurre esto para el caso mas común,el agua..

¿Cómo aparece la cavitación?

¿Cuando se evapora el agua (I)?

La condición de paso de líquido a vapor depende de dos parámetros:

• temperatura

• presión

La correlación es lo que se conoce como curva característica de la presión de vapor.

¿Cuando se evapora el agua (II) ?

A presión atmosférica (1 bar)el agua se evapora a 100°C.

Cuando la presión decrece, el proceso de evaporación comienza a una temperatura menor.

Ejemplo:

A una presión de 0.02 bares el agua se evapora a una temperatura aproximada de 18°C.

Energía contenida en un fluido

La energía total de un fluido está compuesta

de los siguientes tipos de energías:

Evolución de los tipos de energía en el punto de regulación (I)

Debido al estrechamiento de la sección de paso en punto de regulación, la velocidad del fluido y por tanto su energía cinética aumentan considerablemente.

Debido, también, al estrechamiento las pérdidas también aumentan de forma apreciable.

En la “ vena contracta“ la energía de presión restante, y por tanto la presión local, decrece considerablemente ya que la energía total debe permanecer constante.

Evolución de los tipos de energía en el punto de regulación (II)

Si en este punto la presión baja por debajo de la presión de vapor, el agua puede evaporarse.

Entonces se forman burbujas de vapor, ...

... Que se deforman al incrementarse la presión...

... Y finalmente implotan y desaparecen.

Implosión de las burbujas de vapor

Al cambiar de estado gaseoso a líquido, las burbujas de vapor se colapsan súbitamente (implotan) y esto produce que el agua que las rodea se acelere hacia el interior de las mismas formando una especie de hendidura.

Esto origina un “Microchorro“ que golpea las paredes del cuerpo de la válvula o de la tubería a muy alta velocidad (v>1000 m/seg), causando picos de presión de hasta 10000 bares, lo que erosiona los materiales a nivel molecular.

¿Cuando aparece la cavitación?

Condiciones esenciales:

• Alta presión diferencial

• Baja contrapresión• Alta velocidad del

fluido

TIPOS DE CAVITACIÓN

Cavitación de burbujas.- Aparece en el extradós de los álabes, hacia la salida del rodete.

Cavitación de entrada extradós o cara de succión.- Puede producir erosiones profundas en un corto período de exposición. Se produce cuando la turbina trabaja con saltos mayores que los de diseño.

Extradós

Cavitación de entrada intradós o cara de presión .- Se produce cuando la turbina trabaja con saltos menores que los de diseño.

Cavitación producida por vórtices a carga parcial.- Debida a las características del flujo cuando se trabaja a cargas muy bajas. Se caracteriza por la aparición de torbellinos. El peligro de erosión es bajo.

Cavitación de antorcha.- Aparición de un vórtice llamado antorcha en el tubo de aspiración cuando se trabaja a cargas parciales o con sobrecargas. Esta antorcha provoca oscilaciones de presión que pueden traducirse en fluctuaciones no deseadas de par en el eje de la turbina, acompañado de un notable nivel de vibraciones.

Cavitación por desprendimiento de vórtices de Von Karman.- Localizada a partir del borde de salida del álabe.

Cavitación en las juntas.- Aparece en un flujo a alta velocidad resultado del contacto entre dos zonas a diferente presión.

Cavitación en las directrices. Puede ocurrir cuando el perfil de los álabes del distribuidor no está adaptado a las condiciones hidrodinámicas del punto de trabajo.

La formación de cavitación y sus consecuencias son función de muchos factores, tales como el diseño y tamaño de la máquina, la velocidad

específica o el punto de funcionamiento.

superficie característica de una sustancia que se contrae al fundirse (p. e., el agua) y proyecciones de la superficie característica sobre los planos (T,

p) y (p, V).

clsificacion de cavitación en turbinas Francis

según la forma enque se produce

según su grado de desarrollo

por reducción de tensiones en el líquido

por introducción de energía

incipiente

desarrollada

supercavitación

cavitacióndesinente

forma empírica

cavitación de burbujas separadas (bubble cavitation),

cavitación de lámina (sheet cavitation) o

cavitación de vórtice (vortex cavitation)

efecto erosivo de la cavitación de burbujas observada en modelo de

rodete en laboratorio.

localización delos principales tipos decavitación presentes en unaturbina Francis.

Cavitación que depende de σ

Cavitación que no depende de σ

Otros tipos de cavitación

Cavitación de burbujas

Cavitación a la salida del álabe (outlet cavitation):

Cavitación de entrada extradós o cara de succiónCavitación de entrada intradós o cara de presiónCavitación producida por vórtices a carga parcial

Cavitacion de antorcha

Cavitación por desprendimiento de vórtices de Von Karman1Cavitación en las juntas

Cavitación en las directrices.

Tipos de cavitación en turbinas Francis

La formación de inestabilidades de carga parcial, consecuencia de trabajar con caudales inferiores al de diseño (antorcha).

- La formación de antorchas por sobrecarga (caudales de funcionamiento superiores al de diseño).

- Aparición de ruido y vibraciones.

- Disminución de prestaciones de la máquina hidráulica (caída del rendimiento), reduciendo la fiabilidad de nuestras instalaciones.- Desarrollo de procesos erosivos

- Incremento en los gastos de mantenimiento (no hablamos únicamente del costeasociado a la substitución de la(s) pieza(s) afectada(s), sino en la problemáticaasociada a parones en la producción).