Embed Size (px)
Citation preview
1
CAVITACIÓN Y ALTURA DE SUCCIÓN PERMISIBLE DE LA TURBINA EL FENÓMENO DE
CAVITACIÓN
El análisis de la condición de trabajo de la turbina con la tubería de succión muestra que debajo de la
rueda de trabajo se crea una baja presión. Además de esto, al contornear el fluido al álabe, en el lado
exterior, se crea una caída de presión suplementaria. De esta forma, en alguna parte del interior sometido
a succión de la turbo-máquina, la presión puede ser sumamente baja (vacío profundo). Esta condición
tiene su particularidad y puede llevar a la aparición de la cavitación.
Uno de los factores principales que determinan el movimiento del fluido a baja presión es la resistencia del
fluido a la fracción de la continuidad. Así, por datos experimentales, el agua pura que no contiene
partículas sólidas y gaseosas soporta una tracción de 0,2-0,3 MPa y en condiciones particulares alcanza
10-25 MPa.
La resistencia teórica del agua a la tracción es más grande. Pero a su vez, la resistencia a la tracción del
agua común se determina por la presión de ebullición Peb, cuyo valor depende de la temperatura del
fluido. Esto se explica con que en el agua que se encuentra en los niveles superior e inferior, e inclusive en
las tuberías, contiene una gran cantidad de partículas sólidas y gaseosas las cuales representan puntos
débiles o núcleos. La formación de los núcleos permite la presencia de partículas de aire en el agua.
Cuando la presión del fluido cae debajo de la presión de ebullición, en los límites de los núcleos comienza a desarrollarse un intensivo cambio de fase, de líquido a vapor, y se forman las discontinuidades locales del medio o cavernas, que están llenas, generalmente, de vapor de agua. Después de la formación de las cavernas, no se produce una posterior disminución de la presión del fluido, ya que ésta se compensa con el rápido incremento del volumen de la caverna. Al aumentar la presión, las cavernas explotan y el vapor se condensa instantáneamente.
2
Como se observa en la figura, la presión de ebullición del agua a 100° C es igual a la presión atmosférica y determina el punto de ebullición. En una cota sobre los 2 200 m/snm la presión atmosférica es igual a 80 Kpa y el agua hierve a 93° C. Si la presión absoluta disminuye en 2 Kpa, entonces el agua puede hervir a 20° C. (Fig. 1)
Fig. 1. a) y b) fractura estática de la continuidad del agua; c) pulsación de la presión en el flujo turbulento.
Para comprobar la condición de la fractura de la continuidad del agua, se hará el siguiente experimento. Se tiene un cilindro lleno de agua y en un extremo está tapado por un pistón, de tal forma que debajo del pistón no haya ninguna partícula de aire. Si se tira del pistón hacia arriba con una fuerza P, al principio éste se resistirá y no se producirá ningún desplazamiento visible, pero cuando la fuerza P supere el valor Pcr = A (patm - peb); donde patm es la presión atmosférica; A el rea del pistón; entonces, el pistón comenzará a elevarse y entre el pistón y el fluido se crea un espacio, el cual está lleno, fundamentalmente de vapor de agua, con presión peb. Con esto, si el pistón no se mueve ni para arriba ni para abajo existirá la caverna y dentro de ella la presión se conservará constante e igual a peb. Esto se conoce como fractura estática de la continuidad del líquido. En el flujo turbulento, el proceso ocurre de otra forma. La característica particular del flujo turbulento es la pulsación de la velocidad y de la presión en cada punto, la cual es más intensiva en la zona de la capa límite. De esta forma, la presión instantánea en el punto del flujo turbulento se determina por dos componentes:
pa inst = pa + p' (Fig. 1-C)
donde, pa es un valor medio de la presión absoluta respecto al tiempo, p' es un componente de pulsación.
Si el valor medio de la presión pa en el flujo turbulento disminuye y se acerca al valor de la presión de ebullición Peb, entonces, cuando Pa > Peb en algún momento de tiempo, Pa inst alcanzará el valor de Peb y aquí se producirán las cavernas locales, las cuales han de explosionar en aquel instante en que la presión
3
se incremente. Con la disminución de Pa, el número de cavernas crecen, pero éstas también aparecerán y han de explosionar (han de pulsar). Si en un flujo, se tienen dominios con presiones aún mucho menores, entonces, pueden aparecer cavernas que se conservarán en el flujo durante todo el periodo de paso a través de este dominio. El periodo de vida de tales cavernas constan de dos fases: formación y crecimiento, lo cual ocurre fundamentalmente cuando el flujo pasa por las zonas donde la presión cae (el vacío crece) y explosionan (lo que sucede en los dominios donde la presión aumente) .
Bajo estas condiciones, las cavernas pueden alcanzar grandes medidas y cuando explosionen en un punto (centro) crearán una gran presión específica. La aparición en el flujo turbulento de la infracción de la continuidad del fluido y la caverna, lleva el nombre de cavitación. El flujo cavitacional conlleva a las siguientes interacciones sobre la turbo-máquina:
1. Bajo una cavitación suficientemente desarrollada crecen las pérdidas hidráulicas, lo cual conlleva a la disminución del coeficiente de rendimiento y a la disminución del caudal.
2. Bajo la presencia de cavitación en la turbo-máquina, aparece un ruido instantáneo y se crea una vibración sumamente alta.
3. Cuando la máquina trabaje a condiciones de cavitación, rápidamente, en aquellos lugares donde explosionen las cavernas, se forma un desgaste de la superficie.
El desgaste cavitacional (erosión) es producido, en una medida fundamental, por la interacción mecánica del flujo cavitacional, el cual aparece en forma de impactos producidos por las explosiones de las cavernas sobre la superficie del álabe contorneado o en sus cercanías. La particularidad de la interacción consiste en que la frecuencia de estos impactos es muy alta. Con esto, aparece el fenómeno de fatiga de los metales. La destrucción ocurre en forma de esponjamiento, ya que el metal pierde los cristales de su superficie y en lugar de ser liso toma una forma rugosa. La intensidad de la destrucción a veces es sumamente alta y puede alcanzar una profundidad de 10-40 mm al año. Esto conlleva a la necesidad de reparaciones de las partes, cambio de los órganos de trabajo. Finalmente, todo esto conlleva al encarecimiento de la explotación de la turbo-máquina. El desgaste de los álabes y de otras superficies contorneadas, suplementariamente conlleva a la disminución del rendimiento originando pérdidas al transformar la energía en la central hidroeléctrica. Durante la cavitación, debido a las interacciones mecánicas analizadas, aparecen fenómenos químicos y eléctricos, cuyo rol, por el momento, no han sido establecidos totalmente, pero es evidente que ayudan al incremento de la intensidad de la erosión por cavitación.
Los tipos característicos de cavitación en máquinas hidráulicas son: (Fig. 2)
4
Fig.2. Tipos de cavitación en turbomáquinas
a. Perfilar.- Que aparece cuando el líquido contornea los álabes en las zonas de
más baja presión.
b. Pelicular.- La que sucede cuando el líquido fluye con una gran diferencia de
presión a través de los huelgos (por ejemplo, entre los álabes de la rueda de trabajo y la cámara espiral).
c. Local.- Que aparece cuando el fluido atraviesa las irregularidades de la
superficie, salidas, aletas y otros (por ejemplo, las cabezas de los pernos).
La cavitación, fundamentalmente la perfilar, puede tener diferentes formas o estados de desarrollo, tales como:(Fig. 3)
Fig. 3. Estadios (formas) de cavitación en los álabes
5
a. cavitación con formación de burbujas.- En la cual, la infracción de la
continuidad tiene forma de burbujas individuales que se mueven con el flujo (flujo espumoso).
b. cavitación zonal o pelicular.- Que se caracteriza por la presencia de cavernas
continuas, llenas de torbellinos líquidos pulsantes.
c. Cavitación con desprendimiento.- Cuando se tienen espacios en los que existe
ausencia de líquido.
d. Super cavitación.- En este estado, las cavernas son tan desarrolladas que se
cierran tras los límites del perfil.
Cavitación
Modelo de propulsor cavitando en un túnel de agua.
La cavitación o aspiraciones en vacío es un 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
6
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.
La implosión causa ondas de presión que viajan en el líquido viaja a velocidades próximas a las del sonido,
es decir independientemente del fluido la velocidad adquirida va a ser próxima a la del sonido. Estas
pueden disiparse en la corriente del líquido o pueden chocar con una superficie. Si la zona donde chocan
las ondas de presión es la misma, el material tiende a debilitarse metalúrgicamente y se inicia una erosión
que, además de dañar la superficie, provoca que ésta se convierta en una zona de mayor pérdida de
presión y por ende de mayor foco de formación de burbujas de vapor. Si las burbujas de vapor se
encuentran cerca o en contacto con una pared sólida cuando implosionan, las fuerzas ejercidas por el
líquido al aplastar la cavidad dejada por el vapor dan lugar a presiones localizadas muy altas, ocasionando
picaduras sobre la superficie sólida. Nótese que dependiendo del material usado se puede producir una
oxidación del material lo que debilitaría estructuralmente el material.
El fenómeno generalmente va acompañado de ruido y vibraciones, dando la impresión de que se tratara de
grava que golpea en las diferentes partes de la máquina.
Se puede presentar también cavitación en otros procesos como, por ejemplo, en hélices de barcos y
aviones, bombas y tejidos vascularizados de algunas plantas.
Se suele llamar corrosión por cavitación al fenómeno por el que la cavitación arranca la capa de óxido
(resultado de la pasivación) que cubre el metal y lo protege, de tal forma que entre esta zona (ánodo) y la
que permanece pasivada (cubierta por óxido) se forma un par galvánico en el que el ánodo (el que se
corroe) que es la zona que ha perdido su capa de óxido y la que lo mantiene (cátodo).
Introducción
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.
Para que la cavitación se produzca, las «burbujas» necesitan una superficie donde nuclearse. Esta
superficie puede ser la pared de un contenedor o depósito, impurezas del líquido o cualquier otra
irregularidad, pero normalmente ha de tenerse en cuenta la temperatura del fluido que, en gran medida va
a ser la posible causa de la cavitación.
El factor determinante en la cavitación es la temperatura del líquido. Al variar
la temperatura del líquido varía también la presión de vapor de forma importante, haciendo más fácil o
difícil que para una presión local ambiente dada la presión de vapor caiga a un valor que provoque
cavitación.
7
Problemas
La cavitación es, en la mayoría de los casos, un suceso indeseable. En dispositivos
como hélices y bombas, la cavitación puede causar mucho ruido, daño en los componentes y una pérdida
de rendimiento.
Este fenómeno es muy estudiado en ingeniería naval durante el diseño de todo tipo de barcos debido a
que acorta la vida útil de algunas partes tales como las hélices y los timones.
En el caso de los submarinos este efecto es todavía más estudiado, evitado e indeseado, puesto que
imposibilita a estos navíos de guerra mantener sus características operativas de silencio e indetectabilidad
por las vibraciones y ruidos que la cavitación provoca en el casco y las hélices.
El colapso de las cavidades supone la presencia de gran cantidad de energía que puede causar enorme
daño. La cavitación puede dañar casi cualquier material. Las picaduras causadas por el colapso de las
cavidades producen un enorme desgaste en los diferentes componentes y pueden acortar enormemente la
vida de las bombas o hélices.
Además de todo lo anterior, la creación y posterior colapso de las burbujas crea fricción y turbulencias en
el líquido. Esto contribuye a una pérdida adicional de rendimiento en los dispositivos sometidos a
cavitación.
La cavitación se presenta también en el fondo de los ríos donde se genera a partir de irregularidades
del lecho disociando el agua y el aire. Ambos son sometidos a presiones, dando lugar, este último, a
burbujas que, con la fuerza del agua, se descomponen en tamaños microscópicos, saliendo disparadas a
gran velocidad. Esto provoca un fuerte impacto en el lecho que puede ser de hasta 60 t/m². Su importancia
radica en la constancia y repetición del fenómeno, lo que favorece su actuación. La cavitación es
un proceso erosivo frecuente en los pilares de los puentes.
Aunque la cavitación es un fenómeno indeseable en la mayoría de las circunstancias, esto no siempre es
así. Por ejemplo, la supercavitación tiene aplicaciones militares como por ejemplo en
los torpedos de supercavitación en los cuales una burbuja rodea al torpedo eliminando de esta manera
toda fricción con el agua. Estos torpedos se pueden desplazar a altas velocidades bajo el agua, incluso
hasta a velocidades supersónicas. La cavitación puede ser también un fenómeno positivo en los
dispositivos de limpieza ultrasónica. Estos dispositivos hacen uso de ondas sonoras ultrasónicas y se
aprovechan del colapso de las burbujas durante la cavitación para la limpieza de las superficies.
8
Daño por cavitación de una turbina Francis.
Bombas y hélices
Los álabes de un rodete de una bomba o de la hélice de un barco se mueven dentro de un fluido. Cuando
el fluido se acelera a través de los álabes se forman regiones de bajas presiones. Cuanto más rápido se
mueven los álabes menor es la presión alrededor de los mismos. Cuando se alcanza la presión de vapor,
el fluido se vaporiza y forma pequeñas burbujas de vapor que al colapsarse
causan ondas de presión audibles y desgaste en los álabes.
La cavitación en bombas puede producirse de dos formas diferentes:
Cavitación de succión
La cavitación de succión ocurre cuando la succión de la bomba se encuentra en unas condiciones de
baja presión/alto vacío que hace que el líquido se transforme en vapor a la entrada del rodete.
Este vapor es transportado hasta la zona de descarga de la bomba donde el vacío desaparece y el vapor
del líquido es nuevamente comprimido debido a la presión de descarga. Se produce en ese momento una
violenta implosión sobre la superficie del rodete. Un rodete que ha trabajado bajo condiciones de cavitación
de succión presenta grandes cavidades producidas por los trozos de material arrancados por el fenómeno.
Esto origina el fallo prematuro de la bomba.
Cavitación de descarga
La cavitación de descarga sucede cuando la descarga de la bomba está muy alta. Esto ocurre
normalmente en una bomba que está funcionando a menos del 10% de su punto de eficiencia óptima. La
elevada presión de descarga provoca que la mayor parte del fluido circule por dentro de la bombaen vez
de salir por la zona de descarga. A este fenómeno se le conoce como slippage. A medida que
el líquido fluye alrededor del rodete debe de pasar a una velocidad muy elevada a través de una pequeña
apertura entre el rodete y el tajamar de la bomba. Esta velocidad provoca el vacío en el tajamar (fenómeno
similar al que ocurre en un venturi) lo que provoca que el líquido se transforme en vapor.
Una bomba funcionando bajo estas condiciones muestra un desgaste prematuro del rodete, tajamar
9
y álabes. Además y debido a la alta presión de funcionamiento es de esperar un fallo prematuro de
las juntas de estanqueidad y rodamientos de la bomba. Bajo condiciones extremas puede llegar a
romperse el eje del rodete.
Desgaste producido por la cavitación en un rodete de una bomba centrífuga.
Otro ejemplo de desgaste producido por la cavitación en un rodete de una bomba centrífuga.
Plantas
La cavitación puede aparecer en el xilema de las plantas cuando el potencial del agua se hace tan grande
que el aire disuelto dentro del agua se expande hasta llenar la célula de la planta. Las
plantas generalmente son capaces de reparar los daños producidos por la cavitación, por ejemplo con
la presión de bombeo de las raíces. En otro tipo de plantas como las vides la cavitación puede llevarlas a
la muerte. En algunos árboles la cavitación es claramente audible.
Supercavitación
La supercavitación es un fenómeno hidrodinámico, una variación de la cavitación. Se produce al moverse
un objeto a gran velocidad en un fluido (líquido). La diferencia fundamental entre cavitación y
supercavitación reside en la velocidad y en los usos potenciales de la misma, mientras la cavitación es un
fenómeno generalmente negativo tanto para la industria naval o la aeronáutica, la supercavitación es una
nueva vía de futuro en la industria, y ofrece nuevos horizontes económicos y tecnológicos.
10
Este fenómeno consiste en que al moverse el objeto a gran velocidad, el fluido que se desplaza a su
alrededor adquiere una velocidad muy grande haciendo que su presión disminuya drásticamente. Si se
llega al punto de evaporación del líquido, éste se convierte en gas y por tanto el objeto se desplaza por un
medio gaseoso disminuyendo así su fricción.
La cavitación o aspiración en vacío es un efecto hidrodinámico que se produce cuando el agua o cualquier
otro fluido pasa a gran velocidad por una superficie determinada en una arista afilada, produciendo una
descompresión del fluido en la zona de la arista. Puede ocurrir que se alcance la presión de vapor del
líquido a la temperatura que se encuentra dicho líquido de tal forma que las moléculas que lo componen
cambian inmediatamente de estado líquido a vapor. Las burbujas formadas viajan a zonas de mayor
presión e implotan (el vapor regresa al estado líquido de manera súbita, «aplastándose» bruscamente las
burbujas) produciendo una estela de gas, y un rápido desgaste de la superficie que origina este fenómeno,
ahora bien, en la Supercavitación se exagera este efecto con el fin último de que un objeto sumergido en
un fluido se vea rodeado de una burbuja de gas en su totalidad para así reducir el efecto de la fricción del
fluido y obtener así velocidades más altas haciendo que la implosión del gas se efectúe detrás de la cola
del objeto en cuestión.
Actualmente, esta tecnología es toda una revolución en el sector de armamento naval. Cabe mencionar
que el país más avanzado en estudios sobre este tema es Rusia, que hace ya unas décadas, creó un
prototipo de torpedo-motor-cohete que alcanzó una velocidad de 180 m/s. Este fenómeno es aprovechado
recientemente por el ejército estadounidense para las balas de destrucción de minas. Estas balas tienen
una punta achatada que provoca una supercavidad (el gas producido envuelve completamente al proyectil)
haciendo que puedan llegar con suficiente energía a 15 metros de profundidad para poder hacer explotar
una mina. Estas balas se lanzan desde un helicóptero artillado sobre el objetivo.
Otra aplicación militar es el torpedo ruso de supercavitación VA-111 Shkval, que aprovechando este efecto
puede viajar a la increíble velocidad de 380 km/h por debajo del agua.
En la actualidad, DARPA está desarrollando un minisubmarino, que aprovechando este efecto, podrá
alcanzar teóricamente los 100 nudos, un gran avance de velocidad submarina, en comparación con los
25/30 nudos actuales.
La cavitación se forma detrás de un objeto rodeado por un rápido flujo de líquido.
11
