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GENERERALIDADES SOBRE TURBIANAS HIDRÁULICAS Y FENÓMENO DE CAVITACIÓN ING. EDGARDO SOBRECASAS ING. GARCÍA CARRIZO JUAN JOSE REPRESENTANDO A LA UNIVERSIDAD TECNOLÓGIA NACIONAL –REGIONAL TUCUMÁN (DPTO DE ELECTROTEGNIA) DIRECCIÓN: LAVALLE Nª 1378 TELÉFONO: (0381)-4240910 e-MAIL: [email protected]

Resumen: A partir de la construcción de una presa desarrollaremos, cuales son los tipos de tubianas que se emplean en nuestro país dependiendo del salto total de la presa ,caudal, rendimiento como así también sus consecuencia en cada de ellas. El objetivo de este trabajo es mostrar que hoy en día, hay turbina que por su bajo costo de inhalación son mas liviana (su velocidad de giro es mayor) pero por otro lado existe el fenómeno de cavitación, que una de las causas depende de la velocidad de giro. Como resultado costobeneficio tiene poco rendimiento debido al desprendimiento de materiales sólidos de los álabes como así también vibraciones de la maquina. Otro punto hay que tener en cuenta es la altura de aspiración (hs) en el momento de la construcción de la presa. Este trabajo es esta enfocado desde el punto de vista “eléctrico” como la turbina hidráulica receptora que transforma energía hidráulica en energía mecánica mediante el paso de fluido en su interior y por ultimo se obtiene energía eléctrica a partir de mecánica. La cantidad de energía demandada con respecto de la cantidad de generada especialmente en centrales hidroeléctricas. La idea que porción de energía representa las centrales hidráulicas en nuestro país con respecto a las centrales térmicas, centrales nucleares etc.

GENERALIDADES SOBRE TURBINAS HIDRÁULICAS Las turbinas hidráulicas tienen formas constructivas muy variadas, para adaptarse a las distintas características de altura y caudal de los saltos de agua que se han de aprovechar. Ante todo, hay “turbinas de acción y turbinas de reacción” según el principio de funcionamiento de ambos tipos de máquinas. También hay “turbinas radiales” si el agua choca radialmente sobre el rodete de la turbina, “turbinas axiales”, si el agua choca siguiendo la dirección del eje de la turbina y “turbinas radiales-axiales”, si la entrada el agua se efectúa racialmente y la salida se realiza en la dirección del eje. Además hay “turbinas de eje horizontal y turbinas de eje vertical”. Por lo general, las turbinas de acción se emplean para saltos de agua de pequeño caudal y gran altura de salto; las turbinas de reacción se utilizan para saltos y caudales medios y, también, para saltos de gran caudal y poca altura. En el cuadro que sigue se exponen las turbinas hidráulicas más empleadas en la actualidad. Turbinas de Acción Æ Turbina Pelton Æ Radial Turbinas Francis Æ Radial – Axial

Turbinas Hidráulicas Turbinas de Reacción

Turbinas Helice

Æ Axial

Turbinas Kaplan Æ Axial Turbina con rueda tangencial “Pelton”: Pertenece al tipo de turbina de acción, de admisión parcial y tiene la particularidad de aprovechar solamente la energía cinética del fluido, no existe grandes presiones o caídas entre la entrada y salida de la máquina, el grado de reacción es cero. Esta turbina lleva el nombre de su inventor que la patento en 1880. Contaba de una paleta con un partidor en el centro, pues antiguamente era un simples “tazones”. Es una rueda con álabes en forma de doble cuchara con una arista en la parte central, lo que facilita que el chorro liquido salga en la misma dirección que el entrante pero en sentido contrario, el agua recorre un ángulo de 180°, el nivel del líquido aguas abajo se encuentra a un nivel de 2[m] con respecto a el rodete, esta turbina se usan para saltos en mayores de 200[m], en donde la medida indicada no tiene importancia. Por lo general son de eje horizontal, (ver Fig. n°15) el rendimiento es del orden del 90% y opera bastante buen rendimiento para cargas parciales, el numero especifico de revoluciones es bajo ns= 10-60. Esta constituida por una rueda en cuya periferia lleva los alabes en forma de doble cuchara con una arista central aguda y cuenta de uno a cuatro inyectores que terminan en una boquilla, con una aguja de cierre que maneja la salida del “chorro de agua” dirigido tangencialmente a la rueda incidiendo sobre la arista central dividiéndose en dos partes que se repliegan casi a 180°, escurriendo en los dos receptáculos laterales. El objeto de los inyectores es transformar la energía potencial de presión del agua en energía cinética, con una boquilla cónica que operada por el regulador de velocidad de la turbina, permite graduar la velocidad hasta que los filetes del chorro sean paralelos. El “deflector” (4, Fig.b), su función es desviar el chorro para

evitar la sobrevelocidad de la máquina, hasta que actué el regulador cerrando la aguja de la boquilla, con el fin de disminuir el caudal de agua. El “deflector” también es operado por el regulador de velocidad. Los alabes reciben el nombre de “cangilones” y pueden ser desmontable de la rueda o fundido de una sola pieza con la rueda.

Fig. N°15-), T.H. Pelton (acción con dos inyectores.1 – Rodete; 2 –Eyectores; 3 –Regulador velocidad; 4 – Válvula de turbina

Fig. N°16-Vista de corte de un eyector. 1 –Aguja; 2 –Anillo de cierre; 3 –Sección del chorro; 4 –Deflector, cambia la dirección del chorro.

Fig. N°17- Vista de los alabes ( cangilones) de un rodete Pelton

La turbina Francis Es de reacción, es la turbina típica con derrame interno dentro del rotor y de admisión total. Se emplea en aprovechamientos hidroeléctricos de características muy variadas de carga y caudal Se utiliza esta turbina Francis en salto de agua de 30[m], como salto de 550[m] y caudales de 10[m3/seg.] hasta 200[m3/seg.]. Es la más generalizada en el mundo. Hay dos tipos perfectamente definidos, a) La Francis pura radial, en donde todas las transformaciones energéticas del fluido se efectúa mientras el agua pasa a través de los alabes en dirección radial y de afuera hacia adentro, con un aprovechamiento máximo de la acción centrípeta. Se utiliza en saltos de agua con carga relativamente grande y caudales reducidos.

Turbina Francis Radial

b) La Francis mixta: El agua recorre los alabes en dirección radial y de afuera hacia adentro sólo en una parte de los mismos (superior), terminando el agua su recorrido por entre los alabes en dirección axial (paralela al eje en las máquinas de eje vertical), en cuya parte final trabaja como turbina axial. La ponderación de la acción radial y de la axial puede establecerse en forma gradual, según las exigencias de la carga y el caudal disponible. La acción axial se acentúa cuando aumenta el caudal con relación a la carga para una determinada potencia. Como veremos al tratar turbinas axiales de reacción (Kaplan), la disposición del rodete para un recorrido axial del agua, permite desalojar gran cantidad. En la “Francis mixta”, para lograr la doble acción, los alabes deben tener un alabeo muy singular, que les hace aparecer alargado en dirección axial, presentando conjuntamente una forma abocardada que facilita el desfogue de mayor caudal. La Francis mixta tiene aplicación, para saltos de agua de carga mediana y bajas con caudales medios y relativamente grandes.

b-Turbina Francis mixta

Fig. N°19-ITAIPU - Francis - Turbina Generador: P =715[MW], n =90,9023 [r.pm.] H =126,7 – 118,4 – 112,9 – 967 [m] P = 740 - 740 - 715 - 560 [MW] N° de máquina 18 Descripción: 1 – Rodete turbina, 2 - Eje turbina generado, 3 –Generador, 4 – Paleta fija, 5 – Tapa de turbina, 6 – Soporte, 7 –Estator. 8 – Paleta del distribuido(móvil), 9 –Anillo de operación de álabes del distribuidor, 10 – Mando del servomotor, 11 –Válvula de aireación, 12 – Cojinete guía

inferior, 13 – Cojinete de guía y empuje, 14 – Cojinete de guía superior, 15 –Cámara espiral o caracol, 16 – Tubo de aspiración Turbina Kaplan de reacción de flujo axial: Como consecuencia de la turbina Francis se observó que podía dejarse libre el agua entre los alabes directrices y el rodete manteniendo un buen rendimiento. La turbina Kaplan es típica de reacción, de flujo axial, de eje vertical. Los alabes del rotor son ajustables (paso variable) de modo que la incidencia del agua en el borde de ataque de los alabes pueda producir en las condiciones de máxima acción cualquiera sea los requisitos de caudal o de carga. Se puede corregir la incidencia modificando el paso de los alabes, labor que se realiza en la turbina Kaplan, por medio de un servomotor ajustado con el distribuidor y con el regulador de velocidad (conjugación de alabes), con lo que se logra mantener casi el mismo rendimiento para distintas condiciones de trabajo. Las turbinas Kaplan deben su nombre al Ing. Kaplan(1876-1934). Encuentran aplicación en una gama de carga que varía entre 1 a 90[m]. Se incluyen en este tipo las turbinas bulbos, que también son de hélice de paso variable.

Fig. N°20 - C.H. Yacyreta: H = 21,30[m], n =790,40[m3/seg.].P =150 [Mw.] Turbina Bulbo Se trata de utilizar toda clase de aprovechamiento hidráulico con la mayor eficiencia. Para saltos entre 1 y 15 [m], en donde se maneja grandes caudales de agua. Se desarrollo la turbina “Bulbo”, de tubuladura y las de pozo. Las cuales permiten aprovechar estos saltos de elevado caudal con gran eficiencia. La particularidad de esta turbina es que el eje se a dispuesto horizontal, con el fin de disminuir las dimensiones verticales y por lo tanto las excavaciones para su montaje. La alimentación se hace directamente desde el embalse por medio de un tubo de aspiración rectilíneo que manda el agua sobre el rotor de la turbina, a través de paletas directrices. El rotor

tipo hélice con alabes fijos o variables y tiene un eje en la misma dirección del “ducto”, facilitando el paso de gran caudal de agua. En la “turbina bulbo” el generador esta encerrado en un recinto metálico estanco que normalmente precede al rotor de turbina, la forma del conjunto es como una “pera o bulbo”. Para llegar hasta el alternador, como así también a las conducciones y servicios se dispone de una chimenea que comunica con el exterior. Estos grupos se fabrican de potencia máxima de 10 a 14 Mw de 5,55 [m] de diámetro de hélice y para caudales del orden de 750m3/seg.

Turbinas Deriaz. Es una turbina de reacción de alabes orientables, fue inventada en el año 1956. Se usa para saltos medianos y de gran altura, es una turbina reversible, puede actuar como turbina o como bomba y también cumple las dos funciones en centrales de bombeo, en la cual opera como turbina y por medio de un alternador genera energía eléctrica al sistema, el agua turbinada se

almacena en una presa aguas debajo de la central, luego desde esta presa eleva el agua hasta la presa principal operando como bomba. Tiene mejor rendimiento que una Francis de rotor análogo y de alabes fijos, en cargas intermedias y más redimiendo que una turbina - bomba de alabes fijos Características de Funcionamiento: Generalidades. Las condiciones de funcionamiento de las turbinas hidráulicas difieren esencialmente de las correspondientes a los motores térmicos ya que en estos puede suponerse que se dispone siempre del agente motor (combustible, vapor, etc.) mientras que el funcionamiento de las turbinas hidráulicas varía con las forzosas oscilaciones del caudal disponible. Cierto es que con embalses adecuados puede conseguirse, en algunos casos, cierta regulación del caudal, diurna, mensual o anual, consiguiendo un caudal constante o un caudal proporcional a la carga instantánea; pero, en otras ocasiones, esto no es posible. Como, por otra parte, ha de intentarse conseguir el máximo aprovechamiento económico del agua disponible, es de gran interés conocer las relaciones entre caudal, altura de salto, potencia, velocidad y rendimiento, con objeto de conocer, en cada caso, cuál es el tipo más adecuado de turbina y, también el porqué de la elección de un tipo determinado de turbina para un aprovechamiento hidroeléctrico dado. Potencia de las turbinas hidráulicas Sabemos que la potencia teórica de un salto de agua está expresada por: Pt = QxH / 75 =[CV] Q = caudal en litros por segundo. H = altura del salto en metros. Muchas veces, el caudal se expresa en metros cúbicos por segundo; recordando que 1 m3 = 1.000 Iitros la fórmula anterior adoptará la forma : Pt = 1.000 Q x H / 75 = [CV] Q = caudal en m3/seg. Suponiendo que η, es el rendimiento de la turbina, la potencia útil en el eje de la turbina vale:

Pt = 1.000 Q x H x η / 75 = [CV]: y recordando que 1 kW = 1,34 CV la fórmula anterior adoptará la forma Pg = 1.000 Q x H x η/ 75 .1,34 = [kW]

Si llamamos h G al rendimiento del generador eléctrico, la potencia útil disponible en el generador será:

o bien P = 9.8 *Q*h* ht . h G [kW] Generalmente, se supone un rendimiento global

η =η T..η G= 0.75 y, por lo tanto, la potencia útil aproximada disponible en el generador es P= 1000*Q* H .η /75= [CV]= 10 *Q*H =[CV] o bien P = 7,4 *Q* H [KW] Para un cálculo previo de la potencia de la turbina o del generador a ella acoplada se utilizan estas dos últimas fórmulas, que son bastante aproximadas dentro de los límites prácticos de rendimientos de turbinas y generadores. Por ejemplo, en un salto de agua de 50 m, con 50m3/seg de caudal, hay una potencia teórica disponible: PT = 1.000 x 50 x 50 / 75 = 33.750 CV Para esta potencia deben proyectarse la turbina o turbinas hidráulicas. Pero la potencia útil del salto de agua, es decir, la transformada en energía eléctrica es P = 10 x 50 X 50 = 22.500 CV P = 7,4 x 50 x 50 = 18.500 Kw. Ahora, si suponemos

ηG = 0.82 El generador o generadores eléctricos deben estar proyectados para una potencia.: PG = 18.500 / 0,82 = 22.600 [kW]

Rendimiento de las turbinas hidráulicas. Como sucede en todas las máquinas, durante el funcionamiento de las turbinas se producen pérdidas de energía que determinan el rendimiento de aquéllas. Las principales causas que producen estas pérdidas de energía son: a.

Rozamiento del agua en el distribuidor.

b. Pérdidas en el rodete producidas por el choque de entrada y por el cambio brusco de velocidad de los filetes de agua que salen del distribuidor y chocan con los bordes de los alabes del rodete.

c.

Rozamiento del agua en el tubo de aspiración.

d. Distancia que hay entre el distribuidor y el rodete, por donde se escapa una parte del agua.

e.

Resistencias pasivas en los cojinetes, gorrones, etc.

Velocidad de salida del agua que, aunque pequeñas es necesaria para que el agua salga al exterior de la turbina. El conjunto de todas estas pérdidas determina el rendimiento de la turbina. En las turbinas modernas, el rendimiento es elevado y oscila entre 0,85 y 0,95. En una misma turbina, los rendimientos son muy variables y dependen, naturalmente, del caudal ya que la altura del salto es constante.

Curvas N°1 – De rendimiento en función de el por ciento de la potencia mecánica [(η = f (P%)] de distintas turbinas y determinado numero especifico(ns) Curvas N°2 – Curvas de rendimiento en función del gasto en tanto por ciento (caudal de agua turbinada en porcentaje) para las cuatros turbinas indicada η = f(Q%) Las turbinas se proyectan para que sus rodetes den el máximo rendimiento a los ¾ de su carga, es decir, para un cauda turbinado igual a tres cuarto del máximo admisible(3 / 4 Qmáx.adm.). En la curvas N°1, se muestra el rendimiento en función del porcentaje de la carga de distintos tipo de turbinas, en ellas se puede apreciar que la TH Pelton, tiene excelente rendimiento entre 0,3 y 1,00,La TH Francis entre 0,6 y 1,00 Qmax.adm.; La TH Hélice, decrece rápidamente al disminuir la carga, se usa en centrales con caudales constantes; La TH Kaplan, tiene buen rendimiento desde 0,3 a 1,00 del Qmax.adm. El hecho de tener las palas giratorias en el rotor le permite este rendimiento (η). Velocidad de las turbinas hidráulicas. En contraste con las turbinas de vapor, que trabajan a altas velocidades (1.500 a 3.000 r.p.m.) las turbinas hidráulicas trabajan a velocidades relativamente bajas, que oscilan entre 75 y 600 r.p.m. Las velocidades menores corresponden a las turbinas Pelton, y las más elevadas a las turbinas Kaplan. Como la mayoría de las turbinas se construyen para accionar directamente generadores eléctricos, su velocidad debe ser la velocidad del alternador que, como sabemos, vale: n = 60 x f / p Donde n= n° de revoluciones por minutos [r.p.m.]; f = frecuencia en periodos por segundo; p = número de pares de polos. A continuación en la tabla 1, se expresan las velocidades de generadores en revoluciones por minuto, en función del número de pares de polos y dentro de los límites de aplicación de las turbinas hidráulicas para la frecuencia, normalmente utilizada, de 50 periodos por segundo.

Tabla N° 1 Velocidades de los Generadores Accionados por Turbinas Hidráulicas Número de pares de polos

40 38 36 34 32 30 28 26 24 22 20

Velocidad en r.p.m.

75.0 79.0 83.5 88.0 94.0 100.0 107.0 115.5 125.0 165.0 150.0

Número de pares de polos

18 16 14 12 10 8 7 6 5 4

Velocidad en r.p.m.

166.5 87.5 214.5 250.0 300.0 375.0 428.5 500.0 600.0 750.0

Tabla n° 2 Sobrevelocidades Admisibles en Turbina Hidráulica Exceso de Velocidad en % Turbinas de la normal Pelton 80 Francis 85 – 100 Hélice 80 – 120 Kaplan 80 – 120 Tabla N°2 – Siempre se debe verificar los valores de sobrevelocidad con el fabricante de la turbina Las turbinas hidráulicas están proyectadas para soportar velocidades máximas muy superiores a las velocidades de trabajo; estas velocidades máximas corresponden al generador eléctrico sin carga (en vacío) y el distribuidor completamente abierto (caudal máximo), caso el más desfavorable que se puede presentar. Suponiendo que se instalan las turbinas más apropiadas a la altura del salto de que se trata, en la tabla 2 se expresan las sobrevelocidades que pueden admitirse. Velocidad específica. Se denomina velocidad específica de una turbina hidráulica a la velocidad a la cual trabajaría una turbina exactamente homóloga (es decir, de la misma forma constructiva pero más reducida), desarrollando una potencia de 1 CV, bajo un salto de 1 m. Esta relación se expresa la siguiente fórmula:

ns= n x √P / H x 4 √ H [r.p.m] n = velocidad de la turbina en r.p.m. P = potencia de la turbina en CV. H= altura del salto en m. Por ejemplo, una turbina de 1.500 CV, para un salto de 80 m y a 750 r.p.m. tendrá una velocidad específica: ns= n x √P / h x 4 √ h= [r.p.m] = 750 x √1500 /80 x 4 √ 80 = 125 [r.p.m.] La velocidad específica es un índice para determinar, en cada caso, cuál es el tipo de turbina más apropiado.

Fig. N° - Curvas de comparativas de potencia y rendimiento de diferentes rodetes ns=155 Turbinas Francis normal ns=235 Turbinas Francis rápidas ns= 376Turbinas Francis extra rápidas ns=635 Turbina Kaplan rápida.

Veamos ahora unos ejemplos de aplicación de la tabla 3. Supongamos un salto de agua de 150 m. con un caudal de 50 m3/seg., con generador (o generadores) eléctrico de 10 pares de polos es decir (ver la tabla 1), de 300 r.p.m. La turbina (o turbinas) irá directamente acoplada al generador y, por lo tanto, su velocidad será también de 300 r.p.m. Vamos a ver que tipo de turbina tenemos que elegir, si disponemos tres y cuatro grupos turbina-generador. Para 3 grupos turbina-generador Potencia de cada turbina = 1/3 x 1000 x Q x h / 75 = 1000 x50 x150 / 3x75 = 35.000 [CV] Ejemplo elección de turbina Tabla 3 Tipos de Turbina más adecuado en Función de la Velocidad Velocidad Tipo de Turbina Metros Espécifica r.p.m. Hasta 18 Pelton de una tobera Hasta 800 De 18 a 25 Pelton de una tobera De 800 a 400 De 26 a 35 Pelton de una tobera De 400 a 100 De 26 a 35 Pelton de dos toberas De 800 a 400 De 36 a 50 Pelton de dos toberas De 400 a 100 De 51 a 72 Pelton de cuatro toberas De 400 a 100 Francis muy lenta De 55 a 70 De 400 a 200 Cámara forzada en espiral

De 70 a 120 De 120 a 200 De 300 a 450 De 400 a 500 De 270 a 500 De 500 a 800 De 800 a 1.100

Francis lenta Cámara forzada en espiral Francis rápida Cámara cerrada Francis ultrarápida Cámara abierta Hélice ultrarrápida Kaplan lenta Kaplan rápida Kaplan ultrarápida

De 200 a 100 De 50 a 25 De 25 a 15 Hasta 15 De 50 a 15 De 15 a 5 Menos de 5

Velocidad especifica: ns= n x √P / h x 4 √ h = [r.p.m]= 3000 x √ 35000 / 150 x 4√150 = 3000 x187 / 150 x3,5 =108[r.p.m.] Corresponde a una turbina Francis lenta, con cámara forzada en espiral. Para cuatro grupos turbina generador: Potencia de cada turbina = ¼ x1000 xQ xh /75 = 1000 x 50 x 150 / 4 x 75= 25.000 CV ns= n x √P / h x 4 √ h = [r.p.m]= 3000 x √ 25000 / 150 x 4√150 = 3000 x 158 / 150 x3,5 =90 [r.p.m.] Corresponde a una Francis lenta, con cámara forzada en espiral

FENÓMENO DE LA CAVITACIÓN La cavitación es un fenómeno muy importante de la mecánica de los fluidos y de particular influencia en el funcionamiento de todas las maquinas hidráulicas. Definiciones. Por capitación se entiende la formación de bolsas localizadas de vapor dentro del líquido, pero casi siempre en las proximidades de las superficies sólidas que limitan el líquido. En contraste con la ebullición, la cual puede ser causada por la introducción de calor ó por una reducción de calor de la presión estática ambiente del liquido , la capitación es una vaporización local del liquido, inducido por una reducción hidrodinámica de la presión. (figura 1). En la zona de vaporización local puede ser estable o pulsante, y esto altera usualmente el campo normal del flujo. Este fenómeno se caracteriza, entonces, por la formación de bolsas (de vapor y gas) en el interior y juntos a los contornos de una corriente fluida en rápido movimiento. La condición física fundamental para la aparición de la capitación es, evidentemente, que la presión en el punto de formación de estas bolsas caiga hasta la tensión de vapor del fluido en cuestión. Puesto que la diferencia de presión en maquinas que trabajan con líquidos son normalmente del mismo orden que las presiones Absolutas, es claro que esta condición puede ocurrir fácilmente y con agua fría, donde la presión de vapor es de alrededor de 20 cm sobre el cero absoluto.

La región de depresión local solo puede existir como consecuencia de la acción dinámica del movimiento, y una forma de esta acción proviene de la inevitable conversión de la presión en energía cinética. Las consecuencias ó, mejor dicho los fenómenos acompañantes de la cavilación, tal como perdidas de sólidos en las superficies limites (llamado, erosión por capitación o PITTING), ruidos

generados sobre un ancho espectro de frecuencias ( frecuencias de golpeteo: 25.00 c/s ), vibraciones, perdidas y alteraciones de la propiedad hidrodinámica puede con pocas exenciones ser consideradas como perjudiciales y por lo tanto indeseables por lo tanto este fenómeno deber ser evitado o como mínimo puesto bajo control. Los efectos no perjudiciales de la capitación incluyen su uso para limpieza o en bombas de condensación donde la capitación puede ser utilizada como regular de flujo. La cavilación destruirán todas las clases de sólidos los metales duros concreto, cuarzo, metales nobles etc. En caso de la turbomáquina hidráulica la cavilación es un factor determinante marcando el limite mas bajo pata el tamaño de la maquina y también el limite mas alto para la velocidad del flujo medio (velocidad periférica del rotor). De este modo, para una altura dada y un caudal dado la maquina con el mas alto numero de especifico, (velocidad especifica) tendrá menores dimensiones menos peso y mas bajo costo pero por otro la cavilación marca un limite superior para la velocidad especifica que no debe ser excedido. La capitación se divide en procesos de formación de burbujas y en implosión de la misma.

¿Por que puede caer la presión del vapor? La presión del agua que fluye en línea (tubería) por presión ya sea de una bomba o de una diferencia geodésica de altura (tanque elevado) es mucho mas alto que presión del vapor. La energía total de un medio que fluye esencialmente consiste en distintas formas de energía:

Energía de posición o potencial Energía de Presión Energía de Velocidad

+

Energía de pérdida

∑ Constante Ley de Bernoulli Para clarificar entonces porqué en el punto de una válvula reguladora, sin embargo la presión puede caer por bajo de la presión de vapor, se debe analizar el balance energético de una corriente. En el reservorio la energía total insistente se almacena como energía potencial .Esta energía potencial durante el flujo de una línea horizontal es convertida en energía de velocidad. -ENERGIA DE VELOCIDAD -ENERGIA DE PRESION -ENEGIA DE PERDIDA

Figura 4 Debido a la reducción del área de paso en el punto de la válvula reguladora (vena contracta), allí el caudal y la porción asociada de energía de velocidad sube fuertemente (figura 5).

También la presión de la perdida aumenta fuertemente debido a la concentración brusca en el lugar mas estrecho la energía de presión restante disminuye fuertemente debido a la constancia de la energía total.

Figura 5 Aquí la presión de vapor del medio disminuye y el fluido se evapora el vapor forma burbuja esta se desforma con aumento de presión…y finalmente imploran (figura 6).

Figura 6

RESISTENCIA A LA TRACCIÓN Y NUCLEACIÓN De acuerdo a los expuesto surge el interrogante como aparecen estas burbujas aparecen a fines de producir una cavidad en un liquido debe ser primero estirado y posteriormente desgarrado si el líquido es considerado como un solidó esto es inducido por un esfuerzo de

tracción por eso la facultad de un liquido soportar este esfuerzo de tracción es llamado resistencia a la tracción la figura 7 muestra la capacidad del agua de tener una presión negativa (ej: esfuerzo a la tracción).

Figura 7: Resistencia a la Tracción soportada por el agua Estos son valores mínimos teóricos para agua absolutamente pura. Así bajo cierta condición el agua pura puede soportar muy alta tensiones de tracción, o presiones negativas, mucho mas baja la presión de vaporización. Esta clase de agua capas de soportar tensiones de tracción de mas de 250 bar a temperatura ambiente (125.00 veces mas baja que la presión de vapor) puede ser producida solamente en laboratorio altamente especializados. Bajo tensiones de tracción un liquido generalmente se separa a la presione d vapor. El hecho que la tensión de tracción antes mencionada, y que el comienzo de la cavitación se produzca con el arribo de la tensión de vapor conduce a la suposición de que las impurezas deben estar presentes en el líquido. Estos son comúnmente llamado núcleos. El inicio de la cavitación se debe a dicho punto de “rotura del liquido llamado cavidades”(de aquí el nombre del fenómeno). La tensión necesaria para “romper” o “fracturar” el líquido es decir vencer la fuerza de cohesión intermolecular es, como se dijo anteriormente, enorme. Cálculos teóricos como los de Fisher [3] los cuantifican, para el agua pura a los 10ºC en 1000 bar .auque resultado experimentales como los de Bringgs [2]lo han logrado 277 bar. Pero el fenómeno de cavilación ocurre precisamente a baja presiones ellos quieren decir que en las practicas los líquidos ya esta “desgarrado” a esta fractura previa se la domina: “núcleos de cavitación” mencionado anteriormente y son los iniciadores del proceso.

Estos núcleos son diminutas burbujas de gases a adheridas a materiales sólidos presentan en los líquidos burbujas retenidas en fisuras en los conductos de trasportes del mismo o gases y absorbidos por el liquido. Estos núcleos al ser sometidos a una zona baja presión comienzan a expandirse. Si aun sigue disminuyendo la presión en una magnitud tal que se alcance la presión del vapor del fluido a la temperatura respectiva entonces el líquido que rodea este núcleo (micro burbujas) se vaporiza y comienza a crecer hasta que se hace visible en forma de burbuja. Si en liquido hay disuelto otros gases ellos también puede colaborar en formar esta cavidad por difusión de los mismo cuando las condiciones físicas de (presión y temperatura los permitan).

TIPO DE CAVITACIÓN Por lo dicho precedentemente hay dos tipos de cavitación, uno con flujo y otro estando el líquido estático. (a) cavitación por flujo (b) cavitación por onda Ejemplos del tipo (a) tenemos tuberías donde la presión estática del liquido alcanza valores próximos a la de la presión de vapor del mismo tal como puede ocurrir en la garganta de un tubo de venturi, a la entrada del rodete de una bomba centrifuga o a la salida del rodete de una turbina hidráulica de reacción. Los ejemplos del tipo (b) aparecen cuando el liquido en reposo, por el se propagan ondas, como la ultrasónicas [3] denominándose cavitación acústica o típica ondas por reflexión sobre paredes o superficies libres debido a ondas de compresión o expansión fruto de explosiones y otra perturbaciones en el caso del golpe ariete denomina cavitación por Shook [4].

CONTENIDO DE AIRE Los altos contenidos de gas parecen favorecer al comienzo de la cavitación, debido a que originan una mayor cantidad de burbujas. Por otra parte un contenido elevado de aire (presión parcial de aire) disminuye la velocidad de implosión. Con un contenido bajo de gas se demora el comienzo de la cavitación, ya que la resistencia a la tracción del agua en este caso comienza a jugar un papel considerable. Para un contenido de un 10 % del valor de saturación la cavitación comienza alcanzar la presión del vapor. Con elevado contenido de aire la presión para el comienzo de la cavitación es superior a la presión de vapor, ya que en este caso en crecimiento de la burbuja esta favoreciendo difusión de gas en el liquido [6].

IMPLOSIÓN DE BURBUJAS Como se menciono anteriormente, la bolsa, ya aumentada de tamaño es arrastrada una región de mayor presión y mayormente estalla, mejor dicho, IMPLOTA. Esta acción periódica está generalmente asociada a un fuerte ruido crepitante. El aumento del tamaño de la burbuja o bolsa reduce los pasajes aumentados así a la velocidad de escurrimiento y diminuyendo por lo tanto mas aun la presión. Tan pronto como la presión en la corriente supera la tensión de vapor después de pasar las sección mas estrecha, se produce condensación y el colapso de la burbuja de vapor. La condensación tiene lugar instantáneamente. El agua que la rodea a la burbuja que estalla golpea entonces las paredes u otras partes del fluido, sin amortiguaciones algunas. Teniendo en cuenta la condensación el vapor, con distribución espacial uniforme y ocurrido en un tiempo muy corto, después puede ser tomado por ciertos que la burbuja no colapsa concéntricamente. Se ha analizado el desarrollo de una burbuja en la vecindad de una pared, teóricamente y calculado el tiempo de explosión y de la presión descostrándose que la tensión superficial acelera la implosión y aumenta los efectos de la presión. Muchos efectos trae aparejado el colapso de la burbuja relacionado con los diferentes parámetros tales como la influencia del gradiente de presión, la deformación inicial en la forma de la burbuja, velocidad del fluido en la vecindad de los limites sólidos etc. En estos estudios puede ser tomado como valido que las actividades no colapsan concéntricamente en la vecindad de una pared se desforman en “microjet” que choca con la superficie sólida donde trasmite un impulso de presión como se ve en la figura 8.

Figura 8: Colapso de una burbuja con la subsiguiente formación del Jet

En el caso de las turbomáquinas hidráulicas la cavitación es un factor determinante marcando el limite mas bajo para el tamaño de la maquina y también y el limite mas alto de la velocidad del flujo medio (velocidad periférica del rotor). De este modo para una altura dada y un caudal dado la maquina con el mas alto numero (velocidad específico) tendrá menores dimensiones, menor peso y mas bajo costo; pero por otro lado la cavitación marca un limite superior para la velocidad específica que no debe ser excedido.

Figura 11

COEFICIENTE DE CAVITACIÓN ALTURA DE ASPIRACIÓN En estos casos en el caso de la turbomaquina será conveniente hallar expresión del coeficiente de cavitación en función del parámetro hidráulico conocido de la maquina, poniendo especial énfasis en las leyes de de similitud que incluyen a las presiones o a saltos, ya que la cavitación es una función de esta condiciones. Obviamente las cavitación se producirá en el lado de baja presión en el rotor por lo tanto la altura o energía disponible en esa parte de la maquina, la altura de aspiración (hs) puede definirse como la distancia vertical entre el eje de la maquina y el pelo de agua, agua bajo de la maquina esta será positiva si el eje se encuentra por encima del pelo de agua y negativa en caso contrario Figura 12 [7]. La altura geodésica de aspiración de la figura 12 no determina por si sola la aparición de las cavitación si no la denominada altura dinámica de aspiración que se puede determinar aplicando la ecuación de Bernoullí entre los puntos A y B de la bomba de la figura 4.

Figura 12

PA2 = hs + js + C 2 A = Pat

γ

γ

2g

Siendo pA* = Presión absoluta en el punto A. c A = velocidad del fluido en el punto A. js = Pérdida de carga en el tubo de aspiración. pat = Presión atmosférica ( presión en el punto B). hs = Altura geodésica de aspiración. Llamando Altura Práctica de Aspiración 1a

PA*

Hs = hs + js

y despejando

P* A

γ tenemos:

C2A = − Hs − γ γ 2g Pat

Sin embargo el punto A no es necesariamente aquel en que se obtendrá la menor presión absoluta de la máquina. Ese valor mínimo se producirá en algún punto M dentro del rotor. Entre A y B habrá una diferencia de presión que, condicionada por el sistema de trazado de álabes, para máquinas homólogas o similares, dependerá de la diferencia de velocidades entre los respectivos puntos. Tomando c como velocidad de comparación podremos escribir:

PA*

PB *

C2A − =k γ γ 2g

de donde

PB* = PA γ

γ

*

2 C * A Pat −K = − HS − (1 + k ) C A 2g 2g γ

Cuando la presión pB* alcanza el valor de la tensión de vaporización pv * , el líquido comienza a evaporarse, iniciándose la cavitación. Designando a la altura correspondiente al inicio de la cavitación como "altura de aspiración critica" (Hsc), se tiene: 2 * Pv = Pat − Hsc − (1 + K ) C A

γ

γ

2g

O trasponiendo términos

*

2

Pat − Pν − HS = (1 + K ) C A = Hsv γ γ 2g Por lo tanto podrá obtenerse una altura dinámica de aspiración

Pat − Pν * − Hs = Hsv

γ

γ

Donde la altura practica de succión deberá ser menor que la crítica, para que no se evidencie la cavitación. Si se divide la altura dinámica de aspiración crítica por el cambio total de energía a través de la máquina, H, se obtiene una cifra adimensional denominada "Número de Thoma" o "Número de cavitación" crítico:

C 2 A Hsvc (hat − hv − Hsc) σc = = (1 + K ) = H 2 gH H Por lo tanto se puede decir que:

σinst = (hat −hv − Hsc) ≥ σc H

La cifra de cavitación así definida se transforma en un parámetro indicativo del margen de seguridad de funcionamiento de la máquina con respecto a la cavitación. Mientras óinst sea mayor que óc los efectos de la cavitación no se harán sentir. [7] Tanto el valor de hat como el valor de hv deberán corregirse de acuerdo a las condiciones locales del lugar donde se produce el fenómeno.

El valor de hat variará de acuerdo a la altitud tal como se ve en la siguiente tabla 2 [12]. PRESION ATMOSFERICA ALTITUD (m)

hat (mm Hg)

hat(m H20)

0

760.00

10.351

500

715.99

9.751

1000

674.07

9.180

1500

634.16

8.637

2000

596.18

8.120

2500

560.07

7.628

3000

525.75

7.160

3500

493.15

6.716

4000

462.21

6.295

La magnitud hv, es decir, la altura correspondiente a la tensión de vapor, estará influenciada por la temperatura del fluido según se muestra en la siguiente tabla: TENSIÓN DE VAPOR TEMPERATURA (°C) 5 10 15 20 25

hv (m) 0.0089 0.125 0.174 0.239 0.324

Luego, para obtener un valor más acertado de ó se deberán tener en cuenta dichas correcciones. Volviendo a la ecuación anterior, si se observa el segundo miembro, donde cA puede sustituirse por cualquier otra velocidad fluida característica, pone de manifiesto claramente que el coeficiente de cavitación es un parámetro de similitud de funcionamiento de las máquinas a la cavitación. En puntos homólogos (H,Q) de funcionamiento, dos máquinas geométricamente

semejantes se caracterizan por el mismo valor de ócrit. Por lo tanto, la cifra de cavitación crítica variará en función del número específico. El proyectista encargado de realizar el anteproyecto de un sistema de bombeo tiene como datos los valores de presión y caudal. El primer problema que se le plantea, es la determinación del tipo de bomba y la fijación de la velocidad de giro. Como se sabe, a mayor velocidad menor tamaño de la máquina. Sin embargo, como ya se dijo, la necesidad de evitar la cavitación pone un límite al incremento de velocidad. Luego, será de interés poder conocer de manera rápida el valor del coeficiente de cavitación ó que asegure la no ocurrencia de la cavitación. La larga experiencia de los fabricantes, apoyada por innumerables ensayos de laboratorio, ha traído consigo, al correr de los años, una gradual disminución de los coeficientes de cavitación.

DETERMINACIÓN DE LOS LÍMITES DE CAVITACIÓN - PUNTO DE INCEPCIÓN. Ya que la erosión por cavitación es capaz de destruir partes vitales de la máquina en corto tiempo es importante determinar el valor admisible de cavitación. Los métodos experimentales de estudio de la performance de una máquina con respecto a la cavitación difieren principalmente en el fenómeno físico seleccionado para determinar y evidenciar el comienzo de la cavitación. De acuerdo a esto pueden diferenciarse tres métodos de detección del fenómeno [5]: 1.- Por el cambio en el rendimiento hidráulico de la máquina, puesto de manifiesto en la variación de la altura, potencia, caudal, etc. 2.- Por observación visual o fotográfica de las bolsas de vapor o burbujas en los álabes del rotor. 3.-Por observación y medición de los ruidos y vibraciones que acompañan el funcionamiento de la máquina. De los tres métodos mencionados, el más exacto o el que mejores resultados de valor práctico produce es el primero. Pero el cambio en el rendimiento hidráulico no es suficientemente confiable por si solo como indicación de la cavitación, ya que en ocasiones ruidos apreciables y tras indicaciones del fenómeno pueden aparecer sin acompañamiento de cambios en dicho rendimiento. Consecuentemente, parte de los ensayos se compensan por los otros métodos mencionados. Los ensayos para la determinación de la cavitación por estudio del rendimiento hidráulico son llevados a cabo de la siguiente manera:

La altura total de succión de la máquina es reducida gradualmente manteniendo constantes las otras condiciones de funcionamiento. Algunos cambios producidos en la altura, potencia, caudal o rendimiento pueden ser atribuidos a la cavitación. La Figura 14 muestra esquemáticamente como el flujo relativo determina las formas de cavitación en una bomba.

Figura 14 Esto se refleja en los gráficos de ensayo, como el de la Figura 7 donde se representan el rendimiento, la potencia específica y el coeficiente de presión como una fusión del coeficiente de cavitación s. En la parte superior de la figura pueden apreciarse los diagramas que muestran la extensión del campo de burbujas sobre el lado de baja presión del perfil. Se ve en esta figura que el valor de s que representa la operación libre de cavitación de la máquina es aproximadamente cuatro veces más grande que el scrit en este caso. En otros casos este valor puede llegar hasta cinco veces el del valor crítico. Observando detenidamente la curva puede verse que a valores elevados de Hsv, los puntos obtenidos en el ensayo permanecen prácticamente constantes indicando que en este rango no se afecta el rendimiento de la máquina. Al llegar a puntos de reducida altura de aspiración se empezarán a evidenciar perturbaciones en la altura, potencia y otras características de operación. El punto donde estas perturbaciones comienzan a evidenciarse se denomina "PUNTO DE INCEPCION", y marca el comienzo aparente de la cavitación (aunque se conoce que por encima de estos límites las máquinas a veces no operan libre de cavitación). Cuando la curva característica del ensayo cae abruptamente se llega al denominado "PUNTO DE FALLA" (breakdown point). En este punto las bolsas de vapor formadas por el descenso de la presión ocupan un considerable espacio de la sección del álabe reduciendo la presión y produciendo efectos inestables.

Algunas veces se hace dificultoso poder definir exactamente el scrit ya que las curvas suelen mostrar formas de difícil análisis. La Figura 8 muestra 4 formas comunes de curvas. Si estas curvas son utilizadas para determinar la geometría de la máquina es importante efectuar las siguientes definiciones, de acuerdo con el Comité Eléctrico Internacional: El valor de ó al cual aparece cavitación incipiente se denomina σb (ó behind). El

σ más bajo al cual el rendimiento no es aún afectado por la cavitación es σó

Figura 16 En la figura 17 se puede observar un diagrama de ensayo con la misma imagen en cada punto

El Numero Especifico de Succión o Velocidad Especifica de Succión Aplicando las leyes de semejanza a turbomáquinas bajo consideraciones de cavitación, es válido introducir el término Hsv en lugar de la altura total H en dichas relaciones [5]. Como la cavitación se produce en el lado de baja presión de la máquina es conveniente tomar como diámetro característico el diámetro de la máquina ubicado en esa región (de entrada si es una bomba, y de salida si es una turbina). Con lo que las condiciones cinemáticas de similitud bajo condiciones de cavitación serán las siguientes: y las correspondientes condiciones dinámicas serán: Por eliminación de D y de la misma manera que se halla el número específico de la máquina a partir de las mismas leyes de similitud, se obtiene:

Hsv.D = cte D2

y

Hsv = cte n2.D2

El parámetro S es denominado Velocidad Especifica de Succión o Numero Especifico de succión. 1/ 2

S=

n.Q ( Hsv) 3 / 4

Se puede definir al número específico de succión como la combinación de condiciones de succión que, mantenida constantes, permite la similitud de condiciones de escurrimiento y cavitación en maquinas hidrodinámicamente semejantes [5]. En realidad, debido al significado localizado de Hsv, es suficiente con tener similitud geométrica únicamente en los pasajes entre la región de cavitación y el punto donde se mide Hsv. Es decir que esta ley de semejanza puede restringirse a los pasajes de succión de la máquina. El número específico de succión, S, describe las condiciones de escurrimiento en la aspiración, de manera similar al coeficiente rj de Thoma con la diferencia de que un valor constante de c permitiría condiciones similares de cavitación y de escurrimiento en la aspiración solo si al mismo tiempo se mantuviera constante el número específico. Puesto que ambos parámetros, σ y S pueden ser usados paralelamente en un mismo campo de aplicación, conviene establecer la relación que los liga. Esta puede deducirse de las relaciones de σ y ws (velocidad específica adimensional), llegando a:

⎛ ωs ⎞ σ = ⎜⎜ ⎟⎟ ⎝ S ⎠

4/3

Si los valores de σ correspondientes a un límite apropiado de cavitación para bombas se representan en función de la velocidad específica, se encuentra una curva promedio que puede representarse bastante bien por la ecuación.

σ = cte(ωs )4 / 3 Esta ecuación, conjuntamente con la anterior, es la demostración empírica de que S es prácticamente independiente del número especifico, dibujando líneas de S = cte. En un diagrama G-ns el acuerdo entre estas líneas resulta evidente (figura 21). El aumento de sigma en la dirección de los valores crecientes de ns, demuestra que, para una misma forma de instalación, (lo que implica un valor aproximadamente constante de H5V) el salto de la máquina debe crecer al aumentar el número específico. Por eso las máquinas de salto elevado deben ser de bajo número específico, mientras que las máquinas de bajo salto, pueden emplear números específicos elevados.

Figura 21

Erosión por Cavatación El criterio general que se acepta es el que afirma que la erosión por cavitación es causada por la presión impulsiva generada en el colapso de las burbujas. Lo que se presenta como discusión es la magnitud y la forma de actuar de estas presiones sobre la superficie [16]. Para estudiar el tipo y la magnitud de daño que genera la cavitación se deben analizar las presiones de colapso individuales con el tipo de daño sobre el material de la superficie. Se pueden diferenciar como primera medida una cavitación "estática", donde el líquido no se mueve y la erosión del material es encontrada directamente sobre el punto de cavitación. Generalmente esto ocurre cuando la cavitación es generada por vibración. Por otro lado la cavitación producida cuando existe un flujo donde las condiciones son mucho más complicadas. En estos sistemas pueden identificarse una zona llamada de cavitación "estacionaria" caracterizada por la separación del flujo de la superficie sólida formando una nueva trayectoria o superficie. La superficie de esta macro burbuja puede ser transparente y lisa, o rugosa y turbulenta. Con muy pocas excepciones, tal como la cavitación producida por vibraciones, las condiciones de borde y capa límite de la zona dañada son los responsables de tal daño. La erosión solo comienza cuando el área de cavitación ha alcanzado cierta extensión. La zona de mayor daño se produce en la región de colapso de las burbujas. Una cierta cantidad de erosión puede, sin embargo, producirse aguas arriba o aguas debajo de estas áreas de máximo daño. Esto se puede ver en la Figura 22 obtenida portR.T. Knapp, Se puede apreciar que la erosión severa coincide con el fin de la zona de cavitación. Existe un segundo y pequeño máximo que involucra a un pequeño número de burbujas.

Los estudios realizados por Knap basados en la correlación de los tamaños de las zonas de cavitación y las zonas dañadas, así como los impactos de implosión y tamaño de las burbujas, y comparando los pitting observados con la cantidad de burbujas implotadas por unidad de tiempo llegaron a la conclusión de que una de cada 30000 burbujas que implotan causan daño. Luego la gran cantidad de burbujas que implotan lo hacen en la corriente libre provocando ondas de presión que producen solo un pequeño efecto cuando alcanzan la superficie sólida. Por lo tanto un pequeño número de burbujas implotarán directamente sobre la superficie formando un "pií" o micro-jet que impactará sobre la misma. Algunos autores plantean la hipótesis de que la erosión por cavitación puede ocurrir como resultado del colapso de las burbujas cuya energía exceda cierto límite [16]. La Figura 23 muestra las frecuencias relativas de las dimensiones de los pits producida en las superficies de un acero al carbono ASTM 1015 y un acero al carbono ASTM 1035. La curva del 1015 tiene un máximo mientras que la del 1035 np lo tiene. Si se considera a la dimensión del pit proporcional a la energía de impacto en un rango sobre un valor dado de energía Wp la diferencia de estas dos curvas depende de las magnitudes de Wp para ambos materiales. Wp para el ASTM 1015 es más pequeño que la magnitud Wp. y para el ASTM 1035 Wp es más grande, como muestra la figurra 24.

Figura 24 Figura 23

Ya que se considera que el daño por cavitación es causado por la repetición tanto de las pequeñas como de las grandes presiones de impacto que forman los pits y aún ciando las mínimas presiones de impacto que pueden producir daño por fatiga pueden ser tomadas como Wf (Figura 24). Las curvas de distribución de presiones de impacto no se pueden predecir por medio de mediciones de las dimensiones de los pits. En un ensayo de cavitación donde se analizan los daños causados y las pérdidas de material provocada se pueden apreciar algunas características de la erosión (Figura 25).

De la FIGURA 25b se aprecia I) Un periodo inicial donde se produce una pérdida de masa comparativamente grande desde el comienzo del ensayo. II) Una periodo de incubación durante el cual no se mide casi ninguna pérdida de masa. III) Un periodo transitorio durante el cual ocurre un rápido incremento de pérdida de masa . IV) Un periodo estable en el cual se mantiene una pérdida relativamente constante.

Aunque la erosión se produce desde un primer momento debido a las grande presiones de impacto, incrementándose rápidamente 2, la velocidad de erosión de los pits se hará cada vez menor con el transcurso del tiempo de exposición debido al endurecimiento de los granos de ferrita. Algunas líneas de deslizamiento van apareciendo en los granos de ferrita en el lugar del impacto desarrollándose deformaciones plásticas. Posteriormente la fractura por fatiga del material se produce a lo largo de la línea de deslizamiento y se desprenden grandes partículas debido a la erosión, tornándose la superficie de una característica esponjosa. Mediante los ensayos se ha determinado que el daño por cavitación es causado por fractura por fatiga debido a la repetición de pequeñas cargas de impacto, así como también un pequeño número de grandes cargas de impacto. Luego existirá un valor umbral por encima del cual las cargas comienzan a contribuir a la fractura por fatiga. Este valor umbral dependerá del tipo de material, estructura y cristalización, etc. El valor umbral de la presión de impacto dependerá también de las propiedades mecánicas del material y la corrosividad del liquido.

Este valor umbral puede tomar el valor de la tensión de fatiga del material o bien ser menor y provocar erosión por fatiga acumulativa. Las presiones de colapso en la burbuja de cavitación actúan sobre un área muy pequeña de la superficie sólida, así que la presión de impacto umbral puede ser más chica que la que cabría esperar de la tensión macroscópica de la mayor parte de los materiales que contienen estructuras quebradizas. Para ilustrar la severidad del daño que es capaz de hacer la cavitación, las Figuras 26 y 27 muestra el daño causado sobre el lado de succión de un impulsor de una bomba radial.

Figura 26 Formas de reducir la. Erosión Como ya se dijo, la cavitación no puede ser eliminada, o en muchos casos es antieconómico intentarlo. No obstante la erosión deberá ser mantenida en un mínimo admisible. Para lograr ese mínimo se puede actuar sobre los parámetros geométricos y no geométricos de la máquina. Parámetros Geométricos Generalmente se trata de eliminar el fenómeno de la cavitación manteniendo el coeficiente de presión local sobre el perfil tan alto como sea posible. En este sentido, las investigaciones se concentran en la forma geométrica del borde de ataque de los alabes de las turbomáquinas. Otros parámetros geométricos que se han investigado son la localización del borde de ataque y la longitud y curvatura de la línea de corriente meridiana principal. De estos estudios surge que cuanto mayor curvatura de la línea de corriente meridiana principal y más distante está localizado el borde de ataque de la cañería de succión. tanto mayor será el desarrollo de la cavitación. Además de los mencionados, otro parámetro que se tiene en cuenta en la reducción de la cavitación es la rugosidad de la superficie. Las irregularidades individuales que forman relieves en la superficie son causas más frecuentes de cavitación que las rugosidades distribuidas uniformemente en toda la superficie. Si bien la cavitación puede ser disminuida por una alta calidad en la terminación de la superficie, un estado de cavitación difícilmente se verá influenciado por la rugosidad de esta. No obstante una buena terminación del perfil contribuirá a la extensión del periodo de incubación. Parámetros no seoméíricos.. La protección catódica es empleada para suprimir los efectos electroquímicos. La reducción de daño por cavitación se debe a la formación electrolítica de gas.

Los aditivos en el líquido son empleados también para producir un revestimiento mediante reacciones químicas con el metal base, reducir la tensión superficial, y a su vez debe inhibir la corrosión. Los aditivos orgánicos que reducen la tensión superficial depositan al mismo tiempo un delgado film orgánico sobre la superficie a proteger. Este recubrimiento se renueva a si mismo constantemente proveyendo protección contra el ataque de la cavitación. Otro de los métodos que debe mencionarse es la resistencia a la cavitación de los materiales. Un revestimiento metálico sobre una máquina generalmente da mucho más resistencia a la cavitación que un metal base de la misma composición química que el revestimiento debido a la diferencia de estructura. La influencia del contenido de aire en la por cavitación y en la erosión por cavitación se puede apreciar en la Figura 28 a y b extrayéndose las siguientes conclusiones: De la figura 15 a con poco contenido de gas el comienzo de la cavitación se demora, porque la tensión de rotura del agua comienza a jugar un papel importante en este caso. Con un contenido de gas de más del 10% de la cantidad de saturación el comienzo de la cavitación se produce a la presión de vapor. Con muy alto contenido de gas la presión a la cual comienza la cavitación es más alta que la presión de vapor, debido a las grandes burbujas de vapor incluidas en el fluido por difusión.

La Figura 28 b muestra la relación cualitativa entre el daño y el contenido de gas. Con muy bajo contenido de gas el daño la probabilidad de daño es muy pequeña debido a la ausencia

de núcleos de cavitación. Posteriormente los núcleos de cavitación aumentan hasta ser suficientes como para causar un gran daño ya que el contenido de aire no alcanza para provocar un efecto de amortiguación. Por último, cuando se alcanza un gran contenido de gas, correspondiente al punto de saturación del fluido, predomina el efecto de amortiguamiento del contenido de gas sobre la implosión de las burbujas. Selección de los materiales Como se expresó anteriormente la cavitación es capaz de destruir todos los materiales. Según el grado de severidad, aún los materiales reconocidos por sus altas resistencias son destruidos en corto tiempo. El problema que se presenta es como clasificar a los distintos materiales según su reacción frente a la cavitación y relacionarlos unos a otros. Una deformación plástica en el material se produce cuando la superficie metálica es expuesta a la cavitación debido a los mecanismos de daño explicados anteriormente. La resistencia a la cavitación de los materiales parece ser comparable con la resistencia a la fatiga de los mismos, y es predominantemente de naturaleza mecánica. Esta naturaleza puramente mecánica del daño producido por cavitación son confirmados por ensayos hechos sobre materiales químicamente neutros como puede ser la baquelita donde se presenta el mismo tipo de daño sin presencia de reacción química alguna. Otro efecto que se debe tener en cuenta en la cavitación es el efecto termodinámico. Las altas presiones de impacto generan elevadas temperaturas localizadas que bajo ciertas circunstancias pueden causar deterioros microscópicos de los componentes de la estructura del material. Además, algunos efectos químicos pueden ser intensificados por este calentamiento. Es evidente que los diferentes materiales con diferentes propiedades reaccionarán en forma distinta ante la cavitación. Numerosas investigaciones han intentado correlacionar la resistencia a la cavitación con otras propiedades del material. En los últimos tiempos las investigaciones han tendido a relacionar una propiedad del material con la resistencia a la cavitación del mismo. Investigaciones realizadas en este sentido por S. Rao y otros [17] define una nueva propiedad del material que denominan "Resistencia a la erosión". Para esto ensayaron sobre seis materiales incluyendo aluminio y cobre, dos aleaciones de cobre, latón y bronce fosforoso, y dos aleaciones de hierro, acero dulce y acero inoxidable. De estos ensayos se obtuvieron los gráficos de la Figura 16.

De los mismos ensayos extrajeron las conclusiones de que las propiedades mecánicas que juegan un rol importante en la cavitación son: la densidad, la resistencia a la tracción, la resistencia a la rotura, la dureza, porcentaje de elongación, Porcentaje de estrición, energía de deformación, resiliencia y módulo de elasticidad. Se llegó a la conclusión de que en general los materiales que tienen una alta resiliencia y alta dureza presentan una buena resistencia a la cavitación.

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