Slide Cavitação-2022 1

Cavitação Profª. Ana Luiza Beltrão Santana 27 de julho de 2022 Máquinas hidráulicas Cavitação – anabeltra@ufpr.br Slide 2 Objetivos Cavitação – anabeltra@ufpr.br Slide 3 O fenômeno de cavitação • A cavitação consiste na formação e subsequente colapso, no seio de um líquido em movimento, de bolhas ou cavidades preenchidas, por vapor do líquido. • Embora a cavitação seja agravada por maus projetos, ela pode ocorrer mesmo no melhor projeto de equipamento, desde que este opere em condições desfavorável Cavitação – anabeltra@ufpr.br Slide 4 O fenômeno de cavitação • É observado no deslocamento de pistões, no deslocamento de superfícies constituídas por pás (bombas e turbinas) e nas hélices de propulsão. • Nesses processos ocorrem rarefações do líquido, isto é, pressões reduzidas devidas à própria natureza do escoamento ou ao movimento impresso pelas peças móveis ao líquido. Cavitação – anabeltra@ufpr.br Slide 5 Cavitação em máquinas hidráulicas • Inicialmente, nas regiões mais rarefeitas (aresta de sucção das máquinas), formam-se pequenas bolsas no interior das quais o líquido se vaporiza. Cavitação – anabeltra@ufpr.br Slide 6 Distribuição de pressão sobre a pá • Em seguida, conduzidas pela corrente líquida provocada pelo órgão propulsor e com grande velocidade, atingem regiões de elevada pressão, onde se processa o seu colapso, com a condensação do vapor e o retorno ao estado líquido (implosão das bolhas). Perfil exterior de um pá de máquina de fluxo axial Cavitação – anabeltra@ufpr.br Slide 7 Implosão das bolhas • Quando a pressão reinante no líquido se torna maior do que a pressão interna da bolha com vapor, as dimensões da mesma se reduzem bruscamente, ocorrendo seu colapso e provocando um deslocamento do líquido circundante para o seu interior, que gera assim uma pressão de inércia considerável. • Neste ponto, o vapor contido no interior das bolhas condensa-se bruscamente, deixando um espaço vazio, que é preenchido rapidamente pela água circundante, causando a implosão das bolhas. Cavitação – anabeltra@ufpr.br Slide 8 Implosão das bolhas • Para se ter uma ideia do espaço deixado pelo desaparecimento das bolhas, basta comparar o volume específico da água na fase vapor e líquida: 69600 vezes maior • O choque entre as partículas que ocupam o espaço deixado pela implosão das bolhas dá origem a uma onda de choque, proporcionando picos de altíssima pressão no local que se repetem com alta frequência. Cavitação – anabeltra@ufpr.br Slide 9 Inconvenientes da cavitação • As superfícies metálicas que se encontram nas proximidades da zona de colapso das bolhas serão então, atingidas por golpes altamente concentrados e repetidos. • Esses golpes acabam por desagregar partículas de material por fadiga, formando pequenas crateras que caracterizam a erosão por cavitação Cavitação – anabeltra@ufpr.br Slide 10 Inconvenientes da cavitação • Simultaneamente, ouvem-se ruídos semelhantes a um martelar ou ao transporte hidráulico de cascalho num conduto metálico (método para detectar cavitação por causa da assinatura de referência). Sempre nas mesmas regiões Fenômeno localizado Cavitação – anabeltra@ufpr.br Slide 11 Inconvenientes da cavitação Turbina Francis • Vibração ✓ Mudança da distribuição de massa no rotor Cavitação – anabeltra@ufpr.br Slide 12 Inconvenientes da cavitação • Alteração da curva característica (queda de rendimento e da potência) ✓ Erosão ✓ Mudança da fase do fluido (massa específica) Curva H x Q para a bomba condições normais Curva do sistema Condições normais Curva H x Q quando a bomba está cavitando na vazão Q Curva η x Q quando cavitando na vazão Q Curva η x Q para condições normais 1 2 Cavitando Q2 Q1 , , 2 2 5 8 m B p t e m B H H H fLQ H H D g  = + = + Cavitação – anabeltra@ufpr.br Slide 13 Inconvenientes da cavitação • Perda de material Turbina Francis (Itaipu) Reposição de material por solda (aço inoxidável) Cavitação – anabeltra@ufpr.br Slide 14 Equacionamento Cavitação – anabeltra@ufpr.br Slide 15 Exercício – Lista 4 - Cavitação Cavitação – anabeltra@ufpr.br Slide 16 Exercício – Lista 4 - Cavitação