Transcript Cavitação em turbinas

CAVITAÇÃO EM MÁQUINAS DE FLUXO
1 - INTRODUÇÃO
Queda de rendimento
Aumento da potência de eixo (bombas)
Queda da potência de eixo (turbinas)
Marcha irregular, trepidação e vibração das
máquinas pelo desbalanceamento que acarreta
Ruído provocado pelo fenômeno de
implosão das bolhas
Qa
Qb
Atingiu a
pressão de
vapor
Qc
Formação
das bolhas
FORMAÇÃO DA BOLHA – EFEITO MECÂNICO
p int .  pext.
pint
Formação
da bolha
p int .  pext.


Condensação

Efeito
centrípeto
Efeito
centrífugo
Cavitação
Cavitação em perfil hidrodinâmico.
(NAOE, Univ. of Tokyo, Japão)
Cavitação
Modelo típico com escoamento
Modelo típico de danificação
Turbina Francis Danificada pela Cavitação
Rotor Danificado
2 – CAVITAÇÃO EM BOMBAS
2.1 – Definição da Altura Geométrica de Sucção
Pel
1
Tanque
aberto
patm
Ref.
Tanque
fechado
patm + pman Hs
0
Altura de Sucção Positiva – Bomba Não Afogada
Tanque
aberto
patm
Ref.
Tanque
fechado
patm + pman
0
Hs
Pel
1
Altura de Sucção Negativa – Bomba Afogada
2.2 – Expressão Geral da Altura Geométrica de Sucção
Hs  (Hb  He )  H v  Hdin  Hps  HLp
Hs – Altura geométrica de sucção
H s  positivo (  0)  bomba não afogada
H s  negativo( 0)  bomba afogada
Hb[m] = pb/.g – Altura referente a pressão atmosférica
local
Altitude local [m]
H b  10  0,00122.A
m
He[m] = pe/.g – Altura referente a pressão no tanque
de sucção (quando houver) p
He  e
.g
Hv[m] = pv/.g – Altura referente a pressão de vapor
(depende da temperatura)
Pressão de Vapor
Kgf/cm2
Temperatura oC
mm Hg
15
12,7
0,0174
0,999
20
17,4
0,0238
0,998
25
23,6
0,0322
0,997
30
31,5
0,0429
0,996
35
41,8
0,0572
0,994
40
54,9
0,0750
0,992
45
71,4
0,0974
0,990
50
92,0
0.1255
0.988
55
117,5
0,1602
0,986
60
148,8
0,2028
0,983
65
186,9
0,2547
0,981
70
233,1
0,3175
0,978
75
288,5
0,3929
0,975
80
354,6
0,4828
0,972
85
433,0
0,5894
0,969
90
525,4
0,7149
0,965
95
633,7
0,8620
0,962
100
760,0
1,0333
0,958
105
906,0
1,2320
0,955
110
107,5
1,4609
0,951
115
1269,0
1,7260
0,947
120
1491,0
2,0270
0,943
Densidade
Hdin[m] = vs2/2.g – Altura referente a velocidade no
flange de entrada da bomba
Ds
vs
1
Hps[m]– Altura referente as perdas de carga na linha
de sucção (deverão ser mínimas possíveis)
HLp[m]– Altura referente as perdas localizadas de
pressão (implosão das bolhas no início de cavitação)
Thoma
 .H
H Lp 
z
 [1] Coef. de Thoma
H[m] Altura total de elevação
z[1] número de estágios da bomba
Stepanoff
  2,87.10
4
4
.(n qA ) 3
Bombas centrífugas e mistas
  2,82.10
4
4
.(n qA ) 3
Bombas axiais
2.3 – NPSH (Net Positive Suction Head)
Hs  (Hb  He )  H v  Hdin  Hps  HLp
Inst.
Inst.
Inst.
Inst. Bomba
Inst.
Bomba
(Hb  He )  H s  Hv  H ps  Hdin  H Lp
NPSH disponível na instalação
(preocupação do projetista)
NPSH requerido pela
bomba
(dado pelo fabricante)
NPSH d  NPSH r
O sinal > não cavita e o sinal = início de cavitação
Catálogos de Fabricantes
Hs
NPSHr
2.5 – Representação Gráfica
do NPSH
(N.P.S.H) Requerido
N.P.S.H (m)
Requerido
Folga
A
Disponível
Q
Qmáx
Q (m3/h)
 N.P.S.H  N.P.S.H
 N.P.S.H  N.P.S.H  0,50m
d
d
r
r
5.45
N.P.S.Hr(m)
(N.P.S.H) Requerido
D=145mm
9
8
7
6
5
4
3
2
1
D=174mm
5
10
15
20
25
30
Q (m3/h)
2.6 – Medidas Destinadas a Dificultar o Aparecimento da Cavitação
•Elevar o nível do líquido no tanque de sucção
•Abaixar a bomba
•Reduzir as perdas na linha de sucção
•Resfriar o líquido
EXEMPLOS
Exemplo 6.4, pág 176, Fund. de Eng. Hidráulica
Exemplo 6.5, pág 179, Fund. de Eng. Hidráulica
Exemplo 5.6, pág 160, Hidráulica Básica (Porto)
Curvas do Exemplo 6.5
3 - CAVITAÇÃO EM TURBINAS HIDRÁULICAS
3.1 –DEFINIÇÃO DA ALTURA GEOMÉTRICA DE SUCÇÃO
Q
NJ
Q
Hs
Hs
NJ
Q
Altura Geométrica de Sucção
Positiva (turbina não afogada)
Altura Geométrica de Sucção
Negativa (turbina afogada)
3.2 - Expressão Geral da Altura Geométrica de Sucção
H smáx  H B  .H
H smáx [m]  Altura geométrica máxima de sucção
patm
H B [m] 
 Altura ref . a pressão atmosférica
.g
Altitude local em metros
HB [m]  10  0,00122.A
[1]  Coeficiente de cavitação de Thoma
H[m]  Altura de queda líquida
Turbina Francis
  0,025(1  104.(nqA )2 )
Turbina Axiais
  1,266.10 5 .(n qA )1,75
3.3 – MEDIDAS DESTINADAS A DIFICULTAR O APARECIMENTO DA
CAVITAÇÃO
•Na construção da Máquina
 Bom acabamento superficial das partes internas
 Construção das partes internas com material
resistente à cavitação
•Na instalação da Máquina
 Elevar o nível de sucção
 Furar a tubulação de sucção
 Injetar água ou ar
Injeção de ar na saída do rotor – Central hidrelétrica Revelstoke
4 turbinas Francis - H = 126,8 [m]; Q = 419,4 [m3/s]; n = 112 [rpm]
Rotores Cavitados