Cavitação

PRINCÍPIOS FÍSICOS

A cavitação é um fenômeno em que ocorre uma evaporação parcial do fluido de um sistema hidráulico. Ela acontece quando a pressão estática do fluido cai a um valor abaixo da pressão de vapor. Nessa situação, parte do fluido evapora, e na região de baixa pressão passa a haver um escoamento com duas fases. Uma vez que as bolhas de vapor migram para uma região onde a pressão estática é maior que a pressão de vapor do fluido, elas condensam (colapsam) imediatamente.   As bolhas da cavitação só se formam onde já existem núcleos presentes no fluido. Esses núcleos são moléculas de vapor de gás presentes na forma de bolhas microscópicas, com tamanho entre 10^-3 e 10^-1 mm. Os núcleos necessários para dar início à formação das bolhas estão presentes em praticamente todos os processos, independentemente do fluido de trabalho.   Durante o processo de colapso das bolhas de vapor formadas pela cavitação, a pressão da implosão pode atingir valor elevados. Esse valor depende de alguns parâmetros, como da razão entre o raio inicial e final da bolha no processo de implosão, da pressão do fluido e da compressibilidade do fluido. A pressão de implosão aumenta com o aumento do volume inicial da bolha de vapor e da pressão, e diminui quanto maior for o tamanho da bolha no final da explosão. A título de exemplo, a pressão de implosão em bolhas de vapor num fluido a pressão de 1 bar e com razão entre os raios da ordem de 30 vezes é igual a 20.300 bar. Já se a razão entre os raios for igual a 6, a pressão de implosão é de 1.800 bar.   A implosão das bolhas acontece de forma assimétrica e, no final da implosão, um micro jato é formado, como pode ser observado na Figura. Dependendo da localização da implosão dentro do canal de escoamento, pode haver danos ou não ao equipamento. Se a implosão da bolha de vapor ocorre no meio do canal de escoamento, o micro jato é direcionado de forma oposta à direção do escoamento, não provocando na maioria dos casos dano algum ao equipamento. Esse tipo de cavitação é também conhecido como “supercavitação”. Por sua vez, quando a implosão ocorre próxima da parede do canal de escoamento, o micro jato é direcionado para a superfície da parede. Esse micro jato de alta pressão resultante da implosão da bolha atuando na parede pode vir a provocar danos no material.

TIPOS DE CAVITAÇÃO

Cavitação no lado de baixa pressão da pá do rotor Em situações de vazão reduzida ou de ângulo de entrada da pá elevado, o fluxo atinge a pá com um ângulo de incidência positivo. Nesse casso, uma região com cavitação é formada no lado de baixa pressão da pá próximo ao bordo de ataque na entrada do rotor. Esse tipo de cavitação é chamado de “cavitação em folha” (sheet cavitation). O dano provocado pela cavitação pode ser observado na área onde as bolhas implodem.   Cavitação no lado de alta pressão da pá do rotor Quando a vazão é elevada, ou quando o ângulo de entrada da pá é pequeno resultando em um ângulo de incidência negativo, cavitação com comportamento similar ao anterior ocorre, com a diferença que as bolhas se formam no lado de alta pressão da pá do rotor. Nesse tipo de situação a intensidade da cavitação é maior que a descrita no caso anterior.   Cavitação devido à recirculação na entrada do rotor Quando a máquina está operando fora do ponto de projeto, recirculação na entrada do rotor passa a acontecer. Um padrão de recirculação também aparece no canal do rotor na região de saída, enquanto que a parte intermediária do canal permanece em condições normais de escoamento. Devido as condições desfavoráveis de escoamento próximo à zona de mistura entre a recirculação e o fluxo normal, e ainda à baixa pressão no núcleo do vórtice da recirculação, o dano provocado pela cavitação ocorre no lado de alta pressão da pá.   Cavitação na junção entre as pás e a parede do rotor Devido às condições locais de escoamento desfavoráveis, vórtices se formam nos cantos dos canais do rotor (mesmo em condição ótimas de operação). Esse fato ocorre por causa da espessura da pá na região de transição entre a pá e a parede. Nos casos onde, devido à ação da força centrífuga no núcleo do vórtice, a pressão estática cai a um valor inferior a pressão de vapor do fluido, a cavitação se forma. O dano provocado pela cavitação nessa situação pode ser ampliado por causa de defeitos de fabricação na área de conexão entre a pá e a parede do rotor.   Cavitação de folga entre a pá de um rotor aberto e a carcaça Cavitação de folga acontece em rotores do tipo aberto, no espaço entre a pá do rotor e a parede estacionária da carcaça. Em decorrência da diferença de pressão entre os lados de alta e baixa pressão da pá, um jato de fluido é formado na folga. O jato de fluido atravessa a folga em direção ao lado de baixa pressão criando vórtices. Como consequência, especialmente na área próxima à entrada do rotor, a pressão estática se reduz ao nível da pressão de vapor. Dano de cavitação sempre ocorrem na ponta da pá (no lado de baixa pressão) e na parede da carcaça (na periferia do rotor).