MÁQUINAS HIDRÁULICAS 16 - CAVITAÇÃO

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PROF. LUÍS DO ROSÁRIO COSTA
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INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DO MARANHÃO
DEPARTAMENTO DE ENSINO SUPERIOR - DESU
DEPARTAMENTO DE MECÂNICA E MATERIAIS – DMM
ENGENHARIA MECÂNICA INDUSTRIAL
DISCIPLINA:
MÁQUINAS HIDRÁULICAS
CARGA HORÁRIA:
 75 Horas
PROFESSOR: 
LUÍS DO ROSÁRIO COSTA
AULA: 16
CONTEÚDO: CAVITAÇÃO
16 – CAVITAÇÃO
16.1 – O FENÔMENO DE CAVITAÇÃO
	No deslocamento de pistões; nos “venturis”; no deslocamento de superfícies constituídas por pás, como sucede nas turbomáquinas e nas hélices de propulsão, ocorrem inevitáveis rarefações no líquido. 
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Isto é, pressões reduzidas devidas à própria natureza do escoamento ou ao movimento impresso pelas peças móveis ao líquido.
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Se a pressão absoluta baixar até atingir a pressão de vapor do líquido na temperatura em que este se encontra, inicia-se um processo de vaporização do mesmo. 
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Inicialmente, nas regiões mais rarefeitas, formam-se pequenas bolsas, bolhas ou cavidades (daí o nome de cavitação) no interior das quais o líquido se vaporiza.
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Em seguida, conduzidas pela corrente líquida provocada pelo movimento do órgão propulsor e com grande velocidade, atingem as regiões de elevada pressão. 
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Onde se processa seu colapso, com a condensação do vapor e o retorno ao estado líquido.
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As bolhas que contém vapor de líquido parecem originar-se em pequenas cavidades nas paredes do material ou em torno de pequenas impurezas contidas no líquido. 
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Em geral próximas às superfícies, chamadas núcleo de vaporização ou de cavitação, cuja natureza constitui objeto de pesquisa interessantes e importantes.
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Portanto, quando a pressão reinante no líquido se torna maior do que a pressão interna da bolha com vapor, as dimensões da mesma se reduz bruscamente. 
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Ocorrendo seu colapso e provocando um deslocamento do líquido circundante para seu interior, que gera assim uma pressão de inércia considerável.
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As partículas formadas pela condensação se chocam muito rapidamente umas de encontro às outras, e de encontro à superfície que se anteponham ao seu deslocamento. 
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Produz-se, em conseqüência, simultaneamente uma alteração no campo representativo das velocidades e das pressões. 
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As superfícies metálicas onde se chocam as diminutas partículas resultantes da condensação são submetidas a uma atuação de forças complexas oriundas da energia dessas partículas, que produzem percussões.
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Desagregando elementos de material de menor coesão, e formam pequenos orifícios, que, com o prosseguimento do fenômeno, dão à superfície um aspecto esponjoso, rendilhado, corroído.
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É a erosão por cavitação. O desgaste pode assumir proporções tais que pedaços de metal podem soltar-se das peças.
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16.2 – OS EFEITOS DA CAVITAÇÃO
Os efeitos da cavitação são visíveis, mensuráveis e até audíveis, parecendo o crepitar de lenha seca ao fogo ou um martelamento com freqüência elevada. 
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	As pressões exercidas sobre as superfícies pela ação da percussão das partículas condensadas ou pela onda de choque por ela provocada alcançam valores relativamente elevados, mas não tão intensos que pudessem normalmente produzir ruptura do material.
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	Várias explicações tem sido apresentadas para esclarecer essa ação destruidora. Admitem alguns que as alterações periódicas e rapidíssima das pressões possa concorrer para o enfraquecimento das estrutura dos cristais dos materiais.
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	Outros supõem que, devido à percussão das partículas condensadas, com uma freqüência de vários milhares de ciclos por segundos, possam ocorrer, em pontos pequeníssimo da superfície. 
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	Temperaturas elevadas que reduziriam a resistência dos, podendo então as pressões de colapso das bolhas ser suficiente para desagregar partículas do material.
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	As regiões atingidas não são aquelas em que as pressões são as menores, isto é, no dorso das pás, e sim aquelas em que se produziram a condensação das partículas de vapor.
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	Quando a condensação se processa a jusante das pás, na própria boca de entrada ou no tubo de aspiração, o fenômeno é chamado de supercavitação e, em geral, se origina de um fluxo em sentido inverso na sucção, devido a deficiência de projeto ou de instalação.
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	Além de provocar corrosão, desgastando, removendo partículas e destruindo pedaços dos rotores e dos tubos de aspiração junto à entrada da bomba, a cavitação se apresenta produzindo outros fenômenos.
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Tais como:
Queda de rendimento;
Marcha irregular.
Trepidação e vibração da máquina, pelo desbalanceamento que acarreta;
Ruído, provocado pelo fenômeno de implosão.
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	Pelo qual o líquido se precipita nos vacúolos ou bolsas quando a pressão externa é superior à existente no interior da mesma. 
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	Isso ocorre de maneira aleatória, sendo impossível prever todas as características com que o fenômeno se irá desenvolver.
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	A cavitação, além de ocorrer no rotor, pode manifestar-se nas pás diretrizes do difusor quando a bomba opera fora da descarga normal, devido à divergência entre o ângulo de saída dos filetes do rotor e de entrada no difusor.
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FENÔMENO DA CAVITAÇÃO
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16.3 – MATERIAIS A SEREM EMPREGADOS PARA RESISTIR À CAVITAÇÃO
	A escolha do material a ser empregado na fabricação da bomba é de maior importância. Alguns materiais, na ordem crescente de sua capacidade de resistir à corrosão por cavitação. 
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	São eles: ferro fundido, alumínio, bronze, aços fundidos, aço doce laminado, bronze fosforoso, bronze manganês, aço Siemes-Martin, aço-cromo (12Cr), ligas de aços inoxidáveis especiais (18 Cr-8Ni).
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16.4 – PRECAUÇÕES PARA EVITAR A CAVITAÇÃO NAS BOMBAS.
	Ao se projetar uma bomba, algumas precauções devem ser tomadas para evitar que ocorra cavitaçãonas bombas. 
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Sendo algumas como:
a) Nas bombas radiais.
Pequeno valor da relação entre o diâmetros de entrada e de saída da pás ou, no caso de pás com dupla curvatura, pequeno valor da relação entre r1² e o comprimento do filete médio.
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DIÂMETRO MÉDIO DAS PÁS
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Número suficientemente grande de pás;
Pequeno valor para a velocidade meridiana Vm mas pequena largura b1, se tivermos fortes curvaturas à entrada;
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Pequeno valor para o ângulo 1 das pás;
Nas bombas de múltiplos estágios, pequeno valor para a altura de elevação a cargo de cada rotor.
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b) Nas bombas axiais
Pequeno valor da relação r/e, isto é, grande comprimento axial e das pás, relativamente ao raio r.
Grande valor da velocidade periférica U.
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15.5 – NPSH (NET POSITIVE SUCCION HEAD)
A fim de caracterizar as condições para que ocorra boa aspiração do líquido, foi introduzida na terminologia de instalações de bombeamento a noção de NPSH.
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Ao estudarmos as parcelas de uma instalação de bombeamento, vimos que a equação da energia aplicada entre a superfície livre do líquido na capitação e na entrada da bomba (suposta na altura do centro da bomba) nos fornece:
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O termo é a pressão estática absoluta à entrada da bomba.
Já havíamos chamado a altura total de aspiração à expressão:
 a qual é fornecida pela leitura do vacuômetro.
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A energia total absoluta é a soma da energia da pressão com a energia cinética , de modo que podemos escrever:
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É importante conhecer-se o valor da diferença entre a energia total absoluta e a pressão de vapor do líquido na temperatura em que o mesmo está sendo bombeado.
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Esta grandeza, que representa a disponibilidade de energia com que o líquido penetra na boca da bomba e que ele permitirá atingir o bordo da pá do rotor, chama-se, em publicações em inglês, NPSH – Net Positive Suction Head.
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Como esse conceito se refere à disponibilidade de energia do líquido ao entrar na bomba, a qual de pende da maneira como é projetada a instalação, o NPSH neste caso é chamado de disponível. Seu valor é determinado pela expressão:
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ou considerando a equação anterior, temos:
ou ainda:
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Na boca de entrada da bomba, a velocidade média das partículas líquidas é . Essa velocidade aumenta gradativamente até atingir os canais formados pelas pás do rotor, onde assumiria o valor se as pás não tivessem espessuras.
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Devido à espessura das pás e à variação de pressão entre as faces e dorso da pá, a velocidade absoluta média das partículas passa a ser .
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Essa velocidade é a velocidade média. Isto porque, pela própria natureza da ação das pás, no dorso das mesmas há partículas com velocidades bem maiores do que na face e portanto existem regiões rarefeitas. 
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Essas rarefações ou depressões que se estendem ao canal próximo à entrada das pás são, portanto, devidas a um aumento na velocidade relativa, que passa do valor a , uma vez que a velocidade absoluta resulta da componente periférica e dessa componente do movimento relativo à pá.
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Chamamos então de , a perda de energia de pressão devida a essa variação das velocidades das velocidades relativas.
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Ocorrem ainda perdas de energia devidas aos atritos e à turbulência do líquido entre a boca de entrada da bomba e a entrada das pás e devidas ao aumento da velocidade absoluta que passa do valor a .
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As quais podem ser expressas por:
Os fatores e são coeficientes específicos.
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	A soma representa a energia que é perdida inevitavelmente.
Portanto, deve ser fornecida pela instalação à bomba, uma vez que se processa numa região em que o rotor ainda não fornerce energia ao líquido. 
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Essa parcela de energia é obtida à custa de energia de pressão, que se chama e que é assim requerida pela bomba. É pó isso que essa pressão crítica é chamada de pela bomba ou simplesmente, o da bomba.
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Portanto, . Esta grandeza também é chamada de altura diferencial de pressão e relaciona de certa forma as pressões na face de ataque e no dorso das pás próximo ao bordo de entrada das pás.
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O tem de ser maior que o , pois a igualdade dos dois já indica uma situação limite, com início da cavitação. Assim:
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15.6 – FATOR DE CAVITAÇÃO
Para que não ocorra cavitação, devemos ter:
Dividindo-se por , obtem-se a grandeza .
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Ou fazendo a substituição:
A grandeza , às vezes representada pela letra , é o fator de cavitação de Thoma, homenagem ao pesquisador Dieter Thoma, que o chamou, aliás de “número característico adimensional para a cavitação”.
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O fator de Thoma, , depende da velocidade específica, e, quanto maior for maior será o valor de e, portanto, menor o valor da altura estática de aspiração .
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LOGO TEMOS:
Por essa expressão, sabemos a que a altura da bomba pode ser colocada acima do nível do líquido em um reservatório. Se for negativa, a bomba deverá trabalhar abaixo do nível do líquido, isto é, “afogada”.
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O fator de cavitação pode ser calculado pela seguinte fórmula empírica, a qual foi determinada após um número grande de ensaios:
 ou
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Onde:
 , para bombas centrifugas radiais, lentas e normais
	, para bombas helicoidais e hêlico-axiais
	 , para bombas axiais.
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PROF. LUÍS DO ROSÁRIO COSTAComo aumenta com a velocidade específica, as bombas de elevado exige Alturas de aspiração reduzidas, ou mesmo negativas (bomba afogada). A altura de aspiração negativa é indispensável nas bombas axiais.
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DETALHES DE INSTALAÇÃO
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15.7- Método de Pfleiderer para cálculo do 
Podemos calcular a altura diferencial de pressão pela seguinte fórmula empírica proposta por Pfleiderer: 
Onde temos:
 = metros
 = rpm = coeficiente de redução da seção de entrada do rotor
 
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 = Coeficiente de redução da seção de entrada do rotor.
Sendo:
 diâmetro de entrada, correspondente ao filete médio.
 diâmetro da boca de entrada da bomba;
 = variando de 0,6 a 0,9.
 coeficiente admensional, igual a:
 2,6 para bombas radiais;
 2,9 para bombas helicoidais;
 2,4 para bombas axiais.
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DETALHES DA ENTRADA DO ROTOR
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15.8 – EXERCÍCIOS DE FIXAÇÃO
12.8.1 – Uma bomba centrífuga fornece descarga de 50 de água, com 3.000 rpm. O coeficiente de redução . Calcular o .
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SOLUÇÃO A – Método de Pfleiderer
Como se trata de uma bomba centrífuga radial, .
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a
a
b
J
g
v
p
h
H
+
+
+
=
+
+
2
0
0
2
0
0
g
g
v
J
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H
p
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a
b
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2
0
0
-
-
-
=
g
g
v
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p
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a
a
b
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+
+
=
-
=
g
g
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p
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2
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a
a
b
a
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b
o
J
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v
J
h
H
g
v
p
-
-
=
-
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1
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.
.
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.
req
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.
.
req
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j
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NPSH
REQUERIDO
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2
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6
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2
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