Cavitação em Turbinas

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CENTRO UNIVERSITÁRIO DE SETE LAGOAS - UNIFEMM 
Unidade Acadêmica de Ensino de Ciências Gerenciais 
Engenharia Elétrica 
 
 
 
 
 
RAFAEL CLERISSON DE ALMEIDA QUITES 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
CAVITAÇÃO EM TURBINAS 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
SETE LAGOAS 
2016 
 
RAFAEL CLERISSON DE ALMEIDA QUITES 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
CAVITAÇÃO EM TURBINAS 
Trabalho da disciplina Máquinas 
Hidráulicas e Usinas Hidrelétricas, do 6º 
período do curso de engenharia elétrica, da 
Unidade Acadêmica de Ensino de Ciências 
Gerenciais, do Centro Universitário de Sete 
Lagoas, como requisito parcial de avaliação. 
 
Finalidade: Buscar conhecimentos a 
respeito da cavitação em turbinas 
hidráulicas. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
SETE LAGOAS 
2016 
 
SUMÁRIO 
 
1 INTRODUÇÃO ............................................................................................................. 3 
2 CORROSÃO POR CAVITAÇÃO ............................................................................... 4 
2.1 Fatores que Influenciam a Cavitação .......................................................................... 5 
3 CAVITAÇÃO EM TURBINAS ................................................................................... 5 
3.1 Consequências da Cavitação ........................................................................................ 7 
3.2 Cavitação nas Turbinas de Ação .................................................................................. 7 
3.3 Cavitação em Turbinas de Reação ............................................................................... 8 
3.3.1 O coeficiente de cavitação ............................................................................................. 8 
3.4 A DETECÇÃO DA CAVITAÇÃO EM TURBINAS ................................................. 8 
3.4.1 Técnica da Emissão Acústica ........................................................................................ 9 
4 CONSIDERAÇÕES FINAIS ...................................................................................... 10 
 REFERÊNCIAS ......................................................................................................... 10 
 
 
3 
 
 
1 INTRODUÇÃO 
 
A cavitação é um elemento comum em líquidos em movimento, como nas pás das 
turbinas, mas também é um fenômeno indesejável, principalmente nas usinas geradoras de 
energia elétrica. 
Neste trabalho são apresentadas as origens da cavitação, como acontece e suas 
consequências, primeiramente de uma forma geral, o fenômeno, e em seguida de forma mais 
detalhadas nas turbinas hidráulicas.
4 
 
 
2 CORROSÃO POR CAVITAÇÃO. 
 
O líquido ao se deslocar por superfícies com pás, como nas turbinas, sofre com 
rarefações, ou seja, pressões reduzidas em virtude da natureza do fluxo ou ao movimento 
dado pelas peças móveis ao fluido. Ao atingir a pressão de vapor do líquido, o mesmo entra 
em processo de vaporização. Nas regiões mais rarefeitas formam-se bolsas onde o liquido se 
vaporiza. Depois, conduzidas pelo líquido em movimento e em alta velocidade, chegam à 
região de alta pressão, onde entra em colapso regressando ao estado líquido (MACINTYRE, 
2011). Tudo isso por que, “com a ajuda do Teorema de Bernoulli, um fluido escoando, ao ser 
acelerado, tem uma redução de pressão, para que a sua energia mecânica se mantenha 
constante” (OLIVEIRA, 2016). 
As partículas líquidas se chocam violentamente às superfícies metálicas, onde 
formam pequenos orifícios. Com a continuação do movimento, corroem a superfície. É a 
erosão por cavitação (cavidades dentro da massa líquida) (MACINTYRE, 2011), representada 
na FIG. 1. 
 
Figura 1 - Etapas da cavitação 
 
Fonte: RAMANATHAN, 1988 
 
 
Segundo Ramanathan (1988) 
Dano por cavitação é uma forma de corrosão-erosão de superfícies metálicas, 
associada ao colapso de bolhas de vapor ou ‘cavidades’ em líquidos em rápido 
movimento. [...] Essas cavidades tem uma vida muito curta, e o seu colapso ocorre 
extremamente rápido, o que produz uma aceleração muito rápida no líquido em 
5 
 
 
volta das cavidades. Durante o encontro ou colisão das paredes da cavidade, uma 
onda de choque violenta é liberada, suficientemente alta para produzir danos sobre 
qualquer superfície próxima a ela. 
 “A cavitação é um fenômeno físico pertinente somente à fase líquida das 
substâncias, sendo na maioria das vezes indesejada a sua presença, pois provoca redução na 
eficiência do equipamento e desgaste por erosão (SANTOS, 2013)”. 
 
2.1 Fatores que Influenciam a Cavitação 
 
 O dano por cavitação depende de: 
 No fluido, do teor de ar, já que altas pressões dificultam a produção de cavitação e da 
temperatura do fluido, sendo que o dano por cavitação aumenta para uma temperatura 
até 50ºC; 
 No material, sendo que os materiais de alta dureza são mais resistentes à cavitação 
(RAMANATHAN, 1988). 
 
3 CAVITAÇÃO EM TURBINAS 
 
“Turbina hidráulica é o componente munido de pás que tem por finalidade 
transformar grande parte da energia de pressão e da energia cinética, em trabalho mecânico” 
(SANTOS, 2013). 
 “Fundamentalmente, não há diferença essencial nas condições em que a cavitação 
ocorre nas bombas centrífugas, [...] mas o efeito da cavitação sobre a potência é muito mais 
acentuado nas bombas” (LOPES, 1944). 
 “Em maior ou menor escala, todas as turbinas hidráulicas sofrem o fenômeno da 
erosão por cavitação” (INSTITUTO..., 2016), fruto também “da evolução das turbinas 
hidráulicas, com a tendência para o aumento constante das velocidades, que deu à cavitação 
uma importância que impunha o estudo de todos os problemas que se relacionavam com este 
fenômeno” (LOPES, 1944). 
“Em adição a outros efeitos indesejáveis este fenômeno pode introduzir grave 
erosão na turbina, em particular nas pás, o que resulta em danos estruturais e perdas de 
desempenho, o que introduzem problemas importantes na geração de energia” (QUEIROZ, 
2012). 
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“Devido à ação da aceleração, e devido ao fato de que a energia mecânica 
presente no fluido tende a se conservar, há uma redução na pressão da água quando ocorre o 
escoamento” (SANTOS, 2013). 
Ainda segundo Santos (2013), “em alguns locais do equipamento, devido a essa 
aceleração imposta, a pressão pode cair a um valor inferior à pressão de vaporização do 
fluido, e logo depois aumentar, ocorrendo à cavitação”. Ou seja, em turbinas a cavitação é 
causada pela queda de pressão, gerando bolhas de gás que se rompem causando ondas de 
choque e micro jatos com muita energia, que provocam danos à superfície que atingem 
(ADVEL, 2014). 
As inspeções de manutenção para detectarem cavitação em turbinas são intrusivas, 
tornando as unidades geradoras indisponíveis durante as inspeções periódicas, e até, às vezes, 
consumo desnecessário de material já que não se sabe o momento adequando da parada para 
reparo (Queiroz, 2012). 
De acordo com Lopes (1944), a cavitação ocorre em duas fases: 
 Formação de bolhas de vapor devido ao abaixamento da pressão, que se torna inferior 
ao da pressão atmosférica; 
 Destruição das bolhas formadas. 
O mesmo autor complementa que há dificuldades em se localizar onde ocorre a 
cavitação, assim como as causas da diminuição da pressão, sendo que a mais importante seria 
o movimento do fluido em um tubo. 
Sobre a destruição das bolhas de vapor podemos dizer as bolhas entram numa 
região dealta pressão e a água exerce uma compressão sobre as mesmas, essa então se 
contrai. Quando a compressão se torna máxima pela inércia do liquido, fenômeno 
mecanicamente irreversível, as bolhas desaparecem pela condensação repentina do vapor 
(LOPES, 1944). 
Knapp
1
 et al. apud Queiroz (2012) apresenta os tipos de cavitação que estão 
presentes nas turbinas hidráulicas, pelas condições de escoamento e as características físicas: 
 Cavitação em movimento, onde o colapso ocorre durante o movimento das bolhas no 
sentido do fluxo. Neste tipo de cavitação as bolhas estão em movimento junto ao 
fluxo; 
 
1
 KNAPP, R. T.; DAILY, J. W.; HAMMITT, F. G. Cavitation, 1 ed 1970, McGraw-Hill, 
Inc, USA, 1970, 578 p. 
7 
 
 
 Cavitação fixa, onde a cavitação ocorre em torno de um corpo rígido submerso; 
 Cavitação em vórtice, onde as bolhas são encontradas no núcleo dos vórtices ao qual 
são formados em zonas de alto cisalhamento, ocorre nas extremidades das pás. 
 Cavitação vibratória, onde o elemento líquido sofre vários ciclos de cavitação devido 
às flutuações de pressão de alta amplitude e de alta frequência. Estas flutuações de 
pressão são devidas às superfícies submersas que vibram perpendicularmente à suas 
superfícies e geram ondas de pressão no fluido. 
“A cavitação em movimento e fixa são encontradas quando o fluxo é obstruído 
numa direção, e assim, é desviado de sua direção inicial. A cavitação em vórtice ocorre em 
zonas de interferência, por exemplo, nos extremos das pás da turbina” (QUEIROZ, 2012). 
 
3.1 Consequências da Cavitação 
 
 Segundo Santos (2013) a cavitação tem as seguintes consequências: 
 Redução do desempenho da turbina: Além da turbulência gerada, entre o líquido e o 
vapor há uma diferença de volume específico, alterando o desempenho da máquina; 
 Vibrações excessivas: O colapso das bolhas de vapor em líquido proporciona o 
aparecimento de ondas de choque e, consequentemente, a vibração na máquina; 
 Desgaste e erosão: Os micros jatos originados pela condensação súbita do vapor, 
originados próximos às superfícies metálicas, provocam trincas microscópicas, mas 
que, com a continuação do fenômeno, ocasiona o desgaste do material superficial. Em 
uma turbina, a cavitação é mais perceptível nas pás causando desbalanceamento e a 
parada da máquina para manutenção. 
Rotores de aço inoxidável estão sendo usados em novos projetos de rotores, visto 
que esse material é mais resistente à erosão por cavitação (SANTOS, 2013). 
 
3.2 Cavitação nas Turbinas de ação 
 
 Nas turbinas de ação, como a Pelton, não ocorre na roda, mas no injetor quando 
este é aproximado pela agulha, visto que essa aproximação aumenta a velocidade do fluxo e 
consequentemente diminui a pressão, gerando a cavitação. A cavitação então corrói a agulha, 
diminuindo o rendimento da turbina, mas essa consequência pode ser amenizada por 
8 
 
 
dispositivos construtivos apropriados o que torna a cavitação na Pelton menos importante e 
com menos dificuldades que nas turbinas de reação (SANTOS, 2013). 
 
3.3 Cavitação em Turbinas de reação 
 
3.3.1 O coeficiente de cavitação 
 
De acordo com Santos (2013), a altura de suspensão, que é a altura da turbina ao 
nível a jusante, é utilizada como primeira tentativa para se evitar a cavitação, sendo que a essa 
altura deve ser tal que a pressão estática na saída do rotor seja maior ou igual à pressão de 
vaporização. A altura de suspensão pode ser calculada por: 
 
𝐻𝑆 ≤ 𝐻𝐴 − 𝐻𝑉 − 𝜎𝑇ℎ𝑜𝑚𝑎 × 𝐻 (1) 
 
Onde: 
HS = Altura de suspensão; 
HA = Altura correspondente à pressão atmosférica (𝑃𝑎𝑡𝑚 𝛾⁄ = 10,33𝑚
3 para água a 20ºC); 
HV = Altura correspondente à pressão de vapor (𝑃𝑉 𝛾⁄ = 2,066 𝑚
3para água a 20ºC) 
𝜎𝑇ℎ𝑜𝑚𝑎 = Número de Thoma ou coeficiente de cavitação, fornecido pelo fabricante da 
 turbina; 
H = Diferença de altura entre montante e jusante (queda). 
 
3.4 A Detecção da Cavitação em Turbinas 
 
Métodos de estudo para detecção de cavitação são realizados por vibração, ruído, 
queda de desempenho do hidrogerador, à redução da pressão e ao coeficiente de cavitação 
(SANTOS, 2013). 
 Vibração: Ocorre com a onda de choque que acontece na estrutura dos hidrogeradores. 
Medido por sensores localizados nos mancais das turbinas; 
 Ruídos: o som da cavitação está em alta frequência e superior a 10KHz. Localizados 
com sensores acústicos na região da turbina; 
 Queda do desempenho: Só é percebida após o inicio do processo, estando o estado de 
cavitação muito avançado; 
9 
 
 
 Variação de pressão: 
 
3.4.1 Técnica da emissão acústica 
 
Emissão acústica é definida como o “o fenômeno de propagação de ondas 
mecânicas em determinado meio”. Técnica utilizada para detecção e monitoramento de 
cavitação, sendo de uso complexo devido ao ruído existente e a propagação das ondas de som 
desde a erosão. (QUEIROZ, 2012). 
Avellan
2, citado por Queiroz (2012), em suas conclusões afirma “que a erosão 
causada pela cavitação pode ser mensurada através de métodos indiretos que possam medir os 
níveis das vibrações” e o próprio Queiroz conclui que “os sinais a emissão acústica aumentam 
à medida que a erosão é maior, possibilitando uma correlação entra a massa perdida com os 
sinais de emissão acústica”. 
As turbinas, por projeto, trabalham numa de maior eficiência. Fora desta faixa, 
aparecem distúrbios no escoamento, que se elevam à medida que as condições se afastam das 
de projeto. Distúrbios esses que “surgem como consequência de ângulos de ataque 
inadequados das pás da turbina, posição inadequada do distribuidor ou variações da queda em 
relação à queda nominal” (QUEIROZ, 2012). 
“O som gerado pelos fenômenos hidráulicos que ocorrem dentro da turbina se 
propaga no fluido e transmite energia acústica para a estrutura e podem ser medidos por 
instrumentação adequada” (QUEIROZ, 2012). 
 
 
 
2
 AVELLAN, F. - Introduction to cavitation in hydraulic machinery, HMH, 2004. 
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4 CONSIDERAÇÕES FINAIS 
 
Este trabalho apresenta a cavitação, especialmente em turbinas hidráulicas e 
procura sanar duvidas referentes à sua origem. 
Faz uma revisão bibliográfica a respeito do tema, utilizando livros e dissertações. 
Estudos mais aprofundados podem ser feitos, com considerações sobre os cálculos 
e simplificações, que têm o intuito de obter, mesmo que aproximadamente, os efeitos 
detalhados da cavitação. Mas tal não foi objeto deste estudo, que se obteve a apresentar os 
conceitos teóricos. 
 
11 
 
 
REFERÊNCIAS 
 
ADVEL. Tecnologia e comércio. Novidades e informativos. c2014, disponível em < 
http://www.adveltecnologia.com.br/novidade.aspx?id=68>. Acesso em 05/06/2016. 
 
FRANÇA Maria Luiza Campolina; FREITAS Ziléia Barbosa de. Guia para apresentação de 
trabalhos técnico-científicos do Unifemm. 4. ed. Sete Lagoas, 2015. 
 
INSTITUTO DE SOLDAGEM E MECATRÔNICA. Vencendo a cavitação em turbinas. 
Disponível em <http://www.labsolda.ufsc.br/projetos/processos/cavitacao_turbinas.php.> 
Acesso em 05/06/2016. 
 
LOPES, G. L. A. Cavitação nas turbinas hidráulicas. 1944. 102 p. Dissertação (Doutorado) 
– Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, Porto. Disponível em: 
<http://hdl.handle.net/10216/12855>. Acesso em 05/06/2016. 
 
MACINTYRE, A. J. Bombas e Instalações de bombeamento. 2. ed. Rio de Janeiro: LTC, 
2011. 
 
OLIVEIRA, R. J. Cavitação: como entender esse fenômeno. Belo Horizonte. Disponível em 
<http://mgstecnologia.com.br/noticias/admin/arquivos/Cavitacao.pdf>.Acesso em 
06/06/2016. 
 
QUEIROZ, F. R. Avaliação de cavitação em turbinas hidráulicas por emissão acústica. 
2012. 77 p. Dissertação (Mestrado) – Universidade Federal de Minas Gerais, Belo Horizonte. 
Disponível em <http://hdl.handle.net/1843/BUOS-95RHAM>. Acesso em 05/06/2016. 
 
RAMANATHAN, L. V. Corrosão e seu controle. São Paulo: Hemus, [1988?]. 339 p. 
 
SANTOS, R. C. L. Análise de cavitação em uma turbina hidráulica tipo Kaplan. 2013. 74 
p. Monografia (Engenharia mecânica) – Universidade federal do Rio de Janeiro, Rio de 
Janeiro. Disponível em 
<http://monografias.poli.ufrj.br/monografias/monopoli10009083.pdf.>. Acesso em: 
06/06/2016.