El documento describe el fenómeno de la cavitación, que ocurre cuando la presión local de un líquido desciende por debajo de su presión de vapor, haciendo que se formen burbujas de vapor que luego implosionan violentamente al regresar a una zona de mayor presión, erosionando materiales. Explica que la cavitación puede ocurrir en turbinas hidráulicas y causa efectos como ruido, vibraciones y reducción del rendimiento.

1. La cavitación
o
aspiraciones en vacío

2.  Efecto hidrodinámico que se produce cuando el agua o cualquier otro fluido en
estado líquido pasa a gran velocidad por una arista afilada, produciendo una
descompresión del fluido debido a la conservación de la constante de Bernoulli.
Puede ocurrir que se alcance la presión de vapor del líquido de tal forma que
las moléculas que lo componen cambian inmediatamente a estado de vapor,
formándose burbujas o, más correctamente, cavidades. Las burbujas formadas
viajan a zonas de mayor presión e implosionan (el vapor regresa al estado líquido
de manera súbita, «aplastándose» bruscamente las burbujas) produciendo una
estela de gas y un arranque de metal de la superficie en la que origina este
fenómeno.

3.  El proceso físico de la cavitación es casi exactamente igual que el que
ocurre durante la ebullición. La mayor diferencia entre ambos consiste en
cómo se efectúa el cambio de fase. La ebullición eleva la presión de
vapor del líquido por encima de la presión ambiente local para producir el
cambio a fase gaseosa, mientras que la cavitación es causada por una
caída de la presión local por debajo de la presión de vapor que causa una
succión.

9. Un liquido se evapora cuando la energía
no es suficiente para mantener las
moléculas unidas, entonces estas se
separan unas de otras y aparecen
burbujas de vapor.
En las siguientes diapositivas se muestra
como ocurre esto para el caso mas
común,el agua..
¿Cómo aparece la
cavitación?

10. ¿Cuando se evapora el agua (I)?
La condición de paso de
líquido a vapor depende de
dos parámetros:
• temperatura
• presión
La correlación es lo que se
conoce como curva
característica de la presión
de vapor.

11. ¿Cuando se evapora el agua (II) ?
A presión atmosférica (1 bar)el
agua se evapora a 100°C.
Cuando la presión decrece, el
proceso de evaporación
comienza a una temperatura
menor.
Ejemplo:
A una presión de 0.02 bares el
agua se evapora a una
temperatura aproximada de
18°C.

12. Energía contenida en un fluido
La energía total
de un fluido está
compuesta
de los siguientes
tipos de energías:

13. Evolución de los tipos de energía
en el punto de regulación (I)
Debido al estrechamiento de la
sección de paso en punto de
regulación, la velocidad del fluido y
por tanto su energía cinética
aumentan considerablemente.
Debido, también, al estrechamiento
las pérdidas también aumentan de
forma apreciable.
En la “ vena contracta“ la energía
de presión restante, y por tanto la
presión local, decrece
considerablemente ya que la
energía total debe permanecer
constante.

14. Evolución de los tipos de energía en
el punto de regulación (II)
Si en este punto la presión baja
por debajo de la presión de
vapor, el agua puede evaporarse.
Entonces se forman burbujas de
vapor, ...
... Que se deforman al
incrementarse la presión...
... Y finalmente implotan y
desaparecen.

15. Implosión de las burbujas de vapor
Al cambiar de estado gaseoso a
líquido, las burbujas de vapor se
colapsan súbitamente (implotan) y
esto produce que el agua que las
rodea se acelere hacia el interior
de las mismas formando una
especie de hendidura.
Esto origina un “Microchorro“ que
golpea las paredes del cuerpo de la
válvula o de la tubería a muy alta
velocidad (v>1000 m/seg),
causando picos de presión de
hasta 10000 bares, lo que erosiona
los materiales a nivel molecular.

16. ¿Cuando aparece la cavitación?
Condiciones esenciales:
• Alta presión diferencial
• Baja contrapresión
• Alta velocidad del
fluido

17. TIPOS DE CAVITACIÓN

18.  Cavitación de burbujas.- Aparece en el extradós
de los álabes, hacia la salida del rodete.
 Cavitación de entrada extradós o cara de
succión.- Puede producir erosiones profundas en
un corto período de exposición. Se produce
cuando la turbina trabaja con saltos mayores que
los de diseño.
Extradós

19.  Cavitación de entrada intradós o cara de presión .- Se
produce cuando la turbina trabaja con saltos menores
que los de diseño.
 Cavitación producida por vórtices a carga parcial.-
Debida a las características del flujo cuando se trabaja
a cargas muy bajas. Se caracteriza por la aparición de
torbellinos. El peligro de erosión es bajo.
 Cavitación de antorcha.- Aparición de un vórtice
llamado antorcha en el tubo de aspiración cuando se
trabaja a cargas parciales o con sobrecargas. Esta
antorcha provoca oscilaciones de presión que pueden
traducirse en fluctuaciones no deseadas de par en el
eje de la turbina, acompañado de un notable nivel de
vibraciones.

20.  Cavitación por desprendimiento de vórtices de
Von Karman.- Localizada a partir del borde de
salida del álabe.
 Cavitación en las juntas.- Aparece en un flujo a alta
velocidad resultado del contacto entre dos zonas a
diferente presión.
 Cavitación en las directrices. Puede ocurrir cuando
el perfil de los álabes del distribuidor no está
adaptado a las condiciones hidrodinámicas del
punto de trabajo.

21. La formación de cavitación y sus consecuencias
son función de muchos factores, tales como el
diseño y tamaño de la máquina, la velocidad
específica o el punto de funcionamiento.

22. superficie característica de una sustancia que se contrae al
fundirse (p. e., el agua) y proyecciones de la superficie
característica sobre los planos (T, p) y (p, V).

23. clsificacion de
cavitación en
turbinas
Francis
según la forma
en
que se produce
según su grado
de desarrollo
por reducción de tensiones en
el líquido
por introducción de energía
incipiente
desarrollada
supercavitación
cavitacióndesinente
forma
empírica
cavitación de burbujas separadas
(bubble cavitation),
cavitación de lámina (sheet
cavitation) o
cavitación de vórtice (vortex

24. efecto erosivo de la cavitación de burbujas
observada en modelo de rodete en
laboratorio.

25. localización de
los principales tipos de
cavitación presentes en una
turbina Francis.

26. Cavitación que depende
de σ
Cavitación que no depende de σ
Otros tipos de cavitación
Cavitación de burbujas
Cavitación a la salida del álabe
(outlet cavitation):
Cavitación de entrada
extradós o cara de succión
Cavitación de entrada intradós
o cara de presión
Cavitación producida por
vórtices a carga parcial
Cavitacion de antorcha
Cavitación por
desprendimiento de
vórtices de Von
Karman1Cavitación en las juntas
Cavitación en las directrices.
Tipos de
cavitación
en turbinas
Francis

27. La formación de inestabilidades de carga parcial, consecuencia de trabajar
con caudales inferiores al de diseño (antorcha).
- La formación de antorchas por sobrecarga (caudales de funcionamiento
superiores al de diseño).
- Aparición de ruido y vibraciones.
- Disminución de prestaciones de la máquina hidráulica (caída del
rendimiento), reduciendo la fiabilidad de nuestras instalaciones.
- Desarrollo de procesos erosivos
- Incremento en los gastos de mantenimiento (no hablamos únicamente del
coste
asociado a la substitución de la(s) pieza(s) afectada(s), sino en la
problemática
asociada a parones en la producción).