Cavitacion Y Golpe De Ariete En Turbinas Hidraulicas CAV CA VITACI CIÓN ÓN Y GO GOLP LPE E DE AI IE ETE EN LA LA! ! T" T"# #IN INA A! HI HID D$ $"L "LIICA CA! !% Las turbinas &idr'ulicas( el ser )'*uinas co)ple+as de ,randes di)ensiones( est'n ba+o ba +o la ac acci ci-n -n de el elev evad ados os es es.u .uer er/o /oss )e )ec' c'ni nico cos( s( lo *u *ue e pu pued ede e da darr or ori, i,en en a ro/a)ientos( a,arrota)ientos( etc% Ade)'s( al estar supeditadas a la in.luencia directa del a,ua( tienen *ue soportar e.ec e. ecto toss &i &idr' dr'ul ulic icos os de des. s.avo avora rabl bles es pa para ra su co corr rrect ecto o .u .unc ncio iona na)i )ient ento( o( co) co)o o so son n erosiones( corrosiones( etc% As0 )is)o( &a de tenerse en cuenta el e.ecto abrasivo *ue e+erce la arena contenida en el a,ua( sobre las pie/as situadas en su ca)ino% Prescindire)os de anali/ar los e.ectos an-)alos pura)ente )ec'nicos( *ue pueden ser estudiados en los tratados de 1ec'nica( 2 nos centrare)os en dos .en-)enos *ue in.lu2en ne,ativa)ente en el .unciona)iento id-neo de un ,rupo( si no se adopta ado ptan n las )ed )edidas idas adecuadas adecuadas para eli)inar eli)inarlos los o( por lo )en )enos( os( red reduci ucirlo rloss al )'3i)o% As0 tene)os4 5 Cavitaci-n% 5 Golpe de ariete% CAVITACIÓN% Consiste en la .or)aci-n( dentro de las )asas l0*uidas( de espacios &uecos o cavidades llenas de ,as o vapor( producidas por una vapori/aci-n local debida a acciones din')icas6 las burbu+as ori,inadas al &ervir el a,ua( o la e.ervescencia de bebida beb idass carb carb-ni -nicas cas(( nos pue pueden den ser servir vir co) co)o o e+e e+e)pl )plos os sen sencil cillos los de apr aprecia eciaci-n ci-n%% T7cnica)ente( el .en-)eno es )'s co)ple+o( 2 se debe a reducciones de presi-n dent de ntro ro de dell se seno no de lo loss l0l0*u *uid idos os(( cu cuan ando do se )u )uev even en a ,r ,ran ande dess ve velo loci cida dade des( s( )anteniendo la te)peratura a)biente( condiciones *ue .avorecen la vapori/aci-n% e.iri7ndonoss al a,ua( se considera *ue las sustancias *ue lleva disuel e.iri7ndono disueltas tas 8aire( ,as( part0cu part 0culas las s-l s-lida idas( s( etc etc%9( %9( +un +unto to con las var variac iacione ioness de pre presi-n si-n ,eneradas ,eneradas por la turbulencia de las )asas li*uidas( interru)pe la continuidad de 7stas( lo *ue da lu,ar a la creaci-n de cavidades )icrosc-picas% En su estado natural( el a,ua contiene aire en disoluci-n( siendo la cantidad disuelta tanto )a2or cuanto )'s elevada es la presi-n% !e distin,uen dos tipos de cavitaciones4 :9 Cavitaci-n en burbu+a o transitoria4 Las burbu+as aparecen repentina)ente sobre el contorno del cuerpo s-lido su)er,ido en el l0*uido( *ue crecen en e3tensi-n 2 desaparecen%
;9 Cavitaci-n estacionaria o la)inar4 Las burbu+as se .or)an en el contorno del cuerpo 2 per)anecen sobre 7l( )ientras no var0an las causas productoras% La cavitaci-n se &ace presente en tuber0as( turbinas( bo)bas &idr'ulicas( &7lices( super.icies sustentadoras 2 conductoras de l0*uidos( etc% El .en-)eno de cavitaci-n reduce la velocidad a *ue pueden .uncionar las )'*uinas &idr'ulicas( dis)inu2endo su rendi)iento( por la acu)ulaci-n de burbu+as de vapor *ue perturban la a.luencia nor)al de las )asas li*uidas% Ade)'s de producir ruidos 2 vibraciones( es causa de una r'pida 2 constante erosi-n de lassuper.icies en contacto con el l0*uido( aun cuando 7stas sean de &or)i,-n( &ierro .undido( aleaciones especiales( etc% Te-rica)ente( e3pone)os *ue cuando en el interior de un l0*uido se .or)an burbu+as de cavitaci-n( crecen a )'3i)o ta)a>> ciclos por se,undo e incluso )a2or% !e calcula *ue( las tensiones super.iciales producidas por estas acciones( son del orden de :>>> at)-s.eras( valor lo su.iciente)ente elevado co)o para producir ,rietas( por .ati,a del )aterial( en relativa)ente poco tie)po% GOLPE DE AIETE% I)a,ine)os una tuber0a de ,o)a de su.iciente elasticidad *ue dispone de una v'lvula 2 cu2o cierre se puede reali/ar a ,ran velocidad% En condiciones nor)ales de circulaci-n del l0*uido( 7ste .lu2e a velocidad 2 caudal constante( sie)pre 2 cuando el nivel en el dep-sito per)ane/ca invariable% La tuber0a( en tales circunstancias( no su.re nin,una alteraci-n 2 susecci-n se )antiene uni.or)e en todo el recorrido% Dando a la v'lvula la orden de cierre( el cual se produce de .or)a instant'nea( lle,ar0a)os a observar los .en-)enos si,uientes en la conducci-n4 5 En el tra)o entre el dep-sito 2 la v'lvula( 2 concreta)ente +unto a 7sta( se ori,ina una sobrepresi-n brusca *ue ocasiona una de.or)aci-n de la tuber0a( puesta de relieve por un ensanc&a)iento el'stico de sus paredes% ?ue se propa,a &acia el dep-sito con cierta velocidad( re*uiriendo( la sobrepresi-n( un tie)po de despla/a)iento% Al lle,ar al dep-sito( desaparece la sobrepresi-n inicial produci7ndose una contracci-n en la tuber0a en el sentido descendente &acia la v'lvula% El .en-)eno se repite( aun*ue con )enor intensidad &asta *ue se a)orti,ua por co)pleto( debido a ro/a)ientos( etc% 5 En el tra)o desde la v'lvula en adelante( 2 a partir de 7sta( se crea una depresi-n en el instante del cierre( *ue causa una contracci-n de las paredes del conducto
el'stico( trans)iti7ndose a toda su lon,itud( volviendo a su di')etro ori,inal una ve/ *ue el l0*uido se evacua por co)pleto% Del i)a,inario e+e)plo propuesto pode)os deducir *ue( al interru)pir con rapide/ la corriente de un l0*uido *ue circula con cierta velocidad a trav7s de un conducto( se producen .uertes variaciones de presi-n sobre las paredes interiores de 7ste 2 del ele)ento *ue corta al caudal su)inistrado co)oconsecuencia del ca)bio brusco en el )ovi)iento del l0*uido dentro de la conducci-n cerrada( provoc'ndose i)pactos de consideraci-n sobre todas las super.icies e3puestas a dic&as alteraciones% Ade)'s de las de.or)aciones )otivadas por las sobrepresiones 2 depresiones )encionadas( se presentan vibraciones 2 otros e.ectos per+udiciales *ue pueden ocasionar roturas( aplasta)ientos 2 otros desper.ectos en las tuber0as 2 sus e*uipos( tales co)o ancla+es( v'lvulas( etc% La totalidad de dic&os e.ectos se ori,inan( as0 )is)o( en )a2or o )enor ,rado( cuando se dis)inu2e o desv0a el )ovi)iento de la )asa l0*uida *ue aporta un cierto caudal% El ,olpe de ariete se presenta en las tuber0as sie)pre *ue se reali/an )aniobras r'pidas en los dispositivos *ue abren( cierran o re,ulan el paso de a,ua( co)o son v'lvulas( co)puertas de to)as( etc% I,ual)ente se produce cuando e3isten dis)inuciones bruscas de la potencia solicitada al ,enerador debido a la repentina dis)inuci-n del caudal de a,ua en respuesta a la actuaci-n de los e*uipos de re,ulaci-n% Los e.ectos del ,olpe de ariete( especial)ente i)portantes en conductos de ,ran lon,itud( 2 )'s si,ni.icativos al cerrar el paso de a,ua( se pueden atenuar( e incluso lle,ar a i)pedir( accionando lenta 2 pro,resiva)ente v'lvulas( co)puertas( etc% ( 2( pri)ordial)ente( )ediante la instalaci-n de las c&i)eneas de e*uilibrio( en las cuales( al actuar co)opo/os pie/o)7tricos( se a)orti,uan las variaciones de presi-n% El estudio del ,olpe de ariete( se basa en la teor0a de la onda el'stica( lo *ue se interpreta co)o el despla/a)iento( a una velocidad deter)inada( de las variaciones de presi-n a lo lar,o de un tuber0a% Con este plantea)iento( se eli)ina la idea inicial de ase)e+ar la tuber0a de conducci-n co)o un cuerpo r0,ido% La velocidad re.erida se conoce co)o celeridad de la onda( 2 corresponde a la velocidad del sonido dentro del siste)a considerado dependiendo del di')etro( espesor 2 elasticidad de la tuber0a( as0 co)o de la densidad 2 co)presibilidad del l0*uido( valores *ue para el a,ua( son respectiva)ente( : ,ra)o por cent0)etro c@bico 8:,c)B9( 2 ;:%>>> ilo,ra)os por cent0)etro cuadrado 8,c);9% El valor de la lon,itud de la conducci-n no a.ecta% Los valores de las presiones sur,idas en un ,olpe de ariete( est'n en ra/-n directa del ca)bio brusco de velocidad del l0*uido% El tie)po necesario( para *ue una onda se desplace desde el ori,en de la perturbaci-n &asta el e3tre)o libre 2 re,rese( se lla)a periodo cr0tico de una turbina%
!e distin,uen ,olpes de ariete positivos( por e+e)plo los producidos al cerrarse el paso de a,ua &acia una turbina( al dis)inuir la potencia solicitada al ,enerador6 2 ,olpes de ariete ne,ativos( caso de abrirse dic&o paso de a,ua debido a la necesidad de au)entar la potencia su)inistrada% Cuando se ori,ina un ,olpe de ariete positivo( la onda el'stica( al encontrar )enor resistencia en la c&i)enea de e*uilibrio *ue en la propia tuber0a( se diri,e &acia a*uella( provocando una elevaci-n del nivel de a,ua en el dep-sito o ,aler0a de e3pansi-n( produci7ndose una desaceleraci-n en la colu)na l0*uida% Por el contrario( cuando el ,olpe de ariete es ne,ativo( desciende el nivel de a,ua en la c&i)enea( apareciendo una aceleraci-n del a,ua en la tuber0a% En las tuber0as de presi-n de ,ran lon,itud( el a,ua tarda )'s tie)po( *ue en las de corto recorrido( en acelerarse o desacelerarse lo necesario para acoplar la velocidad del a,ua a cada nuevo r7,i)en de car,a solicitado a la turbina% Destaca)os un e.ecto caracter0stico( deno)inado contra,olpe de ariete( *ue se &ace )'s patente en las turbinas aplan( cuando se cierran el distribuidor 2 el rodete con cierta rapide/( cre'ndose un .uerte vac0o en el tubo de aspiraci-n( debido al despla/a)iento de la colu)na de a,ua por la conducci-n de desa,e( produci7ndose un retroceso brusco de dic&a colu)na( la cual puede incidir violenta)ente en la super.icie in.erior de las palas del rodete( provocando ,raves desper.ectos en las )is)as( e incluso( en la propia tapa de turbina% El ,olpe de ariete ta)bi7n se conoce co)o )artillo de a,ua 8Fater&a))er9( 2 cuando se trata de oleoductos 2 .luidos distintos del a,ua se deno)ina sur,e%
