Cavitación En hélices Y Timones

La cavitación en hélices y timones:

La definición que nos ofrece la Real Academia Española acerca de la Cavitación, será la“Formación de burbujas de vapor o de gas en el seno de un líquido, causada por las variaciones que este experimenta en su presión.”

Se tratará pues, de un vacio que se producirá en el momento en que el agua o cualquier otro fluido en estado líquido, pasa a gran velocidad por la arista afilada, produciendo una descomprensión del fluido, que será debido a la conservación de la constante de Bernoulli, vamos que debido al movimiento relativo, la presión en el líquido resulta inferior a la tensión de vapor de éste.

Si se alcanza la presión de vapor del líquido, las moléculas que componen al líquido cambiarán inmediatamente de estado de vapor, apareciendo la formación de burbujas, que serán llamadas cavidades. Las burbujas formadas irán a la parte de mayor presión y volverán al estado líquido de manera súbita sobre la superficie del material que lo provocó, con lo que esto implicará un arranque de metal de la misma.

Obviamente, este fenómeno tendrá una gran importancia en las turbinas hidráulicas, hélices de buques y bombas. Además, este fenómeno irá acompañado de ruido y vibraciones; lo cual nos permitirá detectar su formación.

Comenzaré haciendo una breve reseña introductoria acerca de la hélice, ya que lo considero fundamental a la hora de intentar explicar la cavitación.

Tendremos que empezar analizando la geometría de la hélice, donde nos encontraremos con el lanzamiento axial de la hélice, y el lanzamiento circunferencial de la misma.

Serán tal como muestra la siguiente imagen:

En el uso del lanzamiento circunferencial, se ha demostrado que es muy efectivo en la reducción de los esfuerzos vibratorios, vibraciones inducidas por la presión del casco, y lo que más nos compete a nosotros, en el retraso del desarrollo de la cavitación.

Mencionar, que con el lanzamiento axial, los esfuerzos sobre la pala pueden controlarse, y pueden utilizarse secciones más estrechas, lo que nos será ventajoso desde el punto de vista de la hidrodinámica.

Explicación gráfica del fenómeno de la cavitación:

Si la presión disminuye hasta alcanzar el valor de la presión de vapor, el líquido comenzará a vaporizarse, lo que comenzará a formar burbujas de gas.

Estas burbujas, ocupan un volumen considerablemente mayor que el que ocupaba el líquido que les dio origen y, arrastradas por la corriente hasta zonas donde la presión vuelve a aumentar, se colapsan violentamente. Todo el fenómeno de vaporización, formación de burbujas, arrastre y colapso recibe el nombre de cavitación. La cavitación tiene varias consecuencias importantes en el escurrimiento. Entre ellas las más destacables son:

- Provocará un cambio en las características del flujo con una reducción importante del espacio disponible para el escurrimiento del líquido.

- Aparecerán fenómenos de inestabilidad y ruidos como consecuencia de la alta frecuencia con que se producen la formación y colapso de las burbujas.

- Las burbujas al colapsarse provocan violentas explosiones que si se producen en contacto con paredes sólidas, tienen una acción de desgaste mecánico importante.

Para que no se produzca cavitación es necesario que este valor permanezca siempre sobre el valor que corresponde a la presión de vapor del líquido.

La cavitación por remolinos se debe a la mayor velocidad que se produce en éstos y es típica de las máquinas hidráulicas. La cavitación por vibración se debe a una separación repetida de un borde sólido, de manera que se forma una cavidad que se colapsa cuando el borde vuelve a su posición original. Este tipo de cavitación se utiliza frecuentemente para el ensayo de materiales frente a su resistencia a la cavitación.

Tipos más frecuentes de cavitación.

1. Cavitación por capas.

Es un tipo de cavitación que produce como una especie de filos o capas delgadas y se da tanto en la cara activa como en la pasiva, dependiendo del ángulo de ataque de la pala. El nombre lo recibe de la apariencia que presenta, de modo que la pala parece cubierta de un fino velo de gas. Como sabemos, cada sección de la pala de la hélice se caracteriza por su paso, longitud de la cuerda, convexidad de la línea de grosor principal, ley de distribución del grosor y el radio en el borde de ataque.

Los perfiles de ala en la arista o borde de ataque suelen adaptarse fácilmente a las variaciones en la dirección de incidencia; mientras que los perfiles afilados se caracterizan por entradas de flujo mediante choques en los bordes, esto significa que la entrada del flujo en la superficie de la pala se produce con ángulos muy pequeños. Así pues, la cavitación por capas se produce en aquellas posiciones angulares de las palas de la hélice para las que el flujo no incide mediante condiciones de choque en la entrada del flujo. Esto es más habitual en hélices con bordes de ataque muy delgados o afilados.

2. Cavitación en nube.

Este tipo de cavitación se da asociada a la cavitación en capa en aquellos casos en que se da en una gran extensión, pero con moderada separación de flujo. Dentro del flujo separado cavitante en la arista de ataque, aparecen torbellinos de alta velocidad que originan pequeñas burbujas de vapor. Si ese flujo ese flujo se reestablece en la pala, antes de alcanzar la arista de salida, esas pequeñas burbujas pueden erosionar la superficie de la pala si colapsan sobre su superficie. Un buen método de disminuir la cavitación en nube es aumentar el diámetro de la hélice, reduciendo su paso y la relación de área. Se favorece así que el flujo se reestablezca en la pala.

3. Cavitación por burbujas.

Se presenta en el área de máximo grosor de la pala, en zonas de flujo estable, en la cara de succión de la pala. Se caracteriza por la aparición de burbujas de tamaño considerable que se colapsan con violencia, es peligroso desde el punto de vista erosivo y de corrosión. Para reducir este tipo de erosión, se debe reducir la relación grosor de la sección y la longitud de la cuerda; el grosor de la pala mediante la utilización de materiales de mayor resistencia mecánica; la superficie de la pala o la curvatura de la misma, variando la distribución de la carga radial.

4. Cavitación de superficie.

Se da cuando la sección anular de la pala de la hélice recibe del flujo entrante con un ángulo de ataque negativo. Esta cavitación se da en la cara activa de la pala. Algunos

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