General introduction

Para fins de estudo do comportamento dos materiais expostos ao fenômeno da cavitação, diversos equipamentos e técnicas foram desenvolvidos nas últimas décadas. A descrição precisa do comportamento de um componente mecânico exposto à cavitação ainda é assunto desafiador para muitos pesquisadores. Aparentemente nenhum ainda consegue exprimir exatamente o que ocorre num componente mecânico real exposto ao fenômeno[3,4,5]. Acontece que em situações reais, diversos fatores parecem interagir com o fenômeno, como a corrosão provocada pelas interações do fluido e superfícies, solicitações mecânicas variáveis e alterações na temperatura do fluido, situações que se tornam complexas para simulação em laboratórios.

Das técnicas utilizadas, serão apresentados nesta seção os dispositivos vibratórios ultrassônicos, os túneis de cavitação e as máquinas de discos rotativos.

3.3.1 DISPOSITIVO VIBRATÓRIO ULTRASSÔ ICO

Dos equipamentos de teste mais utilizados para se estudar a erosão por cavitação destaca+se o dispositivo vibratório ultrassônico. A razão disso é a fácil operação desse equipamento em relação aos demais e o reduzido tempo de ensaio. Os testes para este tipo de equipamento são normalizados pela ASTM G32 03[11], estabelecendo, dentre outros, critérios de afastamentos entre o corpo de prova e o mandril vibratório.

Esse equipamento consiste de um no formato de um disco (15,9mm alta frequência quando imerso em gera uma condição de pressão nega e uma pressão positiva propiciando

A figura 3.8 mostra o diagrama utilizado para testes de erosão por recipiente de água, um gerador u vibratório é de titânio e fica posicio Durante o teste de erosão por cav pelo gerador ultrassônico, produz u prova, originado pela flutuação formados no colapso das bolhas e a erosão.

1. a. Mandril vibratório 1. b. Gerador ultrassônico

2. Suporte metálico com dispositivo de medição de 3. Reservatório de água.

4. Corpo de prova (ver detalhes) 5. Controlador de temperatura. 6. Estrutura.

7. Isolador acústico.

Figura 3.8 + Esquema do equipam

Fonte: MIRANDA, 2007[5]

e um gerador ultrassônico de vibração, onde um cor ,9mm de diâmetro e 5mm de altura) é submetido à v so em água. A vibração, geralmente numa freqüência o negativa para o surgimento e crescimento das bolha ciando o colapso destas bolhas na superfície do corpo

rama esquemático de um equipamento vibratório o por cavitação. Basicamente, o equipamento é comp ador ultrassônico e um mandril vibratório. A ponta posicionada a poucos milímetros da superfície do corp or cavitação, a alta freqüência do mandril vibratório oduz um campo de bolhas de cavitação na superfície ação da pressão. Como resultado, microjatos de lhas e estes incidem diretamente no corpo de prova, o

ção de altura.

Detalhes do corpo de pr

uipamento vibratório ultrassônico e detalhe do corpo d

m corpo de prova ido à vibração em üência de 20kHz, bolhas no líquido corpo de prova. tório ultrassônico composto por um ponta do mandril o corpo de prova. ratório, provocada rfície do corpo de os de fluido são ova, ocasionando o de prova orpo de prova

De acordo com Miranda[5], pesquisadores da Universidade Federal de Santa Catarina estudaram, com este tipo equipamento, a resistência ao desgaste por erosão de finas camadas de óxido de alumínio depositadas através da técnica de deposição química por vapor (CVD) em um substrato de aço inox 304. Trabalharam com uma freqüência de 20kHz e uma temperatura constante da água de 20ºC. A distância entre o corpo de prova e a ponta de titânio do mandril vibratório foi de 0,8mm. Para comparação, os corpos de prova, com e sem o revestimento de óxido de alumínio, foram submetidos ao ensaio de erosão e, após determinados períodos de ensaio, foram medidas as massas dos corpos de prova e traçadas as curvas comparando a perda de massa em função do tempo de ensaio para cada tipo de material. Uma primeira conclusão foi que a camada de alumina, quimicamente depositada, protege o aço inoxidável da erosão por cavitação, pois, após 30 minutos de ensaio, não foram detectados danos causado pela erosão nestas peças, enquanto que para o aço inoxidável sem o revestimento foi registrada a presença de erosão, para o mesmo período de ensaio. Uma segunda conclusão desse trabalho foi que o revestimento adere perfeitamente ao substrato de aço inoxidável e aumenta a resistência à erosão por cavitação, pois, após 180 minutos de ensaio, a massa perdida pelo corpo de prova com o revestimento era 7(sete) vezes menor que a do corpo de prova sem o revestimento. Uma das explicações encontradas foi que o revestimento suporta a deformação plástica causada pela implosão das bolhas. Espitia e Toro[12] estudaram, recentemente, a resistência, microestrutura e topografia de materiais utilizados em componentes hidráulicos utilizando dispositivo ultrassom para geração da cavitação. Estudaram uma liga de aço inoxidável ASTM A743 nua e revestidas pelo processo de deposição térmica de pó de ligas de WC/Co+FeNiCr e Cr2O3. Poros, partículas não fundidas ou parcialmente fundidas destes revestimentos foram evidenciadas na avaliação da microestrutura. Concluíram que estas falhas encontradas nos revestimentos diminuíram o desempenho do material quanto à erosão por cavitação, embora tenham alcançado resultados positivos na proteção contra a corrosão.

Os dispositivos vibratórios ultrassônicos, no entanto, não conseguem representar todas as variáveis envolvidas no escoamento em condições de cavitação em estruturas e máquinas hidráulicas, por exemplo. Um dos aspectos que os fazem divergirem das situações reais em ensaios específicos de rotores de turbobombas é o fato de o corpo de prova permanecer em repouso, enquanto no interior das bombas o rotor e o fluido estão em movimento.

3.3.2 TÚ EL DE CAVITAÇÃO

Túneis de cavitação são dutos passagem do fluido, induzindo a restrições, que aumentam a veloc processos de fluxo contínuo. Túne partes do mundo. Desde Parsons cavitação em 1895, esses dispos maiores são de circuitos fechado polegadas, com velocidade do flui mostra, em duas vistas, lateral e porte. Na parte de cima da figura, da cavitação a partir da variação d das pressões de entrada e saída de mostra a disposição dos corpos de

Figura 3.9 + Esquema

avaliação em quatro corp Fonte: MIRANDA,2007

ÇÃO

s onde são instaladas barreiras móveis que re ndo a cavitação devido à queda de pressão causada velocidade do fluido, conforme a conservação da e . Túneis de cavitação existem em centros de pesquisa arsons, citado por Knapp[3], que construiu o primei dispositivos são utilizados. Atualmente os túneis d echados, com diâmetro da seção de trabalho de m do fluido maiores que de 25 metros por segundo[3].

e de topo, o esquema de um túnel de cavitação figura, observam+se as restrições capazes de alterar a ação da geometria da restrição (e, consequentemente ída dessa restrição). Na parte de baixo da figura a v os de prova e das referências. As medidas estão em ce

uema de um túnel de cavitação de pequeno porte p ro corpos de prova ,2007 [5] CORPOS DE PROVA Vista lateral, dispositivo de geometria da do fluido Vista de topo posicionamen de prova que restringem a ausada após estas o da energia para quisa em diversas primeiro túnel de neis de cavitação de mais de 40 . A figura 3.9 tação de pequeno erar a intensidade mente, a variação ra a vista de topo em centímetros. orte para teral, destacando o tivo de alteração da ria da seção de passagem

e topo, destacando o namento dos corpos

No caso de um túnel de cavitação forma sequencial a fim de obterem prova estão em distâncias diferent prova também serão diferentes. Ao de prova similar, porém de alta r pressão monitora os pulsos de pres

Em dezembro de 2010, o Instituto de água, com comprimento de 8 m equipamentos para testes com cé controle das condições internas e

particle image velocimetry), uma

medição de campos de velocidad configurações é utilizado como cavitação em modelos com escala geração e colapso de bolhas, o q avaliação do desempenho destes ro cavitação de uma hélice de cerca d

Figura 3.10 + Ensaio de

bolhas nas arestas das material

Fonte: Imagem IPT (http ensaios_navais_renovad

Existem diversas possibilidades d normas e procedimentos para a encontradas normas específicas pa

vitação de pequeno porte, os corpos de provas são i terem+se condições de cavitação diferenciadas, pois o iferentes da barreira móvel. Assim as pressões em ca tes. Ao lado de cada corpo de prova pode ser colocad alta resistência mecânica, onde um transdutor piez

e pressão produzidos pela cavitação.

tituto de Pesquisas Tecnológicas (IPT, SP) reinaugur de 8 metros e 6 metros de altura. Esse túnel foi remo

células de carga, manômetros, uma bomba de as e o sistema de velocimetria por imagem de partícu , uma técnica que utiliza emissões de feixes de l ocidade em escoamentos, de forma não+intrusiva.

omo túnel de cavitação. Os ensaios avaliam, entr escala reduzida de hélices de embarcações. Resultam

s, o que permitem uma boa descrição do evento, b stes rotores abertos. A figura 3.10 mostra a imagem d erca de 180 milímetros de diâmetro em teste.

aio de hélice em condições de cavitação: a implosão d s das pás é responsável por vibrações e erosão d

http://www.ipt.br/noticia/274+

novados.htm , acessado em 10/02/2011)

des de ensaios de cavitação assim como um grande ara a utilização dos túneis de cavitação, porém para ensaios de rotores de bombas em moviment

s são inseridos de pois os corpos de em cada corpo de olocado um corpo r piezoelétrico de

augurou seu túnel i remodelado com ba de vácuo para artículas (PIV, de s de laser para a Em diversas , entre outros, a ultam imagens da nto, bem como a gem da nuvem de

losão de são do

rande número de orém não foram imento utilizando

esse equipamento. Portanto, inde divergem das situações reais em e fato de os corpos de prova, no ca dentro de uma carcaça de bomba bombas os rotores e o fluido estão