Cavitação em bombas de caixa dividida de dupla sucção: causas, projeto do impulsor e soluções

A cavitação é um dos problemas hidráulicos mais comuns que afetam as bombas centrífugas, particularmente em aplicações que envolvem altas vazões, condições de sucção exigentes ou operação contínua. Para bombas de carcaça bipartida de sucção dupla, a cavitação pode reduzir o desempenho hidráulico, aumentar a vibração e o ruído, danificar as superfícies do impulsor e reduzir a vida útil de componentes críticos.

Embora a cavitação esteja frequentemente associada à pressão de sucção insuficiente, o problema não é determinado apenas pelas condições de sucção. A geometria de entrada do impulsor, a velocidade do fluxo, o ponto de operação, a temperatura do fluido e a resistência da tubulação de sucção influenciam a probabilidade de cavitação.

Melhorar a resistência à cavitação requer, portanto, uma combinação de seleção apropriada de bombas, otimização do projeto hidráulico e operação correta do sistema.

Este artigo explica como a cavitação se desenvolve em bombas de caixa dividida de sucção dupla, examina duas importantes melhorias no projeto do impulsor e apresenta métodos práticos para prevenir a cavitação em sistemas de bombeamento industriais.

 

 

1. O que é cavitação em uma bomba de caixa dividida?

A cavitação ocorre quando a pressão local de um líquido cai abaixo da pressão de vapor, fazendo com que parte do líquido vaporize e forme pequenas bolhas de vapor.

À medida que estas bolhas se movem para regiões de maior pressão dentro da bomba, elas colapsam rapidamente. O colapso repetido da bolha pode gerar impactos de pressão localizados e danificar superfícies metálicas próximas.

Em uma bomba de caixa dividida de sucção dupla, a cavitação geralmente se desenvolve ao redor da entrada do impulsor, particularmente perto das bordas dianteiras das pás, onde a aceleração local do fluxo pode produzir uma redução de pressão.

Os sintomas típicos incluem:

Estalos incomuns ou ruído semelhante a cascalho durante a operação.

Maior vibração e operação instável.

Corrosão ou erosão nas superfícies do impulsor.

Cabeça da bomba e eficiência hidráulica reduzidas.

Taxa de fluxo flutuante e pressão de descarga.

Danos prematuros aos rolamentos e vedações mecânicas em casos graves.

A cavitação deve ser diferenciada do ar que entra na tubulação de sucção. Ambos podem produzir ruído e operação instável, mas suas causas e medidas corretivas são diferentes. Um diagnóstico adequado deve considerar a pressão de sucção, as condições do fluido, os dados operacionais e os resultados da inspeção interna.

 

2. Por que as bombas de caixa dividida de dupla sucção são suscetíveis à cavitação?

Uma bomba de caixa dividida de sucção dupla normalmente usa uma carcaça dividida horizontalmente e um impulsor de entrada dupla. O líquido entra no impulsor por ambos os lados, dividindo o fluxo total entre duas passagens de entrada.

Este arranjo oferece vantagens para aplicações de grande fluxo e pode ajudar a equilibrar as forças hidráulicas axiais. No entanto, não elimina automaticamente a cavitação.

A pressão na entrada do impulsor depende de vários fatores:

Alta velocidade de fluxo de entrada

Quando o líquido passa através de uma passagem de entrada restrita ou mal projetada, sua velocidade pode aumentar e a pressão estática local pode diminuir. Se a pressão local cair abaixo da pressão de vapor do líquido, podem formar-se bolhas de vapor.

Condições operacionais inadequadas

Operar muito longe da faixa operacional recomendada pode causar padrões de vazão desfavoráveis, aumento de perdas hidráulicas, separação de vazão e flutuações de pressão locais.

Condições de sucção insuficientes

Uma altura de sucção elevada, uma tubulação de sucção longa, uma tubulação subdimensionada, uma válvula parcialmente fechada ou um filtro bloqueado podem aumentar as perdas de sucção e reduzir a pressão disponível na entrada da bomba.

Alta temperatura do líquido

À medida que a temperatura do líquido aumenta, a sua pressão de vapor geralmente aumenta. Isto reduz a margem de pressão disponível antes que ocorra a formação de vapor.

Distribuição desigual do fluxo de entrada

Arranjos inadequados da tubulação de sucção, cotovelos próximos, mudanças abruptas no diâmetro da tubulação ou outros distúrbios a montante podem produzir um perfil de velocidade não uniforme. Isto pode causar condições de fluxo desfavoráveis ​​na entrada do impulsor, mesmo quando a pressão geral de sucção parecer aceitável.

Compreender esses fatores é essencial antes de decidir se o problema requer uma modificação do sistema, um redesenho da bomba ou uma combinação de ambos.

 

3. Duas melhorias importantes no projeto do impulsor para resistência à cavitação

Melhorar o projeto hidráulico da entrada do impulsor pode ajudar a reduzir a aceleração do fluxo local e a perda de pressão. Dois parâmetros de projeto que valem a pena avaliar são o perfil da cobertura frontal e o diâmetro do cubo do impulsor.

3.1 Otimize o raio de giro da cobertura frontal

A cobertura frontal, também conhecida como placa de cobertura frontal, faz parte da passagem de fluxo de entrada do impulsor.

Perto da borda principal da pá do impulsor, a geometria da cobertura frontal influencia a forma como o líquido gira e entra nas passagens da pá. Uma transição abrupta ou uma curvatura inadequada pode contribuir para aceleração local, separação de fluxo e distribuição de pressão desfavorável.

A otimização do raio de giro da cobertura frontal pode ajudar a criar uma passagem de entrada mais suave.

Os benefícios potenciais incluem:

Reduzindo mudanças abruptas na direção do fluxo.

Melhorando a distribuição da velocidade do líquido próximo à entrada da lâmina.

Reduzindo perdas hidráulicas locais.

Ajudando a prevenir regiões desfavoráveis ​​de baixa pressão perto da entrada do impulsor.

Durante o processo de projeto, o raio de giro deve ser avaliado juntamente com a largura de entrada, a geometria do bordo de ataque da pá e a passagem geral do impulsor.

Um raio maior não é automaticamente melhor em todas as bombas. Mudanças geométricas excessivas podem afetar a passagem do fluxo, o desempenho hidráulico ou a viabilidade de fabricação. O perfil final deve ser determinado através de cálculos de projeto hidráulico, dinâmica de fluidos computacional (CFD) e testes de desempenho apropriados.

3.2 Reduzir adequadamente o diâmetro do cubo do impulsor

O cubo é a parte central do impulsor que se conecta ao eixo da bomba e transfere a potência rotacional para o impulsor.

Na fase de projeto, reduzir o diâmetro do cubo e manter inalterado o diâmetro de entrada do impulsor pode aumentar a área de fluxo de entrada disponível.

Uma área de fluxo efetiva maior pode ajudar a reduzir a velocidade média de entrada sob condições adequadas, melhorando potencialmente a distribuição de pressão perto do olho do impulsor.

No entanto, o diâmetro do cubo também está intimamente relacionado com a resistência mecânica.

Os seguintes fatores devem ser considerados antes de alterar a geometria do cubo:

Diâmetro do eixo e resistência mecânica.

Espessura da parede do cubo e integridade estrutural.

Material do impulsor e velocidade de rotação.

Concentração de tensão ao redor da conexão do cubo e do eixo.

Requisitos de fixação e montagem do impulsor.

Desempenho hidráulico em toda a faixa operacional pretendida.

A redução do diâmetro do cubo sem uma avaliação estrutural adequada pode enfraquecer o impulsor ou afetar a confiabilidade do conjunto rotativo.

Esta modificação deve, portanto, ser tratada como uma otimização em nível de projeto, em vez de um reparo de rotina em campo. As dimensões finais devem satisfazer os requisitos hidráulicos e mecânicos.

 

4. A importância do NPSH na prevenção da cavitação

A geometria do impulsor é apenas uma parte da prevenção de cavitação. A relação entre a altura manométrica de sucção positiva líquida disponível do sistema e a altura manométrica líquida de sucção positiva necessária da bomba também deve ser avaliada.

NPSH significa Cabeça de Sucção Positiva Líquida. É usado para avaliar se há pressão suficiente disponível na sucção da bomba para limitar a formação de vapor.

Existem dois parâmetros importantes:

NPSHa (cabeça de sucção líquida positiva disponível):O NPSH fornecido pelo sistema de bombeamento em condições reais de operação.

NPSHr (cabeça líquida de sucção positiva necessária):O requisito NPSH da bomba a uma taxa de fluxo e velocidade especificadas, determinado através de testes de desempenho da bomba.

Uma condição básica de seleção é:

NPSHa > NPSHr

Na engenharia prática, também deverá ser mantida uma margem de segurança adequada. A margem necessária depende do projeto da bomba, das condições de operação, da norma aplicável e das recomendações do fabricante.

O NPSHa pode ser reduzido por:

Perdas excessivas por fricção na tubulação de sucção.

Elevação de sucção elevada.

Baixo nível de líquido no tanque de abastecimento.

Alta temperatura do líquido.

Válvulas de sucção restritas ou filtros bloqueados.

Condições de pressão do sistema desfavoráveis.

Uma bomba pode ter um impulsor bem projetado, mas ainda assim sofrer cavitação se o NPSH disponível for insuficiente. Portanto, tanto os requisitos da bomba como as condições do sistema devem ser considerados.

 

5. Medidas práticas para reduzir a cavitação em sistemas de bombeamento existentes

Além de melhorar o projeto hidráulico da bomba, vários ajustes no nível do sistema podem ajudar a reduzir a cavitação.

Melhore a tubulação de sucção

Use um tubo de sucção de tamanho adequado para evitar velocidade excessiva do fluxo e perdas por atrito. Mantenha a tubulação de sucção o mais curta e direta possível e evite cotovelos desnecessários, mudanças bruscas de diâmetro e acessórios restritivos.

Certifique-se de que as válvulas de sucção estejam totalmente abertas durante a operação normal e que as peneiras ou filtros sejam inspecionados e limpos regularmente.

Manter o fornecimento adequado de líquidos

Verifique o nível do líquido no tanque de abastecimento e revise a elevação de instalação da bomba. Onde as condições permitirem, reduzir a altura de sucção ou aumentar o nível estático do líquido pode melhorar o NPSHa.

Para sistemas fechados, verifique se a pressão do sistema é adequada à temperatura do fluido e aos requisitos operacionais.

Opere próximo à faixa operacional recomendada

Verifique a vazão real em relação à curva de desempenho da bomba do fabricante.

Evite operação prolongada com vazões excessivamente baixas ou altas, onde pode ocorrer instabilidade hidráulica. Selecione uma bomba cujo melhor ponto de eficiência e faixa operacional permitida sejam apropriados para o funcionamento esperado do sistema.

Monitore a temperatura e as condições dos fluidos

Para líquidos quentes, avalie a pressão de vapor na temperatura operacional real. Mudanças na temperatura, composição, viscosidade ou conteúdo de gás do líquido podem influenciar o desempenho de sucção.

Os requisitos de NPSH da bomba devem ser avaliados para o fluido real e as condições operacionais, em vez de depender apenas de dados de referência baseados em água.

Inspecione impulsores e passagens de fluxo interno

Durante a manutenção programada, inspecione as bordas dianteiras das pás do impulsor, as coberturas e outras superfícies molhadas quanto a corrosão, corrosão e depósitos.

Se for encontrado dano, determine se está associado a cavitação, desgaste abrasivo, corrosão ou outro mecanismo antes de selecionar um método de reparo.

 

6. Como selecionar uma bomba de caixa dividida com melhor resistência à cavitação

A seleção de uma bomba com características de sucção adequadas é particularmente importante para aplicações de abastecimento de água de grande fluxo, circulação de água de resfriamento, irrigação e processos industriais.

Antes de selecionar uma bomba de caixa dividida de dupla sucção, os engenheiros devem avaliar as seguintes informações:

Fator de seleção	Informações para confirmar
Taxa de fluxo	Fluxo operacional normal, mínimo e máximo
Cabeça totalmente dinâmica	Cabeça necessária sob condições reais do sistema
Propriedades líquidas	Tipo, temperatura, densidade, viscosidade e pressão de vapor
Condições de sucção	Nível do tanque de abastecimento, pressão, altura de sucção e perdas na tubulação
NPSH	NPSHa disponível e NPSHr necessário para bomba
Velocidade da bomba	Velocidade do motor e condições operacionais esperadas
Instalação	Fundação, arranjo de tubos e condições de fluxo de entrada
Materiais	Resistência à corrosão e adequação ao líquido bombeado

A bomba deve ser avaliada usando suas curvas completas de desempenho, incluindo vazão, altura manométrica, eficiência, potência e NPSHr.

Para aplicações com pressão de sucção limitada ou condições de entrada exigentes, uma bomba com características hidráulicas de baixo NPSH adequadas pode ser mais apropriada do que simplesmente selecionar um motor maior ou um modelo de maior capacidade.

 

Conclusão

A cavitação em bombas de caixa bipartida de sucção dupla é influenciada tanto pelo sistema de bombeamento quanto pelo projeto hidráulico interno. NPSH insuficiente, velocidade de entrada excessiva, distribuição de fluxo desfavorável e condições operacionais inadequadas podem contribuir para o seu desenvolvimento.

No nível do projeto, otimizar o raio de giro da cobertura dianteira e reduzir adequadamente o diâmetro do cubo do impulsor pode ajudar a melhorar as condições de fluxo de entrada. No entanto, essas modificações devem ser avaliadas juntamente com a resistência do impulsor, o projeto do eixo, o desempenho hidráulico e os requisitos de fabricação.

Para instalações existentes, melhorar as condições da tubulação de sucção, manter o fornecimento adequado de líquido, operar dentro da faixa recomendada e monitorar o NPSH são igualmente importantes.

Uma abordagem sistemática que combine um projeto hidráulico sólido, seleção precisa da bomba e operação adequada do sistema pode ajudar a reduzir os danos por cavitação e melhorar a confiabilidade a longo prazo das bombas centrífugas industriais.