La cavitazione

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La cavitazione è un fenomeno negativo e degenerativo che può avvenire in condotte, turbine e pompe; in pratica esso ha luogo con la vaporizzazione locale di un liquido, che avviene con il distacco dello strato limite fluido. Essa genera sostanzialmente perdite di rendimento ed erosione.

La cavitazione è legata alla pressione di vapore di un fluido, che è il valore di pressione in cui la parte liquida ed il suo vapore sono in equilibrio.
In un sistema idraulico se la pressione assoluta diventa uguale od inferiore alla pressione di vapore del liquido ad una certa temperatura, si formano delle piccole bolle di vapore accompagnate da ebollizione.
Si può spiegare la formazione di vapore in quanto i liquidi normalmente trasportano aria disciolta in essi e quando si genera un abbassamento della pressione fino al valore di quello della tensione di vapore, si ha la liberazione dell’aria disciolta nel liquido e quindi la vaporizzazione del liquido stesso. Le bolle di vapore vengono poi trascinate dalla corrente e se esse arrivano in zone con pressione più elevata della tensione di vapore, allora si verifica il collasso stesso delle bolle.

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Cavitazione in un’elica marina
Nella foto si nota molto bene la formazione delle scie vorticose provocate dalla cavitazione in un’elica marina; in pratica le scie sono composte da bolle di vapore che si staccano dall’estremità delle pale dell’elica, dove la pressione scende al di sotto della pressione di vapore dell’acqua. L’esperimento è stato condotto in un tunnel ad acqua per la prova dei profili della pale.

La cavitazione è un fenomeno molto rapido: in tempi brevissimi si formano le bolle che aumentano di dimensione ed infine collassano, producendo onde di pressione molto elevata e nuove bolle. Il liquido colpisce con violenza le pareti della condotta o della macchina e genera aumenti localizzati di pressione e di temperatura (anche 400 Mpa e 800°C). Le sollecitazioni meccaniche derivanti creano sulla condotta o sulla macchina erosioni delle superfici e/o rotture.

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Girante turbina Francis: in primo piano le zone di erosione dovute alla cavitazione.
In primo piano le zone di erosione dovute alla cavitazione.

Oltre a questi effetti la cavitazione genera rumore, vibrazioni del sistema e quindi della macchina e addirittura debole emissione luminosa.
Per far fronte alla cavitazione si studiano attentamente i profili e le superfici delle giranti e delle superfici di casse e distributori, si impiegano materiali speciali che resistono meglio al fenomeno della cavitazione e si cura particolarmente la finitura superficiale dei componenti delle macchine, in modo da evitare la presenza di intagli ed altre irregolarità superficiali che favoriscono l’attacco della cavitazione.

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Distributore in inox turbina Francis – centrale di Taio (TN)
Nelle foto sono visibili i crateri formatisi con la cavitazione.

Per quanto riguarda i materiali costruttivi la ghisa, usata perlopiù anni fa, non è un buon materiale in quanto è facilmente erodibile. Ferro e bronzo sono materiali migliori ma non raggiungono i risultati che si avrebbero con l’acciaio inox (non sempre utilizzabile però!) che grazie alle sue caratteristiche non è attaccabile dall’ossigeno.

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Distributore in inox turbina Francis
Nelle foto sono visibili i crateri formatisi con la cavitazione.

Per quanto riguarda le turbine Francis e Kaplan, si determinano per via teorica e sperimentale le curve caratteristiche dell’impianto, che forniscono il coefficiente di cavitazione, in funzione della velocità di rotazione (numero giri macchina). Con il coefficiente di cavitazione determinato, che nei calcoli è condizionato da numerosi fattori e caratteristiche dell’impianto, si calcola la sommergenza della girante rispetto al pelo libero dello scarico; maggiore velocità di rotazione determina nella maggior parte dei casi una maggiore sommergenza.

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Paletta direzionale distributore turbina Francis – centrale di Somplago (UD)
La cavitazione ha interessato la sezione circolare inferiore dell’albero di rotazione.

Per quanto riguarda le eliche navali la norma è porre le stesse nel punto più lontano e più sommerso (limiti meccanici permettendo) alla chiglia del natante, al fine di evitare fenomeni di cavitazione.

(pubblicato il Gennaio 2010 — modificato il Febbraio 2010)