UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA – UDESC CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS – CCT
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA – DEM PROGRAMA DE PÓS–GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA E
ENGENHARIA DOS MATERIAIS–PGCEM
Formação: Mestrado em Ciência e Engenharia dos Materiais
DISSERTAÇÃO DE MESTRADO OBTIDA POR
Charles Zanini Miranda
PROJETO, FABRICAÇÃO E OPERAÇÃO DE UMA
MÁQUINA DE ENSAIO DE EROSÃO POR CAVITAÇÃO
Apresentada em 18 / 12 / 2007 perante a Banca Examinadora:
Dr. José Divo Bressan – PRESIDENTE (UDESC/CCT)
Dr. Júlio César Passos (Depto de Engenharia de Mecânica/UFSC). Dr. Gil Bazanini (UDESC/CCT).
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA – UDESC CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS – CCT
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA – DEM PROGRAMA DE PÓS–GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA E
ENGENHARIA DOS MATERIAIS–PGCEM
DISSERTAÇÃO DE MESTRADO
Mestrando: CHARLES ZANINI MIRANDA – Engenheiro Mecânico
Orientador: Prof. Dr. JOSÉ DIVO BRESSAN Co-orientador: Prof. Dr. GIL BAZANINI
CCT/UDESC – JOINVILLE
PROJETO, FABRICAÇÃO E OPERAÇÃO DE UMA
MÁQUINA DE ENSAIO DE EROSÃO POR CAVITAÇÃO
DISSERTAÇÃO APRESENTADA PARA OBTENÇÃO DO TÍTULO DE MESTRE EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DOS MATERIAIS DA UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA, CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS – CCT, ORIENTADO PELO PROF. DR. JOSÉ DIVO BRESSAN.
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA - UDESC CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS – CCT
COORDENAÇÃO DE PÓS-GRADUAÇÃO – CPG
“
PROJETO, FABRICAÇÃO E OPERAÇÃO DE UMA
MÁQUINA DE ENSAIO DE EROSÃO POR CAVITAÇÃO
”
por
Charles Zanini Miranda
Essa dissertação foi julgada adequada para a obtenção do título de
MESTRE EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DOS MATERIAIS
na área de concentração " Metais ", e aprovada em sua forma final pelo
CURSO DE MESTRADO EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DOS MATERIAIS
DO CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS DA
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA
Dr. José Divo Bressan UDESC (Presidente)
Banca Examinadora:
Dr. Júlio César Passos UFSC
Dr. Gil Bazanini UDESC
FICHA CATALOGRÁFICA
NOME: MIRANDA, CHARLES Z..
DATA DEFESA: 18/12/2007
LOCAL: Joinville, CCT/UDESC
NÍVEL: Mestrado Número de ordem: 89 – CCT/UDESC
FORMAÇÃO: Ciência e Engenharia dos Materiais
ÁREA DE CONCENTRAÇÃO: Metais
TÍTULO:PROJETO, FABRICAÇÃO E OPERAÇÃO DE UMA MÁQUINA DE ENSAIO DE EROSÃO POR CAVITAÇÃO
PALAVRAS - CHAVE: Projeto, Disco Rotativo, Erosão, Cavitação.
NÚMERO DE PÁGINAS: xix, 67 p.
CENTRO/UNIVERSIDADE: Centro de Ciências Tecnológicas da UDESC PROGRAMA: Pós-graduação em Ciência e Engenharia dos Materiais CADASTRO CAPES: 4100201001P-9
ORIENTADOR: Dr. José Divo Bressan
CO-ORIENTADOR: Dr. Gil Bazanini
PRESIDENTE DA BANCA: Dr. José Divo Bressan
À Deus, por conceder viver este momento de conquista e realização.
À minha esposa Katia, que carinhosamente sempre esteve ao meu lado nesta caminhada.
AGRADECIMENTOS
À Universidade do Estado de Santa Catarina – UDESC, e ao Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia dos Materiais do Centro de Ciências Tecnológicas pela oportunidade da realização do presente trabalho.
Ao professor, orientador e amigo José Divo Bressan pela grande oportunidade e pela dedicação, paciência, apoio e competência, tornando-se fundamental na realização deste trabalho.
Ao professor Gil Bazanini que como co-orientador não mediu esforços em oferecer todas as condições necessárias para concretização do presente trabalho e principalmente pela amizade e competência demonstrada.
À todos os professores e colegas mestrandos do Curso de Mestrado em Ciência e Engenharia de Materiais que de forma direta ou indireta contribuíram para a realização deste trabalho.
À Indústria Scheneider Motobombas S.A. de Joinville - Santa Catarina, pelo apoio de conhecimento técnico no projeto de máquinas de fluxo e suporte na fabricação da máquina.
SUMÁRIO
Introdução Geral, Objetivos e Justificativa
I.1. Introdução e justificativa ... 01
I.2. Motivação do trabalho ... 03
I.3. Objetivos do trabalho ... 03
Capítulo I - Revisão Bibliográfica
1.1.Fenômeno da cavitação ... 051.2. Erosão por cavitação ... 07
1.3. Técnicas utilizadas para estudo da erosão por cavitação ... 12
1.3.1. Discos rotativos ...…... 13
1.3.2. Dispositivo vibratório ... 14
1.3.3. Túnel de cavitação ... 16
1.4. Equacionamento matemático do colapso da bolha ... 18
Capítulo II – Máquina de Ensaio de Erosão por Cavitação
2.1. Introdução... 232.2. Características do equipamento... 23
2.3. Dimensões do disco rotativo de aço inoxidável... 26
Capítulo III – Materiais e Procedimentos Experimentais
3.1. Introdução... 283.2. Materiais: composição química e microdureza... 29
3.3. Ensaio de metalografia... 30
Capítulo IV – Resultados e Discussões
4.1. Desempenho da máquina de ensaio de erosão por cavitação... 37
4.2. Curvas de perda de massa do ensaio de erosão por cavitação... 40
4.3. Análise no microscópio eletrônico de varredura (MEV)... 46
Capítulo V – Conclusões Finais
5.1. Projeto e operação da máquina de erosão por cavitação... 595.2. Comportamento dos corpos de prova a erosão por cavitação... 61
5.3. Sugestões de trabalhos futuros... 63
Referências Bibliográficas………....……….. 64
Apêndice 1... 67
Resumo
O presente trabalho consiste no projeto, construção e operação de uma máquina de ensaio de erosão por cavitação e dos primeiros resultados obtidos por meio deste equipamento. Um novo conceito de máquina de ensaio de erosão por cavitação foi projetado, construído e ensaiado, usando um disco rotativo com furos e pinos indutores de cavitação. O equipamento projetado possui como principais vantagens, em relação aos equipamentos já existentes, o baixo custo de fabricação devido ao menor tamanho do equipamento, número reduzido de componentes, a quantidade de até oito amostras por ensaio e a menor potência necessária para realização dos ensaios. Trata-se de uma máquina de pequeno porte, capaz de gerar as bolhas necessárias para o surgimento da erosão por cavitação nas superfícies dos corpos de prova na rotação de até 4400 rpm e potência máxima de 30 kW. Foram investigados dois tipos de discos rotativos: com furos indutores e com pinos indutores de cavitação. O disco rotativo com furos indutores foi mais eficiente, pois consumiu a potência de 14 kW e com pinos indutores a potência consumida foi de 23 kW, para a mesma rotação de 4400 rpm, e apresentaram praticamente a mesma taxa de erosão verificada no bronze e alumínio.
superficial de alumina que conferiu um aumento na resistência ao desgaste do alumínio. De acordo com os resultados obtidos com os corpos de prova em ferro fundido nodular, constata-se que a camada de cementação aumentou a resistência à erosão por cavitação e visivelmente diminuiu a oxidação superficial dos corpos de prova, porém a oxidação superficial ocorrida nestas amostras comprometeram uma análise mais apurada.
Abstract
The present work deals with the design, fabrication and operation of a cavitation erosion equipment and with the preliminary results obtained by its testing. A new cavitation erosion testing machine was designed, fabricated and tested, using a rotating disc with holes for generating cavitation. The developed equipment has as main advantages, in relation to the existing ones, low fabrication cost due to its smaller size and reduced number of components, the specimen quantity of up eight per test and a lower power needed to carry out the testing. It is small size equipment, capable of generating the necessary bubbles for causing the erosion by cavitation on the specimen surfaces at the speed of 4400 rpm and maximum power of 30 kW. Two types of rotating discs were investigated: with cavitation inducers holes and with pins. The rotating disc with inducer holes was more efficient as its power consumption was only 14 kW and the disc with inducer pins was 23 kW for practically the same erosion rate obtained by bronze and aluminium, both at the rotation speed of 4400 rpm.
cavitation and decreased the specimen surface oxidation, however, the occurrence of surface oxidation prejudiced a more accurate analyses.
Lista de Símbolos
B
- forças de campo envolvidas no campo esférico da bolha de vapor, (equação 1.2)c - velocidade do som;
Kg – taxa de calor específico do ar;
Kv – taxa de calor específico do vapor;
L - distância entre a superfície sólida e a bolha de vapor, (figura 1.6);
P - pressão;
PA– pressão em uma posição qualquer do fluido, externa a bolha de vapor, (equação 1.20);
PL – pressão superficial na parede da bolha de vapor, (equação 1.10);
Pmax – pressão máxima;
Pv - pressão de vapor, (figura 1.1);
r
P - pressão em uma determinada posição da bolha de vapor, (equação 1.10); P1 – pressão absoluta do fluido na entrada do túnel de cavitação, (equação 1.1);
P2 – pressão absoluta do fluido na saída do túnel de cavitação, (equação 1.1);
∞
P - pressão em uma posição infinita, sem a influência dos efeitos do colapso da bolha; Pgo – pressão inicial do ar dentro da bolha de vapor, (equação 1.21);
Pvo – pressão inicial do vapor dentro da bolha de vapor, (equação 1.21);
r – raio da bolha de vapor; R – raio da bolha de vapor;
Rmax – raio máximo da bolha de vapor, (figura 1.6);
Ro – raio inicial da bolha de vapor;
S – tensão superficial da bolha de vapor, (equação 1.21); T - temperatura;
T1- temperatura da pressão de vapor Pv, (figura 1.1);
t – tempo;
v - velocidade do líquido;
- volume específico;
σ - coeficiente de cavitação, (equação 1.1);
L - densidade do líquido;
µ - viscosidade do líquido;
g – viscosidade do gás;
Lista de Tabelas
Tabela 2.1. Relação entre posição e velocidade dos corpos de prova, para uma rotação de 4400 rpm.
Tabela 3.1. Composição química dos elementos obtidos através do ensaio de espectroscopia para os materiais dos corpos de prova.
Tabela 3.2. Microdureza Vickers dos corpos de provas.
Tabela 3.3. Parâmetros utilizados para o ataque químico.
Tabela 3.4. Materiais, numeração e velocidade dos corpos de prova no disco de aço inoxidável, em 4400 rpm.
Tabela 4.1. Condições operacionais da máquina de ensaio de cavitação de disco com furos indutores de cavitação.
Tabela 4.2 Condições operacionais da máquina de ensaio de cavitação de disco com pinos indutores de cavitação.
Tabela 4.3. Variação de massa cumulativa perdida dos corpos de prova submetidos ao ensaio de cavitação, disco rotativo com furos indutores.
Tabela 4.4. Materiais, numeração e velocidade dos corpos de prova no disco de aço inoxidável.
Tabela 5.1 Condições operacionais da máquina de ensaio de cavitação com disco rotativo com furos indutores de cavitação.
Lista de Figuras
Figura 1.1. Gráfico do diagrama de fase (Brennen, 1995).
Figura 1.2. Desenvolvimento da onda de choque (Koivula, 2000).
Figura 1.3. Desenvolvimento do colapso e do micro-jato (Brennen, 1995).
Figura 1.4. Séries de fotografias do desenvolvimento do micro-jato em uma bolha colapsando. O intervalo de tempo entre as fotos é de 2 s (Brenenn, 1995).
Figura 1.5. Séries de fotografias do desenvolvimento do micro-jato em uma bolha colapsando. O intervalo de tempo entre as fotos é de 2 s (Brennen, 1995).
Figura 1.6. Fotografias em série do colapso de uma bolha perto de uma superfície sólida e o gráfico da pressão na bolha (Brennen, 1995).
Figura 1.7. Falha por cavitação e corrosão de um rotor de aço inox 316 (Bennekom et al., 2001).
Figura 1.8. Cavitação no rotor de uma bomba centrífuga. (a) formação da “nuvem” de bolhas de vapor em um determinada região, (b) erosão ocasionada (Brennen, 1995).
Figura 1.9. Erosão por cavitação nas pás do rotor (Brennen, 1995).
Figura 1.10. Erosão nas pás do rotor de uma turbina Francis (Escaler et al, 2006).
Figura 1.11. Esquema do disco rotativo para ensaio de erosão por cavitação, (Ramamurthy e Bhaskaran, 1975).
Figura 1.12. Esquema do equipamento vibratório ultra-sônico (Pflitsch et al., 2007).
Figura 1.13. Esquema do túnel de cavitação desenvolvido por Steller et al. (2005).
Figura 1.14. Esquema do colapso de uma bolha.
Figura 2.1. Foto do equipamento de ensaio de erosão por cavitação.
Figura 2.2. Disco de aço inoxidável com disposição dos corpos de prova.
Figura 2.3. Foto frontal do equipamento de ensaio de erosão por cavitação.
Figura 2.4. Dimensões (mm) do disco de aço inoxidável.
Figura 3.1. Fluxograma do procedimento experimental dos ensaios realizados neste trabalho.
Figura 3.2. Micrografia do alumínio com aumento de 200x. Notam-se os contornos de grãos de forma definida.
Figura 3.3. Micrografia do ferro fundido nodular com aumento de 200x. Notam-se os nódulos de grafita e poros ou inclusões (pontos escuros menores).
Figura 3.4. Micrografia do ferro fundido nodular com aumento de 500x. Notam-se os nódulos de grafita e poros ou inclusões (pontos escuros menores).
Figura 3.5. Micrografia do ferro fundido nodular com tratamento de cementação, aumento de 200x. Notam-se os nódulos de grafita e poros ou inclusões (pontos escuros menores).
Figura 3.6. Micrografia do ferro fundido nodular com tratamento de cementação, aumento de 200x. Notam-se os nódulos de grafita e a camada de cementação na superfície.
Figura 3.7. Micrografia do bronze com aumento de 200x. Notam-se grãos de forma definida, fases distintas e poros ou inclusões (pontos escuros menores).
Figura 3.8. Micrografia do bronze com aumento de 500x. Notam-se grãos de forma definida, fases distintas e poros ou inclusões (pontos escuros menores).
Figura 3.9. Corpos de prova para o ensaio de cavitação.
Fig. 3.10. Disposição dos corpos de prova no disco de aço inoxidável.
Figura 4.1. Formação das bolhas de vapor na câmara da máquina de ensaio de erosão por cavitação.
Figura 4.2. Nuvem de bolhas de vapor formadas na câmara da máquina de ensaio de cavitação.
Figura 4.3. Máquina de ensaio de erosão por cavitação.
Figura 4.4. Curva experimental do bronze obtida na máquina de ensaio de erosão por cavitação, disco rotativo com furos indutores.
Figura 4.5. Curva experimental do alumínio obtida na máquina de ensaio de erosão por cavitação, disco rotativo com furos indutores.
Figura 4.6. Curva experimental do ferro fundido nodular (sem camada de cementação) obtida na máquina de ensaio de erosão por cavitação, disco rotativo com furos indutores.
Figura 4.8. Curvas experimentais do latão e alumínio obtida na máquina de ensaio de erosão por cavitação, disco rotativo com furos indutores.
Figura 4.9. Curva experimental do alumínio obtida na máquina de ensaio de erosão por cavitação, com disco rotativo com furos indutores.
Figura 4.10. Curva experimental do bronze obtida na máquina de ensaio de erosão por cavitação, com disco rotativo com pinos indutores de bolhas.
Figura 4.11. Comparação entre curvas experimentais do bronze obtidas na máquina de ensaio de erosão por cavitação, disco rotativo com furos e com pinos indutores de bolhas.
Figura 4.12. Foto do bronze com aumento de 6x e 20 horas de ensaio, mostrando a esteira de erosão no corpo de prova.
Figura 4.13. Foto do bronze com aumento de 6x e 20 horas de ensaio, mostrando a divisão das regiões do corpo de prova.
Figura 4.14. Seqüência de fotos da evolução dos pits de erosão para o bronze, com aumento de 200x, no ensaio de cavitação, disco rotativo com furos.
Figura 4.15. Foto do bronze com aumento de 100x, antes do ensaio. Nota-se presença de porosidade e inclusões.
Figura 4.16. Foto do bronze com aumento de 100x e 5 horas de ensaio. Nota-se a presença das primeiras regiões com pits de erosão.
Figura 4.17. Foto do bronze com aumento de 100x e 10 horas de ensaio, com o aumento das regiões com pits de erosão.
Figura 4.18. Foto do bronze com aumento de 100x e 20 horas de ensaio, com o aumento das regiões com pits de erosão.
Figura 4.19. Foto do bronze com aumento de 100x e 25 horas de ensaio, com toda superfície desgastada por erosão.
Figura 4.20. Foto do bronze com aumento de 500x e 25 horas de ensaio, visualização dos pits de erosão.
Figura 4.21. Foto do alumínio com aumento de 100x e 10 horas de ensaio, nota-se a presença dos pits de erosão.
Figura 4.22. Foto do alumínio com aumento de 200x e 10 horas de ensaio, com a marcação das regiões 1 e 2 para análise EDX.
Figura 4.24. Gráfico do EDX do alumino, área 2 da figura 4.22 obtida pelo MEV, indicando os picos dos elementos químicos O e Al e a tabela com o quantitativo em concentração destes elementos.
Figura 4.25. Foto do alumínio com aumento de 500x e 20 horas de ensaio.
Figura 4.26. Foto da análise do MAP do alumínio com aumento de 500x e 20 horas de ensaio, destacando a ampliação da foto do oxigênio (O).
Figura 4.27. Foto do ferro fundido com aumento de 500x, antes do ensaio de cavitação.
Figura 4.28. Foto do ferro fundido com aumento de 500x e 5 horas de ensaio. Formação de óxido.
Figura 4.29. Foto do ferro fundido com aumento de 500x e 10 horas de ensaio. Formação de óxido e uma cratera.
Figura 4.30. Gráfico do EDX do ferro fundido nodular, obtida pelo MEV, indicando os picos dos elementos químicos O e Fe e a tabela com o quantitativo da concentração destes elementos.
Figura 4.31. Foto do ferro fundido (com camada de cementação) com aumento de 500x e 10 horas de ensaio.
