apuntes - maquinas de flujo ii

8/18/2019 Apuntes - Maquinas de Flujo II

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UNIVERSIDAD POLITECNICA Y ARTISTICA DEL PARAGUAY

UPAP – FILIAL VILLETA/GUARAMBARE

APUNTES DEMAQUINAS DE FLUJO II.

Material Recopilado por el

Lic. Quím. Jorge Blas Ramírez González.

Para las Carreras de

Ingeniería.

VILLETA/GUARAMBARE– DEPARTAMENTO CENTRAL– PARAGUAY.

Año: marzo de 2016


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MAQUINAS DE FLUJO II.INDICE.

Preparado por el Lic. Quím. Jorge Blas Ramírez González Índice i Cel: 0961 421 483e-mail: [email protected]

INDICE GENERAL. FUNDAMENTACIÓN DE LA ASIGNATURA. ................................................................................. A

OBJETIVOS. .............................................................................................................................. AOBJETIVOS GENERALES. ......................................................................................................... AOBJETIVOS ESPECIFICOS. ........................................................................................................ A

Nivel Cognitivo: .................................................................................................................... ANivel de Destrezas y Habilidades: ......................................................................................... ANivel de Actitudes: ............................................................................................................... A

COMPETENCIAS BASICAS. ...................................................................................................... AUNIDAD I. TURBINAS ................................................................................................................. 3

Definición. .............................................................................................................................. 3Elementos constitutivos. ......................................................................................................... 3Clasificación de las turbinas hidráulicas. .................................................................................. 4

Turbinas de acción: turbinas Pelton. ....................................................................................... 4Funcionamiento. ................................................................................................................... 5Turbinas de reacción: turbinas Francis y Hélice. ...................................................................... 6

Turbina de Francis. ................................................................................................................ 6Desarrollo. ............................................................................................................................ 6Turbinas Hélice. .................................................................................................................... 7

Turbinas de reacción: turbinas Kaplan y Dériaz. ...................................................................... 7Turbinas de Kaplan. ............................................................................................................... 7Turbinas Dériaz. .................................................................................................................... 7

Algunas tendencias actuales en la construcción de las turbinas hidráulicas. ............................ 8Francis y Kaplan. ................................................................................................................. 10

Altura neta. ........................................................................................................................... 10Pérdidas, potencias y rendimientos. ...................................................................................... 10Ecuación del tubo de aspiración. ........................................................................................... 12Cavitación y golpe de ariete de una turbina........................................................................... 13

CAVITACIÓN. ....................................................................................................................... 14Se distinguen dos tipos de cavitaciones: ............................................................................ 14

GOLPE DE ARIETE. ............................................................................................................... 15ANEXO UNIDAD I..................................................................................................................... 16

Partes de la turbina de Francis. ............................................................................................. 16Cámara espiral. ................................................................................................................... 16Predistribuidor. ................................................................................................................... 16Distribuidor. ........................................................................................................................ 16Rotor o rodete. ................................................................................................................... 16Tubo de aspiración. ............................................................................................................. 16

Aplicaciones de la turbina de Pelton...................................................................................... 17UNIDAD II. MAQUINAS HIDRAULICAS DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO: BOMBAS DE ÉMBOLO................................................................................................................................................ 21Introducción. ........................................................................................................................ 21

Generalidades ..................................................................................................................... 21Características..................................................................................................................... 21

Principio de desplazamiento positivo. ................................................................................... 21CLASIFICACIÓN DE LAS BOMBAS DEDESPLAZAMIENTO POSITIVO. ....................................... 22

Reciprocantes ................................................................................................................... 22

mailto:[email protected]:[email protected]:[email protected]:[email protected]


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Universidad Politécnica y Artística del ParaguayFilial Villeta/Guarambaré.

Página ii Materia: MAQUINAS DE FLUJO II.

Rotatorias ......................................................................................................................... 22Clasificación de las máquinas de desplazamiento positivo. .................................................... 23Bombas de émbolo. .............................................................................................................. 23

Tipos de bombas de émbolo. .............................................................................................. 23Bomba aspirante ............................................................................................................... 23Bomba impelente.............................................................................................................. 23

Comparación de las bombas rotodinámicas y las bombas de émbolo. ................................... 24Caudal teórico, caudal real y caudal instantáneo. .................................................................. 24Potencia indicada y potencia útil: diagrama del indicador. .................................................... 25Tipos diversos de bombas de émbolo. ................................................................................... 25

UNIDAD III. MÁQUINAS HIDRÁULICAS DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO: MÁQUINASROTOESTÁTICAS...................................................................................................................... 31

Clasificación. ......................................................................................................................... 31Descripción. .......................................................................................................................... 32

Elementos característicos de una bomba ............................................................................ 32Teoría de la bomba o motor de engranajes. .......................................................................... 34

INDICE DE GRAFICOS Ilustración 1. Rotor de una turbina Pelton, ésta es una turbina hidráulica de acción de admisiónparcial. ...................................................................................................................................... 4Ilustración 2. Turbina Pelton de la central hidroeléctrica de Walchensee en Alemania. ............. 4Ilustración 3. Proyección cilíndrica en el diámetro Pelton de una cuchara. ................................ 5Ilustración 4. Rodete de una turbina Francis.............................................................................. 6

Ilustración 5. Primitiva turbina Francis. ..................................................................................... 6Ilustración 6. Tubo de aspiración de una turbina Francis. ........................................................ 12Ilustración 7. Triángulo de velocidades de una turbina Francis a la salida del rotor encondiciones de diseño. ............................................................................................................ 13Ilustración 8. Álabes directores (en color amarillo) configurados para máximo caudal (vistainterior). ................................................................................................................................. 17Ilustración 9. Álabes directores (en color amarillo) configurados para mínimo caudal (vistainterior). ................................................................................................................................. 17Ilustración 10. Rodete de una turbina Francis, Presa Grand Coulee. ........................................ 17Ilustración 11. Espiral de entrada de una turbina Francis, Presa Grand Coulee. ....................... 17Ilustración 12. Instalación común de una turbina Pelton con dos inyectores. .......................... 17

Ilustración 13. Bomba aspirante de émbolo alternativo. ......................................................... 23Ilustración 14. Bomba de émbolo buzo adaptada a grandes presiones o alturas útiles: 1,cigüeñal;2, cámara de aire; 3, émbolo buzo; 4, válvula de aspiración; 5, válvula de impulsión. 24Ilustración 15. Esquema de bomba de émbolo de simple efecto. ............................................ 24Ilustración 16. Diagrama del indicador de una bomba de émbolo............................................ 25Ilustración 17. Bombas rotativas de émbolo radiales (cinemática plana). ................................ 26Ilustración 18. Esquema de bomba rotativa con 5 émbolos axiales (cinemática espacial). ....... 26Ilustración 19. Algunos tipos de máquinas de desplazamiento positivo (MDP). ....................... 31Ilustración 20. Elementos característicos de una bomba. ........................................................ 32Ilustración 21. Tipos de rodete según la dirección del flujo. ..................................................... 32Ilustración 22. Clasificación en función del tipo de aspiración.................................................. 33Ilustración 23. Un tipo de bomba de desplazamiento. ............................................................. 33

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UINAS%20DE%20FLUJO%20II.docx%23_Toc446789460http://e/OneDrive/000%20ENSE%C3%91ANZA/000FACULTAD/UPAP/JORGE/2016/2016.03%20-%20MAQUINAS%20DE%20FLUJO%20II/2016.03%20-%20APUNTES%20%20-%20MAQUINAS%20DE%20FLUJO%20II.docx%23_Toc446789459http://e/OneDrive/000%20ENSE%C3%91ANZA/000FACULTAD/UPAP/JORGE/2016/2016.03%20-%20MAQUINAS%20DE%20FLUJO%20II/2016.03%20-%20APUNTES%20%20-%20MAQUINAS%20DE%20FLUJO%20II.docx%23_Toc446789459


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MAQUINAS DE FLUJO II.INDICE.

Preparado por el Lic. Quím. Jorge Blas Ramírez González Índice iii Cel: 0961 421 483e-mail: [email protected]

INDICE DE TABLAS. No se encuentran elementos de tabla de ilustraciones.



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MAQUINAS DE FLUJO II.FUNDAMENTACION Y OBJETIVOS.

Preparado por el Lic. Quím. Jorge Blas Ramírez González OBJETIVOS A Cel: 0961 421 483e-mail: [email protected]

FUNDAMENTACIÓN DE LA ASIGNATURA.

Los equipos de flujo son ampliamente usados en la industria, por ello es necesario queel estudiante de ingeniería maneje sus principios de aplicación, sus características y tipologíasempleadas en los diferentes procesos industriales.

OBJETIVOS.

OBJETIVOS GENERALES.

Analizar los diversos procesos y sistemas de flujo en las operacionesindustriales.

Analizar los diversos procesos de transferencia de flujo en los equiposhidráulicos.

OBJETIVOS ESPECIFICOS.Nivel Cognitivo:

Definir turbinas, bombas de émbolos y máquinas rotoestáticas. Conocer los elementos constitutivos de una turbina, bombas de émbolo y de

las máquinas rotoestáticas. Clasificar los grupos de turbinas, bombas de émbolo y máquinas rotoestáticas.

Nivel de Destrezas y Habilidades:

Aplicar las ecuaciones fundamentales de turbomáquinas. Diseñar las partes constitutivas de una turbina, bomba de émbolo. Calcular las pérdidas, potencias y rendimiento de una turbina.

Nivel de Actitudes:

Utilizar de manera racional las máquinas de flujo. Valorar el trabajo en equipo en el diseño de máquinas.

COMPETENCIAS BASICAS.

Al finalizar el módulo, el alumno debe ser capaz de:

Reconocer los diferentes tipos de turbinas, bombas de émbolos y máquinasrotoestáticas.

Calcular las potencias, perdidas y rendimientos de estas máquinas.



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MAQUINAS DE FLUJO II.

UNIDAD I TURBINAS.


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Página 2 Materia: MAQUINAS DE FLUJO II.

¿SABÍAS QUÉ…

Las turbinasinstaladas en la Represade Itaipu, son del tipoFrancis?


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MAQUINAS DE FLUJO II.UNIDAD I: TURBINAS.

Preparado por el Lic. Quím. Jorge Blas Ramírez González Página 3 Cel: 0961 421 483e-mail: [email protected]

UNIDAD I. TURBINAS

Definición.

Turbina es el nombre genérico que se da a la mayoría de las turbomáquinas motoras.Éstas son máquinas de fluido, a través de las cuales pasa un fluido en forma continua y éste leentrega su energía a través de un rodete con paletas o álabes.

La turbina es un motor rotativo que convierte en energía mecánica la energía de unacorriente de agua, vapor de agua o gas. El elemento básico de la turbina es la rueda o rotor,que cuenta con palas, hélices, cuchillas o cubos colocados alrededor de su circunferencia, detal forma que el fluido en movimiento produce una fuerza tangencial que impulsa la rueda y lahace girar. Esta energía mecánica se transfiere a través de un eje para proporcionar elmovimiento de una máquina, un compresor, un generador eléctrico o una hélice.

Las turbinas constan de una o dos ruedas con paletas, denominadas rotor y estátor,siendo la primera la que, impulsada por el fluido, arrastra el eje en el que se obtiene elmovimiento de rotación.

Hasta el momento, la turbina es uno de los motores más eficientes que existen(alrededor del 50%) con respecto a los motores de combustión interna y hasta algunoseléctricos. Ya en los años 20, unos inventores, entre ellos uno de apellido Thyssen, patentaronuna turbina de combustión interna a la que atribuyeron un rendimiento termodinámico del31%.

El término turbina suele aplicarse también, por ser el componente principal, alconjunto de varias turbinas conectadas a un generador para la obtención de energía eléctrica.

Elementos constitutivos.

Los elementos constitutivos de una turbina son análogos a los de una bomba: perodispuestos en orden inverso.

Canal de llegada (lámina libre) o tubería forzada (flujo a presión, n. I). Corresponde a latubería de impulsión en una bomba. Al final de la tubería forzada se instala una válvula(compuerta, mariposa, etc.), que no aparece en la figura y detrás de la válvula está la entradaen la tubería. Caja espiral (n. 2). Transforma presión en velocidad: en una bomba, velocidad en

presión.

Distribuidor. Corresponde a la corona directriz en una bomba; pero en una turbinatransforma presión en velocidad y actúa como tobera; en una bomba, por el contrario, actúacomo difusor. Rodete. A las bombas centrifugas con flujo en el rodete hacia el exteriorcorresponde el tipo de turbinas centrípetas, con flujo en el rodete hacia el interior.

Tubo de aspiración (n. 3). Corresponde a la tubería de aspiración de una bomba. Enuna turbina es el órgano de desagüe, pero se llama tubo de aspiración porque crea unaaspiración o depresión a la salida del rodete; mientras que en las bombas constituye la tuberíade admisión, y crea también una depresión a la entrada del rodete. Las turbinas de acción,

carecen de tubo de aspiración: en ellas el agua sale del rodete directamente al canal de salida.



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Clasificación de las turbinas hidráulicas.

Son aquéllas cuyo fluido de trabajo no sufre un cambio de densidad considerable através de su paso por el rodete o por el estátor; éstas son generalmente las turbinas de agua,que son las más comunes, pero igual se pueden modelar como turbinas hidráulicas a losmolinos de viento o aerogeneradores.

Dentro de este género suele hablarse de:

Turbinas de acción: Son aquellas en que el fluido no sufre ningún cambio de presión através de su paso por el rodete. La presión que el fluido tiene a la entrada en la turbina sereduce hasta la presión atmosférica en la corona directriz, manteniéndose constante en todoel rodete. Su principal característica es que carecen de tubería de aspiración. La principalturbina de acción es la Turbina Pelton, cuyo flujo es tangencial. Se caracterizan por tener unnúmero específico de revoluciones bajo (nsFlujodiagonal; Hélice->Flujo axial) y turbinas con álabes orientables(Deriaz->Flujo diagonal; Kaplan->Flujo axial). El empleo deálabes orientables permite obtener rendimientos hidráulicosmayores.

El rango de aplicación (una aproximación) de lasturbinas, de menor a mayor salto es: kaplan-francis-pelton

El número específico de revoluciones es un númerocomún para todas lasturbinas/bombasgeométricamente semejantes(de menor a mayor es: pelton-francis-kaplan). Cuanto mayores el número específico derevoluciones, tanto mayor esel riesgo de cavitación de la turbina, es decir, una TurbinaKaplan tiene más probabilidad de que se dé en ella elfenómeno de la cavitación que en una Turbina Francis o unaPelton.

Turbinas de acción: turbinas Pelton.

Una turbina Pelton es uno de los tipos más eficientesde turbina hidráulica. Es una turbomáquina motora, de flujoradial, admisión parcial y de acción. Consiste en una rueda

Ilustración 1. Rotor de una turbinaPelton, ésta es una turbinahidráulica de acción de admisiónparcial.

Ilustración 2. Turbina Pelton de lacentral hidroeléctrica deWalchensee en Alemania.


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(rodete o rotor) dotada de cucharas en su periferia, las cuales están especialmente realizadaspara convertir la energía de un chorro de agua que incide sobre las cucharas.

Las turbinas Pelton están diseñadas para explotar grandes saltos hidráulicos de bajocaudal. Las centrales hidroeléctricas dotadas de este tipo de turbina cuentan, en su mayoría,con una larga tubería llamada galería de presión para trasportar al fluido desde grandesalturas, a veces de hasta más de 1500 metros. Al final de la galería de presión se suministra elagua a la turbina por medio de una o varias válvulas de aguja, también llamadas inyectores, loscuales tienen forma de tobera para aumentar la velocidad del flujo que incide sobre lascucharas.

Funcionamiento.

La tobera o inyector lanza directamente el chorro de agua contra la serie de paletas enforma de cuchara montadas alrededor del borde de una rueda, el doble de la distancia entre eleje de la rueda y el centro del chorro de agua sedenomina diámetro Pelton. El agua acciona sobrelas cucharas intercambiando energía con la ruedaen virtud de su cambio de cantidad demovimiento, que es casi de 180°. Obsérvese en lafigura anexa un corte de una pala en el diámetroPelton; el chorro de agua impacta sobre la pala enel medio, es dividido en dos, los cuales salen de lapala en sentido casi opuesto al que entraron, pero jamás puede salir el chorro de agua en direcciónde 180° ya que si fuese así el chorro golpearía a lapala sucesiva y habría un efecto frenante. La

sección de entrada del fluido a la cuchara sedenomina 11, así como 12 a la sección de salida.

El estudio analítico de la interacción agua-pala puede ser sumamente complicadodebido al desplazamiento relativo entre la pala y el chorro de agua. Por otro lado, se simplificael estudio de las turbinas Pelton a la sección cilíndrica del diámetro Faubert.

Así la energía convertida por unidad de masa de agua está dada por la ley de Euler delas turbomáquinas:

= donde:

, es la energía específica convertida.

2, es la velocidad tangencial de la cuchara en los puntos donde el agua llega ysale de la misma respectivamente.

, son, respectivamente, las proyecciones de la velocidad absoluta del fluidosobre la velocidad tangencial de la cuchara en los puntos de llegada y salida de la

misma.

Ilustración 3. Proyección cilíndrica en el diámetroPelton de una cuchara.



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Como la velocidad tangencial de rotación de la rueda Pelton es la misma en todos los

puntos del diámetro pelton (recuérdese la fórmula de la velocidad angular = ) lasvelocidades son iguales. Entonces la fórmula de Euler se puede simplificar:

= La turbina Pelton es un tipo de turbina de impulso, y es la más eficiente en aplicaciones

donde se cuenta con un salto de agua de gran altura.

Dado que el agua no es un fluido compresible, casi toda la energía disponible se extraeen la primera etapa de la turbina. Por lo tanto, la turbina Pelton tiene una sola rueda, alcontrario que las turbinas que operan con fluidos compresibles.

Turbinas de reacción: turbinas Francis y Hélice.

Turbina de Francis.La turbina Francis fue desarrollada por James B.

Francis. Se trata de una turbomáquina motora areacción y de flujo mixto.

Las turbinas Francis son turbinas hidráulicasque se pueden diseñar para un amplio rango de saltos y

caudales, siendocapaces deoperar en rangos

de desnivel que van de los dos metros hasta varioscientos de metros. Esto, junto con su alta eficiencia, hahecho que este tipo de turbina sea el más ampliamenteusado en el mundo, principalmente para la producciónde energía eléctrica en centrales hidroeléctricas.

Desarrollo.

Las norias y turbinas hidráulicas han sido usadashistóricamente para accionar molinos de diversos tipos, aunque eran bastante ineficientes. Enel siglo XIX las mejoras logradas en las turbinas hidráulicas permitieron que, allí donde se

disponía de un salto de agua, pudiesen competir con la máquina de vapor.

En 1826, el ingeniero francés Benoît Fourneyron desarrolló una turbina de flujoexterno de alta eficiencia (80%). El agua era dirigida tangencialmente a través del rodete de laturbina provocando su giro. Alrededor de 1820 Jean-Victor Poncelet diseñó una turbina deflujo interno que usaba los mismos principios, y S. B. Howd obtuvo en 1838 una patente en losEE.UU. para un diseño similar.

En 1848 James B. Francis mejoró estos diseños y desarrolló una turbina con el 90% deeficiencia. Aplicó principios y métodos de prueba científicos para producir la turbina máseficiente elaborada hasta la fecha. Más importante, sus métodos matemáticos y gráficos de

cálculo mejoraron el nivel de desarrollo alcanzado (estado del arte) en lo referente al diseño e

Ilustración 4. Rodete de una turbina Francis.

Ilustración 5. Primitiva turbina Francis.


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ingeniería de turbinas. Sus métodos analíticos permitieron diseños seguros de turbinas de altaeficiencia.

Turbinas Hélice.

Son exactamente iguales a las turbinas Kaplan, pero a diferencia de estas, no soncapaces de variar el ángulo de sus palas.

Turbinas de reacción: turbinas Kaplan y Dériaz.

Turbinas de Kaplan.

Son turbinas axiales, que tienen la particularidad de poder variar el ángulo de sus palasdurante su funcionamiento. Están diseñadas para trabajar con saltos de agua pequeños y congrandes caudales. (Turbina de reacción).

Las turbinas Kaplan son uno de los tipos más eficientes de turbinas de agua de reacciónde flujo axial, con un rodete que funciona de manera semejante a la hélice del motor de unbarco, y deben su nombre a su inventor, el austriaco Viktor Kaplan. Se emplean en saltos depequeña altura y grandes caudales. Las amplias palas o álabes de la turbina son impulsadas poragua a alta presión liberada por una compuerta.

Los álabes del rodete en las turbinas Kaplan son siempre regulables y tienen la formade una hélice, mientras que los álabes de los distribuidores pueden ser fijos o regulables. Siambos son regulables, se dice que la turbina es una turbina Kaplan verdadera; si solo sonregulables los álabes del rodete, se dice que la turbina es una turbina Semi-Kaplan. Lasturbinas Kaplan son de admisión axial, mientras que las semi-Kaplan puede ser de admisiónradial o axial.

Para su regulación, los álabes del rodete giran alrededor de su eje, accionados porunas manijas, que son solidarias a unas bielas articuladas a una cruceta, que se desplaza haciaarriba o hacia abajo por el interior del eje hueco de la turbina. Este desplazamiento esaccionado por un servomotor hidráulico, con la turbina en movimiento.

Las turbinas de hélice se caracterizan porque tanto los álabes del rodete como los deldistribuidor son fijos, por lo que solo se utilizan cuando el caudal y el salto son prácticamenteconstantes.

Turbinas Dériaz.

La turbina DÉRIAZ es, en esencia, una turbina Francis de álabes orientables

La principal ventaja que presentan estas turbinas es la posibilidad de ajustar sugeometría, según la carga demandada, a las condiciones de óptimo rendimiento. Un rodetepuede trabajar como infinitos rodetes

Esto produce un cambio importante en el comportamiento de la turbomáquina acargas parciales



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Dato cronológico: La turbina Kaplan fue presentada en el año 1.925, la turbina Dériazen 1.956

La regulación de las turbinas hidráulicas se realiza mediante la variación del caudalsuministrado, a igualdad de salto.

Algunas tendencias actuales en la construcción de las turbinashidráulicas.

En los primeros años del siglo XX ya se habían construido turbinas Francis de más de7.000 kW. La evolución continua de la construcción de turbinas en este siglo se refleja en la

— Construcción de turbinas de potencia creciente.

De 7.350 kW, en 1905, se llegó cincuenta años más tarde a los récords de potenciasunitarias siguientes:

a) en turbinas Peiton: 110.400 kW, central de Cimego, Italia;

b) en turbinas Francis: 129.000 kW. central de Bersimis, Canadá;

c) en turbinas Kaplan: 80.900 kW, central de McNary.

La evolución sigue porque tanto en el alternador como en la turbina y en la obra civil elprecio por kW instalado disminuye con la potencia unitaria. Es mucho más barata una centralde 100.000 kW con 2 turbinas de 50.000 que con 10 de 10.000 kW. Así, actualmente, se han

construido en Rusia para la central de Krasnoiarsk 10 turbinas Francis de 508.000 kW porunidad con una masa del rodete de 250 x 10 3 kg, con 10 m de diámetro y alimentadas portubería forzada de 7,5 m de diámetro. En 1968 se estaban ya preparando los planos para laconstrucción de turbinas Francis de 650.000 kW para la central de Sayano – Shushenskaya.también en Rusia, de 194 m de altura de salto.

Alturas mayores y adaptación de las Francis y Kaplan a saltos crecientes.

En estos treinta últimos años las alturas máximas de salto explotadas se han duplicado(de 1.000 a 2.000 m).

a) en turbinas Pelton el récord actual de altura es 2.030 m: central de Laures, Italia:b) en turbinas Francis el récord de altura en 1966 era 522 m: central de Ferrera, Suiza,

de 72.000 kW. Las Francis tienden a invadir el terreno de las Pelton por lo que respecta aalturas, instalándose en saltos que oscilan entre los 10 y 600 m:


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Caudales mayores. En el año 1970 los caudales máximos (fuera de Rusia) eran de 200ra3/s en las Francis y 550 m3/s en las Kaplan. Tanto la evolución de las turbinas rápidas (nscreciente) como la evolución en la construcción de compuertas móviles, etc., han hechoposible en la actualidad la explotación de los saltos de llanura, más cercanos a lasdesembocaduras de los ríos, que se caracterizan por grandes caudales y pequeñas alturas (aveces cercanas a 1 m).

—Numere específico de revoluciones creciente. Los grupos bulbo de las centralesmareomotrices han alcanzado el valor máximo de ns = 1.150.

Rendimientos crecientes. Hay pocas probabilidades de que el rendimiento máximoactual de las turbinas sea superado: los rendimientos máximos actuales son:

—turbinas Kaplan, 93 por 100;

—turbinas Francis, 92 por 100;

—turbinas Pelton, 90 a 91 por 100.

Actualmente se tiende a construir turbinas cada vez más económicas, de explotaciónmás fácil y más duraderas. Otras tendencias actuales son, pues, las siguientes:

Aumento de potencia unitaria. Este aumento, además de reducir el coste por kWinstalado, facilita la explotación. El problema consiste en primer lugar en aumentar lacapacidad de producción y mecanización de piezas grandes, a que pocos talleres pueden hacerfrente (hornos de fundición más grandes, tornos verticales mayores, longitud mayor de lostornos para mecanizar los ejes, etc.); y en segundo lugar en la posibilidad misma del transporte(anchura del ferrocarril, posibilidad de transporte por barco, puentes-grúa de capacidadsuficiente en los talleres y en la central).

En la U.R.S.S. hay un programa en marcha de explotación de los enormes recursoshidráulicos de la región oriental del país, de Siberur, de Asia Central y de la zona europea delpaís. El plan incluye aumentar la potencia instalada en las centrales Ust'ilimskaja. Zejs- kaja.Ingurskaja y Nurekscaja. Para equipar las centrales en los ríos Lena y Yenissei. superpotentes,se contempla una potencia unitaria de las turbinas de 1.200 MW análoga a los grupos demayor potencia de turbinas de vapor que se construyen en la actualidad.

—Aumento de potencia especifica (potencia por unidad de peso o unidad devolumen).

—Facilitación de revisión y desmontaje de la turbina.

—Automatización de la central.

—Sustitución de la fundición por construcción en chapa, con la disminuciónconsiguiente del peso de la máquina. En las carcasas la chapa ha sustituido muchas veces a lafundición, con lo que se ahorra un 12 por 100 de peso y un 10 por 100 del coste total en unaturbina de gran potencia.



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— Sustitución casi total del roblonado por la soldadura en la construcción de turbinas

Francis y Kaplan.

Control del fenómeno de cavitación y aumento consiguiente del ns posible de lasturbinas. Este control se realiza tomando las medidas siguientes: selección apropiada de laaltura de aspiración; forma adecuada de las partes sujetas a la cavitación; selección demateriales y capas protectoras, anticavitativas; protección catódica; admisión de aire:permisión de cavitación controlada.

El aumento de la cavitación y del empuje axial con la altura de salto ponen un límiteaun hoy día a la altura máxima explotada con las turbinas Kaplan. En el año 1970 la mayoraltura explotada con turbina Kaplan era la de 71,5 m de la de la central Moldau, con unapotencia de 3 x 91 MW.

Aumento de la presión de aceite en la regulación automática.

Construcción de grupos bulbos, de los que se hablará en la Sec. 23.2. Estos grupospermiten reducir el precio por kW instalado en un 15 por 100.

Altura neta.

Análogamente al estudio de las bombas hidráulicas, se definen las siguientes alturas (osaltos, denominación más apropiada en el caso de turbinas):

• Salto bruto: H b, es la diferencia de cotas geométricas entre el embalse superior y elcanal de descarga.

• Salto neto: H n, es la parte del Hb que se pone a disposición de la turbina, entre laentrada y la salida de la turbina

Pérdidas externas a la turbina, H L-ext

= − • Salto efectivo: H ef , es la parte del Hn que se aprovecha en el rodete

Pérdidas internas en la turbina, H L-int

= − > >

Pérdidas, potencias y rendimientos.

En el interior de una turbina se producen pérdidas por fricción debido a la acción de laviscosidad y pérdidas por desprendimiento de capa límite debidas al mal ángulo de ataque dela corriente relativa sobre los álabes fuera del punto de diseño.


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= ( ∆ℎá) =

= ∆ℎá =

= ( ∆ℎá) ( ∆ℎá) =

= Las pérdidas por velocidad tangencial influyen en el resultado a través del valor de H,

es decir, al aumentar estas pérdidas la energía ideal máxima que se puede aprovechar en elinterior de la máquina disminuye.

Ecuación del tubo de aspiración.

También recibe el nombre de tubo de descarga o tubo de aspiración por trabajar endepresión. Es una tubería de sección creciente que se coloca a la salida del rotor y quepermite:

1. Recuperar una parte de la energía cinética perdida por velocidad tangencialdel agua.

2. Recuperar parte de la altura de caída, creando una depresión a la salida delrotor.

Para ello, se dispone a la salida del rotor esteelemento, que es un tubo divergente y largo. Así seconsigue crear un vacío a la salida del rodete, con lo que laenergía de presión entregada al mismo aumenta,compensando la energía cinética de salida. Este vacío, junto con el que provoca el posible mayor nivel del rotorrespecto al canal de desagüe, ha de ser tal que no seproduzca cavitación. Por eso a veces la altura de aspiraciónresulta negativa. La conicidad del tubo de aspiración debeser suave para reducir las pérdidas de carga, lo que hace

que sea relativamente largo; por eso suele construirse conun codo de unos 90º:

Se puede comparar la energía extraída de unaturbina sin tubo difusor y con tubo difusor. Si no hubiesetubo difusor la energía a la salida del rotor sería:

= 2+ Ilustración 6. Tubo de aspiración de unaturbina Francis.


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donde el subíndice “s” se refiere al nivel de aguas abajo que coincide con la salida del tubodifusor en el caso de que exista (ver Ilustración 7. Triángulo de velocidades de una turbinaFrancis a la salida del rotor en condiciones de diseño.) .

En el caso de que haya difusor, se cumple laecuación de Bernoulli:

+2 + = +2 + + ∆ℎ donde ∆h dif es la pérdida de carga en el tubo difusor yla presión de salida es la atmosférica. Por tanto, laenergía recuperada al instalar dicho tubo es

= 2

∆ℎ+ De ésta última ecuación se observa que dicha energía recuperada consta de una parte

en forma de energía cinética y otra que es la diferencia de cotas entre la salida del rotor y elnivel inferior de las aguas.

Como ya se ha mencionado, si la depresión producida a la salida del rotor es grande,puede alcanzarse una presión menor que la presión de vapor del agua con el consiguienteriesgo de cavitación. Por tanto, la energía cinética máxima aprovechable a la salida del rotor es

2=

+ + ∆ℎ+ 2

La importancia del difusor viene dada por la relación entre la máxima depresión que esposible conseguir (sin que se produzca cavitación) a la salida del rotor y la altura a la entradade la turbina. Esta relación varía entre 10 % para las turbinas Francis lentas y el 60 % para lasturbinas Kaplan.

Cavitación y golpe de ariete de una turbina.

Las turbinas hidráulicas, el ser máquinas complejas de grandes dimensiones, estánbajo la acción de elevados esfuerzos mecánicos, lo que puede dar origen a rozamientos,

agarrotamientos, etc.

Además, al estar supeditadas a la influencia directa del agua, tienen que soportarefectos hidráulicos desfavorables para su correcto funcionamiento, como son erosiones,corrosiones, etc. Así mismo, ha de tenerse en cuenta el efecto abrasivo que ejerce la arenacontenida en el agua, sobre las piezas situadas en su camino.

Prescindiremos de analizar los efectos anómalos puramente mecánicos, que puedenser estudiados en los tratados de Mecánica, y nos centraremos en dos fenómenos que influyennegativamente en el funcionamiento idóneo de un grupo, si no se adoptan las medidasadecuadas para eliminarlos o, por lo menos, reducirlos al máximo. Así tenemos:

c2W2

u2

α 2β2

Ilustración 7. Triángulo de velocidades deuna turbina Francis a la salida del rotor encondiciones de diseño.



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Cavitación. Golpe de ariete.

CAVITACIÓN.

Consiste en la formación, dentro de las masas líquidas, de espacios huecos o cavidadesllenas de gas o vapor, producidas por una vaporización local debida a acciones dinámicas; lasburbujas originadas al hervir el agua, o la efervescencia de bebidas carbónicas, nos puedenservir como ejemplos sencillos de apreciación. Técnicamente, el fenómeno es más complejo, yse debe a reducciones de presión dentro del seno de los líquidos, cuando se mueven a grandesvelocidades, manteniendo la temperatura ambiente, condiciones que favorecen lavaporización.

Refiriéndonos al agua, se considera que las sustancias que lleva disueltas (aire, gas,partículas sólidas, etc.), junto con las variaciones de presión generadas por la turbulencia delas masas liquidas, interrumpe la continuidad de éstas, lo que da lugar a la creación decavidades microscópicas. En su estado natural, el agua contiene aire en disolución, siendo lacantidad disuelta tanto mayor cuanto más elevada es la presión.

Se distinguen dos tipos de cavitaciones:

1. Cavitación en burbuja o transitoria: Las burbujas aparecen repentinamentesobre el contorno del cuerpo sólido sumergido en el líquido, que crecen enextensión y desaparecen.

2. Cavitación estacionaria o laminar: Las burbujas se forman en el contorno delcuerpo y permanecen sobre él, mientras no varían las causas productoras.

La cavitación se hace presente en tuberías, turbinas, bombas hidráulicas, hélices,superficies sustentadoras y conductoras de líquidos, etc.

El fenómeno de cavitación reduce la velocidad a que pueden funcionar las máquinashidráulicas, disminuyendo su rendimiento, por la acumulación de burbujas de vapor queperturban la afluencia normal de las masas liquidas. Además de producir ruidos y vibraciones,es causa de una rápida y constante erosión de las superficies en contacto con el líquido, auncuando éstas sean de hormigón, hierro fundido, aleaciones especiales, etc.

Teóricamente, exponemos que cuando en el interior de un líquido se forman burbujasde cavitación, crecen a máximo tamaño en un espacio de tiempo brevísimo (aproximadamente2 milisegundos) debido a fuertes disminuciones de presión. En un siguiente rompimiento deestas, al ser arrastradas a una zona de mayor presión, durante un tiempo igualmentecortísimo, las partículas de líquido se precipitan hacia el centro de la burbuja y superficiessólidas sobre las que cada una de ellas estaba fija.

Tal proyección de partículas, se realiza virtualmente sin impedimento a velocidadesmuy altas. El fenómeno se repite con una frecuencia de 25000 ciclos por segundo e inclusomayor. Se calcula que, las tensiones superficiales producidas por estas acciones, son del ordende 1000 atmósferas, valor lo suficientemente elevado como para producir grietas, por fatigadel material, en relativamente poco tiempo.


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GOLPE DE ARIETE.

El golpe de ariete o pulso de Zhukowski (llamado así por el ingeniero ruso NikoláiZhukovski) es, junto a la cavitación, el principal causante de averías en tuberías e instalacioneshidráulicas.

El golpe de ariete se origina debido a que el fluido es ligeramente elástico (aunque endiversas situaciones se puede considerar como un fluido no compresible). En consecuencia,cuando se cierra bruscamente una válvula o un grifo instalado en el extremo de una tubería decierta longitud, las partículas de fluido que se han detenido son empujadas por las que vieneninmediatamente detrás y que siguen aún en movimiento. Esto origina una sobrepresión que sedesplaza por la tubería a una velocidad que puede superar la velocidad del sonido en el fluido.Esta sobrepresión tiene dos efectos: comprime ligeramente el fluido, reduciendo su volumen,y dilata ligeramente la tubería. Cuando todo el fluido que circulaba en la tubería se hadetenido, cesa el impulso que la comprimía y, por tanto, ésta tiende a expandirse. Por otrolado, la tubería que se había ensanchado ligeramente tiende a retomar su dimensión normal.

Conjuntamente, estos efectos provocan otra onda de presión en el sentido contrario. El fluidose desplaza en dirección contraria, pero, al estar la válvula cerrada, se produce una depresióncon respecto a la presión normal de la tubería. Al reducirse la presión, el fluido puede pasar aestado gaseoso formando una burbuja mientras que la tubería se contrae. Al alcanzar el otroextremo de la tubería, si la onda no se ve disipada, por ejemplo, en un depósito a presiónatmosférica, se reflejará siendo mitigada progresivamente por la propia resistencia a lacompresión del fluido y la dilatación de la tubería.



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ANEXO UNIDAD I.

Partes de la turbina de Francis.

Cámara espiral.Tiene como función distribuir uniformemente el fluido en la entrada del rodete. La forma enespiral o caracol se debe a que la velocidad media del fluido debe permanecer constante encada punto de la misma. La sección transversal de la misma puede ser rectangular o circular,siendo esta última la más utilizada.

Predistribuidor.

Está compuesto por álabes fijos que tienen una función netamente estructural, paramantener la estructura de la caja espiral y conferirle rigidez transversal, que además poseenuna forma hidrodinámica para minimizar las pérdidas hidráulicas.

Distribuidor.

Es un órgano constituido por álabes móviles directores, cuya misión es dirigirconvenientemente el agua hacia los álabes del rodete (fijos) y regular el caudal admitido,modificando de esta forma la potencia de la turbina de manera que se ajuste en lo posible a lasvariaciones de carga de la red eléctrica, a la vez de direccionar el fluido para mejorar elrendimiento de la máquina. Este recibe el nombre de distribuidor Fink.

Rotor o rodete.

Es el corazón de la turbina, ya que aquí tiene lugar el intercambio de energía entre lamáquina y el fluido. En forma general, la energía del fluido al momento de pasar por el rodetees una suma de energía cinética, energía de presión y energía potencial. La turbina convierteesta energía en energía mecánica que se manifiesta en el giro del rodete. El rodete a su veztransmite esta energía por medio de un eje a un generador eléctrico dónde se realiza laconversión final en energía eléctrica. El rotor puede tener diversas formas dependiendo delnúmero específico de revoluciones para el cual esté diseñada la máquina, que a su vezdepende del salto hidráulico y del caudal de diseño.

Tubo de aspiración.

Es la salida de la turbina. Su función es darle continuidad al flujo y recuperar el saltoperdido en las instalaciones que están por encima del nivel de agua a la salida. En general seconstruye en forma de difusor, para generar un efecto de aspiración, el cual recupera parte dela energía que no fuera entregada al rotor en su ausencia.


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Aplicaciones de la turbina de Pelton.

Existen turbinas Pelton de muy diversos tamaños. Hay turbinas de varias toneladas

montadas en vertical sobre cojinetes hidráulicos en las centrales hidroeléctricas. Las turbinasPelton más pequeñas, solo de unos pocos centímetros, se usan en equipamientos domésticos.

En general, a medida que la altura de la caída de agua aumenta, se necesita menorcaudal de agua para generar la misma potencia. La energía es la fuerza por la distancia, y, porlo tanto, una presión más alta puede generar la misma fuerza con menor caudal.

Cada instalación tiene, por lo tanto,su propia combinación de presión, velocidady volumen de funcionamiento más eficiente.Usualmente, las pequeñas instalaciones usan

paletas estandarizadas y adaptan la turbina auna de las familias de generadores y ruedas,adecuando para ello las canalizaciones. Laspequeñas turbinas se pueden ajustar algovariando el número de toberas y paletas porrueda, y escogiendo diferentes diámetrospor rueda. Las grandes instalaciones deencargo diseñan el par torsor y volumen dela turbina para hacer girar un generadorestándar.

Ilustración 9. Álabesdirectores (en coloramarillo) configuradospara mínimo caudal (vistainterior).

Ilustración 11. Espiral de entrada de unaturbina Francis, Presa Grand Coulee.

Ilustración 8. Álabesdirectores (en coloramarillo) configuradospara máximo caudal (vistainterior).

Ilustración 10. Rodete de unaturbina Francis, Presa GrandCoulee.

Ilustración 12. Instalación común de una turbina Peltoncon dos inyectores.



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UNIDAD II MÁQUINAS HIDRÁULICAS DE DESPLAZAMIENTO

POSITIVO: BOMBAS DE ÉMBOLO.


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¿SABÍAS QUÉ…

Cada UnidadGeneradora de la Centralconsta de una turbinaKaplan?


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MAQUINAS DE FLUJO II.UNIDAD II: MAQUINAS HIDRAULICAS DE DESPLAZAMIENTO



UNIDAD II. MAQUINAS HIDRAULICAS DE DESPLAZAMIENTOPOSITIVO: BOMBAS DE ÉMBOLO.

Introducción.La bomba de émbolo es una bomba de desplazamiento positiva, diseñada para

bombear altos contenidos de sólidos (sólidos del 18-20 %), que comúnmente se encuentran eninfluyentes no tratados. Wastecorp es uno de los fabricantes más grandes de este estilo debomba en el mundo. Esta tecnología está especificada para bombear efluente (derrames), asícomo para descargas industriales. Juntas con las bombas de cavidad progresivas que hanexistido desde los años 30, la bomba de émbolo comenzó primero bombeando lodosmunicipales en los años 20. Hasta 2008, hay más de 18.000 bombas de émbolo en operaciónen todo el mundo.

Generalidades

Las bombas de émbolos rotativos, también llamadas “bombas Roots”, son apli cadasdesde hace muchos años en la versión vacío y son muy conocidas en las industrias quenecesitan producir vacío por su alto desplazamiento volumétrico. El mantenimiento se reduceprácticamente a la vigilancia y control del aceite de engrase de las cajas que alojan las partesmecánicas, este engrase se realiza por barboteo y el consumo de aceite es prácticamente nulo.La estanqueidad del paso del eje de accionamiento lleva una botella-visor de aceite paracontrolar el nivel de aceite y consecuentemente su buena estanqueidad.

Características

Se aplican preferentemente en el dominio de alto, medio y bajo vacío, es decir, desdepresiones de 100 mbar. Hasta 10-4 mbar. Como vacío límite. Su aplicación es excelente cuandose han de bombear grandes cantidades de gas, vapor o se han de evacuar grandes recipientesrápidamente sin perturbaciones durante el funcionamiento. Según la zona de vacío que seseleccione o las necesidades de aplicación debe tenerse en cuenta muchos parámetros para eltipo de bomba que se seleccione y sus seguridades. Operan a presiones bajas y su límite es porcondiciones de régimen molecular y por lo tanto pueden alcanzar altas relaciones decompresión, consecuentemente no es posible que trabajen contra la presión atmosférica.

Principio de desplazamiento positivo.

El principio de desplazamiento positivo consiste en el movimiento de un fluido causadopor la disminución del volumen de una cámara. En la máquina de desplazamiento positivo, elelemento que origina el intercambio de energía, puede tener movimiento alternativo (embolo)o movimiento rotatorio (rotor). En las máquinas de desplazamiento positivo tantoreciprocantes como rotatorias siempre hay una cámara que aumenta de volumen (succión) ydisminuye de volumen (impulsión) por lo que también se le llama maquinas volumétricas.

Estas bombas guían al fluido que se desplaza a lo largo de toda su trayectoria, el cualsiempre está contenido entre el elemento impulsor, que puede ser un embolo, un diente deengranaje, un aspa, un tornillo, etc., y la carcasa o el cilindro. “El movimiento del



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desplazamiento positivo” consiste en el movimiento de un fluido causado por la disminucióndel volumen de una cámara. Por consiguiente, en una máquina de desplazamiento positivo, elelemento que origina el intercambio de energía no tiene necesariamente movimientoalternativo (émbolo), sino que puede tener movimiento rotatorio (rotor).

Sin embargo, en las máquinas de desplazamiento positivo, tanto reciprocantes comorotatorias, siempre hay una cámara que aumenta de volumen (succión) y disminuye volumen(impulsión), por esto a éstas máquinas también se les denomina Volumétricas.

El principio básico de una bomba alternativa es que un sólido desplazará un volumenigual de líquido. Por ejemplo, un cubo de hielo dejado caer dentro de un vaso completamentelleno de agua, derramará un volumen de agua fuera del vaso, igual al volumen sumergido delcubo de hielo.

Cuando el elemento transmisor de energía tiene movimiento rotativo la maquina sellama rotoestática para distinguirla de la rotodinámica. El funcionamiento no se basa en laecuación de Euler como las turbomáquinas.

Uno de las diferencias fundamentales es que el intercambio de energía del fluido seefectúa siempre con variación de presión a diferencia de las turbomáquinas en las que elintercambio de energía se realiza con variación de energía cinética.

Las bombas de desplazamiento positivo se emplean casi exclusivamente en lastransmisiones y controles quedando prácticamente eliminadas las turbomáquinas de estaárea.

CLASIFICACIÓN DE LAS BOMBAS DEDESPLAZAMIENTO POSITIVO.

1. Embolo2. Pistón3. Diafragma4. Embolo5. Pistón6. Diafragma

Las bombas de desplazamiento positivo se dividen en dos grandes grupos principales:

Reciprocantes

1. Engranes2. Lóbulos3. Paletas4. Tornillo5. Pistones radiales

Rotatorias

1. Engranes2. Lóbulos3. Paletas4. Tornillo5. Pistones radiales


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del cilindro sale un segundo tubo que llega hasta una cámara de aire. La entrada a esa cámaraes bloqueada por una válvula que deja entrar el agua, pero no salir. Desde el extremo inferiorde la cámara de aire, otro caño lleva el agua a un tanque de la azotea o a una manguera.

Comparación de las bombas rotodinámicas y las bombas deémbolo.

A su vez este tipo de bombas pueden subdividirse en:

Bombas de émbolo alternativo , en las que existe uno o varios compartimentosfijos, pero de volumen variable, por la acción de un émbolo o de unamembrana. En estas máquinas, el movimiento del fluido es discontinuo y losprocesos de carga y descarga se realizan por válvulas que abren y cierranalternativamente. Algunos ejemplos de este tipo de bombas son la bombaalternativa de pistón, la bomba rotativa de pistones o la bomba pistones deaccionamiento axial.

Bombas volumétricas rotativas o rotoestáticas , en las que una masa fluida esconfinada en uno o varios compartimentos que se desplazan desde la zona deentrada (de baja presión) hasta la zona de salida (de alta presión) de lamáquina. Algunos ejemplos de este tipo de máquinas son la bomba de paletas,la bomba de lóbulos, la bomba de engranajes, la bomba de tornillo o la bombaperistáltica.

Caudal teórico, caudal real y caudal instantáneo.

En la Ilustración 15. Esquema de bomba de émbolo de simple efecto., se ve unesquema de una bomba de émbolo. En ella el émbolo es de tipo corriente o de disco: este tipose emplea en las bombas deémbolo hasta presiones de 20a 25 bar. Si las presiones sonmayores, el émbolo es mucho

más robusto, de mayor longitud y las bombas se llamanbombas de émbolo buzo (Ilustración 14. Bomba de émbolobuzo adaptada a grandes presiones o alturas útiles: 1,cigüeñal;2, cámara de aire; 3, émbolo buzo; 4, válvula deaspiración; 5, válvula de impulsión.). El movimiento del motoreléctrico de gasolina, diésel, etc., se transmite por elmecanismo de biela-manivela al vástago del émbolo. Labomba tiene dos válvulas: la válvula de aspiración quecomunica con la tubería de aspiración y la válvula de impulsiónque comunica con la tubería de impulsión. Al moverse elémbolo hacia la derecha crea un vacío en la cámara, y lapresión atmosférica que reina en el pozo de aspiración empujael líquido por la tubería de aspiración al interior de la cámara.

Al volver el émbolo hacia la izquierda se cierra la válvula de aspiración, se abre la de impulsión

Ilustración 15. Esquema de bomba de émbolo de simple efecto.

Ilustración 14. Bomba de émbolobuzo adaptada a grandes presioneso alturas útiles: 1, cigüeñal;2,cámara de aire; 3, émbolo buzo; 4,válvula de aspiración; 5, válvula deim ulsión.


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y el líquido es impulsado por la tubería de salida. A cada revolución del motor correspondendos carreras (ida y vuelta) s del émbolo; pero sólo en una se realiza la impulsión.

Potencia indicada y potencia útil: diagrama del indicador.

El diagrama del indicador es la representación gráfica de la variación de presión en elcilindro de trabajo de una bomba, durante una revolución completa del cigüeñal. Estediagrama permite descubrir defectos de funcionamiento en la bomba, al tiempo que mide lapotencia interna o indicada.

Si la bomba trabaja normalmente, es decir, las válvulas se abren y cierran sin retrasosni adelantos, no existen fugas a través de ellas, y el émbolo y el cilindro tienen un ajusteperfecto, en el diagrama del indicador las líneas (ac) y (bd) que corresponden con el comienzode la aspiración e impulsión, respectivamente, son verticales, observándose una pequeñavariación de la presión en ambos casos, motivada en el momento de apertura de las válvulas,Ilustración 16. Diagrama del indicador de una bomba de émbolo.

Tipos diversos de bombas de émbolo.

Las bombas rotativas de émbolo se utilizan tanto con diseños de cinemática plana, conémbolos radiales, como con cinemática espacial, con émbolos axiales.

Bombas rotativas de émbolos radiales. - Las primeras, Ilustración 17, conocidas comobombas radiales de émbolo, constan de un estator (3), y un rotor (1) que lleva una serie de

alojamientos radiales cilíndricos, en los que encajan unos émbolos (2) que desempeñan elpapel de desplazadores, realizando a medida que gira el rotor, un movimiento de vaivénrespecto a éste, al tiempo que sus extremos deslizan sobre la superficie interior del estator; aveces se sustituye el deslizamiento, por un balanceo de rodillos especiales.

Ilustración 16. Diagrama del indicador de una bomba de émbolo.



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Las cámaras de trabajo de aspiración y de impulsión se comunican a través de orificiosradiales, alternativamente, con las dos mitades de la cavidad central, que está dividida por untabique (4). El líquido pasa de la cámara de aspiración, a las cámaras de trabajo y después deque éstas se cierran y trasladan, se expulsa a la cámara de impulsión; las cámaras de trabajo secierran en el momento en que el orificio radial queda tras el tabique. Por consiguiente, cadacámara se cierra dos veces por cada vuelta del rotor, la primera, cuando su volumen esmáximo y la segunda, cuando su volumen es mínimo, que se corresponde con el espacionocivo.

Estas bombas se fabrican para presiones del orden de 200 a 300 atm y se empleantanto para volúmenes de trabajo constantes, como variables, lo cual se consigue, al igual queen las bombas de aletas, variando la excentricidad.

Bombas rotativas de émbolos axiales. - En este tipo de bombas, el mecanismo detransmisión del movimiento a los desplazadores tiene una cinemática espacial. Las cámaras detrabajo cilíndricas van dispuestas en el rotor paralelamente al eje de rotación, o con un ciertoángulo respecto a dicho eje.

En la Ilustración 18 se muestra un esquema sencillo de este tipo de bombas, en el queel rotor 1 tiene los alojamientos para los pistones, paralelos al eje de rotación; los pistones 2que se desplazan mediante la acción de unos muelles deslizan sus extremos libres por un discoinclinado 3 en forma de arandela, que hace que los pistones ordenados circunferencialmente

alrededor del eje, realicen un movimiento de vaivén en los alojamientos correspondientes,

Ilustración 17. Bombas rotativas de émbolo radiales (cinemática plana).

Ilustración 18. Esquema de bomba rotativa con 5 émbolos axiales (cinemática espacial).


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produciéndose de esta forma la aspiración e impulsión del líquido. En la parte 4 de la bomba, ala que va adherida el rotor, existen dos ranuras anulares, una de las cuales se comunica con laparte de aspiración y la otra con la de impulsión.

Al girar el rotor, los orificios 6 se desplazan por las ranuras 5 y, por lo tanto, vanuniendo alternativamente los alojamientos con los conductos de aspiración e impulsión;cuando los orificios se encuentren en las posiciones 7, se cierra la cámara de trabajo y seobtiene el volumen máximo en la posición superior y el mínimo en la inferior. El disco inclinadova fijo, mediante una charnela, de modo que puede girar alrededor del eje que intersecta eleje del rotor en ángulo recto y a la vez se modifica el ángulo de inclinación del di sco, γ, pararegular el suministro.



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UNIDAD III MÁQUINAS HIDRÁULICAS DE DESPLAZAMIENTO

POSITIVO: MÁQUINAS ROTOESTÁTICAS.


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¿SABÍAS QUÉ…?

Aquí va elacertijo…


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UNIDAD III. MÁQUINAS HIDRÁULICAS DE DESPLAZAMIENTOPOSITIVO: MÁQUINAS ROTOESTÁTICAS.

Clasificación.Las máquinas de desplazamiento positivo se basan fundamentalmente en principios

fluidostáticos y mecánicos (aunque en ocasiones puede ser necesario considerar efectosfluidodinámicos). Existe una gran variedad de diseños atendiendo a la aplicación concreta enque se utiliza. La característica común a todas ellas es la circulación del fluido a través de lamáquina de forma discontinua. En algunas máquinas, una determinada masa fluida esconfinada en un compartimento (órgano de retención) que se desplaza desde la zona dealimentación de la máquina (baja presión en bombas) a la zona de descarga (alta presión enbombas). Otras tienen un compartimento de volumen variable llevándose a cabo los procesosde admisión y descarga mediante válvulas que se abren y cierran alternativamente. En la

Ilustración 19, se presentan los esquemas de diversas máquinas de desplazamiento positivo.En los siguientes apartados de este capítulo se hará referencia solamente a las máquinas detipo rotodinámico.

Ilustración 19. Algunos tipos de máquinas de desplazamiento positivo (MDP).



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Descripción.

En este apartado se realiza una descripción general de lasbombas hidráulicas rotodinámicas, dejando para más adelante ladescripción de las turbinas. Las bombas hidráulicas rotodinámicaspertenecen al grupo de turbomáquinas hidráulicas, es decir sonmáquinas rotodinámicas de fluido incompresible. Como es obvio, porel momento no es posible justificar detalladamente las característicasde diseño de cada tipo de máquina, ni explicar de forma rigurosa lasrazones que hacen que un determinado tipo de máquina seaadecuado para un cierto rango de condiciones de funcionamiento.

Elementos característicos de una bomba

Una etapa (o célula) de una turbomáquina consta de un órgano fijo (estator), y unórgano móvil (rodete).

El rodete es una rueda provista de álabes que gira con el eje de la máquina. El estatorlo constituyen la corona directriz, el difusor y la voluta o cámara espiral. En algunas máquinasno existe alguno de estos tres elementos y, en ciertos casos como las hélices marinas, ningunode los tres. En una etapa completa de una bomba, el fluido atraviesa sucesivamente, y en esteorden, la corona directriz, el rodete, el difusor y la voluta (Ilustración 20).

Corona directriz. Es un órgano fijo cuya función es conducir el fluido hasta la secciónde entrada al rodete con una velocidad de magnitud y dirección adecuadas. En bombas monoetapa, la corona directriz suele consistir en una tubería simple, que puede ser recta o acodaday que puede tener o no unos álabes para conducir el fluido a la entrada del rodete.Frecuentemente es de sección convergente para garantizar una distribución de velocidadadecuada a la entrada del rodete. Aguas arriba de la corona directriz se encuentra la tubería deaspiración.

Rodete. Es el órgano esencial de laturbomáquina. Está provisto de unos álabes pormedio de los cuales se produce el intercambio deenergía con el fluido. Los rodetes se clasifican enfunción de la dirección del flujo de líquido en suinterior (Ilustración 21).

En los rodetes radiales ocentrífugos, las trayectorias quedescriben las partículas fluidasentre los álabes, están contenidasen planos perpendiculares al ejede rotación.

En los rodetes axiales, lastrayectorias están contenidas ensuperficies cilíndricas, coaxialescon el eje de la máquina.

Ilustración 20. Elementoscaracterísticos de unabomba.

Ilustración 21. Tipos de rodete según la direccióndel flujo.


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En los rodetes diagonales o helicocentrífugos, dichas trayectorias estáncontenidas en superficies cónicas coaxiales.

Otro criterio de clasificación es el tipo de aspiración que puede ser simple o doble(figura 1. 4). La ventaja de la aspiración doble es que permite minimizar el problema delempuje axial.

Difusor. Está a la salida del rodete siendo su finalidad guiar el flujo de líquido hacia lavoluta de forma hidráulicamente eficiente y recuperar parte de la energía cinética,transformándola en energía de presión.

Voluta. La voluta o cámara espiral recoge el flujo saliente del rodete o del difusor y loconduce hacia la brida de la tubería de impulsión. Su finalidad es recuperar energía de presióna partir de la energía cinética del fluido.

Teoría de la bomba o motor de paletas deslizantes.

Teoría de la bomba o motor de paletas deslizantes En la Ilustración 23 llamemos:

d — Diámetro interior del estator

d' — Diámetro exterior del rotor

b — Ancho del rotor

e — Excentricidad

z — Número de paletas

δ — Espesor de las paletas.

Consideremos la sección transversal máxima ω entre el rotor y el estator, ω = 2 eb,donde 2e (doble de la excentricidad) le juega papel análogo al de la carrera en una bomba deémbolo. La velocidad media de la paleta será

Ilustración 22. Clasificación en función del tipo de aspiración.

Ilustración 23. Un tipo de bomba dedesplazamiento.



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= 60 . , Por tanto, despreciando el espesor de los álabes y las fugas, puesto que la velocidad

media del líquido coincide con la velocidad del álabe, el caudal teórico Q” t será

"= =2 60 .3 ,

y teniendo en cuenta el espesor de las paletas

′ =2 [ ]60 .3 ,

y el caudal real, Q:

= 2 [ ]60 Esta máquina se suele utilizar para líquidos, como bomba y como motor, y también

para gases, como compresor y bomba de vacío.

Teoría de la bomba o motor de engranajes.

Teoría de la bomba o motor de engranajes Esta máquina tiene dos rotores.

En ella el desplazamiento D, o volumen desplazado por revolución es:

D = Ab2zm3, SI

Donde

A— área del espacio ocupado por un diente, m3, SI

b — altura del diente, m, SI

z — número de dientes.

El caudal útil de la bomba será

= 60= 260

3 ,

apuntes - maquinas de flujo ii

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