INTRODUCCIÓN A LAS MÁQUINAS HIDRÁULICAS

Prof. Jesús DE ANDRADE

Prof. Miguel ASUAJE

Marzo 2010

BOMBAS AXIALES

Bombas Axiales

Rotor

Turbomáquinas en las cuales el flujo es paralelo al eje

También son denominadas bombas helicoidales por la forma del rodeteManeja grandes caudales a relativamente

pequeños saltos energéticos

Configuraciones

Bomba Axial de eje Vertical

No confundir

Bomba de Flujo Mixto de eje Vertical

Se pueden fabricar bombas de eje vertical con rotores mixtos o radiales

Configuraciones

Bomba Axial de Eje Horizontal

Bomba Axial de Eje Horizontal

Partes Principales:

En el rodete se pueden identificar dos partes:

Cubo

Álabes

CarcazaRodeteDifusor

Partes de una Bomba Axial

CARCAZA:Elemento exterior de la bomba. Se compone de la boquilla de succión, el cuerpo de la carcaza y la boquilla de descarga

RODETE:

Elemento que realiza la transferencia de energia al fluido. Está compuesto por el cubo, los álabes, la extensión de la cubierta. El rodete está formado por la punta cónica, el cubo y los álabes

DIFUSOR:

Sistema de álabes fijos que se encuentran a la salida del impulsor

Otros Elementos:

Ejes, Cojinetes y Sellos

Rodete o Impulsor. Bomba Axial

Porción maciza del impulsor acoplada al eje de la bomba. Los álabes estan fijos en la parte exterior del cubo

CUBO:

ALABES:

Perfiles helicoidales que ceden energía al fluido.

Montaje de una Bomba Axial

Dimensiones principales de instalación

Conceptos y Ecuaciones Básicas

Planos de estudio …

Plano álabe a álabe

Plano Meridiano

S2

i

S1

i

w

Cubo

Álabes

k(re-ri)

Dominio de Cálculo

k(re-ri)

re

ri

Pala

Planos de estudio…

Transferencia de Energía

Q

Rejilla de álabes

promó

i

promWóW

Los ángulos y principales dimensiones

U

l

C

t

1

promWóW

2

1W

2W

Velocidad Relativa en un punto muyalejado de la rejilla. Es un promedioGeométrico de la velocidades relativasde entrada y de salida

u

m

1W

2W

c

Las Fuerzas del Fluido sobre un Álabe. DCL

promó

prom90

D

L

Fres

FuFm

promó

DCL: Sobre elemento diferencial dr en un radio r

dr

r

promWóW

Ecuación Fundamental de las Bombas Axiales

)(rUFddP

rFddP

ddP

P

u

w

w

w

rU w

La potencia suministrada al eje, se escribe:

De forma diferencial

El Torque, es el producto de la fuerza por el brazo

Para un radio constante

Donde:

coscos

cos

zres

resu

Fó

LF

FF

Del DCL, obtenemos las relaciones trigonométricas de las fuerzas

Ecuación Fundamental de las Bombas Axiales

dAW

CdF

WA

F

C

zz

z

z

2

2

2

2

Se puede expresar la fuerza de sustentación en función del coeficiente de sustentación

A nivel diferencial

drldA

dAWCdF zres

cos2

2

Sustituyendo:

Recordando…

l… cuerda del álabe

dr… diferencial de envergadura

Ecuación Fundamental de las Bombas Axiales

dAW

UCdP z

cos

cos

2

2

Recordando…

Diferencial de Potencia para un solo álabe!!

Sustituyendo…

cos

UFddP

UFddP

r

u

Ecuación Fundamental de las Bombas Axiales

dAW

UZCdP z

cos

cos

2

2

Para Z álabes…

Recordemos la definición de potencia hidráulica

dQHdP

QHP

A nivel diferencial

Ecuación Fundamental de las Bombas Axiales

ZtdrV

ldrW

UZCH

ldrW

UZCZtdrVH

ldrdAyZtdrVrdrVdQ

dAW

UZCdQH

m

z

zm

mm

z

cos

cos

2

cos

cos

2

2

cos

cos

2

2

2

2

Al igualar las expresiones anteriores:

Recordando

Despejando la altura de la bomba

t

l

V

UW

g

CH

m

z

cos

cos

2

2

Sustituyendo

Finalmente

t

l

Ecuación Fundamental de las Bombas Axiales

prom90

prom

mz

UW

HgV

t

lC

sin

cos22

Recordando

Sabemos

Queda…

promsincos

prom debe ser tal que se igual al planeo emin

Valores Prácticos de Diseño

t

lfC crejillaz ,

rejillazperfilz mCC

El número de álabes

2 < Z <5

El coeficiente de Sustentación

La relación cuerda paso

Nota: este coeficiente de sustentaciónse refiere a la rejilla. Generalmente seconsidera igual al del perfil aislado.Puede existir una diferencia entre ellosen forma de una constante

1 < m <1,05

7,0

1,1

Punta

Cubo

t

l

t

l

Ecuación Reducida. Bombas Axiales

promprom sinsin

1cos

prom

mz

UW

HgV

t

lC

sin

cos22

No hay fuerza de arrastre:

0

De los triángulos de velocidades:

U

promWóW

mVV

W

Vmpromsin

Ecuación Reducida. Bombas Axiales

UW

gH

t

lCz

2

Z

Dty

NDU

60

Sustituyendo…

Con:

Se obtiene:

ZN

gHlWCz

120

Eficiencia Hidráulica Global de una Bomba Axial

La ecuación de Euler, para infinitos álabes

)( 12 uuT CCg

UH

Triángulo de Velocidades Expresiones Trigonométricas

ctgctg ctg

ctgctg ctg

2 1

1 2

2

2

W

VV V

2

V

2

V V V V

U

U

U1 U2 U2

M M1 M2 M

W WU U1 2

2

Eficiencia Hidráulica Global de una Bomba Axial

Por otra parte

:que tienese sen=W

V

dosustituyen y ndoSimplifica

t

l

cos

V g 2

W C U

: Alturasde

sexpresione las doSustituyen

M

12

M

2

z

H

g

ctgctgUV

sen

M

global hidráulica eficiencia ...

H

HH

H

e

e

t

z

t

tz

t

H

H

H

H

H

H

Eficiencia Hidráulica Global de una Bomba Axial

2

ctg

0ctg

90 Para 2

1

1

ctgo

Con las ecuaciones anteriores se obtiene:

cos2

1

12

2H

ctgctgsen

senCz

t

l

ctgcos4

12H

sen

senCz

t

l

Eficiencia Hidráulica Global de una Bomba Axial

Relación entre los ángulos medios para diferentes rendimientos

Campo de aplicación de una Bomba Axial

Curvas Características. Bombas Axiales

Campo de trabajo de una bomba de hélice con álabes ajustables

Cada curva de H y h corresponde a una determinada posición de los álabes

Comparación Curvas BC y BA

Bombas Centrífugas Bombas Hélico-Centrífugas

Bombas Axiales

Cavitación en la bóveda

5

10

15

20

25

30

0.05 1.05 2.05 3.05 4.05 5.05 6.05 7.05

Alt

ura

[m

ca]

NPSHd [mca]

68 l/s

74 l/s

80 l/s

0

0.4

0.8

1.2

1.6

2

0.065 0.07 0.075 0.08 0.085

NP

SHR

[mca

]

Q [m3/s]

Altura Vs NPSHD

NPSHR

Vs Caudal

Curvas CaracterísticasRégimen Cavitacional