CLASIFICACIÓN DE LAS TURBOMÁQUINAS

Máquinas Hidráulicas

Dirección del Flujo Flujo de Energía Velocidad Específica

Radial Axial

Tangencial

Mixto

Extraen Energía del Fluido Entregan Energía al Fluido Lentas Rápidas

Turbinas

Kaplan Pelton Francis

Bombas

Bombas de Desplazamiento

Positivo

Bombas Rotodinámicas

(Cinéticas)

Bombas No Autocebantes

Bombas Autocebantes

Reciprocantes Rotativas

Bombas Centrífugas: H↑ Q↓ Bombas Axiales: H↓ Q↑ Bombas Desp. Pos: H↑↑ Q↓↓

Turbinas Francis: H↑ Q↓ Turbinas Kaplan: H↓ Q↑ Turbinas Pelton: H↑↑ Q↓↓

Capítulo IPrincipios Teóricos Generales

Las turbomáquinas son máquinas de fluido rotativas que permiten la transferencia de energía entre un fluido y un rotor provisto de álabes, mientras el fluido pasa a través de ellos.

BOMBAS: La transferencia de energía se efectúa del rotor al fluido.

TURBINAS: La transferencia de energía se efectúa del fluido al rotor.

TIPOS DE BOMBAS HIDRÁULICAS

• Bombas de Desplazamiento Positivo• Rotatorias• Reciprocantes

• Cinéticas• Flujo Radial• Flujo Axial• Flujo Mixto

• Bombas de Desplazamiento Positivo• Rotatorias

• Bombas de Desplazamiento Positivo• Reciprocantes

• Bombas Cinéticas• Flujo Radial

• Bombas Cinéticas• Flujo Axial

Métodos de Estudio de las Turbomáquinas• Método Analítico: Basado en el estudio del movimiento

del fluido a través de los álabes. Análisis de diagramas vectoriales de velocidades, estudio dinámico de fuerzas y cantidad de movimiento, así como relaciones entre propiedades como carga, caudal, potencia, velocidad y diámetro.

• Método Experimental: La experimentación es importante cuando se analiza el efecto recíproco de algunos elementos sobre otros sobre el conjunto total.

• Análisis Dimensional: Análisis matemático de variables en el que se advierte relaciones de proporcionalidad entre dichas variables. De gran utilidad en la obtención de los coeficientes de funcionamiento de las turbomáquinas.

Componentes de la Velocidad Absoluta del Fluido. Diagrama Vectorial de Velocidad

Para las condiciones de diseño, los contornos del álabe son líneas de corriente, la velocidad relativa del fluido es tangente al álabe.

TRIÁNGULOS DE VELOCIDADES

Triángulo de velocidades

DEDUCCIÓN DE LA ECUACIÓN DE EULER

• Cambio en la cantidad de movimiento entre la entrada y la salida del rotor (Q=mV)

• Fuerza ejercida entre fluido y rotor (F=Q/t)

• Par transmitido por el rotor o al rotor (M=Q/t * R)

• Potencia transferida entre fluido y rotor (P=M ω)

• Energía transferida por unidad de masa

• Energía por unidad de peso (Carga)

Transferencia de Energía bajo la forma de Componentes Energéticas

Carga Dinámica

Carga Estática

Grado de ReacciónGrado de reacción es la relación de la carga estática a la carga total transferida

Similitud en las Turbomáquinas

Leyes de Funcionamiento

Coeficientes de FuncionamientoVariando N y D simultáneamente e introduciendo cantidades congruentes para obtener relaciones adimensionales:

Similitud Geométrica y Cinemática

Similitud Dinámica

Coeficientes de Velocidad

Coeficientes de Velocidad

Velocidad Específica

Bombas

Turbinas

Velocidad Específica PrácticaTurbinas

Velocidad Específica PrácticaBombas

Carga Teórica y Carga Neta.

Carga Teórica (Ec. de Euler)

Carga Neta

Se llama carga neta al gradiente de energía real entre la entrada y la salida de la máquina

Rendimientos

Rendimientos Cont. ....

Cavitación

Formación de burbujas de vapor en el seno de la masa líquida producidas por una vaporización local, debido a un aumento de la velocidad relativa y consecuente reducción local de la presión hasta la tensión de vapor a la temperatura actual del líquido.

Cavitación- Consecuencias

• Disminuye el rendimiento hidráulico,• Erosiona los álabes, resultando en pérdidas

localizadas de masa,• Vibraciones nocivas y ruido excesivo,• Destrucción del rotor si no se atiende a

tiempo.

Carga Neta Positiva de Succión (NPSH)

Es la carga total de succión en unidades de pies o metros de columna de líquido (basado en la presión atmosférica absoluta) medida en la boca de succión y corregida para el eje de la bomba, deducida la presión de vapor del líquido a las condiciones de operación.

NPSH DisponibleEs el exceso de presión del líquido sobre su tensión de vapor en las condiciones que el líquido posee a la entrada de la bomba. La composición exacta del líquido y su temperatura, así como la altura sobre el nivel del mar en el que se instalará la bomba y la carga estática de succión deben ser conocidas.

NPSH disp. = Ha ± Hs – Hvp – He,f

Ha ± Ps – Hvp

Ps = (± Hs – He,f)= Presión en columna de líquido medida en la succión y corregida a la línea de centro del eje de la bomba.

NPSH Requerida

Es la energía de succión mínima requerida para la operación satisfactoria de la bomba.

En base al Instituto de Hidráulica (HI) de USA, ésta representa el valor de presión absoluta medida en la succión, que causará que la carga total de la bomba sea reducida en 3% debido al bloqueo del flujo por cavitación. Este es el valor en el cual se inicia la cavitación.

Condición de No-CavitaciónNPSH disp. > NPSH req.

Las causas más frecuentes de que esta condición no se cumpla son:

• Aumento de la pérdida de carga en la línea de succión:– Obstrucción de la tubería o filtro de succión, – Funcionamiento de la bomba con la válvula de pie semi-cerrada.

• Aumento de la presión de vapor del líquido al aumentar su temperatura, por ejemplo si el líquido a bombear se refrigera previamente, y esta refrigeración falla.

Margen de Seguridad:NPSH disp. - NPSH req.

Factor de Seguridad (Margin Ratio): NPSH disp. / NPSH req.

El factor de seguridad aceptado dependerá de la Energía de Succión (ES), lo cual depende del tipo de bomba y sus condiciones de operación.

Energía de Succión (ES)

ES= D N nss x10(-6) nss = Velocidad específica práctica en la succión = (N x Q(.5) / NPSHreq(.75))D= Diámetro del impulsor (plg); N= Velocidad (RPM); Q=Flujo al punto de

máxima eficiencia en gpm (1/2 Q para bombas de doble succión).

ES= D [N2 x Q(1/2) / NPSHreq(3/4)] x 10(-6)

ES TIPO de Bomba FSMenos de 150 Baja Energía 1.3Entre 150 y 250 Alta Energía 1.5Sobre 250 Muy Alta Energía 2.0

(Torres de Enfriamiento)

NPSH con Carga Estática Positiva de Succión

NPSH con Carga Estática Negativa de Succión

NPSH Sistema Cerrado

Carga Atmosférica

Tensión de Vapor

ARIETE HIDRÁULICO

Golpe de Ariete Se da cuando se cierra bruscamente una válvula o un grifo instalado en el extremo de una tubería de cierta longitud, las partículas de agua que se han detenido son empujadas por las que vienen inmediatamente detrás y que siguen aún en movimiento lo que origina una sobrepresión.

Efectos

Sobrepresión

Averías en tuberías e instalaciones hidráulicas.

Liberación de gran cantidad de energía

Ariete Hidráulico

Dispositivo mecánico diseñado para aprovechar este fenómeno.

Aprovecha únicamente la energía de un pequeño salto de agua para elevar parte de su

caudal a una altura superior.

No contamina Aprovecha la energía hidráulica