APUNTES DE MQUINAS HIDRULICAS 3 Curso de Ing. Tcnica en Mecnica Almandoz Berrondo, Jabier Mongelos Oquiena, M Beln Pellejero Salaberria, Idoia Dpto: Ingeniera Nuclear y Mecnica de Fluidos Escuela Universitaria Politcnica Unibertsitate Eskola Politeknikoa Donostia-San Sebastin DesdequesecomenzaimpartirelPlan Renoveconelqueestaasignaturapasa7,5 crditos,losprofesoresquelaimparten comenzaronaelaborarunosapuntessiguiendoel programa de dicha asignatura. Labasedeestosapunteshansidolos apuntes que el catedrtico del rea de Mecnica de Fluidos,yajubilado,FernandoSantos,elaboralo largodelosaosparalaEscuelaSuperiorde Ingenieros de la Universidad de Navarra, de ellos se hanseleccionadoparteysehancompletadocon trabajosrealizadosporelrestodeprofesoresdel rea. El trabajo de elaboracin de unos apuntes es arduoylaborioso,ylosprofesoresesperamosque sean tiles para los alumnos. Porprimeravez,paraelcurso2006-07se presentanlosapuntescasialcompletodela asignatura,losprimeroscaptulosestndedicados alosconceptosbsicosyfundamentalesde MquinasHidrulicasacontinuacinsepasaalestudiodeturbinasycentraleshidrulicasy elicas, terminando con el estudio de las bombas e instalaciones de bombeo simples. Quedanporpreparardoscaptulosuno dedicadoabombasdedesplazamientopositivo,y otro a ventiladores, la idea es intentar completarlos para el siguiente curso Enestaterceraedicinsehanmodificado algunas cosas y se ha intentado eliminar las erratas encontradas. Paraterminar,nuestrodeseoesqueseande utilidad a nuestros alumnos y que ellos nos aporten susideas,crticasconstructivas,ascomoerratas que puedan existir, con el fin de poder mejorarlos. Donostia- San SebastinSeptiembre 2008 Los profesores ISBN13: 978-84-690-5856-5 N REGISTRO:07 / 37962 ndice de materias i Indice de materias pg Tema 1.- Mquinas Hidrulicas definicin, clasificacin.Fundamentos y descripcin. 1.- Definicin de mquina. Clasificacin.........................................1 2.- Clasificacin de Mquinas Hidrulicas .......................................2 3.- Definicin de turbina hidrulica, tipos actuales. ........................... 5 3.1.- Turbinas de accin y de reaccin............................................5 3.2.-Descripcin general................................................................5 3.2.1.-Turbinas de accin................................................................5 3.2.2.-Turbinas de reaccin.............................................................7 3.2.3.- Clasificacin de turbinas ......................................................12 4.- Definicin de turbobomba hidrulica, elementos ........................12 5.- Mquinas de desplazamiento positivo........................................14 5.1.-Bombas de desplazamiento positivo ........................................14 5.1.2.- Bombas alternativas.............................................................15 5.2.3.- Bombas rotativas..................................................................17 6.-Otras mquinas hidrulicas. Bombas especiales.......................19 7.-Fundamentos de mquinas hidrulicas .....................................21 Tema 2.- Fundamentos de turbomquinas hidrulicas 1.-Definiciones y clasificaciones ....................................................23 1.1.- El rodete..................................................................................23 2.- Formas de representacin..........................................................25 2.1.- Representacin de los rodetes radiales...................................26 2.2.- Representacin de las turbomquinas diagonales ..................26 2.3.- Representacin de las turbomquinas axiales ........................27 3.- Descomposicin del movimiento en las turbomquinas..............28 4.- Modificaciones del tringulo de velocidades ..............................31 5.- Conceptos en turbinas ...............................................................38 5.1.- Alturas.....................................................................................38 5.2.- Caudales.................................................................................39 5.3.- Potencias ................................................................................39 5.4.- Perdidas..................................................................................39 5.5.- Rendimientos ..........................................................................39 6.- Conceptos en turbobombas .......................................................40 6.1.- Alturas.....................................................................................40 6.2.- Caudales.................................................................................41 6.3.- Potencias ................................................................................41 6.4.- Perdidas..................................................................................41 6.5.- Rendimientos ..........................................................................41 7.- Ecuacin Fundamental de las turbomquinas............................42 7.1.- Turbinas ..................................................................................42 7.2.- Turbobombas..........................................................................47 8.- Teora hidrodinmica del ala portante ........................................49 Indice de materias ii pg Tema 3.- Semejanza en turbomquinas 1.- Mtodos para el estudio de las turbomquinas ..........................55 2.- Semejanzas geomtrica, cinemtica y dinmica ........................57 3.- Semejanza hidrodinmica absoluta............................................58 4.- Semejanzas hidrodinmicas restringidas....................................60 5.- Nmero de Camerer o velocidad especfica dimensional ...........62 6.- Cualidades y aplicaciones de la velocidad especfica.................64 7.- Coeficientes caractersticos u ptimos de velocidad...................66 8.- Diferencia entre los rendimientos del prototipo y modelo............67 Tema 4.- Anlisis dimensional aplicado a las turbomquinas 1.- Fenmeno fsico existente en una turbomquinas....................... 71 2.- Clculo de los parmetros adimensionales ........................... .. ..73 3.- Teorema fundamental de las turbomquinas homlogas ...... ....75 4.- Otros parmetros adimensionales......................................... ....77 5.- Ejemplos de turbomquinas homlogas................................ ....78 6.- Obtencin de los parmetros adimensionales mediantesemejanzas .......................................................................... ....80 7.- Velocidad especfica adimensional........................................ ....82 Tema 5.- Centrales Hidroelctricas 1.- Generalidades............................................................................85 2.- Formacin del salto de agua. Topografa apropiada...................85 3.- Disposicin de conjunto de una central hidroelctrica ................88 4.- Saltos total, bruto, neto y efectivo. Energa producida................92 5.- Clases de central: de agua corriente y de agua acumulada........94 5.1.- Coeficientes de utilizacin de la central y del ro .....................94 6.- Caudal de un ro, aforos.............................................................96 7.- Relacin entre la produccin y el consumo de energaelctrica......................................................................................98 8.- Centrales de acumulacin por bombeo ......................................100 9.- Obras civiles de una central hidroelctrica .................................103 9.1.- Presas.....................................................................................103 9.1.1.- Presas de material incoherente o suelto...............................103 9.1.2.- Presas de material coherente o presas de fbrica................104 9.2.- Canal de derivacin. Galera o tnel. Tubera forzada.............107 9.3.- Obras accesorias para el servicio de la central........................108 ndice de materias iii pg Tema 6.- Turbinas de accin 1.- Definicin de turbina hidrulica. Clasificacin.............................111 2.- Turbinas de accin.....................................................................113 3.- Descripcin, misin y funcionamiento de los elementos de una turbina Pelton.............................................................................114 4.- Diagrama de transformacin de energa de una turbina Pelton..121 5.- velocidad especfica dimensional en funcin de otras caractersticas de la turbina Pelton. Intervalo de valores de la velocidad especfica ..................................................................124 6.- Consideraciones sobre las velocidades en una turbina Pelton Diagrama de velocidades ..........................................................126 6.1.- Tringulos de velocidades tericas..........................................127 6.2.- Tringulos de velocidades reales ............................................128 Tema 7.- Turbinas de reaccin 1.- Disposicin de conjunto de una turbina Francis .........................131 2.- Descripcin misin y funcionamiento de cada uno de loselementos de una turbina de reaccin........................................131 3.- Diagrama de transformacin de energa de turbinas dereaccin .....................................................................................136 4.- proceso evolutivo de las turbinas de reaccin. Evolucin del rodete con la velocidad especfica........................................138 4.1.- Turbina Francis .......................................................................138 4.2.- Turbina Hlice.........................................................................139 4.3.- Turbina Kaplan........................................................................142 4.4.- Turbina Deriaz.........................................................................142 4.5.- Turbina Bulbo..........................................................................143 4.6.- Turbina Straflo.........................................................................144 5.- Velocidad especfica en funcin de otras caractersticas de una turbina Francis. ..................................................................145 6.- Diagramas de velocidades a la entrada y salida del rodete. Rodetes lentos, normales y rpidos ...........................................146 7.- Fenmeno de la cavitacin. Descripcin y expresiones declculo........................................................................................149 8.- Seleccin del tipo de turbina ......................................................152 9.- Materiales empleados en la construccin de las turbinas...........154 Tema 8.- Curvas caractersticas de turbinas hidrulicas 1.- Obtencin de las variables para el trazado de curvascaractersticas............................................................................157 2.- Curvas caractersticas de dos variables .....................................158 2.1.- Par velocidad de giro............................................................158 2.2.- Potencia velocidad de giro....................................................159 2.3.- Caudal velocidad de giro......................................................160 Indice de materias iv pg

2.4.- Potencia rendimiento....................................................... 161 3.- Curvas caractersticas de tres o mas variables. Curvas colina161 4.- Curvas caractersticas de mquinas reales ........................... 163 Tema 9.- Turbina Elicas 1.- Generalidades de la energa elica ............................................167 1.1.- Evolucin histrica...................................................................167 1.2.- Situacin actual .......................................................................168 2.- Tipos y descripcin de turbina elicas........................................168 2.1.- Aerogeneradores de eje vertical por sustentacin...................169 2.2.- Aerogeneradores de eje horizontal ..........................................169 2.2.1.- Rotor ....................................................................................170 3.- Hiptesis de Rankine..................................................................171 3.1.- Potencia Mxima del viento.....................................................173 3.2.- Frmula de Betz......................................................................174 4.- Datos sobre la energa elica.....................................................175 4.1.- Energa rentable......................................................................176 5.- Aspectos medioambientales.......................................................177 5.1.- Impacto por erosin.................................................................177 5.2.-Impacto visual ..........................................................................177 5.3.- Impacto sonoro........................................................................177 5.4.- Impacto sobre la avifauna........................................................177 Tema 10.- Elementos de una turbobomba 1.- Definicin y clasificacin de bombas hidrulicas ........................179 1.1.- Clasificacin de las bombas hidrulicas ..................................180 1.1.1.- Bombas de desplazamiento positivo.....................................180 1.1.2.- Turbobombas .......................................................................181 2.- Disposicin de conjunto de una turbobomba..............................181 3.- Rodete .......................................................................................182 3.1.- Tipos de rodete .......................................................................182 3.2.- Evolucin del rodete con la velocidad especfica.....................184 4.- Carcasa y sistema difusor de la turbobomba..............................186 4.1.- Carcasa...................................................................................186 4.2.- Sistema difusor de la turbobomba ...........................................187 5.- Sistemas de sellado ...................................................................188 5.1.- Sistemas de sellado interno.....................................................188 5.2.- Sistemas de sellado externo....................................................190 5.2.1.- Caja prensaestopas..............................................................190 5.2.2.- Cierres mecnicos................................................................192 6.- Atenuacin de empujes axiales ..................................................195 6.1.- Discos compensadores de empujes axiales ............................197 6.2.- Tambores compensadores......................................................198 7.- Atenuacin de empujes radiales.................................................199 ndice de materias v pg 8.- Eje y casquillos de proteccin. Rodamientos. Acoplamientos.....200 8.1.- Eje y casquillos de proteccin .................................................200 8.2.- Rodamientos...........................................................................201 8.3.- Acomplamientos......................................................................201 Tema 11.- Tipos constructivos de turbobombas 1.- Bombas de una etapa ................................................................203 2.- Bombas multicelulares o multietapadas .....................................204 2.1.- Grado de admisin..................................................................205 2.2.- Apoyo del eje del rodete..........................................................206 2.3.- Divisin de la carcasa..............................................................206 3.- Bomba de pozo..........................................................................208 Tema 12.- Transformacin de energa en un sistema de bombeo 1.- Diagrama de transformacin de energa en un sistema debombeo. Diagrama de prdidas de carga. ..................................209 1.1.- Diagrama de transformacin de energa..................................209 1.2.- Prdidas de carga en un sistema de bombeo..........................212 2.- Alturas manomtricas de la instalacin y la bomba ....................214 3.- Curva caracterstica de una instalacin simple de bombeo ........215 Tema 13.- Curvas caractersticas tericas de turbobombas 1.- Introduccin................................................................................219 2.- Variables que relacionan las cc..................................................219 3.- Clases de cc...............................................................................219 4.- Obtencin de la cc terica de una turbobomba ..........................220 5.- Cc ideal de una turbobomba ......................................................220 5.1.- Influencia de 2........................................................................221 5.2.- Prerrotacin ............................................................................222 5.3.- Cc potencia absorbida-caudal .................................................224 6.- Imperfecciones en el guiado.......................................................224 6.1.- Modificacin de las cc con caudales reducidos .......................226 7.- Prdidas.....................................................................................227 7.1.- Prdidas hidrulicas ................................................................227 7.1.1.- Prdidas por conduccin......................................................227 7.1.2.- Prdidas por choque ............................................................227 7.2.- Cc considerando las prdidas hidrulicas................................228 7.3.- Prdidas volumtricas .............................................................230 7.4.- Prdidas mecnicas ................................................................232 8.- Expresin analtica de la cc terica de la turbobomba................233 9.- Parmetros que afectan a la cc de una trubobomba ..................234 9.1.- Expresin de Euler ..................................................................234 9.2.- Imperfecciones en el guiado....................................................235 Indice de materias vi pg 9.3.- Perdidas hidrulicas ................................................................236 9.4.- Perdidas volumtricas .............................................................236 9.5.- Prdidas orgnicas..................................................................237 9.6.- Variables del lquido ................................................................237 9.6.1.- Influencia de la gravedad......................................................237 10.- Cc en funcin de la velocidad especfica..................................238 11.- Conclusiones............................................................................240 Tema 14.- Curvas caractersticas reales de turbobombas 1.- Banco de ensayo de bombas .....................................................241 1.1.- Construccin de curvas caractersticas ...................................244 2.- Variables del fluido.....................................................................245 2.1.- Efectos de la densidad ............................................................245 2.2.- Efectos de la viscosidad..........................................................246 2.3.- Influencia de la gravedad ........................................................248 2.4.- Efecto del paso del tiempo en un sistema de bombeo.............248 3.- Rendimiento en funcin de la velocidad especfica y caudal ......249 4.- Estabilidad de funcionamiento....................................................251 5.- Interpretacin del funcionamiento de las turbobombas en el segundo y cuarto cuadrante .......................................................253 6.- Cdigo de ensayos para la recepcin de turbobombas ..............255 7.- Expresiones analticas de las cc prcticas de turbobombas .......256 7.1.- Bombas radiales......................................................................257 7.1.1.- Curva caracterstica altura-caudal ........................................257 7.1.2.- Cc rendimiento-caudal..........................................................257 7.1.3.- Cc potencia-caudal ...............................................................258 7.2.- Cc de bombas diagonales y axiales ........................................258 7.2.1.- Cc altura-caudal y potencia-caudal.......................................258 7.2.2.- Cc rendimiento-caudal..........................................................259 Tema 15.- Regulacin de las turbobombas 1.- Mtodos para regular el funcionamiento de las turbobombas.....261 2.- Variacin de las cc de una turbobomba al variar N.....................261 3.- Problemas sobre modificacin de la velocidad de giro de la bomba...................................................................263 4.- Variacin de las cc de una turbobomba al tornear el rodete.......265 5.- Variacin de la cc de una bomba al modificar la anchura del rodete en su salida ....................................................................267 6.- Problemas sobre modificacin del dimetro del rodete y de la anchura del mismo ....................................................................268 ndice de materias vii pg Tema 16.- Funcionamiento de las turbobombas 1.- Precauciones a adoptar en la puesta en marcha de las bombas .....................................................................................271 1.1.- Cc de la puesta en marcha de las turbobombas......................275 2.- Arrastre de las bombas ..............................................................278 3.- Cavitacin en las bombas ..........................................................279 3.1.- Descripcin del fenmeno.......................................................279 3.2.- Evaluacin de la cavitacin en las turbobombas .....................281 3.2.1.- Factores que dependen del MPS disponible ........................283 3.2.2.- Factores que dependen del MPS requerido .........................284 3.3.- Parmetro de cavitacin de Thoma.........................................284 3.4.- Obtencin del MPS requerido de una turbobomba..................285 3.4.1.- Ensayo con variacin de la presin en el depsito de aspiracin.............................................................................286 3.4.2.- Ensayo mediante maniobrado de una vlvula de aspiracin.............................................................................288 4.- Bombas funcionando en grupo...................................................290 4.1.- Disposicin en serie ................................................................290 4.2.- Disposicin de bombas funcionando en paralelo.....................291 4.3.- Alternativa entre hacer funcionar dos bombas en serie o en paralelo .............................................................................293 Tema 17.- Instalaciones de bombeo simples 1.- Introduccin................................................................................295 2.- Expresin de la curva caracterstica de la instalacin.................297 2.1.- Seleccin de la bomba mas idnea.........................................300 2.2.- Punto de funcionamiento.........................................................303 2.3.- Costo energtico .....................................................................306 2.4.- Rendimiento esperado de una bomba.....................................306 3.- Regulacin del caudal en un sistema de bombeo.......................307 3.1.- Modificacin del punto de funcionamiento mediante la variacin de la instalacin ......................................................307 3.1.1.- Variacin de la altura piezomtrica.......................................307 3.1.2.- Maniobrado de vlvula .........................................................308 3.1.3.- Modificacin de la seccin de salida.....................................311 3.2.- Modificacin del punto de funcionamiento mediante cambios en la bomba ...........................................................................311 3.2.1.- Variacin de la velocidad de giro..........................................311 3.2.2.- Torneado del rodete.............................................................314 4.- Problemas sobre cavitacin en un sistema de bombeo..............316 5.- Instalaciones de sobrepresin....................................................317 5.1.- Hidroceles ...............................................................................320 6.- Destalles constructivos de una instalacin de bombeo...............320 6.1.- Naturaleza del lquido a bombear............................................321 6.2.- Factor de utilizacin ................................................................322 6.3.- Servicio de mantenimiento ......................................................322 Indice de materias viii pag 6.4.- Fiabilidad del servicio ..............................................................322 6.5.- Nmero de grupos...................................................................322 6.6.- Tipos de energa disponible.....................................................323 6.7.- Caudal requerido.....................................................................323 6.8.- Altura a engendrar...................................................................323 6.9.- Tubera de aspiracin..............................................................324 6.10.- Tubera de impulsin.............................................................325 6.10.1.- Golpe de ariete...................................................................326 6.11.- Caseta de bombas ................................................................330 6.12.- Caseta de llaves del depsito superior ..................................332 6.13.- Mantenimiento de una bomba ...............................................332 7.- Cuadro de perturbaciones y causas posibles de una turbobomba333 7.1.- Perturbaciones ........................................................................333 7.2.- Lista de posibles motivos de perturbacin en las turbobombas334 7.2.1.- Defectos en la instalacin.....................................................334 7.2.2.- Defectos en la bomba...........................................................334 Bibliografa ...........................................................................................337

Mquinas Hidrulicas.T-1 Dto. Ing. Nuclear y Mecnica de FluidosE.U.Politcnica de Donostia San Sebastin 1 TEMA 1.- MQUINAS HIDRULICAS, CLASIFICACIN FUNDAMENTOS Y DESCRIPCIN. 1. - DEFINICIN DE MQUINA.- CLASIFICACIN Mquina, segn el diccionario "es el conjunto de aparatos combinados para recibir ciertaformadeenerga,transformarlayrestituirlaenotraformamasadecuada,opara producir un efecto determinado". MquinadeFluidocorrespondeaunamquinadelprimertipo,quereciben energa aportada por un fluido y la restituyen en forma de energa mecnica, o bien a la inversa, absorben energa mecnica y con ella incrementan la correspondiente a un fluido. Puedendefinirsetambinlasmquinasdefluidoscomoaquellasmquinasque utilizan un fluido como elemento intercambiador de energa. Esprecisoadvertirquenotodaslasmquinasqueutilizanalgnfluidopueden considerarse mquinas de fluidos si no solamente las que los utilizan para intercambiar la energafundamentaldelamquina,portantonopertenecenaestegrupoaquellasque slo los utilizan como refrigerante o lubricante. Pasandoaltemadela clasificacindelasmquinasdefluidoshayqueobservar quetodaslasclasificacionesserealizansiguiendodistintoscriterios,unasvecesmsy otrasmenosacertados,queconducenaagrupacionesdiferentes,msomenostileso convenientes; no siendo, en muchos casos excluyentes sino coincidentes. Unprimercriteriodelaclasificacindelasmquinasdefluidospuedeser atendiendoaladensidaddelfluido,esdeciradividirlasenaquellasquefuncionancon gases o con lquidos. Estaclasificacinconduceasepararlosventiladoresylasturbobombas,ylas turbinashidrulicasylaselicasqueestnbasadasenlosmismosprincipiosde funcionamiento,comportndoseelaireentalescasoscomosifueraincompresible.Por elloserechazaestecriteriodeclasificacin.Uncriterioalternativoeselgradode compresibilidad del fluido.

Otrocriterio,igualmentedesaconsejable,esconsiderarelmovimientodelrgano dondeseintercambialaenerga,clasificandolasmquinasdefluidosenalternativasy rotativas, pues se introducen en el mismo grupo mquinas tan dispares como el motor de explosinylabombaaspirante-impelente,olasturbobombasylasbombasde engranajes,oseseparanlasbombasalternativasylasrotativascuyoprincipiode funcionamiento es idntico. Unacuestinqueconduceaotraclasificacineselsentidodeconversindela energa:demecnicaenenergadelfluidooalainversa.Estaclasificacinquepuede parecermasacertada,conduceatratarconjuntamentelasturbinasdegasylas Dto. Ing. Nuclear y Mecnica de FluidosE.U.Politcnica de Donostia San Sebastin 2 Clasificacin, Fundamentos y Descripcin de Mquinas Hidrulicas hidrulicas;yloscompresores,lasbombasylosventiladores,queantienenalgunas similitudes, sus diferencias son considerables para poderlas estudiar al mismo tiempo. Porltimo,dentrodeloscriteriosaqurechazados,seencuentraelprincipiode funcionamientodelamquina,quesibienaprimeravistapareceunacuestin fundamentalyqueindudablementeloses,sedesaconsejaporreunirenlamisma agrupacin el compresor y la bomba alternativa, laturbina hidrulica y la turbina de gas, queaunquetienenconexionesevidentesnosonsuficientesparaestudiarlas conjuntamente, dadas sus respectivas especificaciones. Dadoqueanteriormenteseharechazadoelcriteriodeladensidaddelfluidopor comportarse los gases en algunos casos como incompresibles, un criterio alternativo es el gradodecompresibilidaddelfluido.Estonosllevaalaclasificacindefinitivadelas mquinasdefluidosatendiendoalcomportamientodelfluidocomoincompresibleo compresible MquinasHidrulicas:sonaquellasqueutilizancomomediointercambiadorde energaunfluidoquesecomportacomoincompresible:bombahidrulica,ventilador turbina hidrulica, aerogenerador etc. Mquinas trmicas: son las que utilizan como elemento intercambiador de energa fluidosquesecomportancomocompresibles,dondelosfenmenostermodinmicos tienen una incidencia fundamental: compresor, turbina de gas etc. Mquinas Hidrulicas Mquinas de Fluidos: Mquinas Trmicas Estecriteriodelimitacontodaperfeccinlosdoscamposdelasmquinas hidrulicas y trmicas sin dar lugar a confusin alguna. 2.- CLASIFICACIN DE MQUINAS HIDRULICAS Unavezdefinidasydelimitadaslasmquinashidrulicasytrmicas,eneste apartadosepresentandiferentesclasificacionesdelasprimeras,queencasitodoslos casos son aplicables, en paralelo a las segundas. El primer criterio que aplicaremos por ser el ms importante es el que clasifica las mquinashidrulicasatendiendoasuprincipiodefuncionamiento:selastienen turbomquinas, y las mquinas de desplazamiento positivo. LasTurbomquinasbasansufuncionamientoenelteoremadelacantidadde movimiento, o en el teorema del momento de la cantidad de movimiento, tambin llamado teoremadelmomentocintico, quealaplicarloaestas mquinassedenomina Teorema de Euler o teorema fundamental de las turbomquinas. Mquinas Hidrulicas.T-1 Dto. Ing. Nuclear y Mecnica de FluidosE.U.Politcnica de Donostia San Sebastin 3 Lasmquinasdedesplazamientopositivosefundamentanenelteoremade Pascal, es decir la mquina consigue incrementar la presin en un punto, transmitindole la presin hidrosttica ntegramente a todo el fluido que se encuentra aguas abajo. Todaslasturbomquinas disponendeunrgano fundamentalque girasobresueje, dondeseproduceelintercambio deenerga,querecibeelnombre derodeteoimpulsor.Estas mquinassedenominantambin rotodinmicas. Enlafigura1.1puedeverse elcorteesquemticodeuna turbobomba. Lasbombashidrulicasde desplazamientopositivoconsiguen deformadiversa,mediante succin,atraparellquidoenun pequeorecintoycerradoste,lo desplazanhaciaotropuntodela mquina sometido a presin donde lodepositan.Lapresinobtenida por la bomba ser la que exista en susalida,esdecirdependedela instalacin en la que trabaja. Estas mquinassonreversibles,esdecir que si se aplica una presin en una partedelamquinasepueden desplazarlosrganosdeste, constituyendo un motor hidrulico. Fig.: 1.1.- Esquema de una turbobomba Lasmquinasdedesplazamientopositivo,tambinllamadasvolumtricas,se dividen a su vez en mquinas alternativas y rotativas, segn que el rgano intercambiador deenergasedesplacealternativamenteogirealrededordeuneje.Estasltimasse denominantambinrotoestticas.Enlasfiguras1.2y1.3serepresentanelcorte esquemtico de stas dos mquinas. Turbomquinas Mquinas HidrulicasAlternativas M. de desplazamiento positivo Rotativas Dto. Ing. Nuclear y Mecnica de FluidosE.U.Politcnica de Donostia San Sebastin 4 Clasificacin, Fundamentos y Descripcin de Mquinas Hidrulicas Fig.: 1.2. - Esquema de una bomba alternativaFig.: 1.3. - Esquema de una bomba rotativa . Un criterio para clasificar las mquinas hidrulicas que conduce a una divisin muy importante es el sentido de conversin de energa. Se denominan mquinas motoras a aquellas que transforman la energa del fluido en movimiento de las mquinas: turbinas hidrulicas y elicas, motores hidrulicos. Sellamanmquinasgeneradorasaaquellasenlasquelaenergamecnicase transforma en hidrulica: bombas y ventiladores. Lasturbinashidrulicasoelicassonlasturbomquinasquetransformanla energahidrulicaenmecnica.Recibenaguaoaireconunagrancantidadde movimiento y hacen que disminuya, para as generar una fuerza propulsora y con ella un parmotor.Estepareselquehacegiraralgenerador,medianteelcualseproducela energa elctrica. Se denomina motor hidrulico a la mquina que transforma laenerga hidrulica, obtenida previamente mediante una bomba hidrulica, en energa mecnica emplendose staenrealizardirectamenteuntrabajo.Setratademquinasdedesplazamiento positivo. Se utilizan fundamentalmente en los circuitos oleohidrulicos. Los antiguos molinos hidrulicos que utilizaban la energa hidrulica de los cursos naturalesylaconvertanenenergamecnica,utilizndoladirectamenteparamoler grano, desplazar fuelles, mover martinetes, elevar agua, etc., eran turbomquinas. Lasturbobombasylosventiladoresconviertenlaenergamecnicaenenerga hidrulica.Estasmquinasrecibenunafuerzamotoradelexteriorquepermite incrementar la cantidad del movimiento y, por tanto, la energa del fluido. Las bombas de desplazamientopositivoincrementanlapresindeunauotraformaylatransfierenal lquido ubicado en el mismo recinto. Mquinas Hidrulicas.T-1 Dto. Ing. Nuclear y Mecnica de FluidosE.U.Politcnica de Donostia San Sebastin 5 EnergaMotorEnergaBombaEnergaMotorEnergaTrabajo ElctricaElctricoMecnicaHidrulicaHidrulicaHidrulicoMecnica E.HidrulicaTurbinaEnergaGeneradorEnergaMquinaEnergaTrabajo NaturalHidrulicaMecnicaElctricaMecnica 3.-DEFINICINDETURBINAHIDRULICA,TIPOSACTUALESY DESCRIPCIN GENERAL. Turbina hidrulica se puede definircomo aquella mquina que transforma la energa hidrulica aportada por un fluido incompresible (agua) en energa mecnica, mediante la variacin del momento de la cantidad de movimiento, en resumen es una turbomquina hidrulica motora. El elemento fundamental de la turbina es el impulsorllamado rodete o rueda, es el nico elemento giratorio, y esdonde se verifica la transformacin de energa hidrulica en mecnica. Adems del rodete constan de una serie de elementos, situados aguas arriba del rodete, que tienen la misin de introducir el agua con la direccin y condiciones precisas. A su salida se encuentran otros rganos que tienen el objetivo de evacuar convenientemente el agua hacia el canal de desage. Existen en la actualidad dos grandes tipos de turbinas hidrulicas, las de accin y las de reaccin; al primer grupo pertenece la turbina Pelton y al segundo la francis y sus derivadas: hlice, kaplan, bulbo, deriaz y straflo. 3.1.- TURBINAS DE ACCIN Y DE REACCIN Se llaman turbinas de accin o vena libre, a aquellas en las que el agua mueve el rodete exclusivamente con energa cintica. Es decir las turbinas Pelton. Sellamanturbinasdereaccinodevenaforzadaalasqueutilizanenerga cinticaydepresinparamoverelrodete.Aestegrupocorrespondenlasturbinas: Francis, Hlice, Kaplan, Deriaz, Bulbo y Straflo. 3.2.- DESCRIPCIN GENERAL 3.2.1.- Turbinas de accin LaturbinaPeltonodeaccin,constafundamentalmentedeldistribuidor,llamado as mismo inyector, y de la rueda o rodete. El inyector tiene como misin introducir el agua en el rodete de forma conveniente; es una prolongacin de la tubera forzada, terminando en forma atoberada que reduce la Dto. Ing. Nuclear y Mecnica de FluidosE.U.Politcnica de Donostia San Sebastin 6 Clasificacin, Fundamentos y Descripcin de Mquinas Hidrulicas seccin, con salida a la atmsfera, de esta forma la energa de presin que el agua posee a su entrada se convierte totalmente en energa cintica. Puede tener de 1 a 6 inyectores, pero en todo caso la admisin del agua en el rodete es puntual. Elrodeteestconstituidoporuncubounidoaleje,conunaseriedecazoletas dispuestasensuperiferia.Elchorroformadoalasalidadecadainyectorincide tangencialmentesobrelascazoletas,convirtindoselaenergacinticadelaguaen energa mecnica. Laturbina,arrastrandoelgeneradorelctrico,permitelaobtencindelaenerga elctrica a partir de la energa mecnica de aquella. Fig.: 1.4.- Disposicin de conjunto de salas de mquinas, una con turbina Pelton y otra con Kaplan Lasturbinasdeaccinseempleanencentraleshidroelctricascuyosaltosea grande y el caudal relativamente pequeo, es decir en aquellos casos en que la relacin caudal- altura es reducida, y por tanto corresponden a velocidades especficas bajas, en particular el nmero de Camerer estar comprendido entre 5 y 36 aproximadamente. Fig.: 1.5.- Inyector de una turbina Pelton Mquinas Hidrulicas.T-1 Dto. Ing. Nuclear y Mecnica de FluidosE.U.Politcnica de Donostia San Sebastin 7 Fig.: 1.6.- Rodete de una turbina Pelton Fig.: 1.7.- Cazoleta de una turbina Pelton Alnecesitarsaltosgrandesconcaudalesreducidos,lasturbinasPeltonse emplean en centrales de cabecera de cauce, es decir prximas al nacimiento de los ros, donde,porunaparte,llevanfuertespendientes,pudindoseobtenerasgrandes desnivelesentrepuntosrelativamenteprximos.Porotroladolascuencasvertientesen las cabeceras de cauce son reducidas. 3.2.2.- Turbinas de reaccin Lasturbinasdereaccintienenunaconcepcinnotablementediferentealasde accin, como se ha podido observar de la figura 1.4. En primer lugar, el elemento situado aguas arriba del rodete, llamado distribuidor, transforma parte de la energa de presin, que tiene el agua a la entrada de la turbina, en energa cintica. El distribuidor en este caso rodea todo el rodete, llegando el agua por la totalidad de la periferia de ste, siendo por tanto la admisin del agua total. Dto. Ing. Nuclear y Mecnica de FluidosE.U.Politcnica de Donostia San Sebastin 8 Clasificacin, Fundamentos y Descripcin de Mquinas Hidrulicas Elrodete,nicorganotransformadordeenergahidrulicaenmecnica,esde diseo diferente segn el tipo de turbina de reaccin de que se trate, pero en esencia est formadoporelcubo,unidoaleje,yunaseriedealabesdispuestosenlaperiferiade aqul.

Fig.: 1.8.- Corte meridional de una turbina Francis Fig.: 1.9.- Corte transversal de una turbina Francis El agua a la salida del rodete tampoco sale a la atmsfera, sino que penetra en un tubo llamado tubo difusor o tubo de aspiracin, generndose a su entrada una depresin, cuya misin fundamental es aumentar la energa hidrulica absorbida por el rodete. Eltubo difusor desemboca en el canal de desage, que devuelve el agua al cauce natural. Mquinas Hidrulicas.T-1 Dto. Ing. Nuclear y Mecnica de FluidosE.U.Politcnica de Donostia San Sebastin 9 En conjunto las turbinas de reaccin estn formadas por los siguientes elementos:Cmara espiral, antedistribuidor, distribuidor, rodete, y tubo difusor. Lasturbinasdereaccinseutilizanparaunagammamuyampliadealturasy caudales,dondelarelacincaudal-alturaesmayorquelascorrespondientesaturbinas de accin.Los valores ms bajos de dicha relacincorresponden a las turbinas Francis y losmselevadosalasHlice,Kaplan,Deriaz,BulboyStraflo,msomenosporeste orden. ElnmerodeCamererdelasdiferentesturbinastomalossiguientesvalores aproximados: Francis :50 < ns < 400 ; 15 < nq 2,1.10-6 ns2 + 1,2. 10-4 ns + 0,01 152 Turbinas de reaccin Dto. Ing. Nuclear y Mecnica de Fluidos.E.U.Politcnica de Donostia-San Sebastin 8.- SELECCIN DEL TIPO DE TURBINA Elcriterioparaconocer eltipodeturbina quecorresponde aunadeterminada centralhidroelctricaeslavelocidadespecfica,yaquesesabequcadaturbina funciona con buenos rendimientos en un determinado campo de valores de aqulla. Por tanto la seleccin del tipo de turbina pasa por conocer la velocidad de giro, la potencia efectiva y la altura neta si se utiliza el nmero de Camerer o la velocidad de giro, el caudal y la altura neta si se emplea la velocidad especfica adimensional. Si se adopta el nmero de Camerer se toman como datos de partida: Salto neto Caudal turbinable Rendimiento supuesto de la turbina. a continuacin: Con Hn, Q y se calcula la potencia efectiva, Pe. Con Pe y Hn se calcula el nmero de Camerer en funcin de la velocidad y del nmero de chorros en el caso pelton. Seadviertequelavelocidadespecficaesunparmetroqueespropiodel rodete ms que en s de la turbina. Si se trata de una turbina pelton el caudal que se adoptaeseldenominadounitarioesdecir,eldecadachorroysisehabladeuna turbina francis doble el caudal a adoptar es la mitad del total. Siunavezcalculadalavelocidadespecficasedecideseleccionarunaturbina peltonsejuegaconlavelocidaddegiroyelnmerodechorroshastaobteneruna velocidad especfica dentro del campo en que aqulla trabaja con buen rendimiento. Fig 7.20-baco de cavitacin de Thoma Mquinas Hidrulicas. T- 7153 Dto. Ing. Nuclear y Mecnica de Fluidos.E.U.Politcnica de Donostia-San Sebastin Sisetratadeunaturbinadereaccinenprimertrminohayqueconocerla velocidadespecificamximaconquehadetrabajarlaturbinaparaquenoexista cavitacinyacontinuacinseadoptalavelocidaddegiroparaquesecumplatal limitacin. Para unos datos de partida determinados habr varias soluciones al problema, elegir la ms idnea se sale del mbito de la asignatura; solamente cabe decir que es conveniente que el nmero de polos del generador y el nmero de chorros, en el caso pelton, deben ser limitados en turbinas de media y pequea potencia. En la siguiente tabla se indican datos orientativos para la seleccin de turbinas para los diferentes intervalos de potencia neta. Potencia netaN X =n chorros Pelton Francis < 500 kWmicrocentral1000-300010,80,82 500-5000 kWminicentral1000-30001, 20,850,85 5000-10000 kWmidicentral500 -30001, 2, 40,880,9 > 10.000 kWmaxicentralCualquier N1, 2, 4, 60,90,93 Veamosunejemplo:setieneunacentralhidroelctricaquedisponedeun caudal de 6 m3/s con una altura neta de 500 m. Suponemos que el rendimiento de la maquina sea del 90%. Con estos datos se tiene: Pe = gQHn = 0,9.9800.6.500 = 26.460.000 W =36.000 CV 5 , 0 5 , 0 25 , 1 5 , 0 25 , 108 , 0500000 . 36xNxNx HP Nnnes= = = Se recuerda que el nmero de Camerer est preparado para que la velocidad de giro se exprese en rpm, la potencia efectiva en CV y la altura neta en m. O bien:( ) ( )5 , 0 4 / 32 / 14 / 32 / 1023 , 0500) / 6 /xN x NHx QN nq= = = Sienprimer trminose piensaenunaturbinapelton,teniendoencuentaque una turbina de este tamao, bastante importante, arrastra directamente al generador, la velocidad de giro de la turbina ha de ser de sincronismo, es decir: pfN No sincronism60= = donde:feslafrecuenciadelaelectricidadagenerarenHz,50enEuropa,ypel nmerodeparesdepolosdelgenerador.Conestosetienequelasvelocidadesde sincronismo son 3.000, 1.500, 1.000, 750 rpm, etc. Con todo lo anterior podemos pensar en una turbina pelton de cuatro chorros y 750 rpm de velocidad de giro, con lo que: 154 Turbinas de reaccin Dto. Ing. Nuclear y Mecnica de Fluidos.E.U.Politcnica de Donostia-San Sebastin rpm ns1 , 30475008 , 05 , 0= = ;62 , 84750023 , 05 , 0= =qnnmero de Camerer con que trabajan las turbinas pelton con buen rendimiento. Si se pensara solucionar el caso con una turbina de reaccin lo primero que se ha de calcular es el lmite de ns para que no se produzca cavitacin, lo haremos con la expresin de Thoma, supondremos que la central se encuentra en la cota 400 m ns aHH H = Ha = 10,33 400/900= 9,885 mcagua NNHP Nnnes08 , 0500000 . 3625 , 1 25 , 1= = = (Factor de Thoma) >2,1.10-6 ns2 + 1,2. 10-4 ns + 0,01 Hn = 500 m Partiendo de las velocidades de sincronismo, se calcula ns y , con estevalorseobtienelaalturalmitedeltubodifusor,conelloseeligela solucin.Ennuestrocasoseobtieneuna ns7m/s),mientrasquesetiendeaelevarestevalorporencimade2,5 para emplazamientos de medio y bajo potencial. En este caso los lmites tcnicos son lasaltasvelocidadestangencialesenpuntadepala,queobliganaquelosrotores debangiraramenosrevoluciones,enestesentidolavelocidadvariableyeltipode tecnologa juegan un papel fundamental. Elrotorestcompuestoporelejedegiro,laspalas,yelbujequealbergael sistema de amarre de las palas al eje de giro.El rotor junto al multiplicador configura el llamado tren de potencia. Los rotores se clasifican bsicamente por ser de paso fijo o variable segn que el amarre de la pala al buje sea fijo o permita unmovimiento de giro sobre su propio eje.Laposibilidaddelcambiodepasodepala,permiteunamayorproduccin energticadebido a una mejor adaptacin aerodinmica de la pala al viento incidente. Comocontrapartidaelpasovariablesuponeunacomplejidadadicionalalsistema, mayores costes de inversin y mantenimiento o una menor robustez constructiva. Fig: 9.3.- Principio de funcionamiento Existen adems rotores con palas fijas y sistema de regulacin por basculacin de todo el conjunto, en tal caso la regulacin de potencia se consigue por disminucin del rea de captacin. Atendiendo a la velocidad de giro del rotor, se pueden clasificar en rotores de velocidad de giro fija y variable. Mquinas Hidrulicas . T - 9171 Dto. Ingeniera Nuclear y Mecnica de Fluidos E.U.Politcnica de. Donostia- San Sebastin Las palas generalmente estn fabricadas en resina de polister reforzadas con fibra de vidrio 1.- pala 2.-Rodamiento pala 3.-Actuadordel pitch 4.-Cubuerta del buje 5.-Buje 6.-Control orientacin 7.-Torre 8.-Alojamientocojinete principal. 9.-Amortiguadores 10.-Multiplicadora 11.-Freno de disco12.-soporte gondola 13.-Eje cardan 14.-Generador 15.-Transformador 16.-Anemmetro 17.-Armario control 18.-Cubierta gondola Fig: 9.4.- Vista interna de un aerogenerador El buje, fabricado normalmente en fundicin, alberga en su interior el sistema deactuacindelapala(pasovariable)olosconectoresdelsistemadefreno aerodinmico (paso fijo). El eje al que va amarrado el buje, generalmente eshueco para permitir en su interior las conducciones para el control de potencia. 3. - HIPTESIS DE RANKINE Las hlices son aparatos que obtienen una fuerza de propulsin gracias a una variacin de la cantidad de movimiento. Rankine y Froude establecieron en 1889 las hiptesis bsicas para su estudio. Dichas hiptesis son las siguientes: Flujo unidimensional. Flujo permanente. Viscosidad nula. Ausencia de torbellinos. Fuera de la estela no influye el movimiento de la hlice. Densidad constante. Reparto de presiones y velocidades segn el esquema adjunto. 172 Turbinas Elicas Dto. Ingeniera Nuclear y Mecnica de FluidosE.U.Politcnica de. Donostia San Sebastin ESTELAV1 V1 V4 V1 1 2 34 V V1 V V4Fig: 9.5.- Estela de la hlicey

1 2 3 4

distribucin de Velocidad y presin. P P2 P1 P4 P3 Elfluido,alatravesarlaestela,disminuyesuvelocidadentrelaseccin1y2 (aumentandolaseccintransversaldelflujoyaqueespermanente),debidoaellola presin aumenta. Alpasaratravsdelahliceelfluidoaportasuenergaadichahlice disminuyendo la presin. Entrelaseccin3y4lapresinaumentaparallegara4conlapresin correspondiente a la exterior y para ello la velocidad disminuye (aumentando de nuevo la seccin transversal). LavelocidadVnocambiaalpasarelfluidoatravsdelahlicedesdela seccin 2 a la 3. Las presiones en 1 y 4 as como a lo largo de la superficie lmite de la estela, son las del fluido no perturbado. Mquinas Hidrulicas . T - 9173 Dto. Ingeniera Nuclear y Mecnica de Fluidos E.U.Politcnica de. Donostia- San Sebastin Aplicando Bernoulli entre 1 y 2, y entre 3 y 4, al no existir prdidas de energa, segn las hiptesisestablecidas, se verifica: B1 = B2 (P1/) + V12/2g = (P2/) + V22/2g B3 = B4 (P3/) + V32/2g = (P4/) + V42/2g Sumando las dos ecuaciones miembro a miembro y teniendo en cuenta que:

V2 = V3 = V,yP1 = P4 (P1/) + V12/2g+ (P3/) + V32/2g = (P2/) + V22/2g + (P4/) + V42/2g

reduciendo: V12/2g+ (P3/) = (P2/) + V42/2g (P2 - P3) = (V12-V42)/2 AplicandoelteoremadelacantidaddeMovimientoenelvolumendecontrol formado por la estela de la hlice: -R(hlice/estela) = Q (V4 - V1) R ()= Q (V1 - V4) F (fluido/hlice) ()= (P2 - P3) Ahlice Por tanto: (P2 - P3) Ahlice = Q (V1 - V4) Q = Ahlice V sustituyendo: (P2 - P3) = V (V1 - V4) Igualando las dos expresiones: (V12-V42)/2 = V (V1 - V4)y reduciendo V = (V1 + V4) / 2 3.1.- POTENCIA MXIMA DEL VIENTO. Tericamente, la potencia o energa por unidad de tiempo que existe en un flujo de aire a su paso por una superficie A, siendo V1 la velocidad del flujo, viene dado por: P = 1/2 Q V12 = 1/2 A V13 Siendo P la potencia en W, la densidad del aire en kg/m3, A superficie en m2 y V1 la velocidad en m/s. Al instalar un sistema de captacin, la energa por unidad de tiempo aportada a la hlice, o aprovechada por el rotor, est dada por la diferencia de energas entrante y saliente en la estela de dicha hlice: Pa = 1/2 Q (V12 - V42) El caudal que atraviesa el rea barrida por la hlice es: Q = Ah V 174 Turbinas Elicas Dto. Ingeniera Nuclear y Mecnica de FluidosE.U.Politcnica de. Donostia San Sebastin Pa = 1/2 Ah V (V12 - V42) SedefinecoeficientedepotenciaCp,orendimientoalarelacinentrela potencia aprovechada por el rotor Pa y la existente en el viento P: Cp = Pa / P La potencia aprovechada por la mquina en funcin de la velocidad del viento, dalugaralaconocidacomocurvadepotenciadelamquina,unavezquesele introducen los rendimientos correspondientes al tren de potencia. VvientoPotenciaPaso variablePaso fijoZona 1 Zona 2 Zona 30 Va Vn VcPn Fig: 9.6.- Diagrama de potencia en funcin de la velocidad del viento. Desde 0 a Va la velocidad del viento es inferior a la de arranque de la mquina, no producindose energa. DesdeVahastaVpmaxlaaeroturbinaestgenerandoenergaenorden crecientehastalaposicinenlaquela mquinagenerasupotencia mxima.Dentro delrangodeoperacindelamquina,seencuentrasupuntodepotencianominal, quesecorrespondealavelocidaddelvientoconsideradacomonominal(Vn).Enla zona3:semantienelapotencianominalmediantelosmecanismosdecontrol.Y finalmente a la Vcorte: se para el aerogenerador, por razones de seguridad. Desdelaposicindepotenciamximahastaladefreno(Vp)laaeroturbina intentamantenerseaproximadamentealapotencianominalsirviendosedelos mecanismos de control. La mayor o menor adaptacin de la aeroturbina a la potencia nominaldependerdeltipodeturbina:pasofijo,pasovariable,velocidadvariable, basculacin, etc. 3.2.- FORMULA DE BETZ El coeficiente de potencia tiene un mximo terico del 59 %y que es conocido como lmite de Betz: Cp = |1/2 Ah V (V12 - V42) | / |1/2 Ah V13 | Reduciendo y sustituyendo valores: Cp = (V1 + V4) (V12 - V42 ) / 2 V13 = (V13 + V12 V4 - V1 V42 - V43 ) / 2 V13 Mquinas Hidrulicas . T - 9175 Dto. Ingeniera Nuclear y Mecnica de Fluidos E.U.Politcnica de. Donostia- San Sebastin Llamando: = V4 / V1 Cp = 1/2 (1 + - 2 - 3 ) Calculando el mximo del coeficiente de potencia: d Cp / d = 1/2 ( 1 - 2 - 32 ) = 0 = 1/3 y = -1 d2 Cp / d 2 = 1/2 (-2 -6) para = 1/3 d2 Cp / d 2 < 0 mximo Sustituyendo = 1/3 se obtiene el valor mximo del coeficiente de potencia: Cp = 0,59 Formula de Betz En la prctica Cp puede alcanzar valores superiores al 40% 4.- DATOS SOBRE LA ENERGA ELICA Para la puesta en marcha de los aerogeneradores es necesario un viento de 4 m/s (14,4 km/h) de velocidad. Para alcanzar el valor nominal el viento debe ser de 16 m/s y para trabajar con potencia constante 25 m/s. La velocidad permanente de giro de las palas se mantiene en 30 rpm cuando la produccinesalta,estosignifica quelavelocidadlinealenlapuntadelapalaesde 250 km/h Paralainstalacindeunparqueelico,esnecesariocomomnimouna velocidad media del viento de 6,3 m/s. Cada torre de apoyo mide 40, 45, 50 m, tienen un dimetro de 3 m en la base y se mantienen en una base de hormign de 10 por 10 metros cuadrados. Las palas de la hlice miden alrededor de 20 m. Elaerogeneradorpuedepesarentre52y58toneladas:latorreentre28y36 toneladas; el generador, que se coloca encima de la torre, 18 toneladas y el rotor con las palas 8,5 toneladas. Los aerogeneradores actuales son de 500 -750 kW, en un futuro prximo sern de 1000-2000 kW. Actualmenteelcostodeinversinesde900Euros/kWyparaelao2010se espera que el costo sea de 600 Euros/kW. En Euskadi el viento existente es Norte/Sur. Los parques elicos se colocan en los montes orientados en direccin Este/Oeste y a una altitud de unos 800 m. Las sierras donde se construyen los parques deben de tener una longitud de 2 km,ladistanciaentrelosaerogeneradoresesde100m.Aloancho,encambio,la ocupacin suele ser de 40 m. Dentrodecadatorredeapoyosecolocaeltransformador,queelevalabaja tensin que produce el aerogenerador (650 V) a una tensin media de 20.000 V. Esta 176 Turbinas Elicas Dto. Ingeniera Nuclear y Mecnica de FluidosE.U.Politcnica de. Donostia San Sebastin energasetransportapormediodecablessituadosaunmetrodeprofundidad, poniendo cajas de registro cada 30 m. En la subestacin se eleva la tensin de 20.000V hasta 200.000 V y se hace la unin con la red elctrica general por medio de torres de alta tensin. Hoyendaelpreciodel kWh domesticoesde15pta. Segnlasituacindel parque el gasto de un parque elico esta entre 2-3 pta/kWh. La Unin Europea quiere que las energas renovables tengan un peso del 12% para el ao 2010. Posible potencia en EUSKAL HERRIA Si se construyen 22 parques elicos Alava324 MW (72,3%) Vizcaya36,6 MW (8,2%) Guipuzcoa 87,6 MW (19,5%) Total 448,2 MW Funcionando 2100 horas al ao 687.668 MWh al ao 81.664 MWh"" 177.731 MWh"" 8 - 10 % del consumo Si se construyen 46 parques elicos: En total 1.300 MW 22 % del consumo 4.1.- ENERGA RENTABLE Elaugequehasufridolaenergaelicasehadebidoengranparteala rentabilidaddelasinversiones.Peroculessonlosfactoresquehanconvertidoen algo apetecible para la iniciativa privada? Eldesarrollotecnolgicoenlosaerogeneradores,hahechoquelosndicesde potencia (inversin total/potencia instalada) hayan disminuido notablemente. Losparquestienenunavidatilnoinferioralos20aosylainversinpuede amortizarse en 7 o 10 aos dependiendo del parque. Est incentivado con subvenciones regionales, nacionales y comunitarias. La poltica institucional hace que la compra del kWh producido en un parque elico se vea favorecido frente a otras fuentes de energa. Laenergaelicaproporcionabeneficiossocialesmuchomayoresquelos suministrados por las energas convencionales. As, la energa elica crea muchos ms puestos de trabajo por teravatio hora producido al ao. Mquinas Hidrulicas . T - 9177 Dto. Ingeniera Nuclear y Mecnica de Fluidos E.U.Politcnica de. Donostia- San Sebastin DESGLOSE DEL COSTE DE UN PARQUE EOLICOObra civil8%Sistema elctrico12%Ingeniera 8%Aerogeneradores72% Fig: 9.7.- Repartp del costo de un parque elico 5.- ASPECTOS MEDIOAMBIENTALES La interaccin de un parque elico sobre el entorno circundante se produce de distintas formas y su nivel de impacto es de muy diversa consideracin. A continuacin se analizan los impactos mas relevantes. 5.1.- IMPACTO POR EROSIN Laerosinproducidaporlosmovimientosdetierranecesariosenunparque elico est directamente relacionada con la extensin de los caminos necesarios para accederalaplanta,yacadaunadelasmquinas,yaquelosmovimientospara cimentacin o edificiosno son en general importantes en relacin a los primeros. 5.2.- IMPACTO VISUAL Lapercepcindeunparqueelicoesfuertementesubjetivaydependedela motivacindelobservador.NoobstanteestudiosrealizadosenlosPasesBajos indicanqueelnmerodemquinas,sutamaoydisposicinsonfactores fundamentales. El factor mas importante, al parecer, es el tipo de paisaje sobre el que se instala el parque.. 5.3.- IMPACTO SONORO Elruidoenlosaerogeneradoresprocedededoscausas fundamentales:ruido aerodinmicoyruidomecnico.Uncuidadodiseodelrotorpuedereducirdeforma notableelruidoaerodinmicoyeladecuadoaislamientopodrreducireldeorigen mecnico. El problema no es preocupante, ya que los parques se instalan en lugares relativamente alejados de las zonas pobladas. 5.4.- IMPACTO SOBRE LA AVIFAUNA Lainteraccinconlaavifaunaseproducefundamentalmenteporimpactode lasavessobrelosaerogeneradores,porelectrocucinoimpactosobrelaslneas 178 Turbinas Elicas Dto. Ingeniera Nuclear y Mecnica de FluidosE.U.Politcnica de. Donostia San Sebastin elctricas, por un lado, y por perturbar sus hbitos de nidificacin o alimentacin, por otro. Sibiensehaencontradoavesheridasomuertasporchoquecontralos aerogeneradores,elproblemanoparecealcanzarproporcionespreocupantes.En cuanto a las lneas, el problema puede minimizarse cuidando el trazado de las mismas yutilizandodispositivosparahacervisiblesloscables.Entodocaso,parece aconsejable un estudio detallado antes de la instalacin del parque,especialmente en corredoresdeavesmigratorias,zonadealtadensidaddenidificaciny,engeneral, zonas de especial incidencia ornitolgica. Mquinas Hidrulicas. T - 10 179 Dto. Ingeniera Nuclear y Mecnica de Fluidos E.U.Politcnica de. Donostia- San Sebastin TEMA 10.- ELEMENTOS DE UNA TURBOBOMBA 1.- DEFINICIN Y CLASIFICACIN DE BOMBAS HIDRULICAS Lasbombashidrulicassonmquinasreceptorascuyamisinesincrementar laenergadeloslquidos,transformandolaenergamecnicaquerecibendelmotor de arrastre en energa hidrulica. La energa hidrulica, como es conocido,es la suma de tres clases de energa: deposicin,develocidadydepresin;porlotantounabombahidrulicahadeser capaz de aumentar uno o ms de dichos tipos de energa. El incremento de la energa de posicin, con inters prctico, slo lo efecta un ingenio ideado por Arqumedes, denominado "Tornillo de Arqumedes", que todava se utiliza hoy en da. Consiste, tal como se vi en el tema 1 de la asignatura, en un tubo al que se le arrollaexteriormenteunachapaenespiral,todoelloubicadoenuncanalcircularo semicirculardispuestoenplanoinclinado,encontrndosesuextremoinferior sumergidoenuncanalodepsitoalimentador.Produciendoungiroaltornillose consigue, gracias al rozamiento, que el agua se eleve hasta un punto superior donde se vierte. El ngulo de inclinacin con que se dispone el tornillo es del orden de 30 y la velocidad de giro oscila entre 30 y 60 rpm; el rendimiento alcanza el 75%. Lgicamentelaalturadeelevacintieneunlmite,pueseltornillonopuede tenerapoyosintermedios;normalmentenoseconstruyenlongitudessuperioresalos 15m,yportantolaalturamximaconseguidasereducealos7,5m aproximadamente, si bien pueden conseguirse alturas superiores disponiendo tornillos de Arqumedes en serie. ParatenerunordendevaloresdiremosqueuntornillodeArqumedesde tamaomedioquepuedetenerundimetroexteriorde300mm,permiteelevarun caudalde15l/s,existiendopiezasqueelevancaudalesmuysuperiores,dehasta6 m3/s.EsobvioquepuedendisponersetornillosdeArqumedesenparalelopara incrementar el caudal. El aumento exclusivo de la energa cintica de un lquido mediante una bomba nopuedeconseguirseconbuenosrendimientos.Sisequiereobtenerunagran velocidad se realiza mediante una transformacin hidrulica de energa de presin en energa de velocidad mediante una fuerte reduccin de la seccin de paso. Por otra parte no interesa realizar el transporte de un lquido con una velocidad importante pues llevara consigo grandes prdidas de carga. Sin embargo s que existen unos aparatos que incrementan la velocidad de los lquidos, denominados eyectores (tema 1), o bombas de chorro, si bien el incremento delavelocidaddellquidonoeselobjetivofinaldelingenio,puesrealmentesu finalidad es mezclar dos lquidos o un lquido y un gas; se trata de unas bombas que carecendeelementosmvilesqueutilizancomoelementomotorlquidosen movimiento. 180 Elementos de una turbobomba Dto. Ingeniera Nuclear y Mecnica de FluidosE.U.Politcnica de. Donostia San Sebastin Ellquido"motivador"pasaporunaboquillaporlaqueporefectoVenturise incrementafuertementesuvelocidad,reducindoselapresinpordebajodela atmosfrica,seaprovechaestoparasuccionarotrolquido,oungas,quesemezcla con el anterior en una cmara; a continuacin se incrementa la seccin para disminuir la velocidad y aumentar la presin. Tratandolasposiblesformasdeincrementarlaenergadeunlquidosehan vistoaquelloscasosqueelevanslolaenergadeposicinysloladevelocidad, restanahoralasmanerasdeaumentarlaenergadepresinyaquellasque incrementanmasdeuntipodeenerga;peroresultaquenoexistenbombasque eleven la energa de posicin, salvo el tornillo de Arqumedes, pues entre la entrada y la salida de cualquier bomba la diferencia de cotas es nula o reducida, por ello dentro de las bombas que elevan mas de un tipo de energa slo se tienen las que aumentan o trabajan con una combinacin de la energa de presin y de velocidad. Visto lo anterior quedan por considerar las bombas que slo elevan la energa de presin y aquellas en las que intervienen las energas de presin y de velocidad. 1.1.- CLASIFICACIN DE LAS BOMBAS HIDRULICAS En el momento de realizar la clasificacin de las bombas hidrulicas se puede casiafirmarquesolamenteexistendosgrandesgruposdebombas:lasqueelevan nicamente la energa de presin, denominadas bombas de desplazamiento positivo, y lasqueincrementanunacombinacindelasenergasdepresinyvelocidad, llamadasturbobombas.Podraaadirseaestaclasificacinuntercergrupo, denominado de bombas especiales, que a modo de cajn de sastre reuniera una serie de bombas no clasificables en los grupos anteriores, en el que figuraran el tornillo de Arqumedes,loseyectoresyotraseriedeaparatosquesirventambinpara incrementar la energa de los lquidos que utilizan distintas tcnicas en las que ahora no vamos a entrar. 1.1.1.- Bombas de Desplazamiento Positivo Las bombas de desplazamiento positivo se basan en el principio de Pascal, es decirenconseguirdealgunamaneraincrementarlapresinenunpuntodellquido para que esta elevacin se transmita ntegra e inmediatamente a todos los puntos del fluido. Constan de un elemento denominado "desplazador" que precisamente desplaza positivamenteellquido,deahsunombre,desdeunazonadondehaylquidoauna presinreducidaaotradondeseencuentralquidoaunapresinsuperior,dondelo deposita. Lasbomasdedesplazamientopositivoobombasvolumtricastienenuna construccin difcil que las hacen en bastantes casos de coste elevado. Esta dificultad es consecuencia de la necesidad de dar estanquidad a la separacin entre las zonas de presin elevada y reducida, y la de la propia bomba con el exterior. Este tipo de bombas se clasifica a su vez en bombas alternativas y en bombas rotativas,distinguiendolaformaconquesemueveelelementodesplazadordel lquido. En el captulo 1 se dio una visin general de las mquinas de Desplazamiento Positivo, por ello en este captulo no se va a insistir mas en ellas. Mquinas Hidrulicas. T - 10 181 Dto. Ingeniera Nuclear y Mecnica de Fluidos E.U.Politcnica de. Donostia- San Sebastin 1.1.2.-Turbobombas Lasturbobombassebasan,aligualquelasturbinas,enelteoremadela cantidad de movimiento, o ms exactamente en teorema del momento de la cantidad de movimiento, tambin llamado teorema del momento cintico y teorema de Euler. Esdecirestasmquinasmedianteelgiroproducidoporunmotordearrastre generanunafuerzaexteriorsobreelrodetequetienecomoconsecuenciael incrementodelacantidaddemovimientodelfluidoqueatraviesalamquinade manera continua y la presin en la seccin de salida de aquel. Estetipodebombasessindudaelmsempleadoyelqueseutiliza universalmenteparatrasegarcasitodotipodelquidosacualquieraltura,solamente lquidosmuyviscosos,caudalesmuypequeosyalturasmuygrandesofrecen dificultades a este tipo de mquinas. 1.1.3.- Bombas especiales Elrestodelasbombasquenoesposiblecatalogarcomobombasde desplazamientopositivooturbobombassepuedenincluirdentrodeuntercergrupo denominadobombasespeciales.Entreestaspuedencaberporejemplolasbombas turbina,bombasHytor,bombasdechorro,tornillodeArqumedes,arietehidrulico, bomba mamut, bombas transportadoras de polvos, etc. 2.- DISPOSICIN DE CONJUNTO DE UNA TURBOBOMBA La turbobomba, como se ha indicado ms arriba, es una turbomquinas con funcionamiento y diseo parecido a las turbinasde reaccin. Constan de una carcasa donde se encuentra el rodete o impulsor y el sistema difusor. Fig 10.1.- Turbobomba 182 Elementos de una turbobomba Dto. Ingeniera Nuclear y Mecnica de FluidosE.U.Politcnica de. Donostia San Sebastin Elqueunabombaseadeuntipouotrodefinenosolamentesu comportamiento,sinoqueademsycomoresultaobviocorrespondenatipologas diferentes,sobretododelrodete,queeselrganofundamentaldelamquina.Alo largodeestosapuntessepodrnirobservandolasdiferenciasentredichostiposde bombas, e instamos al lector que las vaya deduciendo. 3.- RODETE 3.1.- TIPOS DE RODETES Lostrestiposderodetes,anlogamentealovistoenturbinasson:rodete radial, diagonal y axial. Es preciso hacer constar que no hay unas fronteras definidas entre los tres , sino que existe una evolucin suave entre unos y otros. Las bombas ms utilizadas corresponden a las radiales y mixtas o diagonales, que son las que pueden denominarse centrfugas dada la trayectoria del lquido, y que comoyasehaadelantadodannombre,indebidamentealatotalidaddelas turbobombas. a)b)c) Fig 10.2: Turbobombas: a) Bomba centrfuga, b) Bomba helicocentrfuga o diagonal, c) Bomba axial o de helice Desdeotropuntodevista,losrodetespuedenclasificarseencerrados, semiabiertosyabiertos.Losprimerosdisponendeunallantadeciertaimportanciay uncuboqueseprolongaparalelamenteaaquella(figura10.3),lescorresponden valores de velocidad especfica pequeos o medios (rodetes a, b y c de la figura 10.5). Losrodetessemiabiertoscarecendellanta,adoptandoestaforma normalmentecuandoellquidotrasegadocontienemuchasmateriasensuspensin, cuerdas o melazas, a fin de evitar obstrucciones y nudos (rodete d de la figura 10.5). Losrodetesabiertoscarecendellantaysucuboesreducido;coinciden sensiblementeconlasbombasdeflujoaxialdealtavelocidadespecfica,similaresa las turbinas hlice (rodete e de la figura 10.5). Mquinas Hidrulicas. T - 10 183 Dto. Ingeniera Nuclear y Mecnica de Fluidos E.U.Politcnica de. Donostia- San Sebastin

Fig 10.4: Vista derodetes:semiabierto,

Y abierto Losmaterialesmsusualesconquesefabricanlosrodetessonlosaceros msomenosaleadoshastallegaralosinoxidables,elbronceylosplsticos,estos ltimos para los casos, en general, ms elementales. Laseleccindelmaterialpasafundamentalmenteporlascaractersticas qumicas y temperatura del lquido a trasegar, por la cantidad y propiedades abrasivas oerosionantesdelassustanciasensuspensinoarrastradasporellquido,porla

cerradosemiabiero abierorodete diagonal abiero Fig 10.3: Cortes axiales de rodetes El rodete se fabrica, en general, por fundicin con posterior mecanizado y est formadoporunasolapieza,sibienenalgunasbombaselementalespueden construirseconprocedimientosmssencillos,comoporejemplo,porconformadode chapa y unin de piezas, mediante soldadura e incluso remache.

184 Elementos de una turbobomba Dto. Ingeniera Nuclear y Mecnica de FluidosE.U.Politcnica de. Donostia San Sebastin resistenciaquehadeofreceralacavitacin,porelservicioquehasesoportarla bomba y por la economa deseada. El bronce es el material ms utilizado en el caso de trasegar agua y lquidos no corrosivoscuyastemperaturasnosuperenlos120C;seempleaelaceroinoxidable cuandoloslquidossuperendichatemperatura,seancorrosivososerequierauna granresistenciaalacavitacin.Lasfundicionesdehierrosoloseempleansise desean bajos costos iniciales. Entodocaso,larugosidaddelasparedespordondehadecircularellquido debe ser pequea, con el fin de reducir en lo posible las prdidas por rozamiento. 3.2.- EVOLUCIN DEL RODETE CON LA VELOCIDAD ESPECFICA La velocidad especfica, como ya qued reflejado en la parte de estos apuntes dedicadaalasturbomquinas,eselparmetroqueporsslomejordefineel comportamiento de estas mquinas. En el estudio de las bombas se utilizan diferentes expresiones de la velocidad especfica,estandotodasellasbasadasenlosmismosconceptosyposeyendolas mismas utilidades. Adems del nmero de Camerer y de la velocidad especfica adimensional se suelenutilizarotrasexpresiones,conceptualmenteidnticas,perocondistintaforma, de entre ellas se tiene la siguiente: NNQHsQum=1234 (nmero de Brauer) dondeN,lavelocidaddegiro,seexpresaenrpm,Quelcaudaltildelabombaen m3/syHmlaalturamanomtricaenm.Estaexpresinsederivadelavelocidad especficaadimensionalenlaquesehaeliminadolagravedad,teniendoportanto dimensiones. EnAmricaseutilizalamismaexpresinperoelcaudalsemideengalones porminuto (1galn tiene3,785l)ylaalturaenpies(1pieesiguala304,8mm).La velocidaddegirosetomaenrpm.Lgicamenteresultaunavelocidadespecfica convencional con dimensiones; en tal caso la representaremos con N's. Enalgunasocasionesydadoelvalorreducidoqueposeelavelocidad especficaadimensionalseutilizaestamismamultiplicadapor1000,siendosu representacin Nsf. EsconvenienterecordarqueelnmerodeCamerer(ns=NPu1/2 /Hm5/4)es funcindelapotenciatilyportantodelpesoespecficodellquido,conlocualun mismorodeteposeediferentesvaloresdeaqulparacadalquido,mientrasquelas restantes expresiones son independientes del peso especfico del lquido trasegado. Serecuerdaigualmentequeaunquesesuelehablardevelocidades especficasdelabomba,realmentecorrespondenalrodete.Porlotantoenuna bomba multietapada de rodetes en serie, la altura que debe adoptarse en el clculo de Mquinas Hidrulicas. T - 10 185 Dto. Ingeniera Nuclear y Mecnica de Fluidos E.U.Politcnica de. Donostia- San Sebastin aquellaeslacorrespondienteaunsolorodete;demaneraanlogaenelcasode rodetes doblesha de tomarse la mitad del caudal. Teniendo en cuenta las expresiones de la velocidad especfica, y sin considerar lavelocidaddegiro,sepuedeafirmarquevaloresreducidosdedichosparmetros correspondenabombasquetrasiegancaudalesrelativamentepequeosconalturas manomtricas relativamente grandes y viceversa. Considerandoloanteriorsepuedededucirqueexisteunparalelismoentreel tipodebombaqueatiendealadireccindelflujoylavelocidadespecfica, correspondiendoalasbombasradialesvaloresreducidos,alasaxialesaltosyalas diagonales intermedios. En la figura 10.5 se representan secciones meridianas de diferentes rodetes y enelcuadroadjuntoseindicanlosvaloresaproximadosdelasexpresionesdesus correspondientes velocidades especficas. (a)(b)(c)(d)(e) Fig 10.5. Secciones meridianas de rodetes de diferentes velocidades especficas Valores aproximados de las expresiones de la velocidad especfica para diferentes rodetes 12345 nsNsNsqN'sNsf a b c d e 35 a 110 110 a 180 180 a 300 300 a 500 500 a 1200 0,03 a 0,09 0,09 a 0,15 0,15 a 0,24 0,24 a 0,40 0,40 a 1 10 a 30 30 a 50 50 a 80 80 a 135 135 a 330 500 a 1500 1500 a 2500 2500 a 4000 4000 a 6500 6500 a 16500 30 a 90 90 a 150 150 a 240 240 a 400 400 a 1000 1-Nmero de Camerer 2-Velocidad especfica adimensional (ns=1.214 Ns) 3-Nmero de Brauer (NsQ=332,3 Ns) 4-Velocidad especfica convencional (N's=17.170 Ns) 5-Nsf=1000,Ns= 3 NsQ 186 Elementos de una turbobomba Dto. Ingeniera Nuclear y Mecnica de FluidosE.U.Politcnica de. Donostia San Sebastin 4.- CARCASA Y SISTEMA DIFUSOR DE LA TURBOBOMBA 4.1.- CARCASA Conelfindepodermontarydesmontarelrodetedentrodelacarcasaes necesariodisearstaendospartes.Estadivisinpuederealizarseenunplano perpendicular al eje, en un plano transversal o bien en un plano axial que contenga a aqul. Enlasconstruccionesnormalesymsusualesserealizamedianteunplano normalaleje,teniendoestadisposicinelinconvenientedequeparaprocederala apertura de la carcasa es preciso desmontar previamente la tubera de aspiracin o al menos la brida que comunica con ella. Lasbombasenquesedividelacarcasaporunplanoquecontienealeje, normalmentehorizontal,sedenominanimpropiamentedecmarapartida.Enesta construccintantolabridadeaspiracincomoladeimpulsinsesitanenlaparte inferior de la cubierta, en planos normales al que contiene la particin de aquella, con lagranventajadequenoesnecesariodesmontarningnelementodelainstalacin parainspeccionarlasbombas,puesbastacondesatornillarlospernosqueunenlas dos partes de la carcasa. Es una solucin que se utiliza en los casos en que se disponen rodetes dobles ocombinacionesderodetesserie-paralelo;seutilizanengeneralparacaudales importantes, en bombas de potencia relativamente grande, siendo su costoelevado. En las figuras 10.6 y 10.7 se representan estos tipos de bombas Fig 10.6.- Bombasde cmara partida., divisin de la carcasa por un plano meridiano Mquinas Hidrulicas. T - 10 187 Dto. Ingeniera Nuclear y Mecnica de Fluidos E.U.Politcnica de. Donostia- San Sebastin Fig 10.7.- bombas en voladizo, divisin de la carcasa en plano normal al eje

4.2.- SISTEMA DIFUSOR DE LA TURBOBOMBA El sistema difusor, que, como se ha dicho, tiene las misiones de transformar la energa cintica en energa de presin y de recoger y conducir el lquido hacia la brida de salida de la bomba, est formado generalmente por la misma carcasa de la bomba. Existen difusores de diferentes tipos, entre ellos se tienen: Simplementeunavolutacolocadainmediatamentedespusdelrodete,tiene formadecaracolterminadaenuntroncodecono,talcomoseobservaenla figura10.8.a).Lasseccionespordondepasaellquidovanaumentandode tamao,conlaconsiguientedisminucindevelocidadeincrementodela presin. Difusorcilndrico,consistenteenunazonacilndricaubicadaalasalidadel rodete, que al aumentar la seccin de paso del lquido disminuye su velocidad. En general se proyecta un difusor de caracol a continuacin Fig 10.8.-a) bomba con difusor de voluta; b)bomba con difusor de labes + voluta;c) bomba con difusor de alabes + zona cilndrica. 188 Elementos de una turbobomba Dto. Ingeniera Nuclear y Mecnica de FluidosE.U.Politcnica de. Donostia San Sebastin Difusor liso mvil; en este tipo los labes del rodete no terminan con l sino algo antes,conlocualdentrodelpropioimpulsorseformaundifusorcilndrico mvil. En general lleva incorporado a continuacin un difusor de caracol.

Difusordelabes,eselmsperfectodetodos,estformadoporunoslabes fijosdispuestosencrculoysituadosacontinuacindelrodete.Elnmerode labes es normalmente reducido, entre 5 y 10. Su perfil, o mejor dicho el eje de superfil,seaproximaaldeunaespirallogartmica,paraqueellquidoasu paso,nocedaenerga.Acontinuacindeestetipodedifusorsecoloca generalmente otro del tipo de caracol (fig 10.8, b) y c) ). Silabombaesmulticelular,eldifusordisponesiempredelabesentrecada dos rodetes consecutivos, ya que entonces tiene la doble misin de ser difusor de uno y distribuidor del siguiente ( Fig 10.9).

Fig 10.9.- Difusor de labes en bomba muticelular La carcasa o cubierta de una bomba centrfuga, forma generalmente el difusor devolutaysirvedecierre.Sudiseodebesertal,quepermitaconfacilidad desmontar, reparar y sustituir cualquier pieza de la mquina. 5.- SISTEMAS DE SELLADO Se denominan sistemas de sellado a los procedimientos empleados para evitar, en lo posible, por una parte, que el lquido que circula por el interior del rodete retorne a su entrada, formando cortocircuitos hidrulicos, y por otra que no fugue al exterior de labomba,porelhuelgoexistenteentrelacarcasayelejedelabomba,alpenetrar ste en el interior de aquella. Los elementos que atenan los cortocircuitos hidrulicos constituyen el sistema de selladointerno, y los que evitan las fugas al exterior forman el sistema de sellado externo. 5.1.- SISTEMAS DE SELLADO INTERNO Entrelacarcasaqueesinmvilyelrodetequegiraaunagranvelocidad lgicamentehadeexistirunhuelgo,porelquenecesariamentecircularunacierta cantidad de lquido del punto de mayor energa al de menor. En este caso el punto de mayor energa se encuentra a la salida del rodete y el de menor a su entrada; como consecuencia parte del lquido que circula por el interior Mquinas Hidrulicas. T - 10 189 Dto. Ingeniera Nuclear y Mecnica de Fluidos E.U.Politcnica de. Donostia- San Sebastin delrodetedesdesuentradaasusalida,regresaporsuexterior,esdecirentrela carcasaylallantadelarueda,formandoloquesehadadoenllamarcortocircuito hidrulico. Para atenuar el caudal perdido se ha de reducir el huelgo lo ms posible, pero almismotiemponosedebeproducircontactoalgunoentrerodeteycarcasa,que ocasione prdidas mecnicas importantes. Paraconseguirtalfinseempleanlosdenominadosanillosdecierreoanillosrozantes, fabricados de materiales idneos y con la precisin necesaria, dispuestos en la carcasa y en algunos casos tambin en la parteperifrica del rodete. Fig 10.9: Turbobomba. Sistemade sellado interno La seccin transversal y posicionamiento de los aros de cierre es muy variada, comenzandoporunsimpleanillodeseccinrectangulardispuestoenlacarcasa,y siguiendoporundobleanillosituadosencarcasayrodete,poranillosenL,y concluyendo en anillos de cierre labernticosms o menos complejos. (Figura 10.9) El asunto consiste en que la diferencia de energas existente a uno y otro lado delsistemadesellado,quelgicamentenosealteraporlapresenciadelanillode cierre, produzca el mnimo caudal, y para ello hay que poner las mayores dificultades posiblesalpasodellquido;expresadodeotramaneradiremosqueconvienequeel anillo rozante posea la mayor longitud equivalente posible, adems de que la seccin transversal de paso sea mnima. Estaseccintransversalnopuedeminorarsetodoloquesequierapuesla distanciaentrecarcasayrodetenopuedereducirsedemasiadoyaquepodran producirsecontactosentreaquellos.Estehuelgoesdelordendelas4dcimasde milmetro. Unaformadeincrementarlasdificultadesaltrasiegodellquido,oseade aumentarsulongitudequivalente,es,enlosanillosdecierreenLylabernticos, cambiarbruscamentelaseccindepaso,demaneraqueseproduzcan transformacionesdeenergacinticaenenergadepresinyalainversa,conlas consiguientes prdidas. Los lugares donde en los anillos labernticos el lquido cambia desentidoyseaprovechapararealizarcambiosbruscosdeseccindepaso,se denominan cmaras de alivio. 190 Elementos de una turbobomba Dto. Ingeniera Nuclear y Mecnica de FluidosE.U.Politcnica de. Donostia San Sebastin Tambin se disponen aros de cierre en el cubo de la rueda para evitar que se produzcancortocircuitoshidrulicoscuandoaquelseperforaparaevitarlosempujes axiales, tal como se explicar ms adelante. 5.2.- SISTEMAS DE SELLADO EXTERNO Otropuntoquehayqueestanqueizaresaquelenelqueelejedearrastre penetra en la carcasa de la bomba, producindose un huelgo entre el elemento mvil y el fijo. Para ello se dispone la caja prensaestopas o los cierres mecnicos. 5.2.1.- Caja prensaestopas Lacajaprensaestopasconstadeunosanillosdematerialelastomricoque envuelve el eje, al sometrseles a un empuje axial se dilatan radialmente y consiguen la estanquidad necesaria, sin embargo es conveniente dejar formar entre eje y anillos una pelcula de lquido que haga de lubricante. Comoconsecuenciaseproduce,porunaparte,uncierretotalentrela empaquetadura y la parte esttica del sistema, es decir con la cubierta, y, se propicia la formacin de una pelcula de lquido entre el eje y aquella, de forma que se permita la circulacin y salida de una pequea cantidad delquido, que lubrique y refrigere el sistema. De esta manera se consigue que la energa consumida por el rozamiento entre empaquetadura y el eje sea mnima, y adems que el caudal perdido se reduzca a un valor totalmente inapreciable, una o dos gotas por segundo, equivalentes a un caudal inferior a los 0,4 litros por hora. Fig 10.10.- Sistemade sellado externo. Caja prensaestopas Ungoteoinferioresinadecuadopuespuedepropiciarladesaparicindela pelculayproducirdesgastesenelejeoenelcasquilloquelodefienda,einclusola anulacindelgoteopuedesignificarenocasionesqueelaireexteriorpenetreenel interiordelabomba.Ungoteosuperioresinnecesario,pudiendoreducirsesinms que dar un pequeo giro al tornillo de apriete de la empaquetadura. Mquinas Hidrulicas. T - 10 191 Dto. Ingeniera Nuclear y Mecnica de Fluidos E.U.Politcnica de. Donostia- San Sebastin Fig 10.11.- Caja prensaestopas y vista de la empaquetadura Elsistemarecibeelnombredecajaprensaestopaspor queprimitivamentese utilizaba la estopa como empaquetadura; actualmente el material utilizado es variado, amiantografitado,metlico,tefln....,dependiendodellquidoaelevar.La empaquetadura,normalmentedeseccintransversalrectangular,puedeestar formadaporanillosindependientes,obiendisponersedemaneracontinuaformando una espiral (figura 10.12). a) b) c) Fig 10.12.- Diferentes empaquetaduras: a)cordn de asbesto grafitado;b) espiral metlica;c) Combinacin de diferentes metales en forma de anillo. Cuandoellquidoquesetrasieganoesaptoparaqueformelapelcula refrigerante y lubricante, como por ejemplo cuandosu temperatura es elevada, es un lquidocidooabrasivoocontienepartculasensuspensin,esnecesariointroducir en la caja prensaestopas un lquido limpio y fro, desde el exterior. Para ello las cajas disponen un anillo agujereado en una zona intermedia de la empaquetadura por el que penetra el lquido gracias a un sistema auxiliar de bombeo (figura 10.13). Fig 10.13.- Caja prensaestopas con lquido auxiliar 192 Elementos de una turbobomba Dto. Ingeniera Nuclear y Mecnica de FluidosE.U.Politcnica de. Donostia San Sebastin El anillo, que suele recibir el nombre de jaula del sello, se ubica ms o menos prximoalaparteinteriordelacarcasasegnlascaractersticasdellquido trasegado;assetienequesiellquidoessuciooarenoso,ynointeresaque forme pelcula entre casquillo y empaquetadura, la jaula se coloca muy prxima al interior de la bomba. Sin embargo cuando no interesa que el agua exterior de sellado penetre en la bomba la jaula se sita en el lado opuesto. Fig 10.14.- Anillo farol o jaula de sello En ciertas ocasiones en que el lquidotrasegado tiene una alta temperatura la caja prensaestopas dispone de una camisa que la envuelve por la que se hace circular agua fra. En algunos casos en que el eje penetra en la carcasa en la zona de aspiracin de la bomba y con el fin de que no entre aire del exterior, se introduce lquido a presin porlaparteintermediadelaempaquetadura,graciasaunatuberaoconductoque procede de la zona de impulsin de la bomba (figura 10.15). Entodocasolacajaprensaestopasesunpuntodbildelabombaquedebe ser mantenido con atencin durante el funcionamiento de la mquina. Fig 10.15.- Conexin de la caja prensaestopas y la impulsin 5.2.2.- Cierres mecnicos Unsistemadeselladomsmoderno,fiableyduraderoquelacaja prensaestopas es el formado por los denominados cierres mecnicos. Estos constan de dos anillos de material cermico dispuestos uno fijo al eje de la bomba y el otro a la carcasa. Lgicamente se ubican en los mismos puntos que las cajasprensaestopas,esdecirenaquellosenqueelejepenetraenelinteriordela bomba.Losdosanillossepresionanelunocontraelotromediantemuelles(figuras 10.16 y 10.17). Mquinas Hidrulicas. T - 10 193 Dto. Ingeniera Nuclear y Mecnica de Fluidos E.U.Politcnica de. Donostia- San Sebastin Mientrasqueenlacajaprensaestopaselcierreserealizaenunasuperficie cilndricaqueenvuelveeleje,enloscierresmecnicoselselladoseefectaenun plano anular perpendicular al eje de la mquina. Fig 10.17.- Cierre mecnico. Esquema y despiece. Estos sellos pueden disponerse en el interior de la carcasa o en su exterior, y puedensersimplesobiendobles,esdecirformadosporunoodosparesdearos (figura 10.18). Fig10.16:Sistemadesellado externo. Cierre mecnico. 194 Elementos de una turbobomba Dto. Ingeniera Nuclear y Mecnica de FluidosE.U.Politcnica de. Donostia San Sebastin a) b) Fig 10.18.- a) Sello de montaje interior. b)Sello mecnico doble Mquinas Hidrulicas. T - 10 195 Dto. Ingeniera Nuclear y Mecnica de Fluidos E.U.Politcnica de. Donostia- San Sebastin El sellado mediante este procedimiento es cuasi perfecto, pues la pelcula que se forma entre los dos aros es finsima, produciendo a lo sumo en la salida unaneblina de lquido. El inconveniente que tiene es lgicamente su costo relativamente elevado, que no pueden soportar las bombas mas elementales. Loscierresmecnicosconstandedosdiscosdematerialcermicoapretados por muelles entre s, dispuesto uno de ellos fijo al eje y el otro fijo a la carcasa; de esta manera,dadalacasinularugosidaddelosmaterialescermicos,seconsigueuna prcticamente total estanquidad. Fig 10.19.- Elementos de un cierre mecnico 6.- ATENUACIN DE EMPUJES AXIALES Elrodetedelabombaestgeneralmentesometidoaesfuerzosaxiales descompensadosloquerepresentauninconvenientemecnicoqueesconveniente resolver. Fig 10.20.- Empujes axiales Lacaradeaspiracindelrodeteestsometidaensupartecentralauna presin muy reducida, incluso inferior a la atmosfrica, y su corona circular externa a una presin prxima a la de impulsin de la bomba; mientras tanto la cara posterior del rodete se encuentra toda ella a esta ltima presin; como consecuencia el rodete est sometido a un empuje axial hacia la aspiracin (figura 10.20).

196 Elementos de una turbobomba Dto. Ingeniera Nuclear y Mecnica de FluidosE.U.Politcnica de. Donostia San Sebastin La solucin ms empleada para evitar tal descompensacin es muy simple, lo quesehaceesperforarelcubodelrodeteenvariospuntossituadosalamisma distanciadelejeyprximoaste,de tal forma que secreaunacmaratraselcubo que posee sensiblemente la misma presin que en la succin (figura 10.21). Fig 10.21.- Compensacin del empuje axial mediante perforacin del rodete Paraatenuarlacirculacindelquidoqueevidentementeseproducir se dispone en la parte exterior del cubo del rodete un anillo de cierre auxiliar que forma con la carcasa el sistema de sellado interno necesario. Conestasolucinseconsigueeliminarsubstancialmenteelempujeaxial;el empuje residual que pudiera subsistir lo resistirn en ltima instancia los rodamientos. Lasbombasquetienerodetesdoblesobientienenvariosrodetes convenientementedispuestos,secompensanlosesfuerzosynoproducenempujes axiales (figura 10.22). Fig 10.22.- a)Rodete doble con empuje axial compensado. b) Bomba de 4 pasos con impulsores opuestos Mquinas Hidrulicas. T - 10 197 Dto. Ingeniera Nuclear y Mecnica de Fluidos E.U.Politcnica de. Donostia- San Sebastin 6.1.- DISCOS COMPENSADORES DE EMPUJES AXIALES Endeterminadasconstruccionesespecialeslasbombasdisponendediscos compensadores con el fin de eliminar los empujes axiales. Este sistema de compensacin consiste en situar en el eje y en el lado opuesto alaaspiracinundiscofijoaaquel,yenlacarcasauncontradisco.Eldiscoyel contra disco tienen una superficie de contacto con un huelgo entre ambos; tras ella se creaunacmara,denominadadeequilibrio,queseunealaaspiracinmedianteun conducto auxiliar (figura 10.23). Fig 10.23.- Disco compensador del empuje axial De esta manera se consigue que en el lado opuesto a la aspiracin exista una superficieanular,equivalentealadesuccin,sometidaalamismapresinquela aspiracin, consiguiendo as que los esfuerzos sean iguales en uno y otro sentido. Por otra parte esta solucin tiene la ventaja que los empujes se compensan automticamente, pues, por ejemplo, cuando el esfuerzo axial resultante sea mayor en el sentido del cubo de la rueda (hacia la derecha en la fig 10.23), el huelgo existente entre disco y contra disco se har mayor, se producir una circulacin de lquido de la cmaradeequilibriohacialaaspiracin,locualsignificaqueseproduceunamayor presinenlacmaradeequilibrioqueenlaaspiracin,loqueproducirunmayor esfuerzo en el sentido de la aspiracin y eliminar el empuje axial indeseado. Enelcasocontrarioenqueelesfuerzoaxialseasuperiorenelsentidodela aspiracin(hacialaizquierdaenlafig10.23),loshechossucedernalainversa, disminuirelhuelgoentrediscoycontradisco,seminorarlacirculacindelquido entrecmarayaspiracin,bajarlapresinenlacmara,yseequilibrarnlos esfuerzos. 198 Elementos de una turbobomba Dto. Ingeniera Nuclear y Mecnica de FluidosE.U.Politcnica de. Donostia San Sebastin 6.2.- TAMBORES COMPENSADORES Otra solucin especial para la eliminacin de empujes axiales son los tambores compensadores, consistentes en un cilindro, denominado tambor, dispuesto fijo al eje en el lado opuesto a la aspiracin, que gira dentro de un contratambor fijo a la carcasa, existiendoentreambosunpequeohuelgo;juntoaellosyenladoopuestoala aspiracin se crea una cmara de equilibrio que se pone en contacto con la aspiracin mediante un conducto auxiliar (figura 10.24). Fig 10.24.- Tambor compensador de empuje axial Endichacmaradeequilibrioeltambortieneunasuperficietransversal equivalentealadelasuccindondelapresinesprximaaladeaspiracin, producindose esfuerzos similares en uno y otro sentido, consiguiendo as eliminar los esfuerzos axiales. Estesistema,deformasimilarqueeldelosdiscoscompensadores,tienela virtud de equilibrar automticamente los esfuerzos axiales. Fig 10.25.-Combinacin de disco y tambor de equilibrio Mquinas Hidrulicas. T - 10 199 Dto. Ingeniera Nuclear y Mecnica de Fluidos E.U.Politcnica de. Donostia- San Sebastin 7.- ATENUACIN DE EMPUJES RADIALES Elrepartodepresionesalrededordelrodeteeshomogneoenelpunto nominaldefuncionamientodeunabomba,perocuandostetrabajaconcaudales diferentesapareceunrepartodepresionesdesequilibrado,queoriginaesfuerzos radialesnocompensados(figura10.26),quepuedenllegaraserimportantespara caudales reducidos, tal como se aprecia en la figura 10.27. Fig 10.26 Empujes radiales compensados y descompensados Debido