UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL "FRANCISCO DE MIRANDA"

ÁREA DE TECNOLOGÍACOMPLEJO DOCENTE EL SABINODEPARTAMENTO DE ENERGÉTICA

ASIGNATURA: MÁQUINAS HIDRÁULICASPROF. ING. ANA PEÑA

TEMA 1. INTRODUCCIÓN Y CONCEPTOS BASICOS DE LAS MÁQUINAS HIDRÁULICAS

Contenido del Tema 1:

1. Principio de Funcionamiento de las Máquinas Hidráulicas Generadoras Motoras

2. Tipos de Máquinas Hidráulicas Según el Principio de Funcionamiento Según el Movimiento del órgano Intercambiador Según el Flujo del Fluido

3. Componentes Principales de las Máquinas Hidráulicas

4. Notación de los Triángulos de las Velocidades

5. Ecuación Fundamental de las Turbomáquina Hidráulicas Primera Forma de la Ecuación de Euler Segunda Forma de la Ecuación de Euler

6. Grado de Reacción de las Turbomáquina Hidráulicas

DEFINICIÓN DE MAQUINA HIDRAULICASLa palabra Hidráulica proviene del griego "hydor" que significa agua. Hidráulica Es la ciencia que estudia la transferencia de energía que ocurre cuando se empuja a un fluido líquido, el cual es su medio transmisor.

Suelen emplearse aceites minerales pero también líquidos sintéticos, agua o una emulsión agua-aceite.

La ventaja que implica la utilización de la hidráulica es la posibilidad de transmitir grandes presiones de trabajo (hasta 700 bar).

Una máquina es un transformador de energía, es decir, ella absorbe energía de una clase y restituye energía de otra clase (un motor eléctrico, por ejemplo, absorbe energía eléctrica y restituye energía mecánica) o de la misma clase pero transformada (una grúa o un torno, por ejemplo, absorben y restituyen energía mecánica).

1. PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO DE LAS MÁQUINAS HIDRAULICASUna máquina hidráulica es una variedad de máquina de fluido que emplea para su funcionamiento las propiedades de fluido incompresible o que se comporta como tal, debido a que su densidad en el interior del sistema no sufre variaciones importantes. Las máquinas hidráulicas pertenecen a un grupo muy importante de máquinas que se llaman máquinas de fluidos. Aunque rara es la máquina en que no intervienen uno o varios fluidos como refrigerantes, lubricantes, etc.; eso solo no es suficiente para incluir dicha máquina en el grupo de máquinas de fluido. En toda máquina de fluido hay un intercambio entre energía de fluido y energía mecánica (por ejemplo, el agua sale de una bomba con más presión que la que tenía a la entrada de la misma, porque la bomba ha restituido al agua la energía absorbida en el eje). Las máquinas de fluidos se clasifican en máquinas hidráulicas y máquina térmicas. Etimológicamente máquina hidráulica es una máquina de fluido en que el fluido es agua y no obstante la turbina de vapor funciona con agua y no es una máquina hidráulica, sino una máquina térmica. Por el contrario, a pesar de que un ventilador no bombea agua, sino aire, el ventilador es una máquina hidráulica. Las bombas que bombean que bombean líquidos distintos del agua (gasolina, ácidos, etc.) también son máquinas hidráulicas. Aunque el líquido bombeado esté caliente la máquina no es una máquina térmica, sino que seguirá siendo hidráulica. En los motores hidráulicos, la energía del fluido que atraviesa la máquina disminuye, obteniéndose energía mecánica. En el caso de generadores hidráulicos, el proceso es el inverso, de modo que el fluido incrementa su energía al atravesar la máquina. Bajo esta premisa podemos establecer el principio de funcionamiento de las máquinas hidráulicas motoras y generadoras. Máquinas Hidráulicas Motoras: Son aquellas que absorben energía del fluido y la restituyen en energía

mecánica, es decir, la energía es entregada por el fluido a la máquina y ésta entrega trabajo mecánico. Un ejemplo son las turbinas hidráulicas (Pelton, Francis y Kaplan), las aeroturbinas y los molinos de viento.

Máquinas Hidráulicas Generadoras: Son aquellas que absorben energía mecánica y la restituyen en energía al fluido, es decir, la energía es entregada por la máquina al fluido, y el trabajo se obtiene de éste. Un ejemplo son las bombas, los compresores, las hélices, sopladores y los ventiladores.

En el siguiente esquema se resume el contenido de los términos anteriormente analizado:

2. TIPOS DE MÁQUINAS HIDRAULICAS:Las máquinas hidráulicas son aquellas en las que se transforma la energía que transporta un fluido incompresible (líquido). Para clasificar las máquinas hidráulicas, existen diversos parámetros a considerar, si tomamos en cuenta el principio fundamental de funcionamiento de la máquina hidráulica pueden clasificarse en turbomáquina y máquinas de desplazamiento positivo; si por el contrario consideramos el movimiento del

MAQUINAS

Maquinas de Fluídos

Máquinas Hidráulicas

Generadoras

Motoras

Máquinas Térmicas

Máquinas Electricas

Maquinas -Herramientas

órgano intercambiador de energía u órgano principal de la máquina, las máquinas hidráulicas pueden clasificarse en alternativas y rotativas. Enunciemos ahora el principio de funcionamiento de cada una de estas máquinas, atendiendo a diferentes criterios.

Según su principio de funcionamiento, las máquinas pueden clasificarse en:Turbomáquina o Rotodinámicas: aquellas que intercambian energía cinética y de presión siguiendo los principios de la ecuación de Euler. En estas se Produce un intercambio de cantidad de movimiento entre el fluido y la máquina a través de una pieza giratoria, llamada rotor o rodete (ver figura 2). El Fluido circula de forma continua a través de los canales que forman los alabes del rotor. Las fuerzas son sobre todo de dirección tangencial, por lo que hay un cambio en el momento cinético del fluido cuando atraviesa el rotor, y por ello se transmite un par entre el rotor y el fluido, y un intercambio de energía.

Figura 2Máquinas de Desplazamiento Positiva o Volumétricas: aquellas que emplean la variación de un volumen para interactuar con el fluido según el principio de desplazamiento positivo. En estas el intercambio de energía es sobre todo en forma de presión mediante el paso del fluido a través de una cámara de trabajo, en la que entra y sale en un proceso alternativo. El órgano de trabajo es el elemento desplazador y no hay conexión simultanea a través del fluido entre la entrada y la salida. Estas máquinas se pueden clasificar en alternativas (por ejemplo, de pistones), que requieren válvulas de admisión y expulsión, y giratorias (de engranes, levas, tornillos) cuyo diseño evita la necesidad de colocar válvulas de paso a las cámaras.

Figura 3. Máquinas de desplazamiento positivo a) De émbolo b) De engranes

Turbomáquina hidráulicas (T.M.H.) Máquinas de desplazamiento positivo (M.D.P.)Pueden bombear de forma continua elevados caudales, aunque a presiones no muy altas.

Teóricamente, su presión es ilimitada e independiente del caudal, con lo que son adecuadas para el bombeo a alta presión.

Tienen menos partes móviles y carecen de válvulas, con lo que su construcción mecánica es más simple y los desgastes son menores (menos mantenimientos).

Son autocebantes, dado que el vacío que genera la aspiración es suficiente para llenar la cámara.

Presentan una mayor potencia específica, es decir, a igual potencia, pesan menos y ocupan un volumen menor.

Presentan buenos rendimientos a altas presiones.

El flujo es continuo, con lo que no es necesaria la existencia de depósitos de regulación.

La componente cinética no tiene importancia en la transmisión de energía, dado que esta se realiza en forma de altura y presión.

Tabla 1: Tabla comparativa entre M.D.P. y T.M.H.

Según el Movimiento del órgano Intercambiador: Rotativas: el órgano intercambiador de energía esta provisto de movimiento de rotación (rodete) Alternativas: el órgano intercambiador de energía esta provisto de movimiento alternativo (émbolo)

Según el Flujo del Fluido

CENTRÍFUGAS O RADIALES

AXIALES

MIXTA

Radial: Si la trayectoria que sigue el fluido es principalmente normal al eje de rotación, las máquinas se consideran de flujo radial, también conocidas como máquinas centrifugas, en las que el flujo entra en la máquina en dirección axial y sale en dirección radial. Estas máquinas son apropiadas para altas presiones y bajos caudales.Axial: Cuando la trayectoria del fluido es fundamentalmente paralela al eje de rotación, el flujo entra axialmente entre ellas y sale igual en dirección axial. Estas máquinas centrífugas son apropiadas para bajas presiones y grandes caudales.Mixta Semi-Axial: Flujo diagonal al eje de rotación.

3. Componentes Principales de las Máquinas HidráulicasConducto De Entrada: Conduce El Fluido Hacia El Impelente Órgano Intercambiador De Energía: Es Donde Ocurre La Transferencia De Energía Hacia El Fluido Carcasa-Voluta: Conducto De Descarga: Conduce El Fluido Hacia El Sistema De Tuberías Sellos: Se Emplean Para Disminuir O Eliminar Totalmente Las Fugas De Fluido

Tipos De Impulsores: CERRADOS SEMIABIERTOS Ó

(SEMICERRADOS) ABIERTOS

1 Disco Trasero2 Disco Delantero3 Alabe

Impulsores Cerrados Álabes Unidos Al Disco Para Bombas Centrífugas Se Fabrican Por

Fundición Para Ventiladores Y Compresores Se Fijan Por

Medio De Remaches O Tornillos Se Emplean En Soluciones Limpias Generalmente Son De Ancho Constante, B1=B2

Impulsores Semiabiertos Compuesto Por Álabes Y Disco Trasero Necesitan Gran Ajuste Entre Carcasa Y Álabes

Para Evitar Recirculación Del Fluido

Impelentes Abiertos Los Álabes Se Fijan Directamente Al Eje. Se Emplean, Generalmente, En Bombas

Pequeñas, De Bajo Costo. Se Emplean Para El Trasiego De Sustancias

Abrasivas. Se Utilizan Nervios En La Unión Con El Eje, Para

Reforzar Su Resistencia.

4. TRIÁNGULOS DE VELOCIDADES Velocidades características en un impulsor

Velocidad relativa, w: es la velocidad de una partícula en relación a un observador en el impulsor

Velocidad absoluta, c: es la velocidad de una partícula respecto a un observador en tierra

EN LA MÁQUINA RADIAL LA VELOCIDAD EN NINGÚN PUNTO TIENE COMPONENTE AXIAL SOLO TIENE COMPONENTE TANGENCIAL Y RADIAL

EN LA MÁQUINA AXIAL LA VELOCIDAD EN NINGÚN PUNTO TIENE COMPONENTE RADIAL, SOLO TIENE COMPONENTE AXIAL Y PERIFÉRICA (U1 = U2) Y EL EFECTO DE LA FUERZA CENTRIFUGA ES NULA

EN UNA MÁQUINA MIXTA (RADIO AXIAL) LA VELOCIDAD TIENE TRES COMPONENTES SEGÚN LOS TRES EJES, RADIAL, AXIAL Y PERIFÉRICA

EN NINGUNA MÁQUINA FALTA LA COMPONENTE PERIFÉRICA QUE SEGÚN LA ECUACIÓN DE EULER ES ESENCIAL EN LA TRANSMISIÓN DE ENERGÍA

WΩ

C

Ω

TRIÁNGULO DE VELOCIDAD EN LA ENTRADA

W1C1

Cu1 Wu1

Cm1

Wm1

1 1

C1 = U1 + W1

U1 = Cu1 + Wu1

U1: velocidad periférica ó velocidad absoluta del alabeC1: velocidad absoluta del fluidoW1: velocidad relativa del fluido con respecto al alabeCm1: componente meridional de la velocidad absoluta del fluidoCu1: componente periférica de la velocidad absoluta del fluido

TRIÁNGULO DE VELOCIDAD EN LA SALIDA

W2C2

Cu2 Wu2

Cm2

Wm2

2 2

C2 = U2 + W2

U2 = Cu2 + Wu2

U2: velocidad periférica ó velocidad absoluta del alabeC2: velocidad absoluta del fluidoW2: velocidad relativa del fluido con respecto al alabeCm2: componente meridional de la velocidad absoluta del fluidoCu2: componente periférica de la velocidad absoluta del fluido

2112

22

2112 22

uuWWPPP

1. TRANSFORMACIÓN DE LA ENERGÍA CINÉTICA EN EL MOVIMIENTO RELATIVO 2. TRABAJO DE LAS FUERZAS CENTRÍFUGAS

5. ECUACIÓN DE EULERCONSIDERACIONES: El flujo tiene estructura de chorro, compuesto por una gran cantidad de tubos de corriente que

reproducen la geometría de los álabes El flujo tiene simetría axial, todos los tubos de corriente son absolutamente idénticos geométrica y

cinemáticamente El flujo es plano, no hay gradiente de velocidad a lo largo del eje paralelo al eje geométrico de la máquina

Primera Forma de la Ecuación de Euler (Punto de Partida)Aplicación de la ecuación del momento de la cantidad de movimiento a la masa dentro del canal: el impulso de las fuerzas exteriores que actúan sobre la masa es igual a la variación del momento de la cantidad de movimiento.

1122 lQClQCMt PASOS: 1. Sustituir el valor de L, por el radio constructivo, R l1=R 1 cos α1

l2=R 2 cos α22. Del triángulo de velocidades sustituir C por Cu C1u=C1cosα 1

C2u=C2cosα 2

3. Sustituir el momento por la potencia N t∞=M t∞ω

4. Utilizar el concepto de trabajo y su relación con la carga y la potencia N t∞= ρQLt∞=ρQgH t∞

ECUACIONES DE EULER

g

CuuCuuHt 1122

1122 CuuCuuPt

CONSIDERANDO EL NÚMERO FINITO DE ÁLABES

HtHt : COEFICIENTE DE CORRECCIÓN

ECUACIONES DE EULER PRIMERA FORMA

EXPRESIÓN ENERGÉTICA (Y)El signo (+) representa MÁQUINAS MOTORASEl signo (-) representa MÁQUINAS GENERADORASUNIDADES S.I: m2/s2

Y=±(u1cu 1−u2cu2 )

EXPRESIÓN EN ALTURA (H) UNIDADES S.I: m H=±

(u1cu1−u2cu 2)g

ECUACIONES DE EULER SEGUNDA FORMA

EXPRESIÓN ENERGÉTICA (Y)El signo (+) representa MÁQUINAS MOTORASEl signo (-) representa MÁQUINAS GENERADORASUNIDADES S.I: m2/s2

Y=±( u12−u222+w22−w1

2

2+c12−c2

2

2 )EXPRESIÓN EN ALTURA (H) UNIDADES S.I: m H=±( u12−u222g

+w22−w1

2

2 g+c12−c2

2

2 g )ALTURA DE PRESIÓN DEL RODETE

H P=±( p1−p2ρg )−±(u12−u222 g+w22−w1

2

2g )

EXPRESIÓN EN ALTURA DINAMICA (Hd)UNIDADES S.I: mLa Hd que da el fluido al rodete (turbinas hidráulicas) La Hd que da el rodete al fluido (bombas y ventiladores)

Hd=±( c12−c222g )6. GRADO DE REACCIÓNEl grado de reacción en una turbo máquina se refiere al modo como trabaja el rodete

σ=H P

H U

HP: Altura de presión del rodeteHU: Altura total del rodete (altura de Euler), siendo HU siempre positivo

Máquinas con grado de reacción igual a cero, son máquinas de acción Todas las bombas son de reacción Las bombas de acción no suelen construirse Las turbinas hidráulicas son de acción y reacción

BIBLIOGRAFÍA DE MÁQUINAS HIDRÁULICAS

CLAUDIO MATAIX. Mecánica de Fluidos y Máquinas Hidráulicas. Ediciones del Castillo S.A. ENCINA POLO. Turbomáquinas Hidráulicas. Editorial Limusa. KORASSIK. Bombas Centrifugas. REYES A, MIGUEL. Máquinas Hidráulicas. HICKS. Bombas Selección y Aplicación CRANE. Flujo de Fluidos en Válvulas, Accesorios Y Tuberías. McGraw Hill. KENNETH J. Bombas, Selección, Uso y Mantenimiento. McGraw-Hill RICHARD W. GREENE. Compresores. McGraw-Hill