Unidad 1 Conceptos Generales de Maquina Hidraulica

 

Índice 1.1.- Definición de máquina hidráulica............................................................................................1 1.2.- Clasificación de las máquinas hidráulicas................................................................................1 1.3.- Ecuaciones fundamentales de las maquinas hidráulicas..........................................................2 1.4.- Ecuación de Euler....................................................................................................................3 1.5 Ecuaciones vectoriales................................................................................................................3 1.6.- Clasificación de las máquinas hidráulicas con ase en la dirección del flu!o en el rodete......6

 

1.1.- Defnición de máquina hidráulica Una maquina hidráulica es un transforma transformador dor de energía, energía, esto es, recibe energía mecánica que puede proceder de un motor eléctrico, térmico, etc., y la convierte en energía que un fluido adquiere en forma de presión, de posición, o de velocidad. Otra definición puede ser: máquina hidráulica bomba!, es un dispositivo empleado para elevar, trans tra nsfer ferir ir o compri comprimir mir líq líquid uidos os y gases gases.. "n todas todas ellas ellas se to toma man n medid medidas as pa para ra ev evita itarr la cavitación formación de un vacío!, que reduciría el flu#o y da$aría la estructura de la bomba %ara una mayor claridad, buscando una analogía con las maquinas eléctricas, y por el caso especificó del agua, una bomba sería un generador hidráulico. "s conveniente no confundirse con la función que reali&a una turbina, ya que la turbina reali&a una función inversa al de una bomba, esto es, transforma energía de un fluido en energía mecánica.

1.2.- Clasifcación de las máquinas hidráulicas Clase

'as 'as bo bomb mbas as o maqu maquin inas as hidr hidráu áuli lica cas s se cla lasi siffica ican seg seg(n dos consid sidera raci cion one es generales diferentes:

Tipo

+oluta

•

'as que toman en consideración características de movimiento de líquidos y

ifusor  •

-urbina vertical

'a que se basa en el tip tipo o aplic licació ción específica para los cuales se ha dise$ado la bo bomb mba. a. "l uso uso de esto estos s do dos s méto método dos s de

lu#o mi/to

clasificació clasificación n degran bombas puede gran interés en una cantidad de despertar aplicaciones.

-urbina regenerativa

*entrifuga

lu#o a/ial

 ) continua continuación ción se muestra muestra una clasificación clasificación de de los diversos tipos de bombas que puede ser  (til (til pa para ra te tene nerr un una a idea idea más más clar clara a de las las clases y tipos de estas.

"ngranes  )labes 'eva y pistón -ornillo 'óbulo 0otatoria

1loque de vaivén  )cción directa directa %otencia iafragma

0eciprocante

0otatoria 2 %istón

1

 

1.3.- Ecuaciones undamentales de las maquinas hidráulicas 'a potencia requerida por una bomba se calcula en forma apro/imada por la fórmula: onde: 3 4 altura manométrica en metros % 4 potencia en 56 7 4 capacidad de la bomba en litros8seg. 0endimiento de la bomba. 9e toma: .; a .< para bombas centrífugas y .= a .> %ara bombas de pistón. 'a altura manométrica se calcula como: 3 4 3) ? 30 ? % 3) 4 altura de aspiración en metros 3 4 altura de recurrencia en metros % 4 perdidas en tuberías, codos, etc. en metros. -ambién se puede usar la formula simplificada: 3% ónde: 3% 4%otencia de la bomba en 3%. 3 4 )ltura de elevación del agua en metros. 0endimiento de la instalación .= a .>!

1.4.- Ecuación de Euler "s importante destacar algunas observaciones en relación a la ecuación "uler y que son las siguientes: @. "n prime primerr lugar lugar así como la ecuac ecuación ión de 1erno 1ernoull ullii es la ec ecua uació ción n fu fund ndame ament ntal al de la hidrodinámica, la ecuación de "uler resulta ser la ecuación elemental para el estudio de las turbo máquinas.

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A. "sta ecuación fue desarrollada por el matemático 'eonardo "uler @>B;!, ra&ón por la cual es denominada ecuación de "uler. C. 'a ecuación permite calcular la carga teórica en condiciones ideales es decir, sin perdidas y ba#o la hipótesis de la teoría unidimensional o n(mero infinito de alabes que implica una perfecta conducción del fluido a través de los mismos. ;. "n el estudio de las turbo máquinas la altura o carga definida por la ecuación de "uler se de deno nomi mina na 3t 3tD D car carga ga teór teóric ica a pa para ra un n( n(me mero ro infi infini nito to de alab alabes es!! y a la al altu tura ra o carg carga a intercambiada en un rodete con un n(mero finito de alabes se le denomina 3t carga teórica para un numero finito de alabes!. "n las turbinas hidráulicas ambas alturas son prácticamente iguales, no así en el caso de las bombas.

1.5 Ecuaciones ectoriales *onsideremos el flu#o a través de una turbo máquina de configuración general. 9e supone que las líneas de corriente quedan en superficies de revolución simétricas y a/iales con el e#e de la máquina. 'a figura A.@ muestra una de estas superficies con sus líneas de corriente y un corte longitudinal de la máquina. 9e puede imaginar que el e#e de la máquina coincide con el e#e de esta superficie de flu#o y que los álabes montados sobre el e#e penetran la superficie y giran para provocar el flu#o. "l problema de anali&ar  el flu#o por la turbo máquina esta reducido a la determinación de la forma geométrica de esta superficie y de las líneas de corriente que contienen. "n algunas máquinas es suficiente considerar solo una de las superficies que tipifica el flu#o a través de la máqu má quin ina a mi mien entr tras as que que en otra otras s hay hay que que cons consid ider erar ar el flu# flu#o o en vari varias as de esta estas s superficies a diferentes distancias radiales del e#e.

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"elocidad en im#ortancia en la cinemática de las turo máquinas son u$ v % &$ res#ectivamente. "elocidad 'a relación de estas velocidades como se #uede oservar de la fi(ura 2.1$ queda materiali)ada #or  un trián(ulo de velocidades de acuerdo con las le%es de vectores en la forma si(uiente* v+ u,& 2.1

onde u es la velocidad tangencial del alabe, v la velocidad absoluta del fluido y E es la velocidad relativa del fluido respecto al álabe. "l triángulo de velocidades a la entrada y salida del rotor #uega un papel importante en el estudio de las turbo máquinas y en él se encu en cuent entran ran otras otras veloc velocida idades des como como son son vu velo veloci cida dad d tangen tangencia ciall del del fluido fluido!! y vm velocidad meridiana!. Otro parámetro contenido en el triángulo es el ángulo formado por la velocidad relativa y la velocidad tangencial del fluido se representa por la letra F y se llama ángulo del álabe.

En el estudio de las turo máquinas de acuerdo al flu!o entre la entrada % salida del rotor se consideran consi deran las tres casos* lu!o radial hacia adentro adentro turinas/ turinas/ fi(ura 2.3$ con flu!o flu!o radial hacia fuera omas/ fi(ura 2.4 % flu!o a0ial. En realidad el flu!o rara ve) es radial o a0ial #uro$ #ero se coloca una turo máquina en una u otra clase cuando uno de estos flu!os #redomina en la máquina. Cuando nin(n ti#o de flu!o #redomina$ la máquina es de flu!o mi0to % la su#erficie de flu!o se a#ro0ima a la fi(ura 2.5. 4

 

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t r i á ngul odev el oc i da de s  El s er efi er eal t r i ángul of or madoport r esv ec t or esdev el oc i dad: •

c :v el oc i da da bs ol ut ade lflui do

•

w:v el oc i da dr e l a t i v ade lr ot orr e spe ct oa lflui do

•

u:v el oci dadl i nealdelr ot or

  á ngul of or ma doe nt r el ave l oc i da da bs ol ut ayr e l a t i v a    f or madoporl a El sedenomi mi naα  yel v el oci dadr el at i v ayl i neal   sedenomi mi naβ.

1.!.- Clasifcación de las máquinas hidráulicas con "ase en la dirección del #u$o en el rodete "l ro rode dete te es el (nic (nico o luga lugarr de la máqu máquin ina a dond donde e se prod produc uce e la tran transf sfor orma maci ción ón energética fundamental de la máquina, es decir donde la energía hidráulica se convierte en mecánica, o a la inversa. )demás, )demás, las turbo máquinas disponen disponen de otros elementos, situados aguas arriba y aguas aba#o del rodete con el fin de que el fluido penetre rodete y salga de él en las me#ores condiciones posibles, a fin de optimi&ar su rendimiento y por tant anto el de la tur urb bo máqu máquiina. "n estas par arttes tamb tambiién se prod roducen transformaciones energéticas pero no del tipo se$alado en el rodete. e hecho se producen produce n transformaciones transformaciones de energía hidráulica hidráulica de velocidad velocidad en presión o viceversa y también obviamente conversiones de energía hidráulica o mecánica en calorífica, allí donde se producen pérdidas irrecuperables.

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"l rodete de la turbo máquina está formado en principio por el cubo que va unido al e#e de la máquina, por la llanta que lo perimetral y por varios álabes dispuestos entre ambos. "l rodete es la parte fundamental de la máquina, de tal manera que en ciertos casos se hace la abstracción de considerarlo como (nico elemento de aquella. entro del rodete la &ona donde se ubican los álabes es su parte fundamental por e/celencia, haciendo en bastantes casos una abstracción parecida a la indicada para el rodete con relación a la máquina.

9e clasifican: 0odete de una turbo máquina

0odete radial: 'os plan 'os planos os de repre represe senta ntació ción n normal normalmen mente te utili& utili&ad ados os son: son: merid meridia iano no o a/ial a/ial y transversal. transver sal. "n el plano meridiano meridiano la representación representación del cubo y la llanta es por corteG la de los álabes y la de la trayectoria es circular. "n el plano transversal el cubo o la llanta se representan en al&ado, mientras que los ál álabe abes s son son corta cortado dos s y las traye trayecto ctoria rias s no se defor deforman man,, ya que que las tray trayect ectori orias as recorridas por las partículas en el interior de los conductos, formados entre cada dos álabes, ála bes, la llanta llanta y el cubo, cubo, se encuent encuentran ran en planos planos transve transversa rsales. les. 9e denomin denominan an rodetes radiales porque la representación de la trayectoria de una partícula en un plano a/ial al atravesar el rodete es un radio, aunque en la realidad las trayectorias, tanto relativa como absoluta, son espirales alo#adas en un plano transversal.  )unque todo lo anterior no es del todo riguroso, riguroso, sobre todo en algunas máquinas, es una buena apro/imación a la realidad para facilitar su estudio.



 

0odete diagonal: -ienen -ienen una represe representac ntación ión más comple#a comple#a que las estrict estrictamen amente te radiale radiales s pues sus álabes, ála bes, como ha quedad quedado o dicho, dicho, poseen poseen una doble curvatur curvatura, a, por tanto tanto cualqui cualquier  er  representación de éstos en plano sufre alguna deformación. 'os planos de representación usuales son el meridiano y el transversal con análogas indicaciones a las se$aladas para los rodetes radiales. 'as trayectorias de las partículas dell flu#o de flu#o sigue siguen n aquí aquí superf superfici icies es de revolu revoluci ción. ón. "l plano plano trans transve versa rsall requie requiere re una una representación ortogonal, pero precisa varios cortes para una visuali&ación suficiente

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0odete )/ial: "n este este ti tipo po de máqui máquinas nas puede pueden n utili& utili&ar arse se los tres tres plano planos s de repre represen sentac tación ión:: meridiano, transversal y desarrollado. "n el primero el cubo queda seccionado mientras que los álabes y la trayectoria se obtienen por circularidad. "n el plano transversal el cubo queda igualmente cortado y álabes y trayectoria se representan por ortogonalidad. 9e denominan rodetes a/iales porque la representación de la trayectoria del flu#o al atravesar el rodete en el plano meridiano es paralela al e#e, si bien en la realidad se inscribe en la superficie lateral de un cilindro. %or este motivo se utili&a el plano desarrollado donde los alabes quedan cortados y la trayectoria no se deforma

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