MÁQUINAS HIDRÁULICAS.

Definición de Máquina Hidráulica

La maquina hidráulica es el dispositivo mecánico a través del cual se lleva a cabo el intercambio de energía entre un medio liquido o fluido en movimiento y un sistema mecánico o viceversa.

Las máquinas se clasifican en grupos: máquinas de fluido, máquinas herramientas, máquinas eléctricas, etc.

La turbomaquinaria que produce energía mecánica por una fuente original de energía potencial hidráulica para disminuir la presión del fluido la presión del fluido se llaman motrices (turbinas); por otro lado las que absorbe energía mecánica para elevar la presión del fluido se llaman generatrices (bombas).

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 he restituido al agua la energía absorbida en el eje).

Las máquinas de fluido se clasifican en máquinas hidráulicas y máquinas térmicas.

“Máquina Hidráulica es aquella en que el fluido que intercambia su energía no varía sensiblemente de densidad en paso a través de la máquina, por lo cual en el diseño y estudio de la misma se hace la hipótesis de que ρ= constante.”

Clasificación de las Máquinas Hidráulicas

Las máquinas hidráulicas se clasifican en turbomáquinas y máquinas de desplazamiento positivo.

En las turbomáquinas, denominadas también máquinas de corriente, los cambios en la dirección y valor absoluto de la velocidad del flujo juegan un papel esencial. El órgano transmisor de energía (rodete) se mueve siempre con movimiento rotativo. El principio de funcionamiento de las turbomáquinas es la ecuación de Euler.

En las máquinas de desplazamiento positivo, también llamadas máquinas volumétricas, el órgano intercambiador de energía cede energía al fluido o el fluido a él en forma de energía de presión creada por la variación de volumen. El órgano transmisor de energía puede moverse tanto con movimiento alternativo como con movimiento rotativo. Los cambios de dirección y valor absoluto de la velocidad del fluido no juegan papel esencial alguno. El principio de funcionamiento de las máquinas de desplazamiento positivo es el principio de desplazamiento positivo.

Las turbomáquinas y máquinas de desplazamiento positivo se subdividen en motoras y generadoras. Las primeras absorben energía del fluido y restituyen energía mecánica; mientras que las segundas absorben energía mecánica y restituyen energía al fluido.

MAQUINAS HIDRAULICAS

RECIPROCANTES ROTATIVAS

MOTRICES (TURBINAS)

GENERATRICES (BOMBAS)

DE IMPULSO DE REACCION

DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO

DINÁMICAS CENTRIFUGAS PERIFERICAS ESPECIALES

BOMBAS

Definición y Clasificación de las Bombas

La bomba es una maquina donde se efectúa la transferencia de energía al desplazarse el trabajo mecánico directo sobre un volumen determinado de fluido bajo la acción de un presión, es decir se trata de una energía de flujo.

Las bombas se emplean para impulsar toda clase de líquidos (agua, aceites de lubricación, combustibles, ácidos; líquidos alimenticios: cerveza, leche, etc.; estas últimas constituyen el grupo importante de las bombas sanitarias). También se emplean para bombear líquidos espesos con sólidos en suspensión, como pastas de papel, melazas, fangos, desperdicios, etc.

Las bombas se clasifican en:

1. Bombas Rotodinámicas. Todas y sólo las bombas que son turbomáquinas pertenecen a este grupo. Estas son siempre rotativas. Su funcionamiento se basa en la ecuación de Euler; y su órgano transmisor de energía se llama rodete. Se llaman rotodinámicas porque su movimiento es rotativo y la dinámica de la corriente juega un papel esencial en la transmisión de la energía.

2. Bombas de Desplazamiento Positivo. A este grupo pertenecen no sólo las bombas alternativas sino las rotativas llamadas rotoestáticas porque son rotativas, pero en ellas la dinámica de la corriente no juega un papel esencial en la transmisión de la energía. Su funcionamiento se basa en el principio de desplazamiento positivo.

Otra clasificación de las bombas es por su forma en que pasa el fluido por el impulsor y con este criterio se conocen tres tipos principales

Flujo radial Flujo mixto Flujo axial

Elementos Constitutivos

Los elementos constitutivos de una turbina son análogos a los de una bomba; pero dispuestos en orden inverso.

† Canal de llegada (lámina libre) o tubería forzada. Corresponde a la tubería de impulsión de una bomba. Al final de la tubería forzada se instala una válvula (compuerta, mariposa, etc.).

† Caja espiral. Transforma presión en velocidad; en una bomba, velocidad en presión.

† Distribuidor. Corresponde a la corona directriz en una bomba; pero en una turbina transforma presión en velocidad y actúa como tobera; en una bomba, por el contrario, actúa como difusor.

† Rodete. A las bombas centrífugas con flujo en el rodete hacia el exterior; corresponde el tipo de turbinas centrípetas, con flujo en el rodete hacia el interior.

† Tubo de aspiración. Corresponde a la tubería de aspiración de una bomba. En una turbina es el órgano de desagüe, pero se llama tubo de aspiración porque crea una aspiración o depresión a la salida del rodete; mientras que en las bombas constituye la tubería de admisión, y crea también una depresión a la entrada del rodete. Las turbinas de acción carecen de tubos de aspiración: en ellas el agua sale del rodete directamente al canal de salida.

Estos son, en general, los componentes de una bomba centrífuga aunque existen distintos tipos y variantes. La estructura de las bombas centrífugas es análoga a la de las turbinas hidráulicas, salvo que el proceso energético es inverso; en las turbinas se aprovecha la altura de un salto hidráulico para generar una velocidad de rotación en la rueda, mientras que en las bombas centrífugas la velocidad comunicada por el rodete al líquido se transforma, en parte, en presión, lográndose así su desplazamientoy posterior elevación.

TURBINAS

Definición de Turbina

Una turbina hidráulica es una turbomáquina motora hidráulica, que aprovecha la energía de un fluido que pasa a través de ella para producir un movimiento de rotación que, transferido mediante un eje, mueve directamente una máquina o bien un generador que transforma la energía mecánica en eléctrica, así son el órgano fundamental de una Central hidroeléctrica.

Así como una bomba absorbe energía mecánica y restituye energía al fluido, una turbina absorbe energía del fluido y restituye energía mecánica. Teóricamente, suministrando energía hidráulica a la máquina, e invirtiendo el flujo, una bomba podría trabajar como turbina. Prácticamente, el rendimiento sería muy bajo, y a veces nulo, exceptuando las máquinas especialmente diseñadas para trabajar como bomba y como turbina, como es el caso de la máquina doble bomba-turbina de las centrales de bombeo.

Componentes de una turbina

Cámara espiral. Metálica o de hormigón, de secciones apropiadas.- Distribuidor.- Tubo de aspiración.- Eje.- Equipo de sellado del eje de turbina.- Cojinete guía de turbina.- Cojinete de empuje. Normalmente formando conjunto con el anterior.

El rotor de la turbina de forma de hélice, está constituido por un robusto cubo, cuyo diámetro es el orden del 40% al 50% del diámetro total al extremo de los álabes, en el cual van empotrados los álabes encargados de efectuar la transferencia de energía del agua al eje de la unidad.

Clasificación general de las Turbinas Hidráulicas

Patente

PeltonFrancisKaplanReiffenstein

Forma de transmisión de la energía

ImpulsoReacción

Dirección del flujo

AxialesRadialesTangencialesRadioaxiales

Posición del eje

Vertical HorizontalInclinada

Instalación

SencillaMultiple

Las turbinas hidráulicas, según el grado de reacción, se clasifican en dos grupos: turbinas de impulso (acción) y turbinas de reacción.

Esta clasificación se funda en el concepto de grado de reacción; si el grado de reacción es 0, la turbina se llama de acción. Si el grado de reacción es distinto de 0, la turbina se llama de reacción.

Las turbinas de acción son de admisión parcial. La presión del agua no varía en los álabes. El rodete no está inundado. Se encuentra a la presión atmosférica.

Las turbinas de reacción son de admisión total. La presión a la entrada del rodete es superior a la atmosférica y a la salida inferior. El rodete está inundado.

Turbina de impulso (acción)

La alimentación del flujo se hace sobre uno o varios puntos localizados sobre la circunferencia externa del rodete y el tipo de energía que se transforma en energía mecánica a energía cinética y dinámica.

† Tubería forzada: la altura de presión aumenta a costa de la altura geodésica, que disminuye. La altura de velocidad permanece constante, si la sección de la tubería es constante.† Distribuidor: la altura de presión baja a cero (presión relativa) o sea a la altura de presión ambiente (presión absoluta). La altura de velocidad aumenta porque el distribuidor transforma la energía de presión en energía cinética. El aumento de esta última es un poco menor que la disminución de la primera por las pérdidas.† Rodete: la altura de presión permanece constante. Todo el rodete se encuentra a la presión atmosférica. La altura de velocidad disminuye, porque la energía cinética del chorro se va transformando en energía útil en el eje. En estas turbinas no hay tubo de aspiración.

Turbina de reacción

La alimentación de un fluido se lleva a través de un conducto en espiral que rodea al elemento móvil (rodete) en toda su circunferencia y que proporciona una alimentación uniforme a la misma, en este caso la energía se va transformando desde la energía de presión hasta la energía cinética con recuperación simultanea de energía potencial.

† Tubería forzada: igual que en las turbinas de acción. Si no hay tubería forzada, sino que el agua llega a la turbina por un canal de lámina libre, la altura de presión permanece constante (presión atmosférica).

† Distribuidor: la altura de presión disminuye; pero no tanto como en las turbinas de acción. La altura de velocidad aumenta.† Rodete: la altura de presión sigue disminuyendo hasta un valor menor que en las turbinas de acción (presión relativa a la salida del rodete, negativa). La altura de velocidad disminuye también: el rodete transforma energía de presión y cinética en energía útil en el eje.† Tubo de aspiración: la energía de presión aumenta desde un valor negativo hasta 0 (presión barométrica). Gracias al tubo de aspiración el salto de presión en el rodete ha sido mayor.

Clasificación según el Número Específico de Revoluciones

En la actualidad se construyen cinco tipos de turbinas: Pelton, Francis, Dériaz, Hélice y Kaplan. A éstas hay que añadir las Bombas-Turbinas reversibles de los grupos binarios de las centrales de acumulación por bombeo. La turbina Pelton es de acción y las otras cuatro de reacción.

BIBLIOGRAFÍA

Mataix, Claudio. Mecánica de Fluidos y Máquinas Hidráulicas. Madrid España. Segunda Edición. Ediciones del Castillo. S. A.