1.- DENOMINACIÓN: Máquinas Hidráulicas 2.- TITULACIÓN: Ingeniero Técnico Industrial. Especialidad: Mecánica 3.- OBJETIVOS GENERALES

El objetivo de esta asignatura es que el alumno conozca y domine las Máquinas Hidráulicas en profundidad, se trata de barrer todo el campo de dichas máquinas estudiando primeramente las máquinas motoras: Turbinas hidráulicas y eólicas, y Motores Hidráulicos y a continuación las receptoras: bombas y ventiladores, terminando con instalaciones de bombeo simples con el fin de analizar los problemas de regulación y de cavitación de las bombas.

4.- PROGRAMA DE LA ASIGNATURA

MÁQUINAS HIDRÁULICAS TEMA 1: MÁQUINAS HIDRÁULICAS DEFINICIÓN, CLASIFICACIÓN,

FUNDAMENTOS Y DESCRIPCIÓN Definición de máquinas de fluidos. Clasificación: Máquinas hidráulicas y

máquinas térmicas. Clasificación de máquinas hidráulicas: Según el principio de funcionamiento

y según el sentido de conversión de energía. Turbomáquinas hidráulicas, motoras: turbinas, y receptoras: turbobombas.

Definición de turbina hidráulica. Tipos actuales de turbinas: turbina de acción

y de reacción. Descripción general de los elementos fundamentales. Diferencias fundamentales. Campos de aplicación. Clasificación de las turbinas hidráulicas.

Definición de turbobomba hidráulica. Elementos fundamentales. Principio de

funcionamiento. Campos de aplicación. Clasificación Máquinas de desplazamiento positivo: Bombas de desplazamiento positivo:

Bombas alternativas; bombas rotativas. Motores hidráulicos. Otras máquinas hidráulicas: Bombas especiales: Tornillo de Arquimedes.

Eyectores Fundamentos de máquinas hidráulicas: Ecuación de la continuidad.

Ecuación fundamental de la dinámica de fluidos perfectos o Ecuación de Euler. Ecuación de Bernoulli. Ecuaciones de Navier-Stokes. Ecuación de la cantidad de movimiento. Ecuación del momento cinético.

TEMA 2: FUNDAMENTOS DE TURBOMÁQUINAS HIDRÁULICAS Definición de turbomáquina. Elementos fundamentales. Clasificación de

turbomáquinas: Según la dirección del intercambio de energía y según la dirección del flujo con relación al eje de la máquina.

Formas de representación de las turbomáquinas : Planos de representación y Métodos de representación.

Descomposición del movimiento en las turbomáquinas. Diagrama de

velocidades. Modificaciones para el caso de un número finito de álabes. Distorsión del

diagrama de velocidades. Conceptos en turbinas: Alturas, Caudales, Potencias, Pérdidas, y

Rendimientos. Conceptos en turbobombas: Alturas, Caudales, Potencias, Pérdidas, y

Rendimientos. Teorema fundamental de las turbomáquinas para el caso de un número

infinito de álabes o Teorema de Euler. Aplicación al caso de turbinas. Aplicación al caso de turbobombas. Diferentes expresiones.

Teoría hidrodinámica del ala portante. Flujo alrededor de un perfil

aerodinámico simétrico. Perfiles aerodinámicos asimétricos en los álabes de turbobombas y turbinas hidráulicas.

TEMA 3: SEMEJANZA EN TURBOMÁQUINAS Introducción. Semejanza geométrica, cinemática y dinámica. Semejanza hidrodinámica absoluta. Limitaciones en la posibilidad de

alcanzarla. Semejanzas hidrodinámicas restringidas: De Reech-Froude, de Reynolds y

geométrica. Máquinas homólogas. Velocidad específica dimensional o número de

Camerer. Clasificación de las turbomáquinas en función del número de Camerer.

Coeficientes óptimos o característicos de velocidad. Diferencias entre los rendimientos del modelo y prototipo. Efecto de escala. TEMA 4: ANÁLISIS DIMENSIONAL APLICADO A TURBOMÁQUINAS Entidades o variables que participan en el fenómeno físico de una

turbomáquinas. Recordatorio del teorema de π o de Vaschy-Buckingham. Cálculo de los

parámetros adimensionales. Parámetros de Rateau de caudal y de altura. Teorema fundamental de las turbomáquinas homólogas o teorema de

Combes- Bertrand- Rateau.

Turbomáquinas homólogas : ejemplos. Influencia del número de Reynolds. Calculo de los parámetros de caudal y altura mediante semejanza. Velocidad específica adimensional. Clasificación de las turbomáquinas

según la velocidad específica. TEMA 5: CENTRALES HIDROELÉCTRICAS Introducción. Formación del salto de agua. Disposición de conjunto de una central hidroeléctrica. Elementos

fundamentales. Tipos de centrales según el binomio altura-caudal: de gran salto, De pie de

presa. De fin de cauce. Salto total, bruto, neto, efectivo y real en una central hidroeléctrica. Pérdidas

en el proceso de producción y distribución. Energía producida. Clases de central. De agua corriente y de agua acumulada. Relación entre la producción y el consumo de energía eléctrica. Evolución

histórica. Centrales de acumulación por bombeo. Obras civiles de una central hidroeléctrica. TEMA 6: TURBINAS DE ACCIÓN Definición de turbina hidráulica. Tipos actuales de turbinas: turbinas de

acción y de reacción. Disposición de conjunto de una turbina Pelton. Descripción , misión, y funcionamiento de cada uno de los elementos de

una turbina Pelton. Diagrama de transformación de energía en turbinas de acción. Velocidad específica dimensional en función de las características de la

turbina Pelton. Intervalo de valores de la velocidad específica. Consideraciones sobre las velocidades de una turbina Pelton. Diagrama de

velocidades.

TEMA 7: TURBINAS DE REACCIÓN Disposición de conjunto de una turbina Francis. Descripción, misión, y funcionamiento de cada uno de los elementos de una

turbina Francis. Diagrama de transformación de energía de turbinas de reacción. Proceso evolutivo de las turbinas de reacción.- Evolución del rodete con la

velocidad específica. Turbina hélice.- Turbina Kaplan.- Turbina Deriaz.- Turbina Bulbo.- Turbina Straflo.- Turbinas-bombas.

Velocidad específica en función de las características de una turbina

Francis. Intervalo de valores de la velocidad específica. Diagramas de velocidad a la entrada y salida del rodete.- Rodetes lentos,

normales y rápidos. Fenómeno de la cavitación. Descripción y expresiones de cálculo. Selección de turbinas. Condicionamientos técnicos y económicos. Materiales empleados en la construcción de las turbinas hidráulicas. TEMA 8 CURVAS CARACTERÍSTICAS Y REGULACIÓN DE LAS TURBINAS

HIDRÁULICAS Obtención de las variables para el trazado de curvas características. Curvas

reales y curvas once. Curvas características de dos variables. Curvas características de tres o más variables.- Curvas colina. Función de la regulación de las turbinas. Tipos de regulación. TEMA 9: TURBINAS EÓLICAS

Generalidades de la energía eólica. Tipos y descripción de turbinas eólicas-

Hipótesis de Rankine. Potencia máxima del viento: Fórmula de Betz. Características aerodinámicas de las hélices de las turbinas eólicas. TEMA 10: ELEMENTOS DE UNA TURBOBOMBA Definición de bomba hidráulica. Clasificación de las bombas hidráulicas:

Turbobombas, Bombas de desplazamiento positivo y bombas especiales. Disposición del conjunto de una turbobomba.

Rodete. Evolución del rodete con la velocidad específica. Carcasa y sistema difusor de la turbobomba. Tipos de difusor. Sistemas de sellado: sistemas de sellado interno.- sistemas de sellado

externo (caja prensaestopas, cierres mecánicos). Atenuación de empujes axiales: Discos compensadores de empujes

axiales.- Tambores compensadores. Atenuación de empujes radiales. Eje y casquillos de protección. Rodamientos . Acoplamientos. TEMA 11: TIPOS CONSTRUCTIVOS DE TURBOBOMBAS

Bombas de una etapa. Bombas multicelulares o multietapadas. Bombas de pozo: Con motor desplazable. Bombas sumergibles. Bombas de achique y de líquidos sucios. Bombas autocebantes. Bombas aceleradoras. Bombas marinas.

TEMA 12: TRANSFORMACIÓN DE ENERGÍA EN UN SISTEMA DE BOMBEO Diagrama de transformación de energía en un sistema de bombeo.

Diagrama de pérdidas de carga en un sistema de bombeo. Altura manométrica de la instalación y de la bomba. Curva característica de una instalación simple de bombeo: Expresión

analítica.- Representación gráfica.- Punto de funcionamiento de una bomba trabajando en una instalación.- Modificación de la curva característica de una instalación.

TEMA 13: CURVAS CARACTERÍSTICAS TEÒRICAS DE LAS TURBOBOMBAS Introducción. Variables que relacionan las curvas características. Clases de curvas características. Obtención de la curva característica ideal para un número infinito. Influencia

de β2. Representación gráfica para diferentes valores de β2. Incidencia de la prerrotación. Curva característica teórica para un número finito de álabes. Imperfecciones

en el guiado. Expresión de Pfleiderer.

Pérdidas hidráulicas. Pérdidas volumétricas. Pérdidas orgánicas o mecánicas.

Expresiones analíticas de la curva característica H-Q teórica de la

turbobomba: Altura de Euler, altura interna y altura manométrica. Parámetros que afectan a la curva característica de una turbobomba. Curvas características en función de la velocidad específica. TEMA 14: CURVAS CARACTERÍSTICAS PRÁCTICAS DE LAS

TURBOBOMBAS Banco de ensayo de bombas. Construcción de curvas características.

Curvas características comerciales. Efecto de la densidad, la viscosidad y la gravedad en las curvas

características de las turbobombas. Efecto del paso del tiempo en un sistema de bombeo.

Rendimiento en función de la velocidad específica y el caudal. Ábaco de

Karassik. Estabilidad de funcionamiento. Zonas estables e inestables de las bombas Interpretación del funcionamiento de las turbobombas en el segundo y

cuarto cuadrante. TEMA 15: REGULACIÓN DE TURBOBOMBAS Métodos para regular el funcionamiento de las turbobombas. Variación de las curvas características de una bomba al modificar la

velocidad de giro. Variación de las curvas características de una bomba al tornearse el rodete.

Igualdad de rendimientos prácticos. Variación de las curvas características de una bomba al modificar la anchura

del rodete en su salida. Regulación de la bomba mediante cambios en la instalación: Maniobrado de

válvula By-pass. TEMA 16: FUNCIONAMIENTO DE LAS TURBOBOMBAS Precauciones a adoptar en la puesta en marcha de las turbobombas. Curvas

características de la puesta en marcha de las turbobombas. Arrastre de las turbobombas. Cavitación en las turbobombas. Descripción del fenómeno. Parámetro de

cavitación de Thoma.- Velocidad específica de succión. NPSHdisponible y NPSHrequerido.- Carga de seguridad. Factores que influyen en la cavitación.

Obtención del NPSHrequerido en una turbobomba.- Banco de ensayos: ensayo con variación de la presión en el depósito de aspiración y ensayo mediante maniobrado en una válvula de la aspiración.

Funcionamiento de una bomba en vacío y con la válvula de impulsión

cerrada. Bombas funcionando en grupo: en serie.- en paralelo. Anomalías en el funcionamiento de las turbobombas. TEMA 17: INSTALACIONES DE BOMBEO SIMPLES Introducción. Instalaciones de bombeo simples. Expresión gráfica de la curva característica de la instalación. Elección de la

bomba mas apropiada. Punto de funcionamiento. Costo energético. Regulación del punto de funcionamiento de un sistema de bombeo:

Mediante la instalación; mediante la bomba. Cavitación en un sistema de bombeo. TEMA 18: VENTILADORES Definición de ventilador.- Clasificación de los ventiladores. Cargas estática y dinámica.- Ecuación de Euler aplicada a los ventiladores.-

Potencia.- Diagramas de transformación de energía: a sobrepresión, a depresión.

Elementos costitutivos. Tipos de ventiladores y campos de aplicación. Curvas características de los ventiladores. Ensayo de ventiladores. Curva

característica de la instalación. Selección de ventiladores. Regulación de ventiladores. Instalación. Aplicaciones. TEMA 19: BOMBAS Y MOTORES DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO Principio de desplazamiento positivo . Características fundamentales.

Clasificación de las bombas y de motores de desplazamiento positivo. Máquinas alternativas. Generalidades: Funcionamiento.- Campos de

aplicación. Clasificación de las Máquinas alternativas de émbolo. Elementos de las

Máquinas de émbolo. Asociación de bombas de émbolo. Máquinas rotativas: Funcionamiento.- Características.- Campos de aplicación. Tipos de bombas rotativas.

5.- PROGRAMA DE PRÁCTICAS DE LABORATORIO

• Estudio topológico de turbinas • Curvas características de turbinas Francis. • Curvas características de turbinas Pelton. . • Estudio topológico de turbobombas. • Estudio topológico de máquinas de desplazamiento positivo. • Curvas características de bombas de desplazamiento positivo. • Curvas características de turbobombas. • Curvas características de turbobombas con variación de la velocidad de

rotación. • Curvas características de turbobombas funcionando en serie. • Curvas características de turbobombas funcionando en paralelo.

6.- TIPO DE ACTIVIDADES PROGRAMADAS

La asignatura consta de 7,5 créditos, 6 créditos teóricos (teoría y problemas) y 1,5 créditos prácticos de laboratorio.

La asignatura se imparte en dos clases de dos horas a la semana de teoría y

problemas indistintamente, según la teoría explicada y la necesidad de aplicarla en problemas e incidiendo fundamentalmente en la parte práctica y de utilización de los conceptos teóricos

Los créditos prácticos se reparten en cinco tipos diferentes de prácticas:

- Prácticas de laboratorio propiamente dichas. - Trabajos prácticos de diseño de turbinas. - Ejercicios teórico-prácticos de evaluación - Realización y presentación de un trabajo monográfico. - Práctica de campo: visita a una central o instalación de bombeo.

Las prácticas se realizaran en grupos reducidos de tres alumnos y coincidiendo

conjuntamente como máximo 4 grupos es decir 12 alumnos. Se imparten a lo largo del cuatrimestre y siempre a continuación de los conceptos básicos impartidos en las clases teóricas. En las prácticas se pasará lista a los alumnos. Después de la realización de cada práctica, los alumnos, por grupos, deberán realizar un informe con los datos, cálculos, resultados y gráficos obtenidos mediante la práctica, y entregarlo en el plazo previamente asignado.

En el caso de la presentación del trabajo monográfico, cada grupo hará una

presentación en power-point a todos sus compañeros, resumen del trabajo realizado, entregándoles previamente una hoja resumen del trabajo y de la presentación, para seguir la exposición del grupo, así como un informe de dicho trabajo al profesor.

La asignatura exige al alumno un trabajo continuo a lo largo del cuatrimestre,

para conseguir con facilidad su asimilación y dominio de los conceptos.

A continuación se indica el reparto horario de los temas teóricos así como de las

prácticas de laboratorio y ejercicios teórico prácticos que habrá que superar individualmente si se elige la primera forma, de evaluación continua, para aprobar la asignatura.

6.1.- Reparto horario de clases teóricas

Máquinas hidráulicas – Teoría

Título de tema Nº horas Acumulado PRESENTACIÓN 1 h 1 h 1. tema Máquinas hidráulicas, definiciones 4 h 5 h Visita a Laboratorio de Máquinas hidráulicas 1 h 6 h 2. tema Fundamento de Turbomáquinas 6 h 12 h 3. tema Semejanza en Turbomáquinas 3 h 15 h 4. tema Análisis dimensional aplicado a Turbomáquinas 5 h 20 h 5. tema Centrales Hidroeléctricas 2 h 22 h 6. tema Turbinas de Acción 2 h 24 h 7. tema Turbinas de Reacción 2 h 26 h

“ Selección de turbinas 2 h 28 h

8. tema Curvas Características y regulación de Turbinas (laboratorio) -

9. tema Turbinas Eólicas 2 h 30 h 10. tema Elementos de una turbobomba 2 h 32 h

11. tema Tipos constructivos de turbobombas (laboratorio) -

12. tema Transformación de energía del Sistema de bombeo 2 h 34 h

13. tema Curvas características teóricas de Turbobombas 2 h 36 h 14. tema Curvas características prácticas 4 h 40 h 15. tema Regulación de turbobombas 4 h 44 h 16. tema Funcionamiento de las Turbobombas 4 h 48 h 17. tema Instalaciones de bombeo simple 6 h 54 h 18. tema Ventiladores 2 h 56 h 19. tema Bombas y motores de desplazamiento positivo 4 h 60 h Número de horas totales 60 h 60 h

6.2.- Reparto horario y ejercicios prácticos a superar.

Máquinas hidráulicas Nº Temario Descripción Duración Tipo

1 1 y 2 Fundamentos de máquinas y turbomáquinas hidráulicas 1 h E

2 3 y 4 Análisis dimensional y semejanza 1 h E

3 5,6,7 y 8 Obtención de curvas características de turbinas (Pelton, Francis, Kaplan) 2 h L

4 5,6,7 y 8 Selección y predimensionamiento de turbinas 1 h E

5 9 Turbinas Eólicas 1 h C 6 10 y 11 Elementos y tipos de bombas 2 h L

7 12,13, 14 y 15

Sistemas de bombeo. Curvas características teóricas y prácticas.

Regulación de turbobombas 2 h L

8 16 y 17 Funcionamiento de turbobombas e instalaciones de bombeo simples 1 h E

9 19 Máquinas de desplazamiento positivo 2 h L 10 Visita Práctica de campo 2 h P

total 15 h E = Ejercicio teórico-práctico L = Práctica de Laboratorio e informe C = Clase impartida por el propio alumno sobre un tema a convenir P = Práctica de campo

7.- EVALUACIÓN

La asignatura tiene una docencia de 7,5 créditos, es decir 75 horas lectivas. De las cuales 60 son teóricas y 15 prácticas. Las primeras, como se ha indicado anteriormente, se desarrollarán en dos clases semanales de 2 horas totales cada una y las segundas en diferentes sesiones realizadas bien en el seminario o bien en el laboratorio de Máquinas hidráulicas.

La asignatura desea tener una vocación eminentemente práctica por lo que los alumnos que cursen la asignatura habrán de hacer una serie de trabajos prácticos con su informe correspondiente en diferentes sesiones de laboratorio y además una serie de ejercicios sobre temas concretos de la asignatura que se realizarán y recogerán bien en clase o en el laboratorio-seminario.

La asignatura se podrá aprobar de alguna de estas dos maneras:

1) Asistencia obligatoria al 90% de las clases teóricas y prácticas y aprobar todos los informes y ejercicios realizados a lo largo de la asignatura. En caso de no aprobar algún informe o trabajo será necesario hacer un examen de aquellos informes y trabajos no aprobados.

2) Mediante un examen escrito (4 horas) relacionado con todos los temas de la asignatura para los alumnos que no asistan a las clases teóricas y/o prácticas, o para aquellos que habiendo asistido a las mismas no hayan aprobado el conjunto de trabajos exigidos.

Si se suspendiera en la convocatoria de febrero, habría de acogerse al modo

SEGUNDO para aprobar la asignatura. 8.- BIBLIOGRAFÍA

• Mataix, C. “Turbomáquinas Hidráulicas”. Ed. ICAI- 1975. • Karassik, I. J. Y otros. “Manual de Bombas”. Ed. Mc Graw-Hill • Manuales de energía renovables. “Energía Eólica”. Ed. Instituto para la

diversificación y ahorro de la energía (IDEA). Biblioteca CINCO DIAS • Almandoz Berrondo J.; Mongelos Oquiñena B. Y Pellejero Salaberria I. “

Apuntes de Máquinas Hidráulicas” E.U.Politécnica Donostia - San Sebastián. UPV-EHU

• Masana J. “Ventiladores y Turbocompresores” Ed. Marcombo • Mannesmann REXROTH “ Training Hidráulico” Volumen I .- Goimendi

Automatismos • Soler y Palau “Ventiladores” Soler y Palau S.A. • Almandoz Berrondo J. Y Mongelos Oquiñena B. “Colección de problemas de

Máquinas Hidráulicas” E.U.Politécnica de Donostia- San Sebastián. UPV – EHU.

• Programas docentes en power point, sobre “Topología de Máquinas”. Se encuentran a disposición de los alumnos en el “laboratorio de Máquinas Hidráulicas” E.U.Politécnica de Donostia- San Sebastián. UPV – EHU.

9.- RECOMENDACIONES PARA CURSAR LA MATERIA 9.1.- Conocimientos previos necesarios

Para seguir la asignatura es totalmente imprescindible haber cursado la asignatura de 2º curso, Ingeniería Fluidomecánica.

9.2.- Direcciones de Internet de interés

El departamento que imparte esta asignatura es “Ingeniería Nuclear y Mecánica de Fluidos”, la sección departamental de la Escuela Politécnica de Donostia ha creado un sitio web, que se encuentra en funcionamiento y actualizada, desde el año 2005, en dicha página se ha desarrollado todo el funcionamiento de la sección departamental: Profesorado, tutorías, docencia, investigación, laboratorio etc. así mismo se ha colgado, dentro de cada asignatura, toda la documentación que los respectivos profesores han desarrollado para su impartición.

La dirección es: http://www.ehu.es/inwmooqb/ , pudiéndose acceder también a

través del sitio web de la escuela politécnica de Donostia, seleccionando el departamento ya indicado anteriormente.

En esta dirección el alumno de Máquinas Hidráulicas, tiene a su disposición los

Apuntes de Máquinas Hidráulicas y la colección de problemas, a lo largo del curso se incluirá las prácticas de laboratorio.