Maquinas Hidrahulicas. Unidad 1 Y Unidad 2

MÁQUINAS HIDRÁULICAS

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD CULHUACAN

MÁQUINAS HIDRÁULICAS

UNIDAD 1 Y UNIDAD 2

INTEGRANTES:   

GOMEZ PEREZ IVÁN. VÁZQUEZ ZARZA DAVID. ZAVALA RODRIGUEZ ROLANDO EFREN.

EQUIPO: 4.

GRUPO: 7MV1.

PROFESOR: 

ING. ARMANDO GARCIA E.

FECHA DE ENTREGA: 18/ AGOSTO / 2016.

MÁQUINAS HIDRÁULICAS

UNIDAD I GENERALIDADES Tema 1.1 Introducción

1.2 Máquinas hidráulicas. Definición

1.3 Importancia y uso

1.4 Clasificación y aplicación de las máquinas hidráulicas

1.5 Ecuación de Euler. Deducción, aplicación.

1.6 Componentes.

1.1 Introducción. El presente trabajo está enfocado al estudio de aquellos equipos de flujo donde el fluido recibe o entrega energía, en particular el caso de las bombas y turbinas. Máquina, según el diccionario "es el conjunto de aparatos combinados para recibir cierta forma de energía, transformarla y restituirla en otra forma más adecuada, o para producir un efecto determinado". Máquina de Fluido corresponde a una máquina del primer tipo, que reciben energía aportada por un fluido y la restituyen en forma de energía mecánica, o bien a la inversa, absorben energía mecánica y con ella incrementan la correspondiente a un fluido. Pueden definirse también las máquinas de fluidos como aquellas máquinas que utilizan un fluido como elemento intercambiador de energía. Es preciso advertir que no todas las máquinas que utilizan algún fluido pueden considerarse máquinas de fluidos si no solamente las que los utilizan para intercambiar la energía fundamental de la máquina, por tanto, no pertenecen a este grupo aquellas que sólo los utilizan como refrigerante o lubricante. Pasando al tema de la clasificación de las máquinas de fluidos hay que observar que todas las clasificaciones se realizan siguiendo distintos criterios, unas veces más y otras menos acertados, que conducen a agrupaciones diferentes, más o menos útiles o convenientes; no siendo, en muchos casos excluyentes sino coincidentes. Un primer criterio de la clasificación de las máquinas de fluidos puede ser atendiendo a la densidad del fluido, es decir a dividirlas en aquellas que funcionan con gases o con líquidos. Esta clasificación conduce a separar los ventiladores y las turbobombas, y las turbinas hidráulicas y las eólicas que están basadas en los mismos principios de funcionamiento, comportándose el aire en tales casos como si fuera incompresible. Por ello se rechaza este criterio de clasificación. Un criterio alternativo es el grado de compresibilidad del fluido. Otro criterio, igualmente desaconsejable, es considerar el movimiento del órgano donde se intercambia la energía, clasificando las máquinas de fluidos en alternativas y rotativas, pues se introducen en el mismo grupo máquinas tan dispares como el motor de explosión y la bomba aspirante-impelente, o las turbobombas y las bombas de engranajes, o se separan las bombas alternativas y las rotativas cuyo principio de funcionamiento es idéntico. Una cuestión que conduce a otra clasificación es el sentido de conversión de la energía: de mecánica en energía del fluido o a la inversa. Esta clasificación que puede parecer más acertada, conduce a tratar conjuntamente las turbinas de gas y las Dto. Ing. Nuclear y Mecánica de Fluidos E.U. Politécnica de Donostia San

Sebastián 2 Clasificación, Fundamentos y Descripción de Máquinas Hidráulicas; y los compresores, las bombas y los ventiladores, que aún tienen algunas similitudes, sus diferencias son considerables para poderlas estudiar al mismo tiempo. Por último, dentro de los criterios aquí rechazados, se encuentra el principio de funcionamiento de la máquina, que, si bien a primera vista parece una cuestión fundamental y que indudablemente los es, se desaconseja por reunir en la misma agrupación el compresor y la bomba alternativa, la turbina hidráulica y la turbina de gas, que aunque tienen conexiones evidentes no son suficientes para estudiarlas conjuntamente, dadas sus respectivas especificaciones. Dado que anteriormente se ha rechazado el criterio de la densidad del fluido por comportarse los gases en algunos casos como incompresibles, un criterio alternativo es el grado de compresibilidad del fluido. Esto nos lleva a la clasificación definitiva de las máquinas de fluidos atendiendo al comportamiento del fluido como incompresible o compresible. Máquinas Hidráulicas: son aquellas que utilizan como medio intercambiador de energía un fluido que se comporta como incompresible: bomba hidráulica, ventilador turbina hidráulica, aerogenerador etc. Máquinas térmicas: son las que utilizan como elemento intercambiador de energía fluidos que se comportan como compresibles, donde los fenómenos termodinámicos tienen una incidencia fundamental: compresor, turbina de gas etc. Para su confección se han consultado diversas fuentes bibliográficas especializadas en el tema, así como la aportación personal y de especialistas en la temática de maquinaria hidráulica. No se pretende desarrollar teorías ni tampoco penetrar en temas avanzados, pero si abordar los principios básicos de las maquinas hidráulicas. 1.2 Máquinas hidráulicas. Definición. En primer lugar, una máquina en su forma más simple se puede definir como un dispositivo transformador de energía, es decir, la máquina recibe una forma de energía y la restituye en otra forma de energía. Un ejemplo lo constituye el generador eléctrico en el cual la energía mecánica que se le proporciona es transformada en energía eléctrica. Etimológicamente, una máquina hidráulica es un elemento en el cual el fluido de trabajo es agua, sin embargo, la turbina de vapor funciona con agua y no es una máquina hidráulica, sino una máquina térmica. Una bomba que bombea un líquido caliente diferente al agua, no es una máquina térmica, pero se considera una máquina hidráulica. Esto pone de manifiesto que el nombre de máquina hidráulica desde el punto de vista etimológico no sea el más apropiado para toda aquella máquina clasificada con este nombre.

La definición más precisa de máquina hidráulica es: aquella en la cual el fluido de trabajo que intercambia su energía no varía sensiblemente de densidad en su paso a través de la máquina, para lo cual, en el diseño y estudio de la misma, se trabaja bajo la hipótesis de que la densidad se mantiene constante 1.3 Importancia y uso general. Una 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.

1.4 Clasificación y aplicación de las máquinas hidráulicas. De Acuerdo a su Principio de Funcionamiento: Turbomáquina o Rotodinámicas: Se basan en el intercambio de cantidad de movimiento entre la máquina y el fluido. Este intercambio de energía cinética y de presión sigue los principios de la ecuación de Euler. Cuyo elemento principal está dotado de un movimiento giratorio, llamada rotor o rodete que intercambia energía con el fluido a través de una variación de movimiento cinético (ver figura 1). 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.

Clasificación de las Turbomáquinas

Aumento de Presión Generadoras

Aumento de Presión Generacion de Energia Cinetica

HIDRAULICAS (Flujo Incompresibles)

Disminución de Energía Cinetica

Tornillo de Arquimedes Helices (marinas)

Turbinas Pelton (Acción) Turbinas Kaplan (Axiales)

Receptoras o Motoras Disminución de Presión

TURBOMAQUINAS

Bombas

Turbinas Francis (Centrifuga y Mixtas) Turbinas de Flujo Cruzado (Ossberger) Ventiladores (∆P ≤ 7 kPa)

Aumento de Energia Cinetica Helices (Aeronautica) Generadoras Soplantes (∆P < 300 kPa) Aumento de Presión Compresores (∆P ≥ 300 kPa) TERMICAS (Flujo Compresibles)

Turbinas de Vapor Disminución de Entalpia Turbinas de Gas

Receptoras o Motoras Disminución de Energía Cinética

Aeroturbinas

Máquinas de Desplazamiento Positiva o Volumétricas: Se basan fundamentalmente en principios fluidostáticos y mecánicos (aunque en ocasiones puede ser necesario considerar efectos fluidodinámicos. 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 desplazado y no hay conexión simultánea 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 2. 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. El flujo es continuo, con lo que no es necesaria la existencia de depósitos de regulación.

Presentan buenos rendimientos a altas presiones.

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.

De acuerdo al Grado de Compresibilidad del Fluido: En función de la compresibilidad del fluido que atraviesa la máquina, éstas se clasifican en Turbomáquinas hidráulicas y Turbomáquinas térmicas (de flujo compresible). Turbomáquinas Hidráulicas: Si el flujo es incomprensible, la densidad permanece constante, o bien con un criterio menos estricto, cuando las variaciones de densidad son menores que las variaciones de velocidad, es decir cuando el número de Mach es pequeño (Ma < 0.3). Esto ocurre cuando el fluido es un líquido, o bien cuando es un gas que sufre variaciones de presión poco importantes, como el caso de los ventiladores. El desacoplamiento mecánico y térmico, se realiza con un balance de energía mecánica y la energía interna del fluido a la entrada de la máquina no puede transformarse en energía mecánica en el eje. Turbomáquinas Térmica: Si el flujo es compresible, hay variaciones de densidad y también de temperatura. El desacoplamiento mecánico y térmico de las ecuaciones no es posible, y se hace necesario establecer un balance de energía total, ya que la variación del volumen específico permite transformaciones de energía interna en energía mecánica y viceversa. De acuerdo al sentido de la Transferencia de Energía:

Según el sentido de transferencia de la energía entre la máquina y el fluido que circula a través de ella, las máquinas se pueden clasificar en: generadoras, motoras, reversibles y transmisoras. Máquinas Generadoras: Comunican energía al fluido, de forma que éste experimenta un incremento de energía especifica entre las secciones de entrada y salida de la máquina. Ejemplos de máquinas generadoras son: las bombas, los ventiladores y los compresores. En ocasiones, el objetivo esencial de una máquina generadora no es realmente suministrar energía al fluido, sino producir una fuerza de empuje sobre un cuerpo que se mueve en el seno de aquel, por ejemplo, las hélices marinas y aéreas. La energía mecánica que consume una máquina generadora debe ser proporcionada por un motor. 3.3.2 Máquinas Motoras: Extrae energía del fluido, dando lugar a una reducción de la energía específica de éste a su paso por la máquina. Algunos ejemplos son: las turbinas hidráulicas como eólicas, de vapor, de gas y las aeroturbinas. La energía mecánica obtenida por una máquina motora puede transmitirse a un generador eléctrico o, directamente a un vehículo, a una máquina herramienta, etc. Máquinas Reversible: Pueden funcionar indistintamente como generadoras o motoras. Un ejemplo son grupos turbinas-bombas utilizados en centrales de acumulación de bombeo. Máquinas Transmisoras: permiten transmitir energía mediante un fluido, y están construidas por una combinación de máquinas motoras y generadoras. Ejemplos típicos son los acoplamientos, los convertidores de par, las transmisiones hidráulicas y neumáticas, etc. De Acuerdo al Paso del Fluido en el Rodete Existen dos tipos básicos de geometrías de Turbomáquinas en función de la dirección del flujo de salida:

Turbomáquina de Flujo 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. Turbomáquina de Flujo 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. Turbomáquina de Flujo Mixto: El flujo de salida, tiene tanto componente axial como radial.

De acuerdo a la Componente de Energía Fluidodinámica Modificada: La energía específica, es la energía por unidad de masa, y tiene cuatro componentes específicas, por unidad de masa:

eu

P v2   gz  2

Energía específica = energía interna (u) + trabajo de flujo (P/ρ) + energía cinética (v2/2) + energía potencia (gz)  Variación de Energía Potencial: Un ejemplo es el tornillo de Arquímedes se trata de un tornillo dentro de una carcasa, cuando se gira en el sentido adecuado, arrastra el fluido en dirección axial. Si se inclina, lo único que varía

es la cota geodésica. La presión es la atmosférica y no hay variación de velocidad. Se usaba para elevar aguas, actualmente sólo para aguas residuales y otras emulsiones.  Variación de Energía Cinética: Un ejemplo es una turbina eólica, en la que se aprovecha parte de la energía cinética del viento, y no varía la presión (presión atmosférica). A este tipo de máquinas se les llama máquinas de acción pura. Otro ejemplo es un ventilador de mesa: aspira aire en reposo y lo impulsa a una determinada velocidad sin variación de presión. En una turbina Pelton el chorro de agua a presión atmosférica incide sobre las cucharas (álabes), pudiendo conseguir que la velocidad absoluta de salida sea nula. Otro ejemplo de este tipo de máquina son las hélices de aviación y las marinas.  Variación de Presión: (Entalpía si no hay variación de energía interna). En estas máquinas únicamente varía el término de presión, o bien las otras variaciones son despreciables frente a la presión. Es lo que ocurre en bombas centrifugas: las variaciones de cota geodésica son muy pequeñas, y aunque suele ocurrir que el diámetro en conducto de impulsión es diferente del de aspiración y, por tanto, la energía cinética varia, esta variación es despreciable frente a una altura de elevación que puede ser de varios metros. A este tipo de máquinas se les llama máquinas de reacción. Otro ejemplo de este tipo de máquinas sería una turbina Francis. El fluido llega a la turbina con una gran presión, incide sobre el rodete y disminuye la presión.

1.5 Ecuación de Euler. Deducción, aplicación. Se debe tomar en consideración los siguientes aspectos:   

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. Mt    QC 2l2  QC1l1  PASOS:

l1  R1 cos 1

1. Sustituir el valor de L, por el radio constructivo, R

l2  R 2 cos  2 C1u  C1 cos 1

2. Del triángulo de velocidades sustituir C por Cu

C2u  C2 cos  2 3. Sustituir el momento por la potencia

N t  M t

4. Utilizar el concepto de trabajo y su relación con la carga y la potencia

N t  QLt  QgH t

ECUACIONES DE EULER

CONSIDERANDO EL NÚMERO FINITO DE ÁLABES

ECUACIONES DE EULER PRIMERA FORMA EXPRESIÓN ENERGÉTICA (Y) El signo (+) representa MÁQUINAS MOTORAS El signo (-) representa MÁQUINAS GENERADORAS UNIDADES S.I: m2/s2 EXPRESIÓN EN ALTURA (H) UNIDADES S.I: m

Y   u1cu1  u2 cu 2 

H 

 u1cu1  u2cu 2  g

ECUACIONES DE EULER SEGUNDA FORMA EXPRESIÓN ENERGÉTICA (Y) El signo (+) representa MÁQUINAS MOTORAS El signo (-) representa MÁQUINAS GENERADORAS UNIDADES S.I: m2/s2

 u12  u 22 w22  w12 c12  c 22   2 2 2 

Y  

 u12  u 22 w22  w12 c12  c 22   2g 2g 2g 

H  

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

ALTURA DE PRESIÓN DEL RODETE

 p1  p 2 g 

H P  

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



 u12  u 22 w22  w12  2g 2g 

   

 c12  c22 2g 

H d  

     

  

  

1.6 Componentes. Órgano Intercambiador De Energía: Es donde ocurre La transferencia de energía hacia el fluido o viceversa. Es el corazón de toda máquina. En las máquinas hidráulicas rotativas, el órgano intercambiador de energía es el rodete, que está constituido por un disco que funciona como soporte o palas, también llamadas álabes, o cucharas en el caso de los rodetes de las turbinas. La geometría con la cual se realizan los álabes es fundamental para permitir el

intercambio energético con el fluido; sobre éstas reposa parte importante del rendimiento global de toda la máquina y el tipo de cambio energético generado (si la energía será transferida por el cambio de presión o velocidad). Los tipos de rotores pueden ser cerrados, abiertos y semi-cerrados. 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 Semi-abiertos  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.

Rodete: es un tipo de rotor situado dentro de una tubería o un conducto y encargado de impulsar un fluido. Generalmente se utiliza este término para referirse al elemento móvil de todas las máquinas rotativas. Consiste en un disco perpendicular al eje de giro, compuesto de álabes que pueden tener diversas configuraciones, (recto, curvado en dirección contraria al movimiento ó en dirección al movimiento). Según los esfuerzos que debe soportar y la agresividad del medio que debe impulsar, debe ser diseñado el rodete de la máquina. En el caso de las máquinas de desplazamiento positivo o volumétrico, el órgano intercambiador de energía puede ser un émbolo, pistón, membrana, diafragma, tornillo sin fin, lóbulos, engranes, entre otros. Eje o Árbol de Transmisión: Tiene la doble función de transmitir potencia (desde o hacia el rotor) y ser el soporte sobre el que yace el rotor. En el caso de las máquinas generadoras éste siempre está conectado a alguna clase de motor, como puede ser un motor eléctrico, o incluso una turbina como es común en los turborreactores, muchas veces entre el árbol y el motor que mueve a la Turbomáquina se encuentra algún sistema de transmisión mecánica, como puede

ser un embrague o una caja reductora. En el caso de las Turbomáquinas generadoras, es frecuente encontrar un generador eléctrico al otro extremo del árbol, o incluso hay árboles largos que soportan al rotor en el medio y en un extremo se encuentra una Turbomáquina generadora y al otro un generador. Partes Estáticas: Al conjunto de todas las partes estáticas de la Turbomáquina (y en otras máquinas también) se le suele denominar estator. Carcasa: Es la parte fija de las máquinas que recubren los componentes de las máquinas, existen diversas formas y características que se adaptan a los requerimientos de la máquina. Entradas y Salidas: Estas partes son comunes en todas las máquinas, pero pueden variar de forma y geometría entre todas. El conducto de entrada, conduce el fluido hacia el impelente y el conducto de descarga conduce el fluido hacia la salida de la máquina. Existen, además, máquinas generadoras de doble admisión, es decir dos entradas diferenciadas y una salida única de fluido. Estas partes pueden constar de una brida en el caso de la mayoría de las bombas y compresores, pero en las turbinas hidráulicas grandes, solo son grandes tuberías y la salida muchas veces tiene forma de difusor. En los molinos de viento, por ejemplo, la entrada y la salida solo pueden ser superficies imaginarias antes y después del rotor. Alabes directrices: También llamados palas directoras, son álabes fijos al estator, por los cuales pasa el fluido de trabajo antes o después de pasar al rotor realizar el intercambio energético. Muchas Turbomáquinas carecen de ellos, pero en aquellas donde si figuran éstos son de vital importancia. En las Turbomáquinas motoras se encargan de dirigir el fluido en un cierto ángulo, así como acelerarlo para optimizar el funcionamiento de la máquina. En las Turbomáquinas generadoras se encuentran a la salida del rotor. Los álabes directores también pueden llegar a funcionar como reguladores de flujo, abriéndose o cerrándose a manera de válvula para regular el caudal que entra a la máquina. Cojinetes ó Rodamientos: Son elementos de máquina que permiten el movimiento del eje mientras lo mantienen solidario a la máquina, pueden variar de tipos y tamaño entre todas las máquinas. Sellos Mecánicos: Son dispositivos que impiden la salida del fluido de la máquina. Cumplen una función crítica principalmente en los acoplamientos móviles como en los rodamientos. Pueden variar de tipos y ubicación dentro de la máquina a otra. Están destinados a sustituir cada vez en mayor grado a la junta o empaquetadura tradicional en ejes rotativos. Su uso se atribuye principalmente a una elevada seguridad de servicio, bajo o nulo mantenimiento y larga duración. La

diversidad de aplicaciones y usos que el sello mecánico está destinado a cubrir, presupone un conocimiento específico del problema a resolver.

UNIDAD II MÁQUINAS HIDRÁULICAS DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO Tema

2.3 Parámetros Principales:

2.1 Introducción

2.3.1 Definición y cálculo de:

2.2 Principio de operación. Principio de desplazamiento positivo. Clasificación. Ejercicios y ejemplos.

2.3.1.1 Caudal. 2.3.1.2 Presión.

2.3.1.3 Altura efectiva. 2.3.2 Potencia útil. 2.3.2.1 Potencia de accionamiento. 2.3.2.2 Potencia Indicada o Interna. 2.4 Rendimientos y problemas. 2.5 Circuitos Hidráulicos. 2.6 Componentes Principales 2.7 Circuitos Elementales.

2.1 Introducción. Las Maquinas de desplazamiento positivo se basan en el principio de Pascal, es decir en conseguir de alguna manera incrementar la presión en un punto del líquido para que esta elevación se transmita íntegra e inmediatamente a todos los puntos del fluido. Constan de un elemento denominado "desplazador" que precisamente desplaza positivamente el líquido, de ahí su nombre, desde una zona donde hay líquido a una presión reducida a otra donde se encuentra líquido a una presión superior, donde lo deposita. O bien, en el caso de los motores hidráulicos, desde una zona donde hay líquido a una presión elevada a otra donde se encuentra el líquido a una presión baja 2.2 Principio de operación. Principio de desplazamiento positivo. Clasificación. Ejercicios y ejemplos Se basan fundamentalmente en principios fluidostáticos y mecánicos (aunque en ocasiones puede ser necesario considerar efectos fluidodinamicos. 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 desplazado y no hay conexión simultánea 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 2. Máquinas de desplazamiento positivo a) De émbolo b) De engranes El funcionamiento de las bombas de desplazamiento positivo no se basa, como el de las turbomaquinas, en la ecuación de Euler sino en el principio del desplazamiento positivo. Que consiste en el movimiento de un fluido causado por la disminución del volumen de una cámara. Por tanto, en una máquina de desplazamiento positivo el elemento que origina el intercambio de energía no tiene necesariamente que tener un movimiento alternativo (embolo), sino que puede tener movimiento rotatorio (rotor).

Sin embargo, en las máquinas de desplazamiento positivo, tanto reciprocantes como rotatorias, siempre hay una cámara que aumenta de volumen (succión) y disminuye de volumen (impulsión). Por ello estas máquinas también se llaman volumétricas. Sin embargo, es fácil clasificar estos diseños atendiendo a dos criterios distintos: Primer criterio: Según el tipo de movimiento del desplazador las máquinas de desplazamiento positivo se clasifican en:  

Máquinas alternativas y máquinas rotativas. El principio de desplazamiento positivo en las máquinas alternativas se explicó por medio de la Fig. 1. La Fig.2 demuestra que el mismo principio se puede realizar en una máquina rotativa. La figura representa una bomba de paletas deslizantes. Al girar el rotor excéntrico con relación a la carcasa en sentido de las agujas del reloj de A a B aumenta el volumen, se crea una succión y entra el líquido por el conducto y la lumbrera de admisión; de B a A el volumen entre el rotor y la carcasa disminuye y el líquido es impulsado por la lumbrera y el conducto de salida: el principio de funcionamiento de esta máquina es, pues, el mismo que el de una bomba de émbolo: un volumen que aumenta y realiza la succión y luego disminuye realizando la impulsión: de nuevo el principio de desplazamiento positivo.

Segundo criterio: Según la variabilidad del desplazamiento se clasifican en:

 

Máquinas de desplazamiento fijo y Máquinas de desplazamiento variable. La variación del desplazamiento en una máquina alternativa es fácil: basta variar la carrera del émbolo. En algunas máquinas rotativas también es fácil. Por ejemplo, en la Fig. 2, para variar el desplazamiento basta variar la excentricidad del rotor. Desplazamiento, A es el volumen desplazado en una revolución. Por tanto el caudal, Q, en las máquinas de desplazamiento positivo será: Q=Dn En muchas aplicaciones interesa variar el caudal. Según la Ec. (3) esto puede lograrse variando n; pero no es recomendable y se usa poco. Lo más ordinario es variar D, como se acaba de explicar. En resumen, atendiendo a los dos criterios enunciados, las máquinas de desplazamiento positivo se clasifican en cuatro grupos: 1. Máquinas alternativas de desplazamiento fijo; 2. Máquinas alternativas de desplazamiento variable; 3. Máquinas rotativas de desplazamiento fijo; 4. Máquinas rotativas de desplazamiento variable. Los grupos 1 y 2, o máquinas alternativas, tienen dos campos de aplicación distintos: Primer campo de aplicación: bombeo de líquidos. Segundo campo de aplicación: transmisiones y controles hidráulicos y neumáticos. 2.3 Parámetros Principales: 2.3.1 Definición y cálculo de: 2.3.1.1 Caudal. Es la cantidad de fluido que circula a través de una sección del ducto (tubería, cañería, oleoducto, río, canal) por unidad de tiempo. Normalmente se identifica con el flujo volumétrico o volumen que pasa por un área dada en la unidad de tiempo. Menos frecuentemente, se identifica con el flujo másico o masa que pasa por un área dada en la unidad de tiempo. 

Caudal total (Qt) es el caudal que recibe la turbina, también denominado turbinable.

• Caudal útil (Qu) es aquél que atraviesa el rodete, también llamado turbinado.

• Caudal perdido (Qp) es aquella parte del caudal total que no atraviesa el rodete, sino que circula por el huelgo existente entre aquel y la carcasa de la turbina, y que por lo tanto no sirve para producir energía mecánica. Qt = Qu + Qp. 2.3.1.2 Presión. La presión en un fluido es la presión termodinámica que interviene en la ecuación constitutiva y en la ecuación de movimiento del fluido, en algunos casos especiales esta presión coincide con la presión media o incluso con la presión hidrostática. Todas las presiones representan una medida de la energía potencial por unidad de volumen en un fluido. 2.3.1.3 Altura efectiva. En primer término se recuerda y advierte que una altura, usada con enorme frecuencia en la hidráulica, pues tiene unidades de longitud, es una energía por unidad de peso, siendo por ello dependiente del caudal; a pesar de ello en la mayoría de los casos por concisión de lenguaje se dice que es una energía. Sin embargo y como es sabido en el Sistema Internacional la fuerza no es una entidad fundamental, por tal motivo la Norma CEI nº 41, 3ª edición, que rige el estudio de las turbinas, prescribe que se ha de utilizar la energía por unidad de masa en vez de la energía por unidad de peso que se venía utilizando hasta hace poco tiempo. Su unidad es el J/kg y se representa por E. Igual que en el caso anterior por concisión de lenguaje en muchas ocasiones se le denomina simplemente energía. La relación entre altura y energía es: E = g H. • Altura o energía efectiva (He o Ee) es la energía mecánica obtenida por la turbina, se denomina también altura o energía útil (Hu o Eu). La mayor parte de la energía hidráulica recibida por la turbina (Hn) se transforma en energía mecánica y el resto son pérdidas hidráulicas que se convierten en energía calorífica. 2.3.2 Potencia útil. Potencia efectiva (Pe) es la potencia mecánica producida por la turbina también se denomina útil. Pe = ρ g Qu He 2.3.2.1 Potencia de accionamiento. Potencia neta (Pn) es la potencia hidráulica puesta a la disposición de la turbina. Pn = ρ g Qt Hn 2.3.2.2 Potencia Indicada o Interna. Potencia real (Pr) es la potencia mecánica recibida por el generador. También se denomina potencia al freno o al eje. Pr = ρ g Qu Hr .

2.4 Rendimientos y problemas. • Rendimiento manométrico o hidráulico (ηm o ηh). Evalúa el comportamiento hidráulico de la turbina. ηm = He/Hn • Rendimiento orgánico o mecánico (ηo). Evalúa el comportamiento mecánico de la turbina. ηo = Hr /He • Rendimiento volumétrico (ηv). Contempla las pérdidas volumétricas. ηv = Qu/Qt • Rendimiento global (ηg ). Considera la totalidad de las pérdidas, siendo por tanto la relación entre las potencias real y neta. Es el producto de los tres rendimientos anteriores. ηg = ηm ηo ηv • En el tratamiento práctico de la turbina no es posible desglosar los tres rendimientos, siendo normal reunir en uno solo el producto de los rendimientos volumétrico y manométrico, considerando aparte el orgánico. • Normalmente los rendimientos volumétrico y orgánico son muy elevados y próximos a la unidad (0,98 a 0,99). Es frecuente considerarlos como la unidad y suponer que el rendimiento global es equivalente al manométrico. • Pérdidas hidráulicas o manométricas (hfh o hfm). Son las pérdidas de energía producidas al atravesar el fluido la turbina por rozamiento y cambios de sección y dirección en los conductos que conforman la máquina, además de las pérdidas por choque. • Pérdidas orgánicas o mecánicas (hfo). Son las pérdidas mecánicas existentes en los elementos mecánicos de la máquina. • Pérdidas volumétricas (Qp). Se trata del caudal perdido y no aprovechado 2.5 Circuitos Hidráulicos.

2.6 Componentes Principales En todo circuito hidráulico hay tres partes bien diferenciadas: El grupo generador de presión, el sistema de mando y el actuador. El grupo generador de presión es el órgano motor que transfiere la potencia al actuador para generar trabajo. La regulación de esta transmisión de potencia se realiza en el sistema de mando que está formado por una serie de válvulas limitadoras de caudal y de presión, distribuidoras, de bloqueo, etc.

Esquema de un circuito hidráulico básico Cada elemento de una instalación hidráulica tiene unas determinadas características que es preciso conocer para deducir el funcionamiento de la instalación. Los elementos constitutivos del circuito hidráulico son:      

Tanque o depósito de aceite. Filtro Bomba Elementos de regulación y control Actuadores Redes de distribución

Tanque hidráulico

La principal función del tanque hidráulico es almacenar aceite, aunque no es la única. El tanque también debe eliminar el calor y separar el aire del aceite. Los tanques deben tener resistencia y capacidad adecuadas, y no deben dejar entrar la suciedad externa. Los tanques hidráulicos generalmente son herméticos. Filtro Un filtro hidráulico es el componente principal del sistema de filtración de una máquina hidráulica, de lubricación o de engrase. Estos sistemas se emplean para el control de la contaminación por partículas sólidas de origen externo y las generadas internamente por procesos de desgaste o de erosión de las superficies de la maquinaria, permitiendo preservar la vida útil tanto de los componentes del equipo como del fluido hidráulico.

Bomba hidráulica Nos proporcionan una presión y caudal adecuado de líquido a la instalación. La bomba hidráulica convierte la energía mecánica en energía hidráulica. Es un dispositivo que toma energía de una fuente (un motor, un motor eléctrico, etc.) y la convierte a una forma de energía hidráulica. La bomba toma aceite o fluido hidráulico de un depósito de almacenamiento (un tanque) y lo envía como un flujo al sistema hidráulico. Todas las bombas producen flujo de aceite de igual forma. Se crea un vacío a la entrada de la bomba. La presión atmosférica, más alta, empuja el aceite a través del conducto de entrada a las cámaras de entrada de la bomba. Los engranajes de la bomba llevan el aceite a la cámara de salida de la bomba. El volumen de la cámara disminuye a medida que se acerca a la salida. Esta reducción del tamaño de la cámara empuja el aceite a la salida. Elementos de regulación y control Son los encargados de regular el paso del aceite desde las bombas a los elementos actuadores. Estos elementos, que se denominan válvulas, pueden ser activados de diversas formas: manualmente, por circuitos eléctricos, neumáticos, hidráulicos o mecánicos. La clasificación de estas válvulas se puede hacer en tres grandes grupos: de dirección, antirretorno y de presión y caudal. Actuadores Los actuadores transforman la energía de presión del aire comprimido o del aceite en energía

mecánica, que será aplicada posteriormente para conseguir el efecto deseado. Según el tipo de movimiento, hay dos tipos de actuadores: Los cilindros: capaces de producir un movimiento rectilíneo Los motores: con los que se consigue un movimiento rotativo Red de distribución Debe garantizar la presión y velocidad del aceite en todos los puntos de uso. En las instalaciones oleohidráulicas, al contrario de las neumáticas, es necesario un circuito de retomo de fluido, ya que este se vuelve a utilizar una y otra vez. El material utilizado suele ser acero o plástico reforzado y depende de su uso. 2.7 Circuitos Elementales. El esquema que sigue representa un circuito hidráulico de fuerza clásico, donde el elemento de trabajo es un cilindro de fuerza. Los elementos constitutivos del circuito hidráulico son: - Un recipiente con aceite. - Un filtro - Una bomba para el aceite. - Una válvula de control que incluye una válvula de seguridad o sobre presión y la respectiva palanca de mando. - El cilindro de fuerza. - Conductos de comunicación. Mientras la palanca de accionamiento de la válvula de control está en su posición de reposo (centro) el aceite bombeado por la bomba retorna libremente al recipiente, de manera que el cilindro de fuerza se mantiene inmóvil.