MECANICA DE FLUIDOS

BELLO LÓPEZ STIVEN DAVID

CÁRDENAS DÍAZ JULIETH

OSIO CHURIO LUIS ALEJANDRO

SERPA LÓPEZ EDGAR

DOCENTE

VELASCO MAITE

UNIVERSIDAD DE PAMPLONA

FACULTAD DE INGENIERÍAS Y ARQUITECTURAS

PROGRAMA DE INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL

PAMPLONA, NORTE DE SANTANDER

KM 1 VIA BUCARAMANGA

24-11-2015

MAQUINAS HIDRAULICAS

BELLO LÓPEZ STIVEN DAVID

CÁRDENAS DÍAZ JULIETH

OSIO CHURIO LUIS ALEJANDRO

SERPA LÓPEZ EDGAR

DOCENTE

VELASCO MAITE

UNIVERSIDAD DE PAMPLONA

FACULTAD DE INGENIERÍAS Y ARQUITECTURAS

PROGRAMA DE INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL

PAMPLONA, NORTE DE SANTANDER

KM 1 VIA BUCARAMANGA

24-11-2015

TABLA DE CONTENIDO

2. BOMBAS HIDRAULICAS.

El funcionamiento en sí de la bomba será el de un convertidor de energía, o sea, transformara la energía mecánica en energía cinética, generando presión y velocidad en el fluido.

2.1 CLASIFICACION DE LAS BOMBAS

Las Bombas pueden clasificarse sobre la base de las aplicaciones a que están destinadas, los materiales con que se construyen, los líquidos que mueven y aún su orientación en el espacio. Todas estas clasificaciones, sin embargo, se limitan en amplitud tienden sustancialmente a traslaparse entre sí. Un sistema más básico de clasificación, define primero el principio por el cual se agrega energía al fluido, investiga la identificación del medio por el cual se implementa este principio y finalmente delinea las geometrías específicas comúnmente empleadas. Este sistema se relaciona por lo tanto, con las bombas mismas y no se relaciona con ninguna consideración externa a la bomba o aun con los materiales con que puede estar construida. Bajo este sistema, todas las bombas pueden dividirse en dos grandes categorías:

Dinámicas, en las cuales se añade energía continuamente, para incrementar las velocidades de los fluidos dentro de la máquina a valores mayores de los que existen en la descarga, de manera que la subsecuente reducción en velocidad dentro, o más allá de la bomba, produce un incremento en la presión. Las bombas dinámicas pueden, a su vez, subdividirse en otras variedades de bombas centrífugas y de otros efectos especiales.

De Desplazamiento, en las cuales se agrega energía periódicamente mediante la aplicación de fuerza a uno o más límites móviles de un número deseado de volúmenes que contienen un fluido, lo que resulta en un incremento directo en presión hasta el valor requerido para desplazar el fluido a través de válvulas o aberturas en la línea de descarga. Las bombas de desplazamiento se dividen esencialmente en los tipos reciprocantes y rotatorios, dependiendo de la naturaleza del movimiento de los miembros que producen la presión.

Cada una de estas clasificaciones mayores puede, a su vez, subdividirse en varios tipos específicos de importancia comercial, como se indica en siguiente mapa

.

2.1.1BOMBAS DE DESPLAZAMIENTO

2.1.1.1 BOMBA DE DESPLAZAMIENTO NO POSITIVO: Estas bombas son empleadas generalmente para el trasiego de fluidos, la energía cedida al fluido es cinética y funciona generalmente mediante fuerza centrífuga. Una bomba de desplazamiento no positivo, también llamada hidrodinámica no dispone de sistemas de estanqueidad entre los orificios de entrada y salida; por ello produce un caudal que variara en función de la contrapresión que encuentre el fluido a su salida (Bomba centrífuga). En este tipo de bombas la presión máxima alcanzable variara en función de la velocidad de rotación del elemento impulsor

FIG 1. BOMBAS DE DESPLAZAMIENTO NO

POSITIVO

2.1.1.2 BOMBA DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO: Las bombas hidrostáticas de desplazamiento positivo son los elementos destinados a transformar la energía mecánica en hidráulica. Estas bombas son aquellas que suministran la misma cantidad de líquido en cada ciclo o revolución del elemento de bombeo, independiente de la presión que encuentre el líquido a su salida. Estas bombas guían al fluido que se desplaza a lo largo de toda su trayectoria, el cual siempre está contenido entre el elemento impulsor, que puede ser un embolo, un diente de engranaje, un aspa, un tornillo, etc., y la carcasa o el cilindro. “El movimiento del desplazamiento positivo” consiste en el movimiento de un fluido causado por la disminución del volumen de una cámara. Por consiguiente, en una máquina de desplazamiento positivo, el elemento que origina el intercambio de energía no tiene necesariamente movimiento alternativo (émbolo), 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 volumen (impulsión), por esto a éstas máquinas también se les denomina Volumétricas.

FIG 2. BOMBAS DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO

2.1.1.3 BOMBA ROTATORIA: Este tipo de movimiento es el que traslada el fluido desde la aspiración hasta la salida de presión. Según el elemento que trasmita tal movimiento, se clasifican en bombas de engranajes, paletas, pistones etc.

FIG 3. BOMBAS ROTATORIAS

2.1.2 BOMBA RECIPROCANTE: El funcionamiento de una Bomba Reciprocante depende del llenado y vaciado sucesivo de receptáculos de volumen fijo, para lo cual cierta cantidad de agua es obligada a entrar al cuerpo de la bomba en donde queda encerrada momentáneamente, para después ser forzada a salir por la tubería de descarga. De lo anterior se deduce, en términos generales, que el gasto de una Bomba Reciprocante es directamente proporcional a su velocidad de rotación y casi independiente de la presión de bombeo. Como el proceso de llenado y vaciado sucesivo de receptáculos de volumen fijo requiere fricción por resbalamiento entre las paredes estacionarias del receptáculo y las partes móviles, estas bombas no son apropiadas para manejar líquidos que contengan arenas o materias en suspensión. Además, la variación cíclica del gasto de descarga puede obligar al empleo de Cámara de aire y de grandes tuberías. Estas bombas son relativamente de baja velocidad de rotación, de tal manera que cuando tienen que ser movidas por motores eléctricos deben ser intercaladas

trasmisiones de engranes o poleas para reducir la velocidad entre el motor y la bomba.

FIG 4. BOMBAS RECIPROCANTES

2.1.2.1 BOMBA DE DIAFRAGMA: Ocasionalmente, las bombas reciprocantes están provistas de un diafragma flexible recíprocamente en vez de un émbolo o pistón reciprocante, con lo cual se elimina la fricción y las fugas en el punto donde el émbolo atraviesa la caja de empaque. Un ejemplo de esta bomba queda ilustrado en la figura en la cual el movimiento del diafragma es obtenido mediante una cama excéntrica y una palanca; las válvulas de succión y de descarga trabajan en forma ordinaria. Tales bombas son muy comunes en la actualidad para levantar combustible de los tanques posteriores de los automóviles a los carburadores de los mismos.

FIG 5. BOMBA DE DIAFRAGMA

2.1.2.2 BOMBA DE EMBOLO: En sistemas de transmisión de circuito hidráulico cerrado, es algunas veces necesaria una forma de bomba cuyo gasto de descarga pueda ser variado sin cambiar la velocidad de rotación. Tal bomba está indicada en la figura, tiene un cierto número de cuerpos cilíndricos paralelos A, hechos formando un bloque B, que gira mediante engranes alrededor de un eje central. Los pistones o émbolos están articulados a un anillo que es mantenido en contacto con un platillo, el cual puede inclinarse fuera de la perpendicular; de este modo cuando el anillo gira en conjunto con el bloque de cilindros, también se

balancea e imparte el movimiento reciprocante necesario a los pistones o émbolos.

En estas bombas no son necesarias las válvulas que tienen las bombas de émbolo antes descritas; en su lugar tienen dos entradas o ranuras semicirculares que obturan las extremidades de los cilindros, una de las entradas está conectada a la tubería de succión y la otra a la de descarga. Así todos los cilindros del bloque en el lado en que suben los émbolos, que es cuando se mueven éstos hacia afuera, son puestos en comunicación directa con la tubería de succión, mientras que el líquido descargado de los cilindros en los cuales bajan los émbolos, tienen salida libre al tubo de descarga.

A fin de variar el gasto de descarga de la bomba, es necesario alterar la carrera de los émbolos, lo cual puede hacerse cambiando el ángulo de inclinación del plato. Para este objeto el plato está montado sobre ejes, de tal modo que él puede mecerse alrededor de un eje horizontal, transversal al eje principal de la bomba. Mientras más normal se hace el plato, menor será la descarga, hasta que ésta cesa por completo cuando el plato, es paralelo. Si se sigue variando la inclinación, el escurrimiento vuelve a tener lugar; pero ahora en sentido contrario, saliendo el líquido por el tubo en que antes se hacía la succión.

Debido al hecho de que estas bombas son empleadas exclusivamente para manejar aceite y de que todas las partes móviles están ahogadas en aceite, a pesar del número de superficies de fricción que tienen, alcanzan una alta eficiencia, de un ochenta por ciento o más. La presión media usual de trabajo es de unos 35 kg/cm2.

FIG 6. BOMBA DE EMBOLO

2.1.2.2.1 BOMBA DE POTENCIA: Una bomba de potencia es una máquina alternativa de velocidad constante, par motor constante y capacidad casi constante, cuyos émbolos o pistones se mueven por medio de un cigüeñal, a través de una fuente motriz externa.

FIG 7. BOMBA DE POTENCIA

2.1.2.2.2 BOMBA DE VAPOR: Una bomba de vapor es un motor de combustión externa que transforma la energía térmica de una cantidad de agua en energía mecánica

FIG 8. BONBA DE POTENCIA

2.1.2BOMBAS DINAMICAS

2.1.2.1 BOMBA CENTRIFUGA: Las bombas centrífugas prevén su nombre al hecho de que elevar el líquido por la acción de la fuerza centrífuga, que la imprime un rotor, colocado en su interior, el cual es accionado por un motor eléctrico. Un físico francés fue el primero que ideó las características esenciales de este tipo de bomba, la cual ha ido evolucionando a través de numerosos patentes. Toda una centrífuga, consta de un rotor de pocos a la vez fijos, el cual gira dentro de la caja envolvente, generalmente de forma espiral. El líquido proveniente de la cañería en que la por el centro del rotor, al girar bruscamente a la masa líquida una fuerza centrífuga, que lo hace salida que los canales situados entre los alavés, y la envoltura de la caja donde progresivamente la a energía cinética de la corriente líquida se transforma en energía potencial de presión. Así como la turbina Francis evolucionó hacia la turbina a hélice, con la necesidad de generar más revoluciones, las bombas centrífugas evolucionaron a las bombas de hélice o de flujo axial, como inconveniencia de ir aumentando el diámetro del eje del rotor, para permitir el ingreso de mayores caudales. Así cuando se desea obtener mayores caudales se dispone de unos o más rotores sobre el mismo árbol motor.

Las bombas centrífugas, debido a sus características, son las bombas que más se aplican en la industria. Las razones de estas preferencias son las siguientes:

Son aparatos giratorios. No tienen órganos articulados y los mecanismos de acoplamiento son muy

sencillos. Para una operación definida, el gasto es constante y no se requiere

dispositivo regulador.

FIG 9. BOMBA CENTRIFUGA

3. TURBINAS HIDRAULICAS

La turbina hidráulica es una máquina motora que a través de un rotor provisto de alabes o paletas tiene como función transformar la energía cinética y potencial del agua en energía mecánica.

3.1 ELEMENTOS FUNDAMENTALES DE UNA INSTALACION CON TURBINA HIDRAULICA.

3.1.1 CANAL DE LLEGADA O TUBERÍA FORZADA: El agua retenida en una presa o almacenada en una cámara de presión, se hace llegar a las turbinas por medio de conducciones a presión. Si la casa de máquinas está cerca se instala directamente una tubería de presión, pero si está lejos se gana distancia con una tubería de presión de escasa pendiente, al final de la cual se coloca una chimenea de equilibrio y seguidamente se pone la tubería de presión con una acentuada inclinación. La chimenea de equilibrio se hace necesaria como protección de la tubería de presión contra el golpe de ariete, cuyos efectos son tanto más sensibles cuanto más largo es el ducto cerrado; se limita así su acción solo a la tubería de presión.

FIG 10. ESQUEMA DE UN SALTO HIDRALICO

3.1.2 LA CARCASA, CAJA ESPIRAL O CARACOL: La cámara espiral tiene como misión el dirigir convenientemente el agua en el distribuidor por lo que constituye un ducto alimentador; para calcular sus dimensiones, la supondremos generalmente de sección circular y diámetro decreciente, aunque también puede ser rectangular; su forma es tal que la velocidad media tiene que ser la misma en cualquier punto del caracol, evitándose así las pérdidas ocasionadas por los cambios bruscos de velocidad.

A su vez, el agua no debe penetrar en la cámara espiral con una velocidad demasiado grande, ya que las pérdidas podrían ser excesivas.

FIG 11. FOTO DEL CARACOL DE UNA TURBINA FRANCIS

3.1.3 DISTRIBUIDOR: El distribuidor es un órgano fijo cuya misión es dirigir el agua, desde la sección de entrada de la máquina hacia la entrada en el rodete, distribuyéndola alrededor del mismo, (turbinas de admisión total), o a una parte, (turbinas de admisión parcial), es decir, permite regular el agua que entra en la turbina, desde cerrar el paso totalmente, caudal cero, hasta lograr el caudal máximo, modificando de esta forma la potencia de la turbina, ajustándose en lo posible a las variaciones de carga de la red, Figura7.3. Es también un órgano que transforma la energía de presión en energía de velocidad; en las turbinas hélico-centrípetas y en las axiales está precedido de una cámara espiral (voluta) que conduce el agua desde la sección de entrada, asegurando un reparto simétrico de la misma en la superficie de entrada del distribuidor.

FIG 12. DISTRIBUDOS DE UNA TURBINA FRANCIS

3.1.4 DIFUSOR (TUBO DE ASPIRACIÓN): 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. En las turbinas de acción carecen del tubo de aspiración en ellas el agua sale del rodete directamente al canal de salida.

El distribuidor y el difusor, forman parte del estator de la máquina, es decir, son órganos fijos; así como el rodete está siempre presente, el distribuidor y el difusor pueden ser en determinadas turbinas, inexistentes.

FIG 13. DIFUSOR DE UNA TURBINA

3.1.5 RODETE MÓVIL O ROTOR: El rodete es el elemento esencial de la turbina, estando provisto de álabes, los cuales están unidos a un plato perpendicular al eje de la máquina y es en estos en los que tiene lugar el intercambio de energía entre el agua y la máquina.

FIG 14. RODETE DE UNA TURBINA FRANCIS

3.2 CLASIFICACION Y DESCRIPCION DE LAS TURBINAS

Atendiendo a que la presión varíe o no en el rodete, las turbinas se clasifican en:

a) Turbinas de acción o impulsión.

b) Turbinas de reacción

En las turbinas de acción, el agua sale del distribuidor a la presión atmosférica, y llega al rodete con la misma presión; en estas turbinas, toda la energía potencial del salto se transmite al rodete en forma de energía cinética.

FIG 15. ACCION

En las turbinas de reacción, el agua sale del distribuidor con una cierta presión que va disminuyendo a medida que el agua atraviesa los álabes del rodete, de forma que, a la salida, la presión puede ser nula o incluso negativa; en estas turbinas el agua circula a presión en el distribuidor y en el rodete y, por lo tanto, la energía potencial del salto se transforma, una parte, en energía cinética, y la otra, en energía de presión.

FIG 16. REACCION

Atendiendo a la dirección de entrada del agua en las turbinas, éstas pueden clasificarse en: Axiales, Radiales (centrípetas y centrífugas); Mixtas y Tangenciales.

AXIALES, (Kaplan), el agua entra paralelamente al eje, tal como se muestra en la Figura.

FIG 17. TURBINA AXIAL

RADIALES, (Francis) el agua entra perpendicularmente al eje, siendo centrífugas cuando el agua vaya de dentro hacia afuera, y centrípetas, cuando el agua vaya de afuera hacia adentro.

FIG 18. TURBINA RADIAL

TANGENCIALES, (Pelton) el agua entra lateral o tangencialmente contra las palas, cangilones o cucharas de la rueda.

FIG 19. TURBINA TANGENCIAL

3.3 DESCRIPCION DE DIVERSOS TIPOS DE TURBINAS HIDRAULICAS.

3.3.1 TURBINA FRANCIS (1849); debe su nombre al Ingeniero James Bichano Francis (1815-1892); es radial centrípeta, con tubo de aspiración; el rodete es de fácil acceso, por lo que es muy práctica. Es fácilmente regulable y funciona a un elevado número de revoluciones; es el tipo más empleado, y se utiliza en saltos variables, desde 0.5 m hasta 180 m; pueden ser, lentas, normales, rápidas.

FIG 20. TURBINA FRANCIS

El agua proveniente del tubo de alimentación llega a una cámara en espiral, cuya función es, dirigir adecuadamente al agua en el distribuidor, este a su vez tiene la función de dirigir adecuadamente el agua hacia los alabes de rodete, regulando el caudal admitido y de esta forma, controlando la potencia de la turbina. Posteriormente el agua pasa al rodete donde se lleva a cabo la transferencia de energía hidráulica del agua en energía mecánica, para salir finalmente a través del tubo de desfogue.En la turbina Francis puramente radial toda la energía trasmitida del fluido al rotor se efectúa, mientras el agua pasa a través de los alabes de afuera hacia adentro, siempre en dirección radial. En la Francis mixta el agua, el agua recorre los alabes radialmente en parte de la máquina y termina con un recorrido axial. Este tipo de maquina tiene aplicación en cargas medianas y bajas y en caudales medianos y relativamente grandes.

3.3.1.2 CLASIFICACION SEGÚN EL TIPO DE RODETE: Las turbinas Francis son de tres tipos fundamentales, lentas, normales y rápidas, diferenciándose unas de otras en la forma del rodete. 3.3.1.2.1 RODETES LENTOS: Se utilizan en los grandes saltos; con ellos se tiende a reducir el número de revoluciones, lo cual supone un aumento del diámetro D1 del rodete respecto al del tubo de aspiración D2. El ángulo a la entrada y su número de revoluciones por minuto está comprendido entre 50 y 100.

FIG 21. RODETE FRANCIS LENTO

3.3.1.2.2 RODETES NORMALES: Se caracterizan porque el diámetro D1 es ligeramente superior al del tubo de aspiración D2. El agua entra en el rodete radialmente y sale de él axialmente, entrando así en el tubo de aspiración y alcanza un número de revoluciones por minutos entre 125 y 200.

FIG 22. RODETE FRANCIS NORMAL

3.3.1.2.3 RODETES RAPIDOS: Los rodetes rápidos, permiten obtener elevadas velocidades de rotación para número de revoluciones por minutos comprendidos entre 300 y 500. El diámetro del rodete D1 es menor que el D3 del tubo de aspiración y el cambio de dirección del agua se efectúa más bruscamente que en las turbinas normales.

FIG 23. RODETE FRANCIS RAPIDO

3.3.2 TURBINA KAPLAN (1912); La turbina Kaplan debe su nombre al Ingeniero Víctor Kaplan (1876-1934).

FIG 24. TURBINA KAPLAN

La turbina Kaplan es de reacción y de flujo axial que tiene verdadera importancia en la actualidad y encuentra aplicación en una amplia variedad de cargas que varía aproximadamente desde 1 metro hasta 90 metros.

Se emplean en saltos de pequeña altura. Las amplias palas o álabes de la turbina son impulsadas por agua a alta presión liberada por una compuerta .Los álabes del rodete en las turbinas Kaplan son siempre regulables y tienen la forma de una hélice, mientras que los álabes de los distribuidores pueden ser fijos o regulables. Si ambos son regulables, se dice que la turbina es una turbina Kaplan verdadera; si solo son regulables los álabes del rodete, se dice que la turbina es una turbina Semi-Kaplan. Las turbinas Kaplan son de admisión radial, mientras que las semi-Kaplan pueden ser de admisión radial o axial. Para su regulación, los álabes del rodete giran alrededor de su eje, accionados por unas manijas, que son solidarias a unas bielas articuladas a una cruceta, que se desplaza hacia arriba o hacia abajo por el interior del eje hueco de la turbina. Este desplazamiento es accionado por un servomotor hidráulico, con la turbina en movimiento. Al poder variar la posición de los álabes, puede buscarse que su inclinación coincida en cualquier punto de funcionamiento con la dirección del flujo a la entrada del rodete, por lo que se adapta bien a cualquier carga.

Utilización para:

Altura de caída 7-60 metros. Caudal 0,7-1.000 m³/s. Potencia 50-180.000 KW.

3.3.3 TURBINA PELTON: La turbina Pelton debe su nombre a Lester Allan Pelton (1829-1908). Las turbinas Pelton son turbinas de chorro libre que se acomodan a la utilización de saltos de agua con mucho desnivel y caudales relativamente pequeños, con márgenes de empleo entre 60 y 1500 metros, consiguiéndose rendimientos máximos del orden del 90%.

Pueden ser de:

Eje horizontal Eje vertical

En la disposición de eje horizontal el número de chorros por rueda se reduce generalmente a uno o dos, por resultar complicada la instalación en un plano vertical de las tuberías de alimentación y las agujas de inyección, sin embargo la rueda queda más accesible para su inspección y reparación de averías que pueda experimentar durante su funcionamiento. Con este sistema también se hace posible instalar turbinas gemelas para un solo generador colocado entre ambas. La disposición de eje vertical facilita la colocación del sistema de alimentación, lo que permite aumentar el número de chorros por rueda de 4 a 6, con lo que se puede así incrementar el caudal y tener mayor potencia por unidad. Sin embargo es importante señalar que con esta disposición la inspección y las reparaciones son más complicadas, por lo que se debe reservar para aquellos caos en que se tengan aguas limpias que no produzcan efectos abrasivos sobre los alabes y los inyectores.

FIG 25. TURBINA PELTON

CAZOLETAS. En una rueda Pelton la dirección del chorro no es ni axial ni radial, sino tangencial; el elemento constructivo más importante es la cazoleta en forma de doble cuchara, que recibe el chorro exactamente en su arista media donde se divide en dos, circulando por su cavidad y recorriendo hasta la salida casi un ángulo de 180º, contrarrestándose así los empujes axiales por cambio de dirección de los dos chorros.

INYECTOR. El inyector es el órgano regulador del caudal del chorro; consta de una válvula de aguja cuya carrera determina el grado de apertura del mismo; para poder asegurar el cierre, el diámetro máximo de la aguja tiene que ser superior al de salida del chorro cuyo diámetro d se mide en la sección contraída, situada aguas abajo de la salida del inyector y en donde se puede considerar que la presión exterior es igual a la atmosférica.

Las turbinas Pelton están diseñadas para explotar grandes saltos hidráulicos de bajo caudal. Existen turbinas Pelton de todos los tamaños. Hay turbinas de varias toneladas montadas en vertical sobre cojinetes hidráulicos en las centrales hidroeléctricas. Las turbinas Pelton más pequeñas, solo de unos pocos centímetros, se usan en equipamientos domésticos. En general, a medida que la altura de la caída de agua aumenta, se necesita menor caudal de agua para generar la misma potencia. La energía es la fuerza por la distancia, y, por lo tanto, una presión más alta puede generar la misma fuerza con menor caudal.

Cada instalación tiene, por lo tanto, su propia combinación de presión, velocidad y volumen de funcionamiento más eficiente. Usualmente, las pequeñas instalaciones usan paletas estandarizadas y adaptan la turbina a una de las familias de generadores y ruedas, adecuando para ello las canalizaciones. Las pequeñas turbinas se pueden ajustar algo variando el número de toberas y paletas por rueda, y escogiendo diferentes diámetros por rueda. Las grandes instalaciones de encargo diseñan el par torsor y volumen de la turbina para hacer girar un generador estándar. Consideraciones comerciales de aplicación dentro de los rangos que siguen

Caídas de entre 100 y 400 metros. Caudales de entre 0,02 y 1,0 m³/s. Potencias nominales de entre 10 y 1.500 kW.