Publicaciones de Estudiantes
Autor: Boris Kalmar Alvarado
Titulo: Thermodynamic

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Pais: Estados Unidos
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1. INTRODUCCION

Una máquina absorbe energía de una clase y restituye energía de otra clase (un motor  eléctrico,  por  ejemplo,  absorbe  energía  eléctrica  y  restituye  energía mecánica)  o de la misma  clase  pero transformada  (una  grúa  o un torno,  por ejemplo, absorben y restituyen energía mecánica).

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

Las máquinas hidráulicas pertenecen a un grupo muy importante de máquinas que  se  llaman  máquinas  de  fluido. Aunque  rara  es  la  máquina  en  que  no intervienen uno o varios fluidos como refrigerantes, lubricantes; eso sólo no es suficiente para incluir dicha máquina en el grupo de máquinas de fluido.

Máquinas de fluido son aquellas máquinas en que el fluido, o bien proporciona la energía que absorbe la máquina (por ejemplo, el agua que se suministra a una turbina posee una energía preferentemente de presión, proveniente de la energía geodésica que poseía el embalse y que a su vez la turbina transforma la energía mecánica) o bien aquellas en que el fluido es el receptor de energía, al que la máquina restituye la energía mecánica absorbida.

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 tenía la  entrada  de  la  misma,  por  que  la  bomba  ha  restituido  al  agua  la  energía absorbida  en el eje).        Las  máquinas  de  fluido  revisten  infinidad  de  formas  y encuentran un sin fin de aplicaciones en la técnica basta ver que dentro de este grupo  se hallan  comprendidas  máquinas  tan diversas  como  la diminuta  fresa neumática  de un dentista,  que gira a 500.000 rpm, y la gigantesca  turbina de vapor de 1.200 MW; o como la bomba de membrana  para combustible  de un automóvil y n cohete de combustible líquido. Las máquinas de fluido se clasifican en máquinas hidráulicas y máquinas 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, si no 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  líquidos  distintos  al  agua  (gasolina,  ácidos,  etc.) también son máquinas hidráulicas.  Aunque el líquido bombeado este caliente la máquina no es una máquina térmica, sino que seguirá siendo hidráulica.  Aunque el  nombre   de  máquina   hidráulica,   según   lo  dicho   no  sea   apropiado,   la clasificación misma de las máquinas de fluido en máquinas hidráulicas y térmicas es rigurosa y científica.

•    Máquina  hidráulica  es  aquella  en  que  el  fluido  que  intercambia  su energía no varía sensiblemente su densidad en su paso a través de la máquina, por lo cual en el diseño y estudio de la misma se hace la hipótesis de que    = cte.
•    Máquina  térmica  es  aquella  en el fluido  en su  paso  a través  de la máquina varía sensiblemente de densidad y volumen específico, el cual en el diseño y estudio de la máquina ya no puede suponerse constante.

La compresibilidad e incompresibilidad del fluido que se traduce en la variación o invariancia de la densidad o volumen específico es fundamental en el diseño de una máquina.

•    Todo cuerpo  sólido,  líquido  o gas es compresible.Sin embrago,  el diseño de una bomba, por ejemplo, se hace suponiendo que el líquido bombeado es incompresible o de densidad constante: la bomba es una máquina hidráulica.   El diseño de un turborreactor, por el contrario, no puede hacerse sin tener en cuenta la variación del volumen especifico del aire a través de la máquina: el turborreactor es un máquina térmica. En un compresor   el fluido es un gas y un gas es muy compresible, y,

por tanto, su volumen especifico varia grandemente. sin embargo, si el incremento  de presión es pequeño (inferior a 100mbar) el diseño del compresor llevado a cabo con la hipótesis de que el volumen especifico del gas es constante resulta con frecuencia satisfactorio.  En este caso la máquina se llama ventilador: el ventilador es una máquina hidráulica. No obstante, si la relación de compresión  es grande (superior a 100 mbar), no puede despreciarse la variación del volumen específico del gas  a  través  de  la  máquina.  En  este  caso  la  máquina  se  llama compresor: el compresor es una máquina térmica.

En  esta  asignatura  debemos  estudiar  las  máquinas  de  hidráulicas;  y  no  las máquinas térmicas cuyo estudio pertenece a la termodinámica.

2. CLASIFICACIÓN DE LAS MÁQUINAS HIDRÁULICAS

Para  clasificar  las  máquinas  hidráulicas  se  atiende  el  órgano  principal  de  la máquina, o sea el órgano en que se intercambia la energía mecánica en energía de fluido o viceversa.   Este órgano según los casos se llama rodete, émbolo o impulsor Figura1.

FIGURA 1

Ahora bien, la clasificación de las máquinas hidráulicas en rotativas y alternativas, según que el órgano intercambiador de energía esté provisto de movimiento de rotación o de movimiento alternativo tiene la ventaja de ser muy clara; pero suele preferirse  la siguiente,  que  considera  dos  grupos  también. Esta  clasificación tiene  la  ventaja  de  que  nos  e  basa  en  algo  accidental  como  es  el  tipo  de movimiento del émbolo o rodete, sino   en el  principio   fundamental de funcionamiento, que es distinto en los dos grupos.

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

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 variación de volumen.  Los cambios en la dirección y valor absoluto de la velocidad del fluido no juegan papel esencial alguno.

Al primer grupo pertenecen  la clase importante  de máquinas  alternativas  o de émbolo;  pero  estas  no  son  ni  mucho  menos  las  únicas,  así  como  en  las turbomáquinas el órgano transmisor de la energía (rodete) se mueve siempre con movimiento  rotativo,  en  las  máquinas  de  desplazamiento  positivo  el  órgano transmisor de la energía puede moverse tanto con movimiento alternativo como con  movimiento  rotativo.  Al  grupo  de  máquinas  de  desplazamiento  positivo pertenece la clase  importantísima   de las   máquinas empleadas en    las transmisiones y controles hidráulicos y neumáticos.

Las   máquinas   de  desplazamiento   positivo   funcionan   bajo   el   principio   de desplazamiento positivo.  El principio de funcionamiento de las turbomáquinas es la ecuación de Euler.

Podemos añadir un tercer grupo de máquinas hidráulicas, en que se intercambia energía  en  forma  de  energía  potencial  (elevadores  de  cangilones,  tornillo  de

Arquímedes,   rueda   hidráulica).Estas   máquinas   se  denominan   máquinas gravimétricas.  De este grupo no nos ocuparemos ya que su estudio no presenta desde el punto de vista hidráulico mayor dificultad.

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.

3.                                              ECUACIÓN FUNDAMENTAL DE LAS TURBOMÁQUINAS

De esta ecuación fundamental se pueden deducir cuestiones básicas del diseño de muchas turbomáquinas pudiéndola escribir en otras formas más interesantes. Continuaremos  deduciendo  las fórmulas a partir de la ecuación general de las turbomáquinas motoras centrífugas y comenzaremos reescribiéndola así:

Donde L se conoce como labor o trabajo por unidad de masa que pasa por el rotor, también conocido como trabajo específico. Luego, si aplicamos el teorema del coseno al triangulo de velocidades obtendremos la siguiente expresión.

Si sustituimos  en la ecuación  general  obtendremos  una  expresión  del trabajo específico únicamente en función de los cambios de velocidades:

Ya con esta ecuación,  para turbomáquinas  centrífugas  generadoras,  podemos encontrar cosas interesantes, como por ejemplo que para un mayor suministro de energía al fluido de trabajo nos conviene que la velocidad a la salida sea mayor a la velocidad de entrada (u3 > u0), este es el hecho que determina que en las bombas y compresores centrífugos que la entrada del fluido sea por el centro del rotor y no al contrario.

Ahora escribamos la misma ecuación para máquinas motoras multiplicando por un signo menos:

Aquí encontramos una situación análoga para las turbinas radiales, para mejorar el intercambio energético nos conviene que la velocidad periférica sea mayor en la entrada que en la salida, por eso en las turbinas radiales (y también semi- axiales como la Francis) el fluido de trabajo siempre entra por la parte exterior del rotor.

Ahora  escribamos  la  primera  ley  de  la  termodinámica   para  turbomáquinas motoras en un proceso adiabático (obsérvese que L es definido positivo):

Podemos  ver  que  al  sustituir  L  el término  relativo  al  cambio  de  la velocidad
absoluta desaparece para expresar el salto entálpico como función del cambio de velocidad periférica más el cambio de velocidad relativa:

Más  aún  para  las  turbomáquinas  generadoras  axiales  como  u0  =  u3   el  salto

entálpico sólo es función del cambio de velocidades relativas. Así, por ejemplo, existen turbinas de vapor axiales en las que no ocurre ningún cambio entalpico (Turbina Curtis) y es por esto que sus álabes tienes forma simétrica de media luna.

3.1   LIMITACIONES DE LA TEORÍA EULERIANA

La descripción dada arriba del intercambio energético dado en el paso del fluido de trabajo  por el seno del rodete  de la turbomáquina  se conoce  como teoría euleriana. Esta teoría resulta satisfactoria en muchos casos, en los cuales son válidas las suposiciones efectuadas para concluir la ecuación fundamental de las

turbomáquinas. Por otro lado cuando estas suposiciones no son verificadas no es posible obtener una descripción satisfactoria a partir de la teoría euleriana, y en cada  caso  se deben  tomar  las medidas  competentes  para realizar  un diseño correcto.

3.2 RENDIMIENTO DE LAS TURBOMÁQUINAS

En las turbmáquinas  el concepto  de rendimiento  es de suma importancia.  El rendimiento o eficiencia, puede verse como la razón existente entre los beneficios que pueden obtenerse idealmente de una máquina y aquellos que son obtenidos en la realidad.  En otras palabras  el rendimiento  total de una turbomáquina  se
define como la razón entre la potencia restituida y la potencia absorbida:

En las turbomáquinas  motoras la potencia absorbida es toda aquella entregada

por el fluido de trabajo en su paso por la máquina,  y la potencia restituida es aquella  que  se  encuentra  en  el  eje  del  rotor.  Al  contrario  ocurre  en  las turbomáquinas generadoras, ya que la potencia absorbida se encuentra en el eje del rotor, y la energía restituida es aquella que es entregada  efectivamente  al fluido de trabajo.

El  discurso  sobre  el  rendimiento   utiliza  ampliamente   los  conceptos   de  la termodinámica.  La primera ley de la termodinámica  nos indica que la potencia restituida jamás podrá ser mayor a la potencia absorbida, ya que esto implicaría la creación espontánea de energía. La segunda ley de la termodinámica nos dice que la potencia absorbida siempre será mayor que la potencia restituida, ya que la energía se suministra al fluido en un número finito de etapas (es un proceso irreversible). De esta forma podemos afirmar que:

De esta manera, por ejemplo, para que un compresor axial entregue una cantidad

Eentregada  (energía restituida por la máquina) de energía a un fluido, este deberá absorber una cantidad de energía Eabsorbida  definitivamente mayor a la entregada efectivamente  al fluido de trabajo. La diferencia entre la energía absorbida y la
energía restituida se conoce con el nombre de pérdidas:

Podemos  escribir  la  misma  relación  para  la  potencia  derivando  respecto  al

tiempo:

La potencia perdida es aquella que resulta invertida en otros fenómenos distintos

a aquellos deseados para los fines de la turbomáquina, que es entregar energía útil al fluido. Así la potencia perdida resulta en el calentamiento del fluido, vencer las  fuerzas  viscosas  dentro  del  fluido,  etc.  Para  simplificar  el  estudio  de  la eficiencia  o rendimiento  se clasifican  diversos  tipos  de rendimiento,  cada  uno asociado a un fenómeno distinto de pérdida de energía.

4. CLASIFICACION DE LAS TURBOMÁQUINAS SEGÚN LA DIRECCION DEL FLUJO EN EL RODETE

En la figura 2 se representa con línea discontinua y una flecha la trayectoria de una partícula que atraviesa el rodete en los tres casos siguientes.

•    Se presenta la trayectoria de una partícula en una máquina radial.

•    Lo mismo en una máquina axial.

•    Lo mismo en una máquina radio axial, llamada también de flujo mixto, o semi-axial.

En cualquier punto de de la trayectoria de una partícula se pueden dibujar tres ejes: r, u, a dirigidos según el radio, la tangente y el eje de la máquina:

•    En la máquina radial la velocidad  en ningún punto (del rodete) tiene componente  axial  (según  el  eje  a);  solo  tiene  dos  componentes. Tangencial y radial.

•    En la máquina  axial la velocidad  en ningún punto tiene componente radial (según el eje r); solo tiene dos componentes: axial y periférica en las máquinas axiales u1 = u2.   El efecto de la fuerza centrifuga es nula, una bomba axial no es una bomba centrifuga.

•    En  la  máquina  radio  axial  la  velocidad  tiene  las  tres  componentes según los tres ejes.

•    En ninguna máquina falta la componente periférica, cu’  cuya variación a su paso por la máquina, según la ecuación de Euler, es esencial en la transmisión de la energía.

•    Las turbinas Pelton, constituyen una clase especial, por que en ellas el flujo es meramente tangencial.

•    Las   turbinas   de  vapor   de  las  centrales   térmicas   modernas   son máquinas axiales.

•    Las turbinas hidráulicas son rara vez radiales.  Las turbinas hidráulicas mas  frecuentes  son  las  turbinas  Francis,  que  son  máquinas  radio axiales.

•    La  bomba  radial  es  una  máquina  muy  frecuente;  pero  son  también frecuentes las bombas axiales y semi axiales.

5.  TURBOMÁQUINAS HIDRAULICAS- BOMBAS ROTODINAMICAS

Bomba es una máquina que absorbe energía mecánica y restituye el líquido que la atraviesa  energía  hidráulica.                                                                                                                                                                   Las se emplean  para impulsar  toda clase  de líquidos (agua, aceites de lubricación, combustibles, ácidos; líquidos alimenticios: cerveza, leche, etc; estas ultimas constituyen el grupo importante de las bombas sanitarias).  También se emplean las bombas para bombear líquidos espesos con sólidos en suspensión, como pastas de papel, melazas, fangos, desperdicios, etc. Las bombas se clasifican en:

•    Bomba  roto  dinámica. Todas  y  solo  las  bombas  que  son  turbo máquinas  pertenecen  a este  grupo,  del cual nos  ocuparemos  en el presente  capitulo,  estas son siempre rotativas,  su funcionamiento  se basa en la ecuación de Euler; y su órgano transmisor de energía se llama rodete, se denominan roto dinámicas por que su movimiento es rotativo  y la dinámica  de la corriente  juega  un papel esencial  en la transmisión de la energía.

•    Bombas de desplazamiento positivo.  A este grupo pertenecen no solo las bombas alternativas, sino las rotativas llamadas roto estáticas por que son rotativas, pero en ellas la dinámica de la corriente no juega un papel esencial en la transmisión de la energía.   Su funcionamiento de basa en el principio de desplazamiento positivo.

5.1 CLASIFICACION DE LAS BOMBAS ROTODINAMICAS

•    Según la dirección del flujo: bombas de flujo radial, de flujo axial y de flujo radio axial.
•    Según la posición del eje: bombas de eje horizontal, de eje vertical y de eje inclinado.
•    Según  la  presión  engendrada:  bombas  de  baja  presión,  de  media presión y de alta presión.
•    Según el número de flujos en la bomba: se simple aspiración o de un flujo y de doble aspiración, o de dos flujos.
•    Según  el  número  de  rodetes:  de  un  escalonamiento  o  de  varios escalonamientos.

5.2    ELEMENTOS CONSTITUTIVOS

En la figura 3, se muestra una bomba radial de eje horizontal en la cual pueden verse los elementos siguientes.

•    Rodete, este gira solidario con el eje de la máquina y consta de un cierto número de álabes que imparten  energía al fluido en forma de energía cinética y energía de presión.

•    Corona directriz o corona de albes fijos, que recoge el líquido del rodete y transforma la energía cinética comunicada por el rodete en energía de presión, ya que la sección de paso aumenta en esta corona en la dirección del flujo. Esta corona directriz no existe en todas las bombas; por  que  encarece  su  construcción;  aunque  hace  a  la  bomba  más eficiente.

•     Caja espiral o voluta, esta transforma la energía dinámica en energía de presión, y recoge además con pérdidas mínimas de energía el fluido que sale del rodete, conduciéndolo hasta la tubería de salida o tubería de impulsión.

•    Tubo difusor troncocónico, realiza una tercera etapa de difusión o sea de transformación de energía dinámica en energía de presión.

•    Entrada o succión, por esta parte de la bomba ingresan los fluidos al interior de la bomba, para la transmisión de energía mecánica en el.

•    Salida  o  descarga,  pro  esta  parte  de  la  bomba  salen  los  fluidos residuales del pues de su paso, por el impulsor o la voluta.

•    Empaquetadura, la bomba cuenta en su eje y la carcaza del grupo con una serie de empaques  para evitar la perdida  de energía,  o escape exterior de fluidos.

•    Anillo de desgaste, es colocado para evitar el roce del rodete con otros componentes de la bomba, este también protege al rodete del desgaste execivo producido por los sólidos disueltos que se encuentran en los fluidos, se cambia en todos los mantenimientos.

5.3  DONDE EMPIEZA Y DONDE TERMINA LA MÁQUINA SECCIONES DE ENTRADA E Y DE SALIDA S

Norma  la  sección  de  entrada  de  una  bomba  se  toma  antes  de  la  brida  de conexión del tubo de aspiración, sección E figura 3.  La sección de salida se toma después de la brida de conexión del tubo de impulsión, sección S.   La bomba empieza en la sección E y termina e la sección S,  todas las perdidas de energía que  tienen  lugar  entre  las  secciones  E  y  S,  son  imputables  a  la  bomba  y disminuyen el rendimiento de la bomba; pero las perdidas que tienen lugar antes de la sección E,(en el tubo de aspiración) y después de la sección S,(en el tubo de impulsión  son imputables  a la instalación  y diminuyen  el rendimiento  de la instalación ( no el de la bomba).

5.4 TIPOS DE BOMBAS

En la explotación de las máquinas pueden surgir pleitos entre la casa explotadora y la constructora sobre mal funcionamiento, bajo rendimiento e incumplimiento de garantías.  El constructor es responsable de cuanto sucede entre las secciones E y S, y el instalador de cuanto sucede antes y después de dichas secciones.

•    Bomba de carcaza seccionada, la figura 4.  nos muestra una de estas bombas construida por la caza Sulzer.  Esta bomba está dividida por un plano axial horizontal.  Las tuberías de aspiración y descarga, así como el conducto de conexión entre el primero y el segundo escalonamiento se encuentran en al parte inferior de la carcasa.

•    Bomba monobloc, la figura 5. si bomba anterior es muy popular por su

accesibilidad,  ésta también lo es en grupos pequeños  por formar un grupo compacto con un solo apoyo para el motor eléctrico y la bomba.

•    Bomba de doble aspiración, como la presentada en la figura 6.  Esta bomba es semiaxial o de flujo mixto y resulta adecuada para grandes caudales, lo que se consigue gracias a la doble aspiración sin aumentar mucho las dimensiones de la máquina.

•    Bomba axial, la figura 7.  muestra una bomba de riego, esta suministra

un  caudal  de  unos  600  l/s. El  rodete  tiene  forma  de  hélice  y  es adecuada para grandes caudales y pequeñas alturas de elevación.

•    Bomba   horizontal   de   múltiples   escalonamientos. La   bomba   de múltiples  escalonamientos  como  la que  nos  muestra  la figura  8. a diferencia de las dos anteriores esta es más adecuada para pequeños caudales y grandes alturas efectivas.  Las bombas de alimentación de calderas se construyen para presiones por encima de 300 bares.   En este campo de aplicación las bombas roto dinámicas has desplazado
modernamente casi por completo a las bombas de émbolo.

•    Bombas de pozo profundo. Son análogas  a las anteriores y se instalan

en el interior  del pozo,  y a veces  sumergidas.  El motor eléctrico  de accionamiento  se instala fuera del pozo, pudiendo tener el eje varios metros  de  longitud,  con  apoyos  de  trecho  en  trecho  en  cojinetes intermedios como lo muestra la figura 9.

•    Grupo moto-bomba sumergible, estos grupos, como el de la figura 10, gracias a los modernos progresos en la técnica de los aislamientos, se instalan totalmente sumergidas, sin excluir el motor eléctrico.  Estas bombas permiten la extracción de agua sin la construcción del pozo ancho convencional, pues basta una perforación de diámetro suficiente
para introducir la bomba.

6. TURBOMÁQUINAS HIDRAULICAS: VENTILADORES

Un ventilador  esencialmente  es una bomba de gas en vez de líquido. Por el tanto Ventilador es una turbomáquina hidráulica generadora para gases.

Los  líquidos  son  poco  compresibles   y  los  gases  muy  compresibles, La compresibilidad puede o no afectar el diseño de la máquina y repercutir o no en la aplicabilidad  de las fórmulas desarrolladas  para las bombas a los ventiladores, según que la variación de la densidad y por tanto de volumen especifico, sea o no importante.  Si el gas puede considerarse prácticamente incompresible a su paso por la máquina,  la teoría y funcionamiento de la bomba de gas será idéntica a la de  la  bomba  de  liquido,  esto  sucede  cuando  el  incremento  de  presiones    P (=PRESIÓN  A LA SALIDA-  PRESIÓN  A LA ENTRADA  EN LA MÁQUINA)  es pequeña.

Si el gas no puede considerarse incompresible, las fórmulas desarrolladas para las bombas no serán aplicables a los ventiladores.  Si el gas puede considerarse compresible, la máquina se llama turbocompresor.   La línea de separación entre el ventilador y compresor es convencional,  antiguamente  se decía que si     P <
1.000   mm   de  columna   de  agua,   el  efecto   de  la  compresibilidad   podría

despreciarse y la máquina era un ventilador. Este limite sigue siendo valido para los ventiladores industriales de poca calidad, en que no se busca un rendimiento grande, sino un precio reducido; pero al crecer las potencias de los ventiladores con el desarrollo de las técnicas de ventilación, refrigeracióny aire acondicionado,  en los ventiladores de calidad dicho límite hay que establecerlo más bajo.  Convencionalmente podemos establecer.

Máquinas de poca calidad     P < 100 mbar, ventilador

 P  >   100 mbar, turbocompresor.

 Máquinas de alta calidad                       P <   30 mbar, ventilador

 P >    30 mbar, turbocompresor.

Ventilador es la turbomáquina que absorbe energía mecánica y restituye energía a  un  gas,  comunicándole  un  incremento  de  presión  tal  que  el  influjo  de  la compresibilidad puede despreciarse.
Compresor es la turbomáquina, análoga a la anterior, pero que comunica al gas un  incrementote  presión  tal  que  el  influjo  de  la  compresibilidad  no  puede despreciarse.  En resumen:

•    En el  cálculo y funcionamiento del  ventilador el gas supone incompresible.
•    En  el  cálculo  y  funcionamiento  del  compresor  el  gas  se  supone compresible.
•    El ventilador es una máquina hidráulica.

•    El compresor es una máquina térmica.

•    El ventilador nunca se refrigera por que al ser la compresión pequeña(teóricamente despreciable), elg as no se calienta.

•    El compresor con mucha frecuencia es refrigerado.

Para ventilación de las salas de trabajo y reuniones, así como de minas, túneles y

barcos; para exhaustacion de humos, aire con alto contenido de polvo, para el secado  en procesos  industriales;  para la refrigeración  y acondicionamiento  de aire; se necesitan grandes caudales de aire; pero con frecuencia las presiones son relativamente pequeñas.   Por tanto, las máquinas para este tipo de servició muchas  veces calculan  como ventiladores  (máquinas  hidráulicas)  sin tener en cuenta la compresibilidad del gas y por tanto sín tener en cuenta la variación de densidad y volumen especifico.   Por el contrario en la acerias y altos hornos se requieren presiones mucho mayores, de 2 a 4 bar, para vencer la resistencia al flujo a través de las conducciones, toberas, etc, por tanto, las máquinas para este tipo de servicio se calculas como compresores (máquinas térmicas), teniendo en cuenta la compresibilidad del gas, y por tanto teniendo en cuenta la variación de densidad y volumen especifico.

7. TURBOMÁQUINAS HIDRAULICAS: TURBINAS

La turbina hidráulica es una máquina motora, y por tanto esencialmente es una bomba  roto dinámica  que trabaja  a la inversa,  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 Urbina.Prácticamente,   el  rendimiento   seria   muy   bajo   y  a  veces   nulo, exceptuando las máquinas especialmente diseñadas para trabajar como bomba y como turbina, como es caso de la máquina doble bomba-turbina de las centrales de bombeo de entrepeñas unión madrileña

7.1    ELEMENTOS CONSTITUTIVOS

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

•    Canal de llegada. (lamina libre) o tubería forzada (flujo a presión, n.1).

corresponde a la tubería de impulsión en una bomba.   Al final de la tubería  forzada  se ínstala  una  válvula  (compuerta,  mariposa,  bola), que no aparece en la figura y detrás de la válvula de entrada en la tubería.
•    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  centrifugas  con  flujo  en  el  rodete  hacia  el exterior corresponde el tipo de turbinas centrípetas, con flujo en 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 por que crea una aspiración o depresión a la salida de l 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 tubo de aspiración: en ellas el agua sale del rodete directamente al canal de salida.

7.2  CLASIFICACION SEGÚN EL GRADO DE REACCION

Las turbinas hidráulicas según el grado de reacción, se clasifican en dos grupos. Turbinas de acción y turbinas de reacción.

Esta clasificación se funda en el concepto de grado de reacción, si el grado de reacción es cero, la turbina se llama de acción, si el grado de reacción es distinto de cero, la turbina se llama de reacción.
El grado de reacción de una bomba se mide así.

 B =

Análogamente, el grado de reacción de una turbina;     se define así:

Las turbinas de acción son de admisión parcial

Las turbinas de reacción son de admisión total

Antes de 1900 las turbinas hidráulicas más empleadas fueron las de Fourneyron,

Jonval y Fontaine.  Su rendimiento era bajo, sobre todo a cargas reducidas y su velocidad  pequeña,  a  comienzo  de  siglo  se  empleó mucho  en  Europa  las turbinas  Girard  y la centrípeta  de acción  , en la actualidad  prácticamente  las únicas turbinas que se construyeron son las que figuran en el cuadro siguiente:

Solo se construyen prácticamente de flujo tangencial y son las turbinas
Pelton

De flujo diagonal (excepcionalmente de flujo radial De flujo axial

De alabes fijos: turbinas Francis
De alabes orientables: turbinas Deriaz ��������

De alabes fijos: turbinas hélice de álabes orientables: turbinas Kaplan (hélice de alabes orientables) Las alturas de salto neto explotadas por las turbinas que se construyen en la
actualidad, así como los tamaños y potencias de las turbinas actuales oscilan entre amplios límites, según puede verse en la siguiente tabla.

SALTOS TAMAÑOS Y POTENCIAS DE LOS TIPOS ACTUALES DE TURBINA

Según el cuadro anterior, en la actualidad se construyen cinco tipos de turbinas:

Pelton, Francis,  Déraiz, 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.

La naturaleza  provee los saltos hidráulicos  con potencias  muy variadas  y una misma potencia con combinaciones múltiples de Q y H (H-salto neto).  Por tanto aquí como en las bombas,  el rodete de las turbinas hidráulicas  va cambiando insensiblemente   de  forma  para  adaptarse  a  las  diferentes   condiciones   de servicio.

Por tanto aquí como en las bombas, la clasificación más precisa de las turbinas hidráulicas es una clasificación numérica, que se hace asignando a toda familia de  turbinas  geométricamente  semejantes  un  número,  a  saber,  el  NUMERO ESPECIFICO DE REVOLUCIONES, ns.

7.3   MOTOR DE TURBINA ( Motor de reacción- máquina térmica)

Aunque en su diseño y aplicaciones es muy complicado y esta considerado como una  máquina  térmica,  el  motor  de  turbina  es  increíblemente  sencillo  en  su operación.   La propulsión de una turbina está explicada de manera muy simple por la tercera ley de Newton:

“Por cada acción, habrá una reacción directamente opuesta y de la misma intensidad”.

En  el  caso  de  un  avión  a  reacción,  los  gases  de  escape  que  generan  sus turbinas,  son  los  que  impulsan  a esa  aeronave  hacia  delante  con la misma intensidad que la de los gases que escapan hacia atrás.

El  principio  es  sencillo,  pero  como  logra  la  turbina  generar  esa  cantidad  de empuje?  Recuerda que el aire, al ser gas, es comprimible T que a su vez al que marlo, expande, o sea, puedes comprimir por ejemplo: una porción de aire a la mitad  de  su  volumen,  y  al  quemar  ese  aire  comprimido  vas  a  obtener  una gigantesca expansión de gases (energía térmica), que al dirigirlas por una tobera de gases para su posterior aceleración,  la conviertes en energía de movimiento o Cinética, y así logras empujar el avión hacia delante.   Este tipo de energía se mide en estos motores en: Libras de empuje

8. CONCLUSIONES

Las diferentes máquinas hidráulicas utilizadas en las plantas de la industria de procesos químicos, aeronáuticos, navales, etc, suelen ser complejos, construidos con precisión y costosos, por esta razón su uso, selección y mantenimiento debe ser  cuidadoso,  es  decir  la  operación  incorrecta  de  alguno  de  estos  equipos, puede ocasionar serios daños a las personas, las instalaciones, la tendencia en la industria es construir plantas cada vez mas grandes, con equipos de un solo componente,  mas  grande  y  mas  confiable.

La  confiabilidad  de  la  máquina hidráulica o equipo rotatorio siempre se debe definir en términos de la duración esperada  de la planta,  el proceso  y el tiempo de amortización  requerido  para producir utilidades a los propietarios, muchas plantas de la industria tienen unas duraciones  mas cortas de lo esperado  algunas veces inferiores  a 5 años, por todas estas variables se hace necesario conocer estos equipos, tener idea del proceso  donde  trabajaran,  para poder  adquirir  los equipos  mas indicados,  las máquinas hidráulicas son fundamentales en el desarrollo de las actividades, del día a día de todas las personas del mundo, algunas son mas complejas otras como las aplicaciones para el hogar pueden llegar  a ser mas sencillas.

9.  RECOMENDACIONES

La  selección  adecuada   de  bombas,  compresores,   turbinas,   para  cualquier aplicación,  entre  la multitud  de estilos,  tipos  y tamaños  puede  ser difícil  para cualquier persona, usuario e incluso ingeniero, o contratista de construcción, el mejor método es hacer investigaciones preliminares, llegar a decisiones básicas y selecciones preliminares y analizar la aplicación con el fabricante o representa o proveedor del equipo.

Para la mejor compresión de esta asignatura se requieren conocimientos  de mecánica de fluidos, y ojala algo de experiencia de tiempo real sobre la máquina, (hand-son),  el  estudio  particular  de  los  distintos  tipos  de  turbinas  y  bombas hidráulicas es imprescindible, lacorrectacompresión e la teoría  general de las máquinas hidráulicas,
                                                                                                                                                                                         se vera reflejada en la solución posterior de problemas, esta materia en particular es una de la que mas disfrute desarrollando, ya que a lo largo de mi vida profesional y técnica, eh tenido la oportunidad de ver estos equipos en acción, realmente es impresionante lo que el hombre puede llegar a desarrollar cuando se lo propone, invito a las personas a las cuales les interese este  tema  y  quieran  profundizar  un  poco  mas  sus  conocimientos  teóricos,  a revisar  la  bibliografía,  es  una  muy  pero  muy  buena  fuente  de  datos  de  mi biblioteca personal, estos textos son los mas utilizados en el mundo, claro esta existen otros muy buenos, pero recomiendo  estos por que los conozco los he leído,  y  en  verdad  tienen  apliciones  practicas  en  el  desarrollo  de  la  materia técnica.

10. BIBLIOGRAFÍA

•    Hernández, Krahe. Mecánica de fluidos y máquinas hidráulicas.

•    Zamora, Parra. Teoría de máquinas hidráulicas.

•    Mataix, Claudio. Mecánica de fluidos y máquinas hidráulicas.

•    Dixon, S. L. Fluid Mechanics and Thermodynamics of Turbomachinery.

•    Greene W. Richard. Compresores, selección uso y mantenimiento.

•    McNaughton,  Kenneth, Bombas selección uso y mantenimiento.