Conceptos Fundamentales de Flujo y Bombas
Flujo Unidimensional
Es un flujo en el que el vector velocidad solo depende de una variable espacial según la coordenada longitudinal.
Funcionamiento de las Bombas de Tornillo
Son las que utilizan el desplazamiento longitudinal del espacio comprendido entre las roscas de un tornillo helicoidal durante su rotación. Pueden ser de uno o varios tornillos. En los casos de las bombas de 3 tornillos, el central es el conductor y los dos laterales los conducidos. Para asegurar la hermeticidad de las cámaras de trabajo y la separación de las cavidades de aspiración e impulsión, es preciso que los tornillos tengan un perfil determinado: el tornillo conductor tiene perfil convexo y los conducidos cóncavos.
Tipos de Turbinas y su Operación
Funcionamiento de la Turbina Turgo
La energía potencial del flujo se convierte en energía cinética en la tobera de entrada, de donde pasa al rotor, que es parecido al de la Pelton partiendo por la mitad. El chorro incide sobre el plano del rodete con un cierto ángulo, generalmente 20%, donde los álabes la desvían e invierten el flujo de modo que el impulso resultante hace girar el rotor. El agua entra por un lado del rodete y sale por el otro costado con muy poca energía, por lo que el rotor de una turbina Turgo puede tener un rendimiento superior al 90%.
En consecuencia, el flujo que la turbina Turgo puede aceptar es mayor que el de una turbina Pelton, por lo que puede tener un diámetro de rodete menor para una potencia equivalente y una velocidad específica mayor.
Principio de Funcionamiento de la Turbina Michell-Banki
Sus elementos principales son el inyector y el rotor. El agua es restituida mediante una descarga a presión atmosférica. El rotor está compuesto por dos discos paralelos a los cuales van unidos los álabes curvados en forma de sector circular. El inyector posee una sección transversal rectangular que va unida a la tubería por una transición de sección rectangular a sector circular. Este inyector es el que dirige el agua hacia el rotor a través de una sección que abarca una determinada cantidad de álabes del mismo y que guía el agua para que entre al rotor con un ángulo determinado, obteniendo el mayor aprovechamiento de la energía. Este cambio de dirección da lugar a una serie de choques que hacen que el rendimiento de esta máquina no sea muy alto.
Turbinas de Acción Conocidas
- Turbina Pelton
- Turbina Michell-Banki
- Turbina Turgo
Leyes y Ecuaciones en Turbomáquinas
La Ley General de Semejanza en las Turbomáquinas
La ley general de semejanza en las turbomáquinas es válida en máquinas hidráulicas de dimensiones razonablemente grandes, que operan con líquidos de pequeña viscosidad y en condiciones tales que la presión del líquido en el interior de la turbomáquina sea siempre superior a la presión de vapor.
Consideraciones sobre la Ecuación de Euler
Esta ecuación presenta las siguientes características fundamentales:
- Es aplicable tanto a fluidos compresibles como incompresibles.
- No depende de la trayectoria que siga el fluido dentro del rotor, sino de las condiciones de entrada y de salida.
- Es una ecuación que se puede aplicar independientemente de las condiciones de funcionamiento.
Rendimiento y Fenómenos Hidráulicos
Pérdidas Intersticiales y Rendimiento Volumétrico
El rendimiento volumétrico se define mediante las fórmulas:
- Turbinas: ηv = Q’/Q
- Bombas: ηv = Q/Q’
Las pérdidas intersticiales dependen fundamentalmente de la geometría de la máquina; estas pérdidas se producen cuando el caudal que entra y sale de la máquina no coincide con el que pasa por el interior del rodete, ya que parte circula por los intersticios entre el rodete y la carcasa.
Cavitación en Turbinas
¿Por qué en turbinas es imposible obtener una relación teórica? En turbinas es imposible obtener una relación teórica que determine exactamente el fenómeno de la cavitación, por la imposibilidad práctica de determinar la posición del punto de mínima presión. No obstante, existen algunas fórmulas que permiten prever la cavitación de una turbina semejante. Conviene tener en cuenta ciertas particularidades: en primer lugar, la cavitación en turbinas se produce en la parte de baja presión de los álabes, en la salida del rodete, donde la presión estática es baja y la velocidad elevada.
Componentes y Aplicaciones Específicas
Pantalla Deflectora de una Turbina Pelton
Las turbinas Pelton están instaladas generalmente en grandes alturas de caída. Si por cualquier razón queda desacoplada del alternador o si la carga solicitada se anulara repentinamente, habría que cerrar bruscamente el inyector para evitar el embalamiento de la turbina. Sin embargo, un cierre rápido del inyector conlleva el riesgo de un golpe de ariete en la tubería forzada. Es necesario, por tanto, cerrar lentamente el inyector y desviar el chorro mediante el accionamiento de una pantalla deflectora o deflector.
Convertidor de Par: Ventajas y Aplicaciones
Las principales ventajas del convertidor son que multiplica el par cuando la carga lo requiere y protege el motor del calado durante aplicaciones de cargas altas. Suele utilizarse en casos donde se necesitan fuertes pares en el eje de carga y se requiere amortiguar vibraciones, como en hélices de barcos o tracción de trenes.
El Papel del Difusor en una Bomba Centrífuga
Su misión principal es la transformación de parte de la energía cinética del fluido en energía de presión.
Preguntas Técnicas y Comparativas
Inestabilidad en Sistemas Hidráulicos
Casos particulares de inestabilidad:
- Rápido crecimiento del consumo.
- Disminución rápida del caudal suministrado por la bomba.
- Disminución rápida del consumo.
- Incremento rápido del caudal proporcionado por la bomba.
Dimensiones de Bombas de Pistón vs. Centrífugas
Las bombas de pistón o de émbolo son las que poseen mayor capacidad de impulsión. Suelen funcionar a bajas revoluciones; debido a este lento régimen de funcionamiento, sus dimensiones son bastante mayores que las de una bomba centrífuga que funcione en las mismas condiciones de caudal y altura manométrica.
Complejidad en el Diseño de Turbino-bombas
El diseño de una turbino-bomba es mucho más delicado que el de una turbina o bomba por separado por varias razones:
- Las pérdidas son diferentes: en las bombas influyen en la presión de salida, mientras que en las turbinas las pérdidas volumétricas son independientes del interior del rotor.
- Al funcionar como turbina, la velocidad de salida debe ser axial. Las bombas suelen tener entradas más anchas, lo que generaría componentes tangenciales y más pérdidas al turbinar.
- El diseño de los álabes difiere: los bordes redondeados de ataque en bombas son desfavorables como bordes de salida en turbinas (provocan desprendimiento de la capa límite).
- El difusor de las bombas suele ser más ancho que el rotor, mientras que en las turbinas el distribuidor suele ser más estrecho.
Otras Consideraciones Técnicas
- Técnicos españoles destacados: Francisco Lobato, Alonso Sánchez Cerrudo, Jerónimo de Ayanz y Pedro Juan de Lastanosa.
- Bomba centrífuga (sin prerrotación): El grado de reacción no debe ser muy pequeño porque, al ser elevado, las pérdidas por fugas pueden aumentar considerablemente.
- Impulsión de líquidos viscosos: Se emplean bombas que no utilizan la presión dinámica, permitiendo la impulsión de líquidos espesos sin imponer una velocidad particular de circulación.
- Rendimiento en Turbina Pelton: Sus curvas suelen ser muy planas porque el único factor influyente es la relación u/c1. Al mantenerse u constante, solo la variación de c1 afecta el rendimiento.
- Tamaño del rotor: Para un mismo caudal, la turbina Francis requiere un menor tamaño del rotor debido a que el agua entra por toda su periferia.
- Intercambio de energía: Se puede calcular considerando que el fluido recibe energía Ht en forma de energía cinética y de presión: Ht = Hc + Hp.