´ ´ MAQUINAS HIDRAULICAS DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO
Concepci´ on on Paz Paz Pen Pen´ın Eduar Eduardo do Su´ arez are z Porto Port o Antoni Anto nio o Eir Eir´ıs Barca Barca
´ ´ MAQUINAS HIDRAULICAS DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO
Concepci´ on Paz Pen´ın Eduardo Su´ arez Porto Antonio Eir´ıs Barca
Pr´ ologo Motivaci´ on y objetivos Se pretende que este libro sea empleado como b´asico o de referencia durante los cursos de M´aquinas Hidr´aulicas por parte de los estudiantes de ingenier´ıa en su tercer y cuarto a˜no de estudios, en los cuales el alumno ya ha adquirido conocimientos de mec´anica de fluidos y teor´ıa de m´aquinas y mecanismos. Es necesario tener en cuenta que la literatura previa existente en este campo es escasa (para temas concretos incluso es necesario acudir a informaci´ on t´ecnica de fabricantes), no es reciente, y adem´as se encuentra muy diseminada. Los autores, profesores desde hace varios a˜nos en las materias citadas, consideran importante la recopilaci´on y actualizaci´on de estos contenidos en un texto de referencia para el alumno. Se han tenido en cuenta cuatro aspectos para la realizaci´on del mismo: Conducir al estudiante a una comprensi´o n clara de los principios de funcionamiento de las M´aquinas Hidr´aulicas de desplazamiento positivo, teniendo en cuenta que est´an fuertemente basados en conocimientos previos de caracter m´as b´asico como la Mec´anica de Fluidos. Desarrollar una comprensi´on intuitiva mediante la inclusi´on de contenidos de caracter m´ as descriptivo. A este fin, este libro dispone de mucha ayuda visual: numerosos gr´aficos, im´ agenes, esquemas y diagramas conceptuales en todos los cap´ıtulos. Relacionar las caracter´ısticas de dise˜no y t´ecnicas con los fundamentos te´ oricos de las m´aquinas de fluidos de desplazamiento positivo, tratando de ir m´as all´a de la simple visi´on de cat´alogo t´ecnico que presenta mucha de la literatura sobre el tema. Introducir al estudiante en las aplicaciones reales, con ejemplos pr´acticos resueltos en cada cap´ıtulo, ubicados inmediatamente despu´es de la explicaci´ on te´orica y una colecci´on de problemas conceptuales, de selecci´on y de dise˜no resueltos al final del libro. v
vi
Estructura Este libro est´a organizado en cinco cap´ıtulos m´as un ap´endice final de problemas resueltos. El primer cap´ıtulo incluye una introducci´o n general a las m´ aquinas de fluido y presenta su clasificaci´on primaria. Ya centrados en las m´ aquinas hidr´aulicas de desplazamiento positivo (MHDP), el principio de funcionamiento, las caracter´ısticas y los tipos de dichas m´aquinas se explican en el cap´ıtulo 2. La estructura seguida en los siguientes cap´ıtulos de este libro realiza una separaci´on primaria entre MHDP generadoras y motoras. Las m´aquinas generadoras alternativas se analizan en el cap´ıtulo 3 y las rotativas en el cap´ıtulo 4. El cap´ıtulo 5 se destina conjuntamente al estudio de las m´aquinas motoras alternativas y rotativas, dadas sus muchas simulitudes constructivas con los tipos de bombas ya presentados. En cada cap´ıtulo, se describe en primer lugar el funcionamiento de cada m´ aquina. A continuaci´on, se detalla su clasificaci´on y, como u ´ ltimo nivel en el estudio, se considera el tipo constructivo. La ventaja de esta estructuraci´on es clara, ya que parte de los principios generales comunes y termina explicando los detalles concretos de cada configuraci´ on. Cada cap´ıtulo contiene varios ejemplos resueltos que ilustran y aplican los contenidos del p´arrafo que les precede.
Notaci´ on y sistema de unidades Se ha unificado la notaci´ on en las m´aquinas generadoras y motoras, de modo que los diagramas de flujo de energ´ıa de ambas sean formalmente iguales si se recorren en sentido inverso, y a su vez, que esta misma notaci´on sea coincidente con la aplicable a las turbom´aquinas, aunque no sean objeto de este libro. As´ı, se denota como Q al caudal efectivo, que en el caso de las bombas es el caudal en la salida, mientras que en los motores, hace referencia al caudal a la entrada. En cuanto al sistema de unidades, se ha procurado el uso del SI en la medida de lo posible, y as´ı se ha hecho en muchos de los ejercicios resueltos, si bien, es necesario considerar el hecho de que en la pr´actica es usual el empleo de, por ejemplo, litros por minuto y bares para expresar caudales volum´etricos y presiones, respectivamente, dados los rangos de operaci´on habituales de este tipo de m´aquinas.
Nomenclatura A
´ Area ´embolo
a
´ Area v´astago
D
m2
m3 rev−1
Desplazamiento Excentricidad
e F
m2
[ m]
kgms−2
Fuerza Altura
H p
Presi´on
P
Potencia
[m c a ] .
−1
kg m
.
s
.
−2
kg m2 s−3
m3 s−1
Q
Caudal volum´etrico
M
Par
n
Velocidad de giro
s
Carrera
[m]
r
Radio
[m]
t
Tiempo
v
Velocidad
V
Volumen
z
kg m2 s−2
[r pm]
[s] ms−1
m3
Altura
[ m]
S´ımbolos griegos
β
Coeficiente de compresibilidad
[ −]
ε
Coeficiente de irregularidad
[−]
vii
viii
η
Rendimiento
[−]
θ
´ Angulo
[−]
ρ
Densidad
φ
Di´ametro
ω
Velocidad angular de giro
Sub´ındices a
asp E
Accionamiento
Entrada ´ Embolo
emb h
Aspiraci´on
Hidr´aulico
imp
Impulsi´on
m
Mec´anico
S
Salida Te´orico
t v
vas
Volum´etrico V´ astago
Abreviaturas
DE
Doble Efecto
MDP
M´aquinas de Desplazamiento Positivo
MHDP
M´aquinas Hidr´aulicas de Desplazamiento Positivo
PDP
Principio de Desplazamiento Positivo
SE
Simple Efecto
kg m−3
[m] s−1
´ Indice general Nomenclatura
VII
´ 1. MAQUINAS DE FLUIDO
9
1.1. Concepto y definici´ on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9
1.2. Clasificaci´ on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10
1.2.1. Seg´ u n las variaciones de densidad del fluido . . . . . . .
10
1.2.2. Seg´ un el principio de funcionamiento . . . . . . . . . . .
11
1.2.3. Seg´ un el sentido del flujo de energ´ıa . . . . . . . . . . .
12
1.2.4. Otras m´ aquinas de fluido . . . . . . . . . . . . . . . . .
12
´ 2. MAQUINAS DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO
15
2.1. Principio de funcionamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
15
2.2. Caracter´ısticas generales de las M´ aquinas de Desplazamiento Positivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
16
2.2.1. Diferencias entre MDP y TM . . . . . . . . . . . . . . .
16
2.2.2. Par´ ametros importantes en MHDP . . . . . . . . . . . .
18
2.2.2.1. Desplazamiento . . . . . . . . . . . . . . . . .
18
2.2.2.2. Presi´ on nominal . . . . . . . . . . . . . . . . .
18
2.2.2.3. Velocidad de giro . . . . . . . . . . . . . . . .
19
2.2.2.4. Caudal te´ orico . . . . . . . . . . . . . . . . . .
19
2.2.2.5. Otros: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
19
2.2.3. Presiones, caudales, potencias y rendimientos . . . . . .
21
2.3. Clasificaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
28
2.3.1. Seg´ un el movimiento del desplazador . . . . . . . . . . .
29
2.3.2. Seg´ u n la variabilidad del desplazamiento . . . . . . . . .
30
2.3.3. Seg´ un modo de accionamiento
. . . . . . . . . . . . . .
31
2.3.4. Seg´ un compensaci´on hidr´aulica . . . . . . . . . . . . . .
32
2.3.5. Seg´ un tipos constructivos . . . . . . . . . . . . . . . . .
33
1
2 ´ 3. BOMBAS VOLUMETRICAS ALTERNATIVAS
37
3.1. Caracter´ısticas t´ecnicas bombas alternativas . . . . . . . . . . . 37 3.2. Bombas de ´embolo simple . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 3.2.1. Principio de funcionamiento . . . . . . . . . . . . . . . . 37 3.2.2. Clasificaci´ on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 3.2.3. Desplazamiento. Caudal. Coeficiente de irregularidad . . 52 3.2.4. Caracter´ısticas t´ecnicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 3.2.5. Campos de aplicaci´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 3.3. De diafragma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 3.3.1. Principio de funcionamiento.Tipos . . . . . . . . . . . . 58 3.3.2. Desplazamiento. Caudal . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 3.3.3. Caracter´ısticas t´ ecnicas. Aplicaciones . . . . . . . . . . . 64 ´ ´ 4. BOMBAS VOLUMETRICAS ROTATIVAS Y PERISTALTICAS
67
4.1. Caracter´ısticas de las bombas volum´etricas rotativas . . . . . . 4.1.1. Diferencias entre las bombas rotativas y alternativas . . 4.1.2. Clasificaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2. Bombas de engranajes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.1. De engranajes externos . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.1.1. Funcionamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.1.2. Desplazamiento. Caudal . . . . . . . . . . . . . 4.2.1.3. Caracter´ısticas. Aplicaciones . . . . . . . . . . 4.2.2. De engranajes internos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.2.1. Funcionamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.2.2. Caracter´ısticas. Aplicaciones . . . . . . . . . . 4.2.3. De rotor lobular . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.3.1. Funcionamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.3.2. Caracter´ısticas. Aplicaciones . . . . . . . . . . 4.3. Bombas de paletas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.1. Bombas de paletas r´ıgidas . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.1.1. Rotor exc´entrico . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.1.2. Est´ ator ovalado . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.1.3. Paletas fijas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.1.4. Detalles constructivos de las bombas de paletas 4.3.1.5. Caracter´ısticas. Aplicaciones . . . . . . . . . . 4.3.2. Paletas flexibles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.2.1. Funcionamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.2.2. Caracter´ısticas. Aplicaciones . . . . . . . . . . 4.4. Bombas de pistones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
67 68 69 70 70 70 71 72 77 77 80 81 81 81 82 82 82 84 86 87 91 92 92 92 93
´ INDICE GENERAL
4.4.1. Bombas de pistones radiales . . . . . . . . . 4.4.1.1. Funcionamiento . . . . . . . . . . 4.4.2. Bombas de pistones paralelos axiales . . . . 4.4.2.1. Funcionamiento . . . . . . . . . . 4.4.2.2. Desplazamiento. Cargas inducidas 4.4.3. De pistones paralelos en ´a ngulo . . . . . . . 4.4.3.1. Funcionamiento . . . . . . . . . . 4.4.3.2. Desplazamiento. Cargas inducidas 4.4.4. Caracter´ısticas. Aplicaciones . . . . . . . . 4.5. Bombas de helicoide o tornillo . . . . . . . . . . . . 4.5.1. Funcionamiento. Clasificaci´o n . . . . . . . . 4.5.2. Bomba de tornillo simple . . . . . . . . . . 4.5.2.1. Funcionamiento . . . . . . . . . . 4.5.2.2. Desplazamiento . . . . . . . . . . 4.5.2.3. Caracter´ısticas. Aplicaciones . . . 4.5.3. Bombas de tornillo m´ ultiple . . . . . . . . . 4.5.3.1. Funcionamiento . . . . . . . . . . 4.5.3.2. Caracter´ısticas. Aplicaciones . . . 4.6. Bombas perist´ alticas o de tubo flexible . . . . . . . 4.6.1. Funcionamiento . . . . . . . . . . . . . . . . 4.6.2. Caracter´ısticas. Aplicaciones . . . . . . . .
3
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
´ 5. MOTORES HIDRAULICOS
5.1. Introducci´ on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2. Motores alternativos o cilindros . . . . . . . . . . . . 5.2.1. Clasificaci´ o n. Tipos. Caracter´ısticas . . . . . 5.3. Motores rotativos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3.1. Clasificaci´ on . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3.2. Caracter´ısticas . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3.2.1. Desplazamiento . . . . . . . . . . . 5.3.2.2. Par . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3.2.3. Presi´ on neta . . . . . . . . . . . . . 5.3.3. Diagrama de energ´ıa en motores hidr´ aulicos . 5.3.4. Motores de engranajes . . . . . . . . . . . . . 5.3.5. Motores de paletas . . . . . . . . . . . . . . 5.3.6. Motores de pistones . . . . . . . . . . . . . . 5.3.7. Motores de tornillo helicoidal . . . . . . . . . 5.4. Actuadores giratorios . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.4.1. Clasificaci´ o n. Tipos. Caracter´ısticas . . . . .
93 93 96 96 97 100 100 101 102 103 103 104 104 105 105 106 106 107 107 107 108 109
. . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . .
109 111 111 113 113 114 114 115 115 115 117 118 119 120 120 120
4
I
II
PROBLEMAS BIBLIOGRAF´ IA
123
157
´ Indice de figuras 1.1. 1.2. 1.3. 1.4. 1.5.
Distintos tipos de m´ aquinas de fluido. . . . Principio de desplazamiento positivo. . . . . Conservaci´ on del momento cin´etico. . . . . Clasificaci´ on de las m´aquinas de fluido. . . . Ejemplos de m´ aquinas de fluido hidr´aulicas.
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
9 11 12 13 14
2.1. 2.2. 2.3. 2.4. 2.5.
An´a lisis del principio de desplazamiento positivo. . . . . . . . . 15 Curvas p − Q. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 Esquema de presiones en una MDP. . . . . . . . . . . . . . . . 19 Caudales y presiones en MHDP generadoras y motoras. . . . . 22 An´a lisis del flujo en la holgura adyacente a dos c´amaras de bombeo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.6. Diagrama de potencias m´ a quinas generadoras y motoras. . . . 26 2.7. P´erdidas volum´etricas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 2.8. Curvas caracter´ısticas de MHDP. . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 2.9. Seg´ un el movimiento del desplazador. . . . . . . . . . . . . . . 29 2.10. Seg´ un la variabilidad del desplazamiento. . . . . . . . . . . . . 31 2.11. Modos de accionamiento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 2.12. Seg´ un compensaci´on hidr´aulica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 2.13. Cabestrante. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 2.14. Ascenso de la vagoneta. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 3.1. 3.2. 3.3. 3.4. 3.5. 3.6. 3.7. 3.8.
Elementos bomba de ´embolo. . . . . . . . . . . . . . Principio de funcionamiento. . . . . . . . . . . . . . Clasificaci´ o n atendiendo al tipo de ´embolo. . . . . . Tipos de accionamiento. . . . . . . . . . . . . . . . . Clasificaci´ on atendiendo a la aplicaci´on. . . . . . . . Esquema de una bomba de extracci´ on de crudo. . . . Esquema de fuerzas sobre el ´embolo. . . . . . . . . . Clasificaci´ o n atendiendo al modo de funcionamiento. 5
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
38 38 42 43 44 48 49 51
6
3.9. Mecanismo biela - manivela. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.10. Caudal instant´a neo de una bomba de simple efecto. . . . . . . . 3.11. Caudal instant´a neo de una bomba de doble efecto. . . . . . . . 3.12. Caudal instant´aneo de una bomba tr´ıplex . . . . . . . . . . . . . 3.13. C´amara de aire a la salida de la bomba. . . . . . . . . . . . . . 3.14. Bombas de diafragma seg´ un accionamiento. . . . . . . . . . . . 3.15. Desplazamiento de una bomba de diafragma. . . . . . . . . . . 3.16. Esquema de la bomba de diafragma empleada. . . . . . . . . . 3.17. Esquema de los desplazamientos requeridos para cada producto.
53 54 55 56 57 59 60 61 62
4.1. Engranajes externos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 4.2. C´alculo del desplazamiento de una bomba de engranajes externos. 72 4.3. Curvas caracter´ısticas de una bomba de engranajes. . . . . . . 74 4.4. Esquema de la bomba de engranajes del ejercicio. . . . . . . . . 75 4.5. Bomba de media luna. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 4.6. Bomba de media luna detalle secci´on. . . . . . . . . . . . . . . 78 4.7. Bomba de engranajes internos tipo gerotor. . . . . . . . . . . . 79 4.8. Funcionamiento de bomba gerotor. . . . . . . . . . . . . . . . . 79 4.9. Detalle del desplazamiento de bomba tipo g´erotor. . . . . . . . 80 4.10. Bomba de rotor lobular. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 4.11. Bomba de paletas de rotor exc´entrico. . . . . . . . . . . . . . . 83 4.12. Excentricidad m´axima de la bomba de paletas y rotor exc´entrico. 83 4.13. Excentricidad media de la bomba de paletas y rotor exc´ entrico. 84 4.14. Esquema de bomba de paletas de est´ator ovalado. . . . . . . . . 85 4.15. Desplazamiento de bomba de paletas de est´a tor ovalado. . . . . 85 4.16. Esquema de una bomba de paletas fijas. . . . . . . . . . . . . . 86 4.17. Corte meridional (detalle constructivo) de una bomba de paletas. 87 4.18. Detalle paletas: dise˜no achaflanado, de doble paleta y de doble paleta perforada. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 4.19. Detalle de dise˜ nos de bombas de paletas m´a s avanzados. . . . . 88 4.20. Bomba de paletas de dos etapas. . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 4.21. Sistema de desplazamiento variable con compensaci´on de presi´o n. 90 4.22. Curva caracter´ıstica ideal de la bomba de paletas con compensaci´ on de presi´on. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 4.23. Compensaci´on directa y pilotada. . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 4.24. Bomba de paletas flexibles. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 4.25. Detalle de bomba de pistones radiales de bloque exc´entrico. . . 95 4.26. Bombas de pistones radiales con accionamiento de leva. . . . . 95 4.27. Detalle de bomba de pistones paralelos axiales. . . . . . . . . . 96 4.28. Patines de sustentaci´on hidrost´atica. . . . . . . . . . . . . . . . 96
´ INDICE DE FIGURAS
4.29. Regularidad/rizado para distinto n´ umero de pistones. . . . . . 4.30. Esquema variaci´on del Desplazamiento de una bomba de pistones paralelos axiales. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.31. Diagrama de fuerzas en bomba de pistones axiales paralelos. . . 4.32. Detalle tridimensional de bomba de pistones en ´angulo. . . . . 4.33. Esquema de funcionamiento de bomba de pistones en ´angulo. . 4.34. Cargas soportadas por una bomba de pistones en ´angulo. . . . 4.35. Transporte axial y transporte circunferencial de las c´amaras de bombeo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.36. Bomba de tornillo simple. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.37. Bombas de tornillo m´ultiple. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.38. Desplazamiento de bomba de rotor simple. . . . . . . . . . . . . 4.39. Efecto del n´u mero de etapas en una bomba de tornillo. . . . . . 4.40. Esquemas de entradas simple y entrada doble en una bomba de tornillo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.41. Esquema de bomba perist´altica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1. Cilindro tipo Buzo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2. Cilindro telesc´ opico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3. Cilindro de doble efecto. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.4. Cilindro de doble v´ astago. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.5. Flujo de energ´ıa en un motor hidr´ aulico. . . . . . . . . . . . . . 5.6. Motor de engranajes externos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.7. Curvas caracter´ısticas de un motor de pistones. . . . . . . . . . 5.8. Actuador rotativo de paleta. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.9. Actuadores rotativos de pist´ on. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.10. Motor hidr´aulico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.11. Esquema carrera de ida. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.12. Esquema carrera de vuelta. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.13. Esquema carrera de subida. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.14. Esquema carrera de bajada. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.15. Esquema de una hidrolimpiadora. . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.16. Esquema de bomba oscilante de accionamiento manual. . . . . 5.17. Volumen desalojado en un ciclo, representado por el ´area sombreada. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.18. Esquema de una bomba simple efecto de ´embolo diferencial. . . 5.19. Diagrama de caudales aspirado e impulsado en un ciclo de funcionamiento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.20. Esquema de una bomba de engranajes externos. . . . . . . . . . 5.21. Esquema de un circuito oleo-hidr´aulico. . . . . . . . . . . . . .
7
98 99 99 100 101 102 103 104 104 105 106 107 108 112 112 113 113 115 118 120 121 121 125 128 128 130 131 132 136 137 138 140 141 144
8
5.22. Diagrama de potencias m´a quinas generadoras y motoras. . . . 145 5.23. Esquema bomba. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 5.24. Bomba alternativa actuada mediante un biela-manivela. . . . . 151
Cap´ıtulo 1
´ MAQUINAS DE FLUIDO 1.1.
Concepto y definici´ on
Una m´ aquina es un dispositivo transformador de energ´ıa. Recibe una energ´ıa de una cierta clase y entrega en la salida otro tipo de energ´ıa. Se dice que una m´aquina es una m´ aquina de fluido si recibe o entrega energ´ıa de/a un fluido, respectivamente. A este tipo de m´aquinas pertenecen mecanismos tan separados en el tiempo y de caracter´ısticas tan dispares como, por ejemplo, el tornillo de Arqu´ımedes y un aerogenerador tripala, representados de forma esquem´atica en la Figura 1.1. El primero, cuya invenci´on se atribuye a Arqu´ımedes de Alejandr´ıa (287 − 212 a C ) fue utilizado para el bombeo de agua en las minas y para el riego en la antigua Roma y Egipto. El di´ ametro del rotor de un moderno aerogenerador de 4 5 MW puede rondar los 130 m, (Figura 1.1). .
.
,
130 m
Figura 1.1: Distintos tipos de m´aquinas de fluido. 9
10
1.2.
Clasificaci´ on
Como ya se ha dicho, las m´aquinas de fluido comprenden un amplio grupo de dispositivos, por lo que existen diversos criterios para su clasificaci´on. Es com´ unmente aceptado que los criterios m´as relevantes que dividen a las m´ aquinas de fluido en grupos diferenciados, tanto para su estudio como constructivamente, son: las variaciones de densidad del fluido el principio de funcionamiento el sentido del flujo de energ´ıa 1.2.1.
Seg´ un las variaciones de densidad del fluido
La clasificaci´on primaria de las m´aquinas de fluido atiende a las variaciones de densidad del fluido en la m´aquina, criterio seg´u n el cual se separan en m´ aquinas hidr´ aulicas y m´ aquinas t´ermicas [10,13]. M´ aquinas hidr´ aulicas son aquellas en las que la densidad del fluido no var´ıa de forma apreciable a su paso a trav´es de la m´aquina, y por tanto, en su dise˜no y estudio puede suponerse que la densidad del fluido es constante y es v´alida la hip´otesis de incompresibilidad 1 . Bombas, ventiladores, turbinas hidr´aulicas, cilindros y motores hidr´aulicos pertenecen este grupo [10]. M´ aquinas t´ermicas son aquellas en las que el fluido en su paso a trav´ es de la m´aquina var´ıa sensiblemente su densidad. Turbinas de gas, turbinas de vapor, motores de combusti´on interna alternativos, soplantes y compresores2 forman parte del grupo de las m´aquinas t´ermicas [9]. De la definici´on del coeficiente de compresibilidad β de un fluido β = −
1
V
dV dp
T
=
1
d ρ
ρ dp
=⇒ d ρ = ρβ d p
(1.1)
se deduce que las variaciones de densidad en la m´aquina dependen de la densidad y compresibilidad del fluido y de las diferencias de presi´on. La definici´on anterior explica la clasificaci´on del compresor como m´ aquina t´ermica 1
Recu´erdese que los fen´omenos de compresibilidad (o cambios significativos de densidad debidos al flujo) deben tenerse en cuenta cuando el n´umero de Mach alcanza valores del orden de 0 3. 2 Habitualmente, se considera soplante cuando 0,3
,
1.2. Clasificaci´ on
11
y la del ventilador como m´ aquina hidr´ aulica, a´ un cuando ambas son m´aquinas de fluido que operan con aire. 1.2.2.
Seg´ un el principio de funcionamiento
Considerando su principio de funcionamiento, las m´aquinas de fluido se clasifican en m´ aquinas de desplazamiento positivo, turbom´ aquinas y m´ aquinas gravim´etricas . Las m´ aquinas de desplazamiento positivo, tambi´en llamadas m´ aquinas volum´etricas, basan su funcionamiento en el Principio de Desplazamiento Positivo (PDP), seg´ un el cual, la variaci´on de volumen de una c´amara en la que se confina al fluido, produce el movimiento del mismo. En lo que sigue, utilizaremos las siglas MDP para referirnos a ellas. La inmersi´on de un s´olido en un recipiente con l´ıquido y la utilizaci´on de una jeringuilla (Figura 1.2) son ejemplos cotidianos de aplicaci´on de este principio.
V V
Figura 1.2: Principio de desplazamiento positivo. Las turbom´ aquinas (abreviadamente, TM) basan su funcionamiento en el teorema de conservaci´ on del momento cin´ etico o ecuaci´ o n de Euler de las turbom´ aquinas. El fluido, a su paso por los conductos de un ´organo que rota, denominado rotor o rodete, var´ıa su momento cin´etico (Figura 1.3).
En las m´ aquinas gravim´etricas, el intercambio de energ´ıa entre m´aquina y fluido se realiza en forma de energ´ıa potencial gravitatoria. Ejemplos de m´ aquinas gravim´etricas son el tornillo de Arqu´ımedes, la noria y la rueda
12 R 1 R 2
U1
c1 U2
c2
Figura 1.3: Conservaci´on del momento cin´etico. hidr´ aulica. Por motivos obvios, todas ellas son m´aquinas hidr´aulicas, no existiendo sus hom´ologos como m´ aquinas t´ermicas. 1.2.3.
Seg´ un el sentido del flujo de energ´ıa
Dependiendo del sentido del flujo de energ´ıa, las m´aquinas de fluido pueden ser generadoras o motoras. Las m´ aquinas generadoras absorben energ´ıa mec´anica y, de forma m´as o menos eficiente, se la entregan al fluido que las atraviesa. A este grupo pertenecen bombas, ventiladores, soplantes y compresores. Las m´ aquinas motoras son m´aquinas que extraen la energ´ıa del fluido y entregan energ´ıa mec´ anica. M´aquinas motoras son los cilindros hidr´aulicos y neum´aticos, motores, turbinas y aerogeneradores. Atendiendo a estos tres criterios, la Figura 1.4 muestra la clasificaci´on de las m´ aquinas de fluidos recuadrando las m´aquinas objeto de este manual. 1.2.4.
Otras m´ aquinas de fluido
Las m´aquinas de fluido puede estar constituidas por m´as de un elemento simple (motor y/o generador) de alguno de los grupos descritos en la secci´on precedente. Se denominan m´ aquinas de m´ ultiples escalonamientos o multietapa [8, 10] a aquellas que presentan m´as de un elemento simple del mismo tipo (motor o generador) dispuestos en serie en un mismo eje, con la finalidad de aumentar la altura u ´ til con el mismo caudal. Las m´ aquinas compuestas est´an formadas por un elemento motor y uno generador. Se emplean para transmitir potencia entre dos ejes con un fluido como intermediario. Dentro de esta categor´ıa se encuentran los
1.2. Clasificaci´ on
13
Gravimétricas HIDRÁULICAS Máquinas de Fluido
Generadoras Volumétricas Turbomáquinas
Motoras Generadoras Motoras
TÉRMICAS
Atendiendo a la compresibilidad del flujo
Atendiendo al principio de funcionamiento
Atendiendo al sentido del flujo de energía
Figura 1.4: Clasificaci´on de las m´aquinas de fluido. turbocompresores [9] y las transmisiones hidr´aulicas. Estas ´ultimas, a su vez, son de dos tipos: si ambos elementos, generador y motor, son m´aquinas volum´etricas, constituyen una transmisi´ on hidrost´ atica ; mientras que si ambos son turbom´aquinas, el conjunto se denomina transmisi´ on hidrodin´ amica [4]. A las m´aquinas de fluido que pueden funcionar, ora como generador, ora como motor, se les denomina reversibles . Las m´aquinas de desplazamiento positivo son, casi todas, reversibles. Por el contrario, una turbom´ aquina que presente buen rendimiento en ambas condiciones de funcionamiento requiere de un cuidadoso dise˜no. Estas son utilizadas desde mediados del siglo X X en las centrales de acumulaci´on por bombeo, para el trasvase entre dos embalses situados a diferentes niveles en los per´ıodos de baja demanda energ´ etica. En horas punta, pueden funcionar como turbina utilizando la energ´ıa potencial previamente almacenada. Otros criterios m´as espec´ıficos que suelen emplearse en la clasificaci´on de las m´ aquinas de fluido son: la inclinaci´on del eje, la velocidad espec´ıfica, el tipo de fluido, etc. A modo de presentaci´on se muestran ejemplos de m´aquinas de fluido hidr´ aulicas en la Figura 1.5. En lo que sigue, nos centraremos en las m´aquinas hidr´ aulicas de desplazamiento positivo (MHDP).
14
(a) Corte de una turbobomba radial (Turbom´ aquina generadora de flujo radial).
(c) Corte de una bomba de engranajes internos (M´a quina de desplazamiento positivo generadora/motora)
(e) Cilindro de simple efecto (M´ aquina de desplazamiento positivo motora alternativa).
(b) Rodete de turbom´ aquina generadora (de flujo axial).
(d) Turbina Pelton (Turbom´ aquina motora de acci´on, flujo circunferencial y admisi´on parcial).
(f) Barrilete de una bomba de ´embolos m´ ultiples (M´ a quina de desplazamiento positivo generadora alternativa).
Figura 1.5: Ejemplos de m´aquinas de fluido hidr´aulicas.
