Unidad 1 Generalidades

1.1 Definición de Maquinas Hidráulica

Las maquinas que utilizan líquidos para convertir energía se denominan maquinas hidráulicas, estas máquinas se definen como aparatos que se utilizan para convertir la energía de un fluido en energía mecánica considerando que la densidad del fluido es constante, también pueden utilizare en convertir la energía mecánica en energía hidráulica.

1.2 CLASIFICACIÓN DE LAS MAQUINAS HIDRÁULICAS

Maquinas hidráulicas motrices

MÁQUINAS MOTORAS TURBINAS

Las turbinas hidráulicas son máquinas motoras en las cuales la transferencia de energía se efectúa del fluido hacia un rotor provisto de alabes mientras el flujo pasa a través de estos, logrando de esta forma convertir la energía potencial y cinética del agua en energía mecánica de rotación.

Las que toman en consideración características de movimiento de líquidos Transforman la energía hidráulica latente en el fluido en sus distintas formas en la

energía mecánica General mente la energía mecánica lograda se transformara en movimiento de

rotación. Se le conoce generalmente como turbinas hidráulicas.

Clasificación general

Característica fundamental

Es que las mismas constan de un mecanismo denominado genéricamente como órgano receptor que es el responsable de adquirir la energía hidráulica de fluido y transmitirla generalmente como energía mecánica de rotación.

Clasificación: Comúnmente denominadas turbinas

-Grado de reacción- La trayectoria del fluido- Los aspectos constructivos

Una turbina hidráulica se compone de tres órganos diferentes que el fluido va atravesando sucesivamente: el distribuidor, el rodete y el difusor. En la figura 1.10 se indican estos elementos para el caso de una turbina Francis.

El distribuidor y el difusor (tubo de aspiración), 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 inexistentes en determinadas turbinas

El distribuidores 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. 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.

El rodete es el elemento esencial de la turbina, estando provisto de álabes en los que tiene lugar el intercambio de energía entre el agua y la máquina.

El difusor 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.

1.3 Ecuación fundamental de las turbomáquinas (ECUACIÓN DE EULER: PRIMERA FORMA)

La ecuación de Euler es la ecuación fundamental para el estudio de las turbomáquinas. Constituye, pues, la ecuación básica tanto para el estudio de las bombas, ventiladores, turbinas hidráulicas, como para el estudio de las turbocompresores, turbinas de vapor y turbinas de gas (turbomáquinas térmicas). Es la ecuación que expresa la energía intercambiada en el rodete de todas estas máquinas.

PLANOS DE REPRESENTACIÓN DE UNA TURBOMÁQUINA

Los dos planos de representación de una turbomáquinas son el plano o corte meridional y el plano o corte transversal. Estos planos para una bomba radial se representan en la figura.

PRIMERA FORMA DE LA ECUACIÓN DE EULER(Expresión energética)

Y u=± (u1c1u−u2 c2u )

(Ecuación de Euler, primera forma: bombas, ventiladores, turbocompresores, turbinas hidráulicas, turbinas de vapor y turbina de gas: signo + maquinas motoras y signo – maquinas generadoras; unidades m2/s2 SI)

En las turbomáquinas hidráulicas se prefiere utilizar la ecuación de Euler en forma de altura. La altura es una variable de gran significado físico: altura bruta de un salto de agua, altura neta de una turbina hidráulica, altura de elevación de una bomba, etc.

De la varíale Y (energía específica intercambiada entre el rodete y el fluido) se pasa a la variable H por la ecuación

Y = g H

Dividiendo los dos términos de la ecuación por g se tendrá

PRIMERA FORMA DE LA ECUACIÓN DE EULER(Expresión en alturas)

Y u=±(u1 c1u−u2 c2u )

g

(Ecuación de Euler, primera forma: bombas ventiladores, turbocompresores, turbinas hidráulicas, turbinas de vapor y turbinas de gas: signo + máquinas motoras y signo – máquinas generadoras; unidades m SI)

Notas a la ecuación de Euler

La ecuación de Euler es la ecuación fundamental de las turbomáquinas. La altura Hu de la ecuación en las turbomáquinas hidráulicas se denomina también altura

hidráulica.

Yu (Hu) representa: En las bombas, ventiladores y compresores (turbomáquinas generadoras): la energía

(altura) teórica comunicada al fluido; En las turbinas hidráulicas, de vapor y de gas (turbomáquinas motoras): la energía

(altura) útil aprovechada por el rodete; En todas la turbomáquinas a la altura expresada por la ecuación en la hipótesis de la

teoría unidimensional o número infinito de álabes se denomina Hu∞ y a la altura intercambiada en un rodete con numero finito de alabes se denomina H∞. En las turbinas hidráulicas ambas alturas son prácticamente iguales, no así en las bombas.

TRIANGULO DE VELOCIDADES

Las ecuaciones vectorialesc1=u1+w1

c2=u2+w2

Se representan mediante dos triángulos, que se llaman triángulo de entrada y triangulo de salida, respectivamente.

En estos triángulos se utiliza la figura. En dichos triángulos

u1 -velocidad absoluta del alabe a la entrada o velocidad periférica al a entrada; c1 -velocidad absoluta del fluido a la entrada; w1 -velocidad absoluta a la entrada (del fluido con respecto al alabe); c1m -componente de la velocidad absoluta del fluido a la entrada; c1u -componente periférica de la velocidad absoluta del fluido a la entrada; α1 -ángulo que forman las dos velocidades c1 y u1;

β1 -ángulo que forma w1 con (-u1).

Y lo mismo en el triángulo de salida, sustituyendo el subíndice 1 por el 2

1.4 Ecuación de Euler(SEGUNDA FORMA DE LA ECUACIÓN DE EULER)

Del triángulo de entrada se deduce trigonométricamente que

w12=u1

2+c12−2u1c1 cos∝1=¿u1

2+c12−2u1 c1u¿

u1 c1u=1/2(u12+c1

2−w12)

Asimismo, del triángulo de salida se deduce que

u2 c2u=1/2(u22+c2

2−w22)

Llevando a la ecuación de Euler (expresión energética) los valores de u1 c1u y u2 c2u de las Ecuaciones deducidas de los triángulos y ordenando los términos, tendremos:

SEGUNDA FORMA DE LA ECUACIÓN DE EULER(Expresión energética)

Y u=±(u12−u222+w2

2−w12

2+c12−c2

2

2 )(Singo +: maquinas motoras: turbinas hidráulicas, turbinas de vapor y turbinas de gas; Signo - : maquina generadoras: bombas, ventiladores y compresores; unidades: m2/s2, SI)

Asimismo dividiendo por g ambos miembros de la ecuación tendremos

SEGUNDA FORMAN DE LA ECUACIÓN DE EULER(Expresión en alturas)

Y u=±(u12−u222g+w2

2−w12

2 g+c12−c2

2

2g )(Singo +: maquinas motoras: turbinas hidráulicas, turbinas de vapor y turbinas de gas; Signo - : maquinas generadoras: bombas, ventiladores y compresores; unidades: m, SI)

1.5 Ecuaciones Vectoriales

Las velocidades de una partícula cualquiera se representan mediante el diagrama o triangulo de velocidades, los cuales tienen una gran importancia en el estudio de las turbomáquinas, sobre todo los correspondientes a los puntos situados a la entrada y salida de los alabes de un rodete, en el momento de funcionamiento óptimo.

Las ecuaciones vectoriales se representan mediante dos triángulos uno que se llama de entrada y salida respectivamente

c1=u1+w1

c2=u2+w2

Dónde

La velocidad del flujo (c) es la sume vectoriales de:

u, la velocidad de rotación, debido al giro del rodetew, velocidad de traslación a lo largo del rodete (Sigue la dirección del alabé, tangente a él)

1.6 Clasificación de las Maquinas Hidráulicas con base en la dirección del flujo en el rodete

Maquina radal: el impulsor fuerza al agua a salir de un plano perpendicular a su eje (flujo radial).

Maquina axial: induce un flujo en el espiral en cilindros coaxiales según la dirección del eje.

Maquinas mixtas: el agua fluye a una velocidad con componentes tanto axial como radial.