Solución de problemas de sistemas de bombeo: Problemas propuestos y su solución

Problema 19-19

Problema 19-23

Problema 19-26  

Problema 19-32

Bibliografía.

Título: Mecánica de Fluidos y Máquinas Hidráulicas.

Autor: Claudio Mataix.

Editorial Oxford.

Solución de problemas de sistemas de bombeo: Formulario

Formula Rio by Omar Bolaños Padilla

Turbomáquinas Hidráulicas: Turbinas

La turbina es una turbomáquina motora, y por tanto esencialmente es una bomba rotodinámica 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.

Clasificación de las turbinas hidráulicas.

Una turbina hidráulica es un elemento que aprovecha la energía cinética y potencial del agua para producir un movimiento de rotación capaz de transformar la energía mecánica en energía eléctrica.

Una turbina hidráulica es accionada por el agua en movimiento, una vez que ésta es debidamente encauzada hacia el elemento de turbina denominado distribuidor, el cual, circularmente, distribuye, regula y dirige un caudal de agua que tiende a incidir, con mayor o menor amplitud, hacia el centro del círculo descrito, sobre un rotor o rueda móvil conocida con el nombre de rodete, que, conjuntamente con el eje en el que está montado, ha de estar perfectamente equilibrado dinámica y estáticamente.

Son diversas las razones de tipo técnico que dan base para establecer una clasificación de las turbinas hidráulicas. Razones que, en la mayoría de los casos, se complementan entre sí, para definir e identificar ampliamente a un determinado tipo de turbina. Los argumentos considerados y las clasificaciones derivadas de los mismos, explicándose oportunamente los conceptos que procedan.

Por el número de revoluciones específicas

·         Turbinas Lentas

·         Turbinas Normales

·         Turbinas Rápidas

·         Turbinas Extra-rápidas

Según la posición del eje

·         Turbinas Horizontales.

·         Turbinas Verticales.

Por la manera de actuar los chorros de agua

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

·         Turbinas de acción o impulsión

·         Turbinas de reacción o sobrepresión

En las turbinas de acción, el empuje y la acción del agua, coinciden, mientras que en las turbinas de reacción, el empuje y la acción del agua son opuestos.

Por la dirección del agua

Atendiendo a la dirección de entrada del agua en las turbinas, éstas pueden clasificarse en:

·         Turbinas Radiales.

·         Turbinas Axiales.

·         Turbinas Mixtas.

·         Turbinas Tangenciales.

En las axiales, (Kaplan, hélice, Bulbo), el agua entra paralelamente al eje. En las radiales, 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, (Francis). En las mixtas se tiene una combinación de las anteriores. En las tangenciales, el agua entra lateral o tangencialmente (Pelton) contra las palas, cangilones o cucharas de la rueda.

Por las características de la cámara

·         Turbinas de Cámara Cerrada.

·         Turbinas de Cámara Abierta.

Por la función desarrollada

·         Turbinas Reversibles.

·         Turbinas No Reversibles. Destinadas sólo a producir trabajo mecánico.

Turbinas de reacción

Turbina Francis (1849): 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 y extra-rápidas.

Turbina Kaplan (1912): las palas del rodete tienen forma de hélice; se emplea en saltos de pequeña altura, obteniéndose con ella elevados rendimientos, siendo las palas orientables lo que implica paso variable. Si las palas son fijas, se denominan turbinas hélice.

Turbinas de acción

Turbina Pelton: es tangencial, y la más utilizada para grandes saltos hidráulicos de bajo caudal; donde la energía cinética del agua, en forma de chorro libre, se genera en una tobera colocada al final de la tubería a presión. La tobera está provista de una aguja de cierre para regular el gasto, constituyendo en conjunto, el órgano de alimentación y de regulación de la turbina. Encuentra justa aplicación la turbina Pelton, en aquellos aprovechamientos hidráulicos donde la ponderación de la carga es importante respecto al caudal. La velocidad especifica es baja, entre 10 y 60 en el sistema métrico y entre 2 y 12 en el sistema ingles aproximadamente, siendo preferibles valores centrales entre estos límites por razones del rendimiento, el cual es del orden del 90% y se conserva bastante bien a carga parcial.

Cavitación

¿Qué es la cavitación?

La cavitación es un fenómeno físico, mediante el cual un líquido, en determinadas condiciones, pasa a estado gaseoso y unos instantes después pasa nuevamente a estado líquido.

Este fenómeno tiene dos fases:

·         Fase 1. - Cambio de estado líquido a estado gaseoso.

·         Fase 2. - Cambio de estado gaseoso a estado líquido.

¿Cuándo puede haber cavitación?

La cavitación es un fenómeno muy frecuente en sistemas hidráulicos donde se dan cambios bruscos de la velocidad del líquido. Ejemplos:

En partes móviles:

·         Álabes de turbinas

·         Rodetes de bombas

·         Hélices de barcos

En partes no móviles:

·         Estrangulamientos bruscos

·         Regulación mediante orificios

·         En válvulas reguladoras

¿Cómo aparece la cavitación?

Un líquido se evapora cuando la energía no es suficiente para mantener las moléculas unidas, entonces estas se separan unas de otras y aparecen burbujas de vapor. En las siguientes imágenes se muestra como ocurre esto para el caso más común, el agua.