Máquinas hidráulicas de desplazamiento positivo

MÁQUINAS HIDRÁULICAS DE
DESPLAZAMIENTO POSITIVO
Concepción Paz Penı́n
Eduardo Suárez Porto
Antonio Eirı́s Barca
MANUAIS DA UNIVERSIDADE DE VIGO; 57
Paz Penín, Concepción
Máquinas hidráulicas de desplazamiento positivo / Concepción Paz Penín,
Eduardo Suárez Porto, Antonio Eirís Barca
Vigo : Universidade de Vigo, Servizo de Publicacións, 2012
170 p. ; 17x24 cm. – (Manuais da Universidade de Vigo ; 57)
D.L. VG. 769-2012 – ISBN 978-84-8158-591-9
1. Máquinas hidráulicas I. Suárez Porto, Eduardo II. Eirís Barca, Antonio
III. Universidade de Vigo. Servizo de Publicacións, ed.
621.22
Edición:
Servizo de Publicacións da Universidade de Vigo
Edificio da Biblioteca Central
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© Servizo de Publicacións da Universidade de Vigo, 2012
© Concepción Paz Penín, Eduardo Suárez Porto y Antonio Eirís Barca
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ISBN: 978-84-8158-591-9
D.L.: VG 769-2012
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MÁQUINAS HIDRÁULICAS DE
DESPLAZAMIENTO POSITIVO
Concepción Paz Penı́n
Eduardo Suárez Porto
Antonio Eirı́s Barca
Prólogo
Motivación y objetivos
Se pretende que este libro sea empleado como básico o de referencia durante
los cursos de Máquinas Hidráulicas por parte de los estudiantes de ingenierı́a
en su tercer y cuarto año de estudios, en los cuales el alumno ya ha adquirido
conocimientos de mecánica de fluidos y teorı́a de máquinas 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 información
técnica de fabricantes), no es reciente, y además se encuentra muy diseminada.
Los autores, profesores desde hace varios años en las materias citadas, consideran importante la recopilación y actualización de estos contenidos en un texto
de referencia para el alumno.
Se han tenido en cuenta cuatro aspectos para la realización del mismo:
Conducir al estudiante a una comprensión clara de los principios de
funcionamiento de las Máquinas Hidráulicas de desplazamiento positivo, teniendo en cuenta que están fuertemente basados en conocimientos
previos de caracter más básico como la Mecánica de Fluidos.
Desarrollar una comprensión intuitiva mediante la inclusión de contenidos de caracter más descriptivo. A este fin, este libro dispone de mucha
ayuda visual: numerosos gráficos, imágenes, esquemas y diagramas conceptuales en todos los capı́tulos.
Relacionar las caracterı́sticas de diseño y técnicas con los fundamentos
teóricos de las máquinas de fluidos de desplazamiento positivo, tratando
de ir más allá de la simple visión de catálogo técnico que presenta mucha
de la literatura sobre el tema.
Introducir al estudiante en las aplicaciones reales, con ejemplos prácticos
resueltos en cada capı́tulo, ubicados inmediatamente después de la explicación teórica y una colección de problemas conceptuales, de selección
y de diseño resueltos al final del libro.
v
vi
Estructura
Este libro está organizado en cinco capı́tulos más un apéndice final de problemas resueltos. El primer capı́tulo incluye una introducción general a las
máquinas de fluido y presenta su clasificación primaria. Ya centrados en las
máquinas hidráulicas de desplazamiento positivo (MHDP), el principio de funcionamiento, las caracterı́sticas y los tipos de dichas máquinas se explican en
el capı́tulo 2. La estructura seguida en los siguientes capı́tulos de este libro
realiza una separación primaria entre MHDP generadoras y motoras. Las máquinas generadoras alternativas se analizan en el capı́tulo 3 y las rotativas en el
capı́tulo 4. El capı́tulo 5 se destina conjuntamente al estudio de las máquinas
motoras alternativas y rotativas, dadas sus muchas simulitudes constructivas
con los tipos de bombas ya presentados.
En cada capı́tulo, se describe en primer lugar el funcionamiento de cada
máquina. A continuación, se detalla su clasificación y, como último nivel en el
estudio, se considera el tipo constructivo. La ventaja de esta estructuración es
clara, ya que parte de los principios generales comunes y termina explicando
los detalles concretos de cada configuración. Cada capı́tulo contiene varios
ejemplos resueltos que ilustran y aplican los contenidos del párrafo que les
precede.
Notación y sistema de unidades
Se ha unificado la notación en las máquinas generadoras y motoras, de
modo que los diagramas de flujo de energı́a de ambas sean formalmente iguales
si se recorren en sentido inverso, y a su vez, que esta misma notación sea
coincidente con la aplicable a las turbomáquinas, aunque no sean objeto de
este libro. Ası́, 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 ası́ se ha hecho en muchos de los ejercicios resueltos, si
bien, es necesario considerar el hecho de que en la práctica es usual el empleo
de, por ejemplo, litros por minuto y bares para expresar caudales volumétricos
y presiones, respectivamente, dados los rangos de operación habituales de este
tipo de máquinas.
Nomenclatura
m2
A
Área émbolo
a
Área vástago
D
Desplazamiento
e
Excentricidad
F
Fuerza
H
Altura
p
Presión
P
Potencia
Q
Caudal volumétrico
M
Par
n
Velocidad de giro
s
Carrera
[m]
r
Radio
[m]
t
Tiempo
v
Velocidad
[s]
−1
V
Volumen
z
Altura
m2
3 −1 m rev
kg m s
[m]
−2
[m.c.a.]
kg m−1 s−2
kg m2 s−3
3 −1 m s
kg m2 s−2
[rpm]
ms
3
m
[m]
Sı́mbolos griegos
β
Coeficiente de compresibilidad
[−]
ε
Coeficiente de irregularidad
[−]
vii
viii
η
Rendimiento
θ
Ángulo
ρ
Densidad
φ
Diámetro
ω
Velocidad angular de giro
Subı́ndices
a
Accionamiento
asp
Aspiración
E
Entrada
emb
Émbolo
h
Hidráulico
imp
Impulsión
m
Mecánico
S
Salida
t
Teórico
v
Volumétrico
vas
Vástago
Abreviaturas
DE
Doble Efecto
MDP
Máquinas de Desplazamiento Positivo
MHDP
Máquinas Hidráulicas de Desplazamiento Positivo
PDP
Principio de Desplazamiento Positivo
SE
Simple Efecto
[−]
[−]
kg m−3
[m]
s−1
Índice general
Nomenclatura
VII
1. MÁQUINAS DE FLUIDO
9
1.1. Concepto y definición . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9
1.2. Clasificación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10
1.2.1. Según las variaciones de densidad del fluido . . . . . . .
10
1.2.2. Según el principio de funcionamiento . . . . . . . . . . .
11
1.2.3. Según el sentido del flujo de energı́a . . . . . . . . . . .
12
1.2.4. Otras máquinas de fluido . . . . . . . . . . . . . . . . .
12
2. MÁQUINAS DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO
2.1. Principio de funcionamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
15
15
2.2. Caracterı́sticas generales de las Máquinas de Desplazamiento
Positivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
16
2.2.1. Diferencias entre MDP y TM . . . . . . . . . . . . . . .
16
2.2.2. Parámetros importantes en MHDP . . . . . . . . . . . .
18
2.2.2.1. Desplazamiento . . . . . . . . . . . . . . . . .
18
2.2.2.2. Presión nominal . . . . . . . . . . . . . . . . .
18
2.2.2.3. Velocidad de giro . . . . . . . . . . . . . . . .
19
2.2.2.4. Caudal teórico . . . . . . . . . . . . . . . . . .
19
2.2.2.5. Otros: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
19
2.2.3. Presiones, caudales, potencias y rendimientos . . . . . .
21
2.3. Clasificaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
28
2.3.1. Según el movimiento del desplazador . . . . . . . . . . .
29
2.3.2. Según la variabilidad del desplazamiento . . . . . . . . .
30
2.3.3. Según modo de accionamiento
. . . . . . . . . . . . . .
31
2.3.4. Según compensación hidráulica . . . . . . . . . . . . . .
32
2.3.5. Según tipos constructivos . . . . . . . . . . . . . . . . .
33
1
2
3. BOMBAS VOLUMÉTRICAS ALTERNATIVAS
3.1. Caracterı́sticas técnicas bombas alternativas . . . . . . . . .
3.2. Bombas de émbolo simple . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2.1. Principio de funcionamiento . . . . . . . . . . . . . .
3.2.2. Clasificación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2.3. Desplazamiento. Caudal. Coeficiente de irregularidad
3.2.4. Caracterı́sticas técnicas . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2.5. Campos de aplicación . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.3. De diafragma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.3.1. Principio de funcionamiento.Tipos . . . . . . . . . .
3.3.2. Desplazamiento. Caudal . . . . . . . . . . . . . . . .
3.3.3. Caracterı́sticas técnicas. Aplicaciones . . . . . . . . .
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4. BOMBAS VOLUMÉTRICAS ROTATIVAS Y PERISTÁLTICAS
4.1. Caracterı́sticas de las bombas volumétricas 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. Caracterı́sticas. Aplicaciones . . . . . . . . . .
4.2.2. De engranajes internos . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.2.1. Funcionamiento . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.2.2. Caracterı́sticas. Aplicaciones . . . . . . . . . .
4.2.3. De rotor lobular . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.3.1. Funcionamiento . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.3.2. Caracterı́sticas. Aplicaciones . . . . . . . . . .
4.3. Bombas de paletas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3.1. Bombas de paletas rı́gidas . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3.1.1. Rotor excéntrico . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3.1.2. Estátor ovalado . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3.1.3. Paletas fijas . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3.1.4. Detalles constructivos de las bombas de paletas
4.3.1.5. Caracterı́sticas. Aplicaciones . . . . . . . . . .
4.3.2. Paletas flexibles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3.2.1. Funcionamiento . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3.2.2. Caracterı́sticas. Aplicaciones . . . . . . . . . .
4.4. Bombas de pistones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
37
37
37
37
41
52
57
57
58
58
59
64
67
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
ÍNDICE GENERAL
3
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 ángulo . . . . . . .
4.4.3.1. Funcionamiento . . . . . . . . . .
4.4.3.2. Desplazamiento. Cargas inducidas
4.4.4. Caracterı́sticas. Aplicaciones . . . . . . . .
4.5. Bombas de helicoide o tornillo . . . . . . . . . . . .
4.5.1. Funcionamiento. Clasificación . . . . . . . .
4.5.2. Bomba de tornillo simple . . . . . . . . . .
4.5.2.1. Funcionamiento . . . . . . . . . .
4.5.2.2. Desplazamiento . . . . . . . . . .
4.5.2.3. Caracterı́sticas. Aplicaciones . . .
4.5.3. Bombas de tornillo múltiple . . . . . . . . .
4.5.3.1. Funcionamiento . . . . . . . . . .
4.5.3.2. Caracterı́sticas. Aplicaciones . . .
4.6. Bombas peristálticas o de tubo flexible . . . . . . .
4.6.1. Funcionamiento . . . . . . . . . . . . . . . .
4.6.2. Caracterı́sticas. Aplicaciones . . . . . . . .
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93
93
96
96
97
100
100
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103
104
104
105
105
106
106
107
107
107
108
5. MOTORES HIDRÁULICOS
5.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.2. Motores alternativos o cilindros . . . . . . . . . . .
5.2.1. Clasificación. Tipos. Caracterı́sticas . . . .
5.3. Motores rotativos . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.3.1. Clasificación . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.3.2. Caracterı́sticas . . . . . . . . . . . . . . . .
5.3.2.1. Desplazamiento . . . . . . . . . .
5.3.2.2. Par . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.3.2.3. Presión neta . . . . . . . . . . . .
5.3.3. Diagrama de energı́a en motores hidráulicos
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. Clasificación. Tipos. Caracterı́sticas . . . .
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113
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115
115
115
117
118
119
120
120
120
4
I
II
PROBLEMAS
BIBLIOGRAFÍA
123
157
Índice de figuras
1.1.
1.2.
1.3.
1.4.
1.5.
Distintos tipos de máquinas de fluido. . . .
Principio de desplazamiento positivo. . . . .
Conservación del momento cinético. . . . .
Clasificación de las máquinas de fluido. . . .
Ejemplos de máquinas de fluido hidráulicas.
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9
11
12
13
14
Análisis del principio de desplazamiento positivo. . . . . . . . .
Curvas p − Q. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Esquema de presiones en una MDP. . . . . . . . . . . . . . . .
Caudales y presiones en MHDP generadoras y motoras. . . . .
Análisis del flujo en la holgura adyacente a dos cámaras de
bombeo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.6. Diagrama de potencias máquinas generadoras y motoras. . . .
2.7. Pérdidas volumétricas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.8. Curvas caracterı́sticas de MHDP. . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.9. Según el movimiento del desplazador. . . . . . . . . . . . . . .
2.10. Según la variabilidad del desplazamiento. . . . . . . . . . . . .
2.11. Modos de accionamiento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.12. Según compensación hidráulica. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.13. Cabestrante. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.14. Ascenso de la vagoneta. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
15
18
19
22
24
26
27
28
29
31
32
33
35
35
3.1.
3.2.
3.3.
3.4.
3.5.
3.6.
3.7.
3.8.
38
38
42
43
44
48
49
51
2.1.
2.2.
2.3.
2.4.
2.5.
Elementos bomba de émbolo. . . . . . . . . . . . . .
Principio de funcionamiento. . . . . . . . . . . . . .
Clasificación atendiendo al tipo de émbolo. . . . . .
Tipos de accionamiento. . . . . . . . . . . . . . . . .
Clasificación atendiendo a la aplicación. . . . . . . .
Esquema de una bomba de extracción de crudo. . . .
Esquema de fuerzas sobre el émbolo. . . . . . . . . .
Clasificación atendiendo al modo de funcionamiento.
5
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6
3.9. Mecanismo biela - manivela. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.10. Caudal instantáneo de una bomba de simple efecto. . . . . . . .
3.11. Caudal instantáneo de una bomba de doble efecto. . . . . . . .
3.12. Caudal instantáneo de una bomba trı́plex. . . . . . . . . . . . .
3.13. Cámara de aire a la salida de la bomba. . . . . . . . . . . . . .
3.14. Bombas de diafragma según 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. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2. Cálculo del desplazamiento de una bomba de engranajes externos.
4.3. Curvas caracterı́sticas de una bomba de engranajes. . . . . . .
4.4. Esquema de la bomba de engranajes del ejercicio. . . . . . . . .
4.5. Bomba de media luna. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.6. Bomba de media luna detalle sección. . . . . . . . . . . . . . .
4.7. Bomba de engranajes internos tipo gerotor. . . . . . . . . . . .
4.8. Funcionamiento de bomba gerotor. . . . . . . . . . . . . . . . .
4.9. Detalle del desplazamiento de bomba tipo gérotor. . . . . . . .
4.10. Bomba de rotor lobular. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.11. Bomba de paletas de rotor excéntrico. . . . . . . . . . . . . . .
4.12. Excentricidad máxima de la bomba de paletas y rotor excéntrico.
4.13. Excentricidad media de la bomba de paletas y rotor excéntrico.
4.14. Esquema de bomba de paletas de estátor ovalado. . . . . . . . .
4.15. Desplazamiento de bomba de paletas de estátor ovalado. . . . .
4.16. Esquema de una bomba de paletas fijas. . . . . . . . . . . . . .
4.17. Corte meridional (detalle constructivo) de una bomba de paletas.
4.18. Detalle paletas: diseño achaflanado, de doble paleta y de doble
paleta perforada. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.19. Detalle de diseños de bombas de paletas más avanzados. . . . .
4.20. Bomba de paletas de dos etapas. . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.21. Sistema de desplazamiento variable con compensación de presión.
4.22. Curva caracterı́stica ideal de la bomba de paletas con compensación de presión. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.23. Compensación directa y pilotada. . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.24. Bomba de paletas flexibles. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.25. Detalle de bomba de pistones radiales de bloque excéntrico. . .
4.26. Bombas de pistones radiales con accionamiento de leva. . . . .
4.27. Detalle de bomba de pistones paralelos axiales. . . . . . . . . .
4.28. Patines de sustentación hidrostática. . . . . . . . . . . . . . . .
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96
ÍNDICE DE FIGURAS
4.29. Regularidad/rizado para distinto número de pistones. . . . . .
4.30. Esquema variación 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 ángulo. . . . .
4.33. Esquema de funcionamiento de bomba de pistones en ángulo. .
4.34. Cargas soportadas por una bomba de pistones en ángulo. . . .
4.35. Transporte axial y transporte circunferencial de las cámaras de
bombeo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.36. Bomba de tornillo simple. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.37. Bombas de tornillo múltiple. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.38. Desplazamiento de bomba de rotor simple. . . . . . . . . . . . .
4.39. Efecto del número 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 peristáltica. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.1. Cilindro tipo Buzo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.2. Cilindro telescópico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.3. Cilindro de doble efecto. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.4. Cilindro de doble vástago. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.5. Flujo de energı́a en un motor hidráulico. . . . . . . . . . . . . .
5.6. Motor de engranajes externos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.7. Curvas caracterı́sticas de un motor de pistones. . . . . . . . . .
5.8. Actuador rotativo de paleta. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.9. Actuadores rotativos de pistón. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.10. Motor hidráulico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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 área sombreada. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.18. Esquema de una bomba simple efecto de émbolo 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-hidráulico. . . . . . . . . . . . . .
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5.22. Diagrama de potencias máquinas generadoras y motoras. . . . 145
5.23. Esquema bomba. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
5.24. Bomba alternativa actuada mediante un biela-manivela. . . . . 151
Capı́tulo 1
MÁQUINAS DE FLUIDO
1.1.
Concepto y definición
Una máquina es un dispositivo transformador de energı́a. Recibe una energı́a de una cierta clase y entrega en la salida otro tipo de energı́a.
Se dice que una máquina es una máquina de fluido si recibe o entrega
energı́a de/a un fluido, respectivamente. A este tipo de máquinas pertenecen mecanismos tan separados en el tiempo y de caracterı́sticas tan dispares
como, por ejemplo, el tornillo de Arquı́medes y un aerogenerador tripala, representados de forma esquemática en la Figura 1.1. El primero, cuya invención
se atribuye a Arquı́medes de Alejandrı́a (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
diámetro 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 máquinas de fluido.
9
10
1.2.
Clasificación
Como ya se ha dicho, las máquinas de fluido comprenden un amplio grupo de dispositivos, por lo que existen diversos criterios para su clasificación.
Es comúnmente aceptado que los criterios más relevantes que dividen a las
máquinas 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 energı́a
1.2.1.
Según las variaciones de densidad del fluido
La clasificación primaria de las máquinas de fluido atiende a las variaciones
de densidad del fluido en la máquina, criterio según el cual se separan en
máquinas hidráulicas y máquinas térmicas [10, 13].
Máquinas hidráulicas son aquellas en las que la densidad del fluido no
varı́a de forma apreciable a su paso a través de la máquina, y por tanto,
en su diseño y estudio puede suponerse que la densidad del fluido es
constante y es válida la hipótesis de incompresibilidad1 . Bombas, ventiladores, turbinas hidráulicas, cilindros y motores hidráulicos pertenecen
este grupo [10].
Máquinas térmicas son aquellas en las que el fluido en su paso a través
de la máquina varı́a sensiblemente su densidad. Turbinas de gas, turbinas de vapor, motores de combustión interna alternativos, soplantes y
compresores2 forman parte del grupo de las máquinas térmicas [9].
De la definición del coeficiente de compresibilidad β de un fluido
β =−
1
V
dV
dp
=
T
1 dρ
=⇒ dρ = ρβ d p
ρ dp
(1.1)
se deduce que las variaciones de densidad en la máquina dependen de
la densidad y compresibilidad del fluido y de las diferencias de presión. La
definición anterior explica la clasificación del compresor como máquina térmica
1 Recuérdese que los fenómenos de compresibilidad (o cambios significativos de densidad
debidos al flujo) deben tenerse en cuenta cuando el número de Mach alcanza valores del
orden de 0,3.
2 Habitualmente, se considera soplante cuando 0,3<Ma<0,7 y compresor para valores de
Ma superiores a 0,7.
1.2. Clasificación
11
y la del ventilador como máquina hidráulica, aún cuando ambas son máquinas
de fluido que operan con aire.
1.2.2.
Según el principio de funcionamiento
Considerando su principio de funcionamiento, las máquinas de fluido se
clasifican en máquinas de desplazamiento positivo, turbomáquinas y máquinas
gravimétricas.
Las máquinas de desplazamiento positivo, también llamadas máquinas
volumétricas, basan su funcionamiento en el Principio de Desplazamiento
Positivo (PDP), según el cual, la variación de volumen de una cámara 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 inmersión
de un sólido en un recipiente con lı́quido y la utilización de una jeringuilla
(Figura 1.2) son ejemplos cotidianos de aplicación de este principio.
V
V
Figura 1.2: Principio de desplazamiento positivo.
Las turbomáquinas (abreviadamente, TM) basan su funcionamiento en el
teorema de conservación del momento cinético o ecuación de Euler de las
turbomáquinas. El fluido, a su paso por los conductos de un órgano que rota,
denominado rotor o rodete, varı́a su momento cinético (Figura 1.3).
En las máquinas gravimétricas, el intercambio de energı́a entre máquina
y fluido se realiza en forma de energı́a potencial gravitatoria. Ejemplos de
máquinas gravimétricas son el tornillo de Arquı́medes, la noria y la rueda
12
R1
R2
W
U1
c1
U2
c2
Figura 1.3: Conservación del momento cinético.
hidráulica. Por motivos obvios, todas ellas son máquinas hidráulicas, no
existiendo sus homólogos como máquinas térmicas.
1.2.3.
Según el sentido del flujo de energı́a
Dependiendo del sentido del flujo de energı́a, las máquinas de fluido pueden
ser generadoras o motoras.
Las máquinas generadoras absorben energı́a mecánica y, de forma más
o menos eficiente, se la entregan al fluido que las atraviesa. A este grupo
pertenecen bombas, ventiladores, soplantes y compresores.
Las máquinas motoras son máquinas que extraen la energı́a del fluido y
entregan energı́a mecánica. Máquinas motoras son los cilindros hidráulicos y neumáticos, motores, turbinas y aerogeneradores.
Atendiendo a estos tres criterios, la Figura 1.4 muestra la clasificación de las
máquinas de fluidos recuadrando las máquinas objeto de este manual.
1.2.4.
Otras máquinas de fluido
Las máquinas de fluido puede estar constituidas por más de un elemento
simple (motor y/o generador) de alguno de los grupos descritos en la sección
precedente.
Se denominan máquinas de múltiples escalonamientos o multietapa [8,
10] a aquellas que presentan más de un elemento simple del mismo tipo
(motor o generador) dispuestos en serie en un mismo eje, con la finalidad
de aumentar la altura útil con el mismo caudal.
Las máquinas compuestas están formadas por un elemento motor y uno
generador. Se emplean para transmitir potencia entre dos ejes con un
fluido como intermediario. Dentro de esta categorı́a se encuentran los
1.2. Clasificación
13
Gravimétricas
Generadoras
HIDRÁULICAS
Volumétricas
Máquinas de
Fluido
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: Clasificación de las máquinas de fluido.
turbocompresores [9] y las transmisiones hidráulicas. Estas últimas, a su
vez, son de dos tipos: si ambos elementos, generador y motor, son máquinas volumétricas, constituyen una transmisión hidrostática; mientras
que si ambos son turbomáquinas, el conjunto se denomina transmisión
hidrodinámica [4].
A las máquinas de fluido que pueden funcionar, ora como generador,
ora como motor, se les denomina reversibles. Las máquinas de desplazamiento positivo son, casi todas, reversibles. Por el contrario, una turbomáquina que presente buen rendimiento en ambas condiciones de funcionamiento requiere de un cuidadoso diseño. Estas son utilizadas desde
mediados del siglo XX en las centrales de acumulación por bombeo, para
el trasvase entre dos embalses situados a diferentes niveles en los perı́odos de baja demanda energética. En horas punta, pueden funcionar
como turbina utilizando la energı́a potencial previamente almacenada.
Otros criterios más especı́ficos que suelen emplearse en la clasificación de las
máquinas de fluido son: la inclinación del eje, la velocidad especı́fica, el tipo
de fluido, etc.
A modo de presentación se muestran ejemplos de máquinas de fluido hidráulicas en la Figura 1.5. En lo que sigue, nos centraremos en las máquinas
hidráulicas de desplazamiento positivo (MHDP).
14
(a) Corte de una turbobomba radial (Turbomáquina generadora de flujo
radial).
(c) Corte de una bomba de engranajes internos (Máquina de
desplazamiento positivo generadora/motora)
(e) Cilindro de simple efecto (Máquina de
desplazamiento positivo motora alternativa).
(b) Rodete de turbomáquina generadora
(de flujo axial).
(d) Turbina Pelton (Turbomáquina motora de acción, flujo
circunferencial y admisión parcial).
(f) Barrilete de una bomba de émbolos múltiples
(Máquina de desplazamiento positivo generadora alternativa).
Figura 1.5: Ejemplos de máquinas de fluido hidráulicas.