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 Campus de Vigo 36310 Vigo Telf.. 986 812 235 sep@uvigo.es © Servizo de Publicacións da Universidade de Vigo, 2012 © Concepción Paz Penín, Eduardo Suárez Porto y Antonio Eirís Barca Printed in Spain - Impreso en España ISBN: 978-84-8158-591-9 D.L.: VG 769-2012 Imprime: Tórculo Artes Gráficas, S.A. Reservados tódolos dereitos. Nin a totalidade nin parte deste libro pode reproducirse ou transmitirse por ningún procedemento electrónico ou mecánico, incluídos fotocopia, gravación magnética ou calquera almacenamento de información e sistema de recuperación, sen permiso escrito do Servizo de publicacións da Universidade de Vigo 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 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 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 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 93 96 96 97 100 100 101 102 103 103 104 104 105 105 106 106 107 107 107 108 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 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 109 111 111 113 113 114 114 115 115 115 117 118 119 120 120 120 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. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 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 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 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. . . . . . . . . . . . . . . . 71 72 74 75 78 78 79 79 80 81 83 83 84 85 85 86 87 88 88 89 90 90 90 92 95 95 96 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. . . . . . . . . . . . . . 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 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.