Ejercicios resueltos de bombas hidráulicas

Bombas de paletas Deslizantes

Consisten en un cilindro hueco o rodete con varias ranuras Radiales en las que se introducen unas paletas de modo que el conjunto puede Girar dentro de un estátor de forma ovalada. Al girar el rotor, las paletas Realizan movimientos de vaivén y son impulsadas por la acción de la fuerza Centrífuga hacia la periferia y hacia el centro, de modo que el líquido situado Entre cada par de paletas es impulsado hacia las zonas donde la excentricidad Es menor, de modo que el líquido llena el espacio comprendido entre dos aletas Consecutivas y las superficies correspondientes de rotor y estátor. Dicho Espacio es la cámara de trabajo y su volumen crece durante el giro del rotor Hasta alcanzar un máximo y después se cierra comenzando al mismo tiempo el Desalojo del líquido de la cámara de trabajo en una cantidad igual a su volumen útil V.

Bombas de émbolos Radiales

Están formadas por un estátor y un rotor que tiene una serie de Huecos cilíndricos radiales con unos émbolos o desplazadores en su interior. Al Girar el rotor los émbolos realizan un movimiento de vaivén respecto a el Mientras sus extremos deslizan sobre la superficie interior del estátor. Las Cámaras de trabajo de aspiración e impulsión se comunican a través de orificios Radiales alternativamente con las dos mitades de la cavidad central, que está Dividida por un tabique.

Bombas de diafragma o Membrana

Son un perfeccionamiento de las bombas de embolo para su Utilización en la elevación de líquidos abrasivos. En ellas el pistón y el Cilindro no actúan directamente sobre el líquido  a bombear, si no sobre un líquido intermedio Separado del líquido a bombear por un diafragma o membrana flexible que puede Ser por ejemplo de cuero o de caucho.

Clasificación de las Máquinas hidráulicas

Las máquinas hidráulicas pueden clasificarse según Diversos criterios. Según la dirección en que tiene lugar el intecambio de energía (máquina productora de energía mecánica o generadora y máquina Consumidora de energía mecánica o motora), según la compresibilidad del fluido (máquinas de fluido compresible o térmicas y máquinas de fluido incompresible o Hidráulicas), y según el principio de funcionamiento (máquinas de Desplazamiento positivo o volumétricas o turbomáquinas o máquinas Rotodinamicas).

Clasificación de las Turbomáquinas

Se pueden clasificar desde varios puntos de vista: según la Dirección en que tiene lugar el intecambio de energía ( turbomaquina productora De energía o turbina y turbomaquina consumidora de energía mecánica), según la Compresibilidad del fluido ( turbomaquinas térmicas y turbomaquinas Hidráulicas), la clasificación fundamental de las turbomaquinas establece una División entre ( turbomaquinas de acción y turbomaquinas de reacción), según la Dirección del flujo en el rodete ( turbomaquinas axiales, turbomaquinas Radiales y turbomaquinas mixtas).

¿Cómo influye en el Rendimiento de una bomba centrifuga el ángulo de salida de los alabes del Rotor?.

Para los 3 casos se ha adaptado el mismo ángulo de entrada β₁. Con β₂ menor que 90º los alabes están curvados hacia atrás, con β₂ = 90º los alabes son radiales y con beta2 mayor que 90º están curvados Hacia delante. Con beta2<90º el canal móvil es más largo y se ensancha más Suavemente que en beta2=90 y beta2>90. Los grandes ensanchamientos son Desfavorables por lo que se producirá desprendimiento de la capa límite, con la Consiguiente pérdida de carga y disminución de rendimiento.
Por tanto en bombas Centrifugas los alabes curvados hacia atrás dan mejor rendimiento.

Comentar en que Consiste el fenómeno de la cavitación…

Cuando en una corriente fluida se Alcanzan unas condiciones tales que la presión en algunos puntos es menor que La presión de vapor, tiene lugar una vaporización parcial de modo que se forman Unas cavidades o burbujas llenas de vapor. Si estas burbujas son arrastradas Por la corriente y llegan a zonas donde la presión es mayor que la presión de Vapor, se produce un colapso de la cavidad y en el fluido próximo a la misma se Producen grandes presiones que se propagan en el seno del fluido provocando la Condensación de la burbuja siguiente y así sucesivamente. Este pulso de presión Que se esparce desde cada cavidad colapsada es un importante y usualmente Indeseable efecto de la cavitación y se le oye como un molesto y fuerte ruido De cantos rodados. Pero la consecuencia más importante es que el continuo Colapso de las burbujas conduce rápidamente al deterioro y erosión de las Superficies solidas cercanas.

¿Cuándo es Conveniente diseñar bombas con varios escalonamientos y porque?

En Ocasiones las condiciones de operación conllevan un valor de la velocidad Especifica muy pequeño, tanto que llega a ser wq0<0,3, con lo que sería Necesario un rotor de gran tamaño y de anchura pequeña. Ello haría que las Pérdidas por fricción fueran elevadas y el rendimiento muy bajo, por lo que Sería conveniente diseñar bombas con varios escalonamientos.

Clasificación de las Bombas de desplazamiento positivo o volumétrico.
Se pueden clasificar Siguiendo varios criterios: en función del sentido de transmisión de la energía (bombas: comunican energía al fluido y motores hidráulicos: obtienen energía Del fluido), en función de la actuación sobre el elemento desplazador ( de Desplazamiento fijo y de desplazamiento variable), y en función del tipo de Desplazamiento ( alternativas [ de pistón o embolo y de diafragma  o membrana] y rotativas [ de paletas Deslizantes, de engranajes, de tornillo, de émbolos radiales, de émbolos Axiales, de lóbulos, y de tubo flexible])

¿Cuándo se utilizan Las maquinas alternativas?
Se utilizan en aquellas aplicaciones en las que Se excede la capacidad de las bombas centrifugas (o se requeriría un aumento de Potencia o mantenimiento).

¿Cómo se pueden Regular las bombas volumetricar rotativas?
Variando el régimen de giro y Derivando el fluido  de la impulsión a la Aspiración.

Comentar las Distintas formas y dimensiones que puede adoptar el rotor de una turbina Francis.
El rotor puede adoptar distintas formas y dimensiones según la altura y el caudal, según la velocidad especifica. Así, si la altura es elevada Y el caudal es pequeño el rotor tendrá una sección de entrada pequeño y un Recorrido del flujo casi radial para transformar en energía cinética una parte Importante de la energía de presión y, en el caso contrario, altura pequeña y Caudal grande, tendrá una sección de entrada grande y un flujo casi axial Existiendo toda una variedad de situaciones intermedias entre estas dos.

Comparación entre las Turbinas Francis y Pelton según su curva de rendimiento.
Según sus curvas De rendimiento, la turbina pelton tiene una curva de rendimiento plana,  y su rendimiento a cargas intermedias es Superior a cualquier tipo de turbina francis.

Diámetro especifico.
Se obtiene de eliminar la velocidad angular en las expresiones de los Parámetros de caudal y altura.

ds = D x (g H)^^(1/4) / Q^^(1/2)

Definición y Fundamento de una turbomaquina.
Son aquellos en los que varía el momento Cinético del fluido a su paso por el interior de la maquina. Como en cualquier Otra maquina hidráulica, se produce un intercambio de energía ente la maquina y El fluido. El fundamento de una turbomaquina no es mas que una rueda con alabes Llamada rotor o rodete que pued girar alrededor de un eje cuando pasa un fluido Por su interior. Cada dos alabes consecutivos forman un canal que le hace Desviarse al flujo de modo que su variación de cantidad de movimiento origine Una fuerza que realiza un trabajo mecánico.

Diferencia entre Velocidad específica y velocidad especifica en la aspiración.
S0 solo Difiere de la velocidad especifica adimensional (wq0) en la sustitución de H Por NPSHr, pero a diferencia de wq0, que solo es aplicable para casos de Semejanza geométrica total, S0 solo requiere para su aplicación semejanza Geométrica en la aspiración.

Describir 3 métodos Para regular el caudal de una bomba centrifuga y sus ventajas e inconvenientes:
1- Variación de la carácterística de la red actuando sobre la válvula de Impulsión (Este es el método mas sencillo, cerrando esta válvula se produce una Perdida de carga adicional, la cual cambia la altura manométrica total del Sistema y la carácterística dinámica de la instalación de bombeo pasa de  P a P’. Este método ofrece la ventaja de Utilizar componentes estructuralmente simples, pero tiene el gran problema de Que se producen  perdidas de energía Elevadas, lo cual hace descender de forma importante el rendimiento.) 2- Variación de la velocidad de la bomba ( Si la bomba dispone de un motor de Velocidad variable, se puede hacer variar esta hasta que el sistema pase de Funcionar en el punto P al P’. Desde el punto de vista del rendimiento este Método es mas ventajoso que el anterior, ya que para un mismo caudal consume Menos potencia.) 3- Deposito regulador (Si se dispone deposito regulador es Posible variar la curva resistente de la red. Si se dimensiona adecuadamente el Deposito, puede conseguirse un caudal variable a la salida del mismo Funcionando la bomba intermitentemente, oscilando la altura y el caudal muy Cerca del punto máximo de rendimiento).

Describir brevemente En que consiste una turbomaquina axial..
Una turbomaquina axial tiene la Estructura de un eje central cuya dirección es la que sigue la corriente a su Paso por la maquina con una o varias cascadas de alabes que giran alrededor del Eje. Al contrario que en las maquinas radiales, en las que todas las líneas de Corriente son idénticas entre si para una velocidad especifica dada, en las Maquinas axiales las líneas de corriente son diferentes, por lo que las Velocidades y presiones también son diferentes. En consecuencia cada línea de Corriente tiene que ser estudiada por separado.

Definir las maquinas De desplazamiento positivo o volumétricas.
Son aquellas que funcionan según El principio de desplazamiento positivo: un contorno móvil de volumen variable Que hace variar la presión del fluido a través de la maquina.

Describir la forma de Los alabes de una turbina Pelton.
El nº de alabes no puede ser cualquiera, No puede ser muy grande, pues podría ocurrir que el agua al salir de un alabe Chocase con la parte de atrás del siguiente, y por otro lado no puede ser muy Pequeño, pues en orden de hacer el rendimiento máximo, ningúna partícula debe Atravesar el espacio barrido por el rotor sin desviarse. El nº de alabes Dependerá del diámetro de la rueda D, y como la forma de las palas depende del Diámetro del chorro d, el numero optimo de alabes debe depender de la relación D/d.

Descripción, Generalidades y misión de la cámara espiral…
La cámara espiral suele ser Una prolongación de la tubería forzada de alimentación, es el primer elemento De la turbina por el que pasa el fluido y tiene como función guiar al fluido y Hacer que llegue con presión a toda la periferia del distribuidor. En ella, la Velocidad media del fluido no debe ser muy elevada para evitar grandes perdidas De carga, por tanto para un caudal determinado, la sección transversal de la Cámara espiral ha de ser grande, aunque se toma un limite inferior para la Velocidad impuesto por consideraciones económicas.

Explicar, Justificando la respuesta, si a una bomba centrifuga le corresponde…
A las Bombas centrifugas le corresponde una velocidad especifica baja debido a los Caudales bajos y alturas grandes.

Wq = w x Q^(1/2) / H^(3/4)

¿En que premisa se Basa la formula de ackeret?
Se basa en la premisa de que el máximo Rendimiento se obtiene cuando la mitad de las perdidas hidráulicas son debidas A la fricción.

Explicar por que, en La practica y a efectos de cálculo..
Los alabes a la salida del rotor Tienen que tener un ángulo comprendido entre 0 y 90º ya que grandes Ensanchamientos son desfavorables, por lo que se produciría desprendimiento de La capa limite, con la consiguiente perdida de carga y disminución del Rendimiento. Por tanto, para que den mejor rendimiento tomaremos el ángulo Opuesto.

Explicar en que Consiste la desviación que experimenta la corriente a la salida del rotor…
En los casos en los que se precise obtener soluciones mas aproximadas que las Proporcionadas por la teoría unidimensional y no sea posible hacer cálculos Bidimensionales es necesario  acudir a Estimaciones de la desviación cu2-cu2’ que experimenta la corriente a la salida Del rotor. Como en la realidad el nº de alabes de una bomba no es infinito, Mientras menor es dicho nº de alabes menor es el guiado de la corriente fluida Y mayor es la desviación existente entre el ángulo medio de salida de la Corriente y el ángulo beta2 de los alabes. Esta desviación es general y se Produce en todos los alabes fijos o móviles.

Explicar brevemente( De palabra y sin formulas) en que consiste el método de stodola.
Consiste En suponer que la desviación cu2-cu2’ es proporcional a wA-wB siendo A el punto Situado en el borde de salida de un alabe y B el punto de un alabe consecutivo Situado en la perpendicular de A.

Explicar brevemente ( De palabra y sin formulas) en que consiste el método de Pfleiderer.
Este método Tiene en cuenta el radio de curvatura de los alabes. Pfleiderer supuso  que la velocidad relativa de salida w2 es la Media entre dos puntos situados sobre el mismo radio, uno en el extradós  y otro en el intradós.

Explicar sin Formulas, el caso en el que puede obtenerse teóricamente la desviación…
En El caso de los alabes con forma de espiral logarítmica imponiendo la condición Adicional de que la anchura del rotor sea constante, Buseman realizo este Análisis y relaciono la altura Ht con la altura dada por la teoría Unidimensional Ht infinito por medio de los valores de dos coeficientes h0 y q0 Que definidos como la relación existentes entre las alturas a gasto nulo y de Los caudales a altura nula. Buseman encontró la relación funcional f1 y f2 entre Los coeficientes h0 y q0 y la relación del diámetro D1/D2, el ángulo beta2 y el Nº de alabes Z.

Explicar brevemente (sin formulas) que es la NPSHd.
Es la altura neta que la instalación deja Disponible en el punto A en el que va acoplada la bomba, la energía con que el Liquido llega a la entrada de la bomba, por eso se denomina NPSH disponible. Es Por lo tanto un dato que calcular por el que proyecta la instalación y no es Una carácterística de la bomba.

Explicar que debe Cumplirse para que una bomba, colocada en una instalación, funcione sin Cavitación.
Para que una bomba funcione sin cavitación se requiere únicamente en su brida de entrada una NPSHr igual a:

(8/pi)x(Q^2/gDa^4)+ Cp x (WA^2/2g)

Explicar las Diferencias de modificación de la curva carácterística H-Q…
La explicación De este comportamiento se debe a que las bombas centrifugas poseen conductos Bastante estrechos y las burbujas, en cuanto comienza la cavitación, se llenan Rápidamente e impiden que el caudal aumente mas por mucho que disminuya la Altura desarrollada por la bomba. En las bombas de alta velocidad específica la Desviación de la curva carácterística H-Q sin cavitación no es tan brusca y Aparece mas bien como un desplazamiento hacia debajo de la curva normal. En Estas bombas los conductos entre alabes son mucho mas amplios y por eso no son Tan rápidamente bloqueados por el liquido vaporizado.

Elección de la Instalación de bombas centrifugas en serie o en paralelo.
Cuando se Requiere un caudal elevado es conveniente instalar las bombas en paralelo y Cuando se necesita crear una gran presión conviene disponerlas en serie.

¿Entre que valores Suele tomarse el nº de alabes de una bomba centrifuga?
El nº de alabes Suele tomarse entre 5 y 12. Un nº de alabes demasiado pequeño da lugar a menores Perdidas por fricción pero a mayores perdidas por desprendimiento de la capa Limite y si el nº de alabes es demasiado grande sucede al revés.

¿En que consiste un Acoplamiento hidráulico?
Consiste en conjugar en una misma maquina las Acciones de una bomba y de una turbina. De este modo se puede transmitir la Energía  de un eje de potencia a un eje De carga a través de un fluido que suele ser aceite.

Ensayos de turbinas.
Dado el gran tamaño de las turbinas hidráulicas, suelen ensayarse sobre modelos Reducidos en el laboratorio. Habitualmente los ensayos se realizan de la Siguiente forma: manteniendo constante la altura de caída, se cala el Distribuidor en una posición determinada y se hace variar la velocidad de giro Del rotor desde 0 hasta la velocidad de embalamiento con la ayuda de un Mecanismo de frenado que puede ser mecánico, hidráulico o eléctrico.

El inyector de una Turbina Pelton.
Es una prolongación de la tubería forzada de alimentación Que termina en una tobera o boquilla de forma convergente y tiene como misión Conducir el fluido hasta el rodete, convertir la energía de presión en energía Cinética y regular el caudal. La energía disponible en el salto llega Prácticamente en forma de presión a la entrada del inyector y es transformada a Lo largo de el en energía cinética. En su interior lleva una aguja de Regulación que accionada desde el exterior puede acercarse o alejarse de la Boquilla del inyector disminuyendo o aumentando el caudal.

El distribuidor de Una turbina francis.
Su misión es guiar el agua hacia el rotor y regular el Caudal y por tanto la potencia de la turbina, ajustándose en lo posible a las Variaciones de carga de la red. Este elemento no genera energía, pero Transforma energía de presión en energía cinética. Para realizar estas funciones Dispone de unos alabes guía o directrices que pueden girar alrededor de unos Pivotes accionados por un mecanismo exterior. En su posición de cerrado se debe Conseguir la estanqueidad para que no haya fugas y el agua no atraviese la Turbina.

Expresar la ecuación De continuidad para una turbina Kaplan.
Q ηV = (pi/4) x (De^2- Di^2) x Cd

Explicar cual es la Carácterística principal que mejor diferencia a las turbinas Francis y Kaplan Entre si.
La turbina Kaplan, desde un punto de vista de funcionamiento, Aunque es mas costosa que la de hélice, es mas interesante y por eso la ha Desplazado casi por completo, ya que su curva de rendimiento es una curva Plana, y su rendimiento a cargas intermedias es superior no solo al de las Turbinas de hélice, si no también al de cualquier tipo de turbina francis.

¿En que situaciones Resulta interesante instalar un grupo bulbo?
Cuando la altura geométrica Del salto es pequeña, la importancia de las perdidas de carga puede ser grande, Por lo que es muy importante tratar de minimizar dichas perdidas, una forma de Conseguir esta dismunucion de las perdidas es reducir en nº de cambios en la Dirección del fluido al atravesar la maquina, que en las turbinas verticales es Elevado. Por ese motivo se ha desarrollado la turbina bulbo, en la que el Recorrido del agua se simplifica utilzando una turbina de eje horizontal Formando un conjunto que queda sumergido y al que se accede a través de un pozo Con diseño exterior aerodinámico para obstaculizar lo menos posible el paso del Fluido.

Explicar todas las Relaciones posibles entre altura geométrica, altura neta…
Bombas ( Hg-altura vertical entre la superficie libre del fluido y una cota de Referencia, Ht- energía que proporciona la bomba al fluido, H- altura neta Después de haberse producido las perdidas al salir de la bomba) Turbinas ( Hg- Altura vertical entre la superficie libre del fluido y una cota de referencia, Ht- energía que recibe el eje de la turbina, H- altura neta junto con las Perdidas de carga.)