MÁQUINAS HIDRÁULICAS DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO. Eduardo Suárez Porto Antonio Eirís Barca

Transcripción

1 MÁQUINAS HIDRÁULICAS DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO Concepción Paz Penín Eduardo Suárez Porto Antonio Eirís Barca

2 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, p. ; 17x24 cm. (Manuais da Universidade de Vigo ; 57) D.L. VG ISBN Máquinas hidráulicas I. Suárez Porto, Eduardo II. Eirís Barca, Antonio III. Universidade de Vigo. Servizo de Publicacións, ed Edición: Servizo de Publicacións da Universidade de Vigo Edificio da Biblioteca Central Campus de Vigo Vigo Telf 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: D.L.: VG 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

3 MÁQUINAS HIDRÁULICAS DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO Concepción Paz Penín Eduardo Suárez Porto Antonio Eirís Barca

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5 Prólogo Motivación y objetivos Sepretendequeestelibroseaempleadocomobásico o de referencia durante los cursos de Máquinas Hidráulicas por parte de los estudiantes de ingeniería en su tercer y cuarto año de estudios, en los cuales el alumno ya ha adquirido conocimientos de mecánica de fluidos y teoría 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. Sehantenidoencuentacuatroaspectosparalarealización 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 capítulos. Relacionar las características 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 capítulo, ubicados inmediatamente después de la explicación teórica y una colección de problemas conceptuales, de selección y de diseño resueltos al final del libro. v

6 vi Estructura Este libro está organizado en cinco capítulos más un apéndice final de problemas resueltos. El primer capítulo 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 características y los tipos de dichas máquinas se explican en el capítulo 2. La estructura seguida en los siguientes capítulos de este libro realiza una separación primaria entre MHDP generadoras y motoras. Las máquinas generadoras alternativas se analizan en el capítulo 3 y las rotativas en el capítulo4.elcapítulo 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 capítulo, 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 capítulo 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 energía 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. Así, 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 así 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.

7 Nomenclatura A a D Área émbolo Área vástago Desplazamiento m 2 ] m 2 ] m 3 rev 1] e Excentricidad m] F Fuerza kgms 2 ] H Altura m.c.a.] p P Q M Presión Potencia Caudal volumétrico Par kgm 1 s 2] kgm 2 s 3] m 3 s 1] kgm 2 s 2] n Velocidad de giro rpm] s Carrera m] r Radio m] t Tiempo s] v Velocidad ms 1 ] V Volumen m 3 ] z Altura m] Símbolos griegos β Coeficiente de compresibilidad ] ε Coeficiente de irregularidad ] vii

8 viii η Rendimiento ] θ Ángulo ] ρ Densidad kgm 3 ] φ Diámetro m] ω Velocidad angular de giro s 1 ] Subíndices a asp E emb h imp m S t v vas Accionamiento Aspiración Entrada Émbolo Hidráulico Impulsión Mecánico Salida Teórico Volumétrico Vástago Abreviaturas DE MDP MHDP PDP SE Doble Efecto Máquinas de Desplazamiento Positivo Máquinas Hidráulicas de Desplazamiento Positivo Principio de Desplazamiento Positivo Simple Efecto

9 Índice general Nomenclatura VII 1. MÁQUINAS DE FLUIDO Concepto y definición Clasificación Segúnlasvariacionesdedensidaddelfluido Segúnelprincipiodefuncionamiento Según el sentido del flujo de energía Otras máquinasdefluido MÁQUINAS DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO Principiodefuncionamiento Características generales de las Máquinas de Desplazamiento Positivo DiferenciasentreMDPyTM ParámetrosimportantesenMHDP Desplazamiento Presiónnominal Velocidaddegiro Caudal teórico Otros: Presiones,caudales,potenciasyrendimientos Clasificaciones Segúnelmovimientodeldesplazador Según la variabilidad del desplazamiento Segúnmododeaccionamiento Según compensación hidráulica Segúntiposconstructivos

10 2 3. BOMBAS VOLUMÉTRICAS ALTERNATIVAS Características técnicasbombasalternativas Bombas de émbolosimple Principiodefuncionamiento Clasificación Desplazamiento. Caudal. Coeficiente de irregularidad Características técnicas Campos de aplicación Dediafragma Principiodefuncionamiento.Tipos Desplazamiento.Caudal Características técnicas.aplicaciones BOMBAS VOLUMÉTRICAS ROTATIVAS Y PERISTÁLTI- CAS Característicasdelasbombasvolumétricasrotativas Diferencias entre las bombas rotativas y alternativas Clasificaciones Bombasdeengranajes Deengranajesexternos Funcionamiento Desplazamiento.Caudal Características.Aplicaciones Deengranajesinternos Funcionamiento Características.Aplicaciones Derotorlobular Funcionamiento Características.Aplicaciones Bombasdepaletas Bombas de paletas rígidas Rotor excéntrico Estátorovalado Paletasfijas Detalles constructivos de las bombas de paletas Características.Aplicaciones Paletasflexibles Funcionamiento Características.Aplicaciones Bombasdepistones... 93

11 ÍNDICE GENERAL Bombasdepistonesradiales Funcionamiento Bombas de pistones paralelos axiales Funcionamiento Desplazamiento.Cargasinducidas De pistones paralelos en ángulo Funcionamiento Desplazamiento.Cargasinducidas Características.Aplicaciones Bombas de helicoide o tornillo Funcionamiento. Clasificación Bombadetornillosimple Funcionamiento Desplazamiento Características.Aplicaciones Bombas de tornillo múltiple Funcionamiento Características.Aplicaciones Bombas peristálticasodetuboflexible Funcionamiento Características.Aplicaciones MOTORES HIDRÁULICOS Introducción Motoresalternativosocilindros Clasificación. Tipos. Características Motoresrotativos Clasificación Características Desplazamiento Par Presiónneta Diagrama de energía en motores hidráulicos Motores de engranajes Motoresdepaletas Motoresdepistones Motoresdetornillohelicoidal Actuadoresgiratorios Clasificación. Tipos. Características

12 4 I PROBLEMAS 123 II BIBLIOGRAFÍA 157

13 Índice de figuras 1.1. Distintos tipos de máquinasdefluido Principiodedesplazamientopositivo Conservación del momento cinético Clasificación de las máquinasdefluido Ejemplos de máquinas de fluido hidráulicas Análisisdelprincipiodedesplazamientopositivo Curvas p Q EsquemadepresionesenunaMDP Caudales y presiones en MHDP generadorasymotoras Análisis del flujo en la holgura adyacente a dos cámaras de bombeo Diagrama de potencias máquinas generadoras y motoras Pérdidas volumétricas Curvas características de MHDP Segúnelmovimientodeldesplazador Segúnlavariabilidaddeldesplazamiento Modosdeaccionamiento Según compensación hidráulica Cabestrante Ascenso de la vagoneta Elementos bomba de émbolo Principiodefuncionamiento Clasificación atendiendo al tipo de émbolo Tiposdeaccionamiento Clasificación atendiendo a la aplicación Esquema de una bomba de extraccióndecrudo Esquema de fuerzas sobre el émbolo Clasificaciónatendiendoalmododefuncionamiento

14 Mecanismobiela-manivela Caudal instantáneodeunabombadesimpleefecto Caudal instantáneodeunabombadedobleefecto Caudal instantáneo de una bomba tríplex Cámaradeairealasalidadelabomba Bombas de diafragma segúnaccionamiento Desplazamientodeunabombadediafragma Esquemadelabombadediafragmaempleada Esquema de los desplazamientos requeridos para cada producto Engranajesexternos Cálculo del desplazamiento de una bomba de engranajes externos Curvas característicasdeunabombadeengranajes Esquemadelabombadeengranajesdelejercicio Bombademedialuna Bomba de media luna detalle sección Bombadeengranajesinternostipogerotor Funcionamientodebombagerotor Detalle del desplazamiento de bomba tipo gérotor Bombaderotorlobular Bomba de paletas de rotor excéntrico Excentricidad máxima de la bomba de paletas y rotor excéntrico Excentricidad media de la bomba de paletas y rotor excéntrico Esquema de bomba de paletas de estátorovalado Desplazamiento de bomba de paletas de estátor ovalado Esquemadeunabombadepaletasfijas Corte meridional (detalle constructivo) de una bomba de paletas Detalle paletas: diseño achaflanado, de doble paleta y de doble paletaperforada Detalle de diseñosdebombasdepaletasmásavanzados Bombadepaletasdedosetapas Sistema de desplazamiento variable con compensación de presión Curva característica ideal de la bomba de paletas con compensación de presión Compensacióndirectaypilotada Bombadepaletasflexibles Detalle de bomba de pistones radiales de bloque excéntrico Bombas de pistones radiales con accionamiento de leva Detalle de bomba de pistones paralelos axiales Patines de sustentación hidrostática

15 ÍNDICE DE FIGURAS Regularidad/rizado para distinto númerodepistones Esquema variación del Desplazamiento de una bomba de pistonesparalelosaxiales Diagrama de fuerzas en bomba de pistones axiales paralelos Detalle tridimensional de bomba de pistones en ángulo Esquema de funcionamiento de bomba de pistones en ángulo Cargas soportadas por una bomba de pistones en ángulo Transporte axial y transporte circunferencial de las cámaras de bombeo Bomba de tornillo simple Bombas de tornillo múltiple Desplazamientodebombaderotorsimple Efecto del número de etapas en una bomba de tornillo Esquemas de entradas simple y entrada doble en una bomba de tornillo Esquema de bomba peristáltica CilindrotipoBuzo Cilindro telescópico Cilindrodedobleefecto Cilindro de doble vástago Flujo de energía en un motor hidráulico Motordeengranajesexternos Curvas característicasdeunmotordepistones Actuadorrotativodepaleta Actuadores rotativos de pistón Motor hidráulico Esquemacarreradeida Esquemacarreradevuelta Esquemacarreradesubida Esquemacarreradebajada Esquemadeunahidrolimpiadora Esquema de bomba oscilante de accionamiento manual Volumen desalojado en un ciclo, representado por el área sombreada Esquema de una bomba simple efecto de émbolo diferencial Diagrama de caudales aspirado e impulsado en un ciclo de funcionamiento Esquema de una bomba de engranajes externos Esquema de un circuito oleo-hidráulico

16 Diagrama de potencias máquinas generadoras y motoras Esquemabomba Bomba alternativa actuada mediante un biela-manivela

17 Capítulo 1 MÁQUINAS DE FLUIDO 1.1. Concepto y definición Una máquina es un dispositivo transformador de energía. Recibe una energía de una cierta clase y entrega en la salida otro tipo de energía. Se dice que una máquina es una máquina de fluido si recibe o entrega energía de/a un fluido, respectivamente. A este tipo de máquinas pertenecen mecanismos tan separados en el tiempo y de características tan dispares como, por ejemplo, el tornillo de Arquímedes y un aerogenerador tripala, representados de forma esquemática en la Figura 1.1. El primero, cuya invención se atribuye a Arquímedes de Alejandría ( 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 4,5MW puede rondar los 130 m, (Figura 1.1). 130 m Figura 1.1: Distintos tipos de máquinas de fluido. 9

18 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 energía 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 varía 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 incompresibilidad 1.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 varía sensiblemente su densidad. Turbinas de gas, turbinas de vapor, motores de combustión interna alternativos, soplantes y compresores 2 forman parte del grupo de las máquinas térmicas 9]. De la definición del coeficiente de compresibilidad β de un fluido β = 1 ( ) dv = 1 dρ = dρ = ρβdp (1.1) V dp T ρ dp 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.

19 1.2. Clasificación 11 y la del ventilador como máquina hidráulica, aún cuando ambas son máquinas de fluido que operan con aire 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 líquido 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, varía su momento cinético (Figura 1.3). En las máquinas gravimétricas, el intercambio de energía entre máquina y fluido se realiza en forma de energía potencial gravitatoria. Ejemplos de máquinas gravimétricas son el tornillo de Arquímedes, la noria y la rueda

20 12 R 1 R 2 U 1 c 1 U 2 c 2 Figura 1.3: Conservación del momento cinético. hidráulica. Por motivos obvios, todas ellas son máquinas hidráulicas, no existiendo sus homólogos como máquinas térmicas Según el sentido del flujo de energía Dependiendo del sentido del flujo de energía, las máquinas de fluido pueden ser generadoras o motoras. Las máquinas generadoras absorben energía 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 energía del fluido y entregan energía 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 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 categoría se encuentran los

21 1.2. Clasificación 13 Gravimétricas Máquinas de Fluido HIDRÁULICAS Volumétricas Turbomáquinas Generadoras 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 períodos de baja demanda energética. En horas punta, pueden funcionar como turbina utilizando la energía potencial previamente almacenada. Otros criterios más específicos que suelen emplearse en la clasificación de las máquinas de fluido son: la inclinación del eje, la velocidad específica, 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).

22 14 (a) Corte de una turbobomba radial (Turbomáquina generadora de flujo radial). (b)rodetedeturbomáquina generadora (de flujo axial). (c) Corte de una bomba de engranajes internos (Máquina de desplazamiento positivo generadora/motora) (d) Turbina Pelton (Turbomáquina motora de acción, flujo circunferencial y admisión parcial). (e) Cilindro de simple efecto (Máquina de desplazamiento positivo motora alternativa). (f) Barrilete de una bomba de émbolos múltiples (Máquina de desplazamiento positivo generadora alternativa). Figura 1.5: Ejemplos de máquinas de fluido hidráulicas.