BLOQUE 1: Máquinas de Fluidos Incompresibles

Transcripción

1 BLOUE 1: Máquinas de Fluidos Incompresibles Las trasparencias son el material de apoyo del profesor para impartir la clase. No son apuntes de la asignatura. Al alumno le pueden servir como guía para recopilar información (libros, ) y elaborar sus propios apuntes En esta presentación se incluye un listado de problemas en el orden en el que se pueden resolver siguiendo el desarrollo de la teoría. Es trabajo del alumno resolverlos y comprobar la solución Departamento: Area: Ingeniería Eléctrica y Energética Máquinas y Motores Térmicos CARLOS J RENEDO renedoc@unican.es INMACULADA FERNANDEZ DIEGO fernandei@unican.es JUAN CARCEDO AYA juan.carcedo@unican.es FELIX ORTIZ FERNANDEZ felix.ortiz@unican.es 1 BLOUE 1: Máquinas de Fluidos Incompresibles Introducción a las Máquinas idráulicas Generalidades de las Bombas idráulicas Bombas Centrífugas Turbinas idráulicas 2

2 BLOUE 1: Máquinas de Fluidos Incompresibles Generalidades de las B. Volumétricas Ec. General de Comportamiento Bombas de Pistones Bombas de Pistones Axiales Bombas de Pistones Radiales Bombas de Membrana Bombas de Engranajes Bombas de Tornillo Bombas de Paletas Bombas Dosificadoras Bombas Peristálticas Bombas Autocebantes Bombas Centrífugas Autocebantes 3 BLOUE 1: Máquinas de Fluidos Incompresibles Generalidades de las B. V. (I): Se caracterizan por: Desplazan un volumen determinado de fluido (caudal constante), elevando su presión; el volumen trasegado está separado del resto del fluido Si está preparada para ello (variando el volumen de la cámara) o modificando la velocidad, se puede controlar con exactitud el caudal El caudal resulta pulsante (se abre una cavidad, el fluido entra, la cavidad se cierra y desplaza el fluido hacia la salida) Suministran caudales moderados Son adecuadas para líquidos viscosos Pueden hacer el vacío, por lo que tienen cierta capacidad de autocebarse (empezar a trabajar con aire en su interior) Pueden suministrar presiones altas Son máquinas reversibles (bomba o motor hidráulico indistintamente) Tienen más piezas susceptibles de desgastarse y averiarse que las bombas centrífugas Son poco apropiadas para velocidades de giro elevadas 4

3 BLOUE 1: Máquinas de Fluidos Incompresibles Generalidades de las B. V. (II): Se utilizan en: Maquinaria hidráulica industrial: grúas, prensas, automatismos y robots, Maquinaria hidráulica en automoción: carretillas, control y tracción, Maquinaria hidráulica en agroforestal: procesadoras, cargadoras, Sistemas de lubricación Ingeniería civil: puentes levadizos, movimiento de tierras, excavación, Ingenierías aeroespacial y naval: simuladores de vuelo, movimiento de alerones, tren de aterrizaje, posicionamiento de los álabes, timón, Máquinas recreativas (ferias, ) 5 BLOUE 1: Máquinas de Fluidos Incompresibles Generalidades de las B. V. (III): Se clasifican en: Alternativas Rotativas Desplazamiento fijo Desplazamiento variable Variando excentricidad Variando carrera 6

4 BLOUE 1: Máquinas de Fluidos Incompresibles Ec. General de Comportamiento (I): Teóricamente: El caudal suministrado es cte, e independiente de la altura suministrada W n V z n 3 m / s Teorico cte1 n cte Teorico Siendo: W el volumen de trabajo de la bomba en cada revolución n el número de revoluciones por minuto V el volumen de cada cámara de trabajo Z el número de cámaras de trabajo La potencia absorbida aumenta linealmente con la presión suministrada Teorica Teorica Teorico cte 3 Teorica Teorica W 7 BLOUE 1: Máquinas de Fluidos Incompresibles Ec. General de Comportamiento (II): Realmente (I): El caudal suministrado disminuye al aumentar la presión, ya que se aumentan las fugas internas V z n Cs V z 3 m / s Real vol 60 2 Teorico Re al Siendo: Cs el coeficiente de deslizamiento (fugas) (P imp -P asp ) la viscosidad dinámica del líquido La altura suministrada se verá afectada por el rendimiento ométrico de la bomba Real Teorico ometrico 8

5 Realmente (II): BLOUE 1: Máquinas de Fluidos Incompresibles Ec. General de Comportamiento (III): La potencia requerida en el eje de la bomba, P Eje,es: La potencia suministrada al fluido, F,es: F Real Teorica Real La potencia útil suministrada por la bomba al fluido, U,es: Eje U P Teorica mec Real Teorico mec Teorica mec Bomba vol El fluido que fuga absorbe potencia La presión suministrada al fluido es mayor que la que el fluido adquiere en la bomba Siendo el rendimiento de la bomba: U Eje mec vol 9 BLOUE 1: Máquinas de Fluidos Incompresibles Ec. General de Comportamiento (III): Realmente (II): La potencia requerida en el eje de la bomba, P Eje,es: Eje P Teorica mec Teorico mec Teorica mec Bomba vol El fluido que fuga absorbe potencia La presión suministrada al fluido es mayor que la que el fluido adquiere en la bomba La potencia suministrada al fluido, F,es: F Real Teorica Real Teórica La potencia útil suministrada por la bomba al fluido, U,es: U Real Real Teórica Siendo el rendimiento de la bomba: U Eje mec vol Real 10

6 BLOUE 1: Máquinas de Fluidos Incompresibles Bombas de Pistones (I) Bajos caudales y grandes presiones Requieren válvulas (vibraciones, ruido y tenimiento) Líquidos limpios Caudal aprox. cte. No depende de la suministrada 11 BLOUE 1: Máquinas de Fluidos Incompresibles Bombas de Pistones (II) Impulsión (t) L ω 2 Cil S Cil sen medio S Cil L Cil n Llenado Eje (t) L ω 2 L Cil Cil S sen ω S S sen S L S S medio Cil Cil Cil Eje Cil 2 Cil Eje L Cil n 12

7 BLOUE 1: Máquinas de Fluidos Incompresibles Bombas de Pistones (III) Accionada por vapor (I) Entrada de Vapor Direccionamiento del vapor La presión del agua depende de: Presión del vapor Relación de secciones en el émbolo Salida de Líquido Salida de Vapor Entrada de Líquido Para ajustar el caudal del líquido hay que ajustar el vapor 13 BLOUE 1: Máquinas de Fluidos Incompresibles Bombas de Pistones (IV) Accionada por vapor (II) Salida del vapor Válvula de corredera Salida del vapor 14

8 BLOUE 1: Máquinas de Fluidos Incompresibles Bombas de Pistones Axiales (I) Bajos caudales y grandes presiones Líquidos limpios Una serie de cilindros y pistones axiales El giro de un plato inclinado provoca el movimiento de los pistones en los cilindros La inclinación del plato modifica la cilindrada de la bomba 15 BLOUE 1: Máquinas de Fluidos Incompresibles Bombas de Pistones Axiales (I) Bajos caudales y grandes presiones Líquidos limpios Pistones Una serie de cilindros y pistones axiales El giro de un plato inclinado provoca el movimiento de los pistones en los cilindros La inclinación del plato modifica la cilindrada de la bomba Plato inclinado 16

9 BLOUE 1: Máquinas de Fluidos Incompresibles Bombas de Pistones Axiales (I) Bajos caudales y grandes presiones Pistones Líquidos limpios Una serie de cilindros y pistones axiales El giro de un plato inclinado provoca el movimiento de los pistones en los cilindros La inclinación del plato modifica la cilindrada de la bomba Plato inclinado 17 BLOUE 1: Máquinas de Fluidos Incompresibles Bombas de Pistones Axiales (II) d2 l z n 4 60 m3 / s Siendo: d el diámetro de los cilindros l es el recorrido del pistón D z el número de cilindros n las r.p.m. γ l D tg Siendo: D el doble de la distancia entre los ejes de la bomba y de los émbolos γ el ángulo de inclinación del plato d2 D tg z n 4 60 m3 / s 18

10 BLOUE 1: Máquinas de Fluidos Incompresibles Bombas de Pistones Axiales (III) Es posible que los cilindros estén inclinados un cierto ángulo sobre la dirección del eje, φ (es fijo), lo que modifica el recorrido de los pistones l 2 γ φ γ φ D 0 l D tg l 1 La carrera del pistón es la suma de dos: La que recorre hacia fuera desde el pto nulo, l 2 La que recorre hacia dentro desde el pto nulo, l 1 19 BLOUE 1: Máquinas de Fluidos Incompresibles Bombas de Pistones Axiales (IV) La carrera del pistón es la suma de dos: La que recorre hacia dentro desde el pto nulo, l 1 l 1 D D 1 D 1 sen 2 sen 2 sen(90 ) 2 cos( ) La que recorre hacia fuera desde el pto nulo, l 2 l 2 D D 1 D 1 sen 2 sen 2 sen(90 ) 2 cos( ) l l1 l2 D 2 1 sen cos 1 cos d 2 l z n d z n D sen m 480 cos cos / s 20

11 BLOUE 1: Máquinas de Fluidos Incompresibles Bombas de Pistones Radiales Bajos caudales y grandes presiones, hasta 300 bar Líquidos limpios Una serie de cilindros y pistones radiales que giran excéntricamente el interior de la bomba El giro provoca el movimiento de los pistones en los cilindros 2 2 d z n d e z n 2 e Siendo: d el diámetro de los cilindros e la excentricidad z el número de cilindros n las r.p.m. Excentricidad 21 BLOUE 1: Máquinas de Fluidos Incompresibles Bombas de Membrana Membrana 22

12 BLOUE 1: Máquinas de Fluidos Incompresibles Bombas de Engranajes (I) Para líquidos viscosos: aceites, gasóleos, Presiones de hasta 150 bar El motor acciona un rotor, que mueve el segundo El fluido circula por la periferia, entre el rotor y la cámara La inclinación de los dientes proporciona un flujo más cte de líquido Siendo: W n V z n m 3 / s W el volumen de trabajo de la bomba en cada revolución n el número de revoluciones por minuto V el volumen de cada cámara de trabajo Z el número de cámaras de trabajo cte1 n cte 2 cte 3 23 BLOUE 1: Máquinas de Fluidos Incompresibles Bombas de Engranajes (II) P P cte 3 cte1 n cte 2 24

13 BLOUE 1: Máquinas de Fluidos Incompresibles Bombas de Engranajes (III) 25 BLOUE 1: Máquinas de Fluidos Incompresibles Bombas de Engranajes (IV) ay bombas de engranaje interior 26

14 BLOUE 1: Máquinas de Fluidos Incompresibles Bombas de Tornillo (I) Para líquidos viscosos asta presiones de 200 bar Limitar esfuerzos axiales 27 BLOUE 1: Máquinas de Fluidos Incompresibles Bombas de Tornillo (II) 28

15 BLOUE 1: Máquinas de Fluidos Incompresibles Bombas de Tornillo (II) 29 BLOUE 1: Máquinas de Fluidos Incompresibles Bombas de Paletas Un rotor excéntrico con ranuras en las que se esconden una serie de paletas Pueden variar su caudal modificando la excentricidad Variando excentricidad 30

16 BLOUE 1: Máquinas de Fluidos Incompresibles Bombas Dosificadoras Una cavidad de tamaño fijo que se llena y vacía en cada embolada Sirven para dosificar con precisión Rotor Cabeza idráulica Lumbrera de Dosificación Entrada de Líquido Lumbrera de Admisión Lumbrera de Distribución Salida de Líquido Lumbrera de Escape Embolos Admisión Impulsión 31 BLOUE 1: Máquinas de Fluidos Incompresibles Bombas Peristálticas Empleadas para movimiento de: Fluidos estériles (evitar contaminación) Fluidos agresivos (evitar daño en la bomba) 32

17 BLOUE 1: Máquinas de Fluidos Incompresibles Bombas Peristálticas Empleadas para movimiento de: Fluidos estériles (evitar contaminación) Fluidos agresivos (evitar daño en la bomba) 33 BLOUE 1: Máquinas de Fluidos Incompresibles Bombas Autocebantes (I) Bajos rendimientos (20-40%) De anillos de agua: Rodete excéntrico Lumbreras de entrada y salida en las paredes perpendiculares al eje Como bombas de vacío con gases e Lumbrera de Salida d D a b Lumbrera de Entrada S ancho n (D a) d nº alabes (b a) s 34

18 BLOUE 1: Máquinas de Fluidos Incompresibles Bombas Autocebantes (II) Bajos rendimientos (20-40%) De canales de derivación: Rodete concéntrico En una o las dos paredes hay canales de derivación (espiral) Lumbreras de entrada y salida en cada una de las paredes Trabajan mejor con líquidos Lumbrera de Entrada Placa Posterior Lumbrera de Salida Placa Anterior Rodete 35 BLOUE 1: Máquinas de Fluidos Incompresibles Bombas Autocebantes (II) Bajos rendimientos (20-40%) De canales de derivación: Rodete concéntrico En una o las dos paredes hay canales de derivación (espiral) Lumbreras de entrada y salida en cada una de las paredes Trabajan mejor con líquidos 36

19 BLOUE 1: Máquinas de Fluidos Incompresibles Bombas Centrífugas Autocebantes Son bombas centrífugas con una etapa inicial adicional que extrae el aire de la tubería de aspiración y genera la depresión necearía para aspirar el líquido 37 BLOUE 1: Máquinas de Fluidos Incompresibles Bombas Centrífugas Autocebantes Son bombas centrífugas con una etapa inicial adicional que extrae el aire de la tubería de aspiración y genera la depresión necearía para aspirar el líquido 38

20 BLOUE 1: Máquinas de Fluidos Incompresibles Bombas Centrífugas Autocebantes Son bombas centrífugas con una etapa inicial adicional que extrae el aire de la tubería de aspiración y genera la depresión necearía para aspirar el líquido BLOUE 1: Máquinas de Fluidos Incompresibles FESTO 40

21 BLOUE 1: Máquinas de Fluidos Incompresibles FESTO 41 BLOUE 1: Máquinas de Fluidos Incompresibles Una bomba de émbolo de doble efecto (d embolo = 250 mm, d vastago = 50 mm, carrera = 375 mm, n = 60 rpm) tiene una presión en la aspiración de -4,5 m.c.a. y de impulsión de 18 m.c.a., calcular: La fuerza que requiere la bomba en las dos carreras El caudal de la bomba La potencia absorbida 42