LAS MÁQUINAS HIDRÁULICAS. QUÉ SON? PARA QUE SIRVEN? IMPORTANCIA

Breve descripción, definición y clasificación de las Máquinas Hidráulicas donde se indica para qué sirven y cuál es su importancia.

1.1 DEFINICIÓN DE MAQUINA HIDRÁULICA

En primer lugar una máquina en su forma más simple se puede definir como un dispositivo transformador de energía, es decir, la máquina recibe una forma de energía y la restituye en otra forma de energía. Un ejemplo lo constituye el generador eléctrico en el cual la energía mecánica que se le proporciona es transformada en energía eléctrica.

Etimológicamente, una máquina hidráulica es un elemento en el cual el fluido de trabajo es agua, sin embargo la turbina de vapor funciona con agua y no es una máquina hidráulica, sino una máquina térmica. Una bomba que bombea un líquido caliente diferente al agua, no es una máquina térmica pero se considera una máquina hidráulica. Esto pone de manifiesto que el nombre de máquina hidráulica desde el punto de vista etimológico no sea el más apropiado para toda aquella máquina clasificada con este nombre.

La definición más precisa de máquina hidráulica es: aquella en la cual el fluido de trabajo que intercambia su energía no varía sensiblemente de densidad en su paso a través de la máquina, para lo cual en el diseño y estudio de la misma, se trabaja bajo la hipótesis de que la densidad se mantiene constante.

1.2 CLASIFICACIÓN DE LAS MÁQUINAS HIDRÁULICAS

Para clasificar las máquinas hidráulicas se toma en cuenta el elemento principal de la máquina es decir aquel donde se lleva a cabo el intercambio de energía mecánica en energía de fluido o viceversa.

Es así como se establece la clasificación de las máquinas hidráulicas en dos grupos: Las turbomáquinas y las máquinas de desplazamiento positivo.

En las turbomáquinas el elemento intercambiador de energía es un rotor provisto de álabes, de ahí que también a estas se les llame rotatorias. Por otra parte en las máquinas de desplazamiento positivo el elemento intercambiador de energía es un émbolo accionado dentro de un cilindro y que transmite energía al fluido al producir una variación de volumen por lo que estas máquinas también se conocen con el nombre de volumétricas.

Las turbomáquinas se definen como máquinas rotativas que permiten una transferencia energética entre en fluido y un rotor provisto de álabes, mientras el fluido pasa a través de ello.

Si la transferencia de energía se realiza de fluido a rotor se trata de una máquina motora.

Dentro del grupo de las máquinas motoras se encuentran las turbinas hidráulicas.

1.3 MAQUINAS GENERADORAS O BOMBAS

Se les define como máquinas generadoras a aquellas que transmiten la energía al fluido mediante el movimiento de un elemento rotatorio llamado impelente y que obliga al fluido a moverse de forma acelerada por su interior. Atendiendo a la trayectoria del fluido por el interior del impelente, las máquinas dinámicas se subdividen en centrífugas, axiales, de flujo mixto, de remolino y de discos.

1.3.1 Bombas centrífugas

En estos equipos, por la acción de las fuerzas centrifugas el fluido es desplazado en forma radial desde el eje de rotación del impelente hacia la periferia. Durante este recorrido del fluido, los álabes del impelente le transmiten energía en forma de presión y velocidad al mismo. Parte de esta última es transformada en presión en el colector que rodea al impelente, ya que las altas velocidades provocan grandes pérdidas por fricción y disminuyen la eficiencia de la bomba. Figura 1.1.

Figura 1.1 Esquema de una bomba centrifuga

1.3.2 Bombas axiales

Son equipos que permiten la transferencia de energía mecánica del impelente al líquido mientras éste pasa en dirección axial o paralela al eje de rotación. Los álabes en este caso se encuentran fijos por un extremo al rotor, y al girar obligan al fluido a moverse axialmente al tiempo que le imprimen presión y velocidad, figura1.2. Comparadas con las maquinas centrifugas, estas se caracterizan por posibilitar el manejo de grandes volúmenes de fluido, pero no producen grandes elevaciones de presión.

Figura 1.2 Esquema de una bomba axial vertical de una etapa
 

1.3.3 Bombas de flujo mixto

Estos equipos representan la transición entre las máquinas centrífugas y axiales. En este caso el fluido abandona el impelente con un cierto ángulo de inclinación respecto al eje de rotación de la máquina. Estos equipos permiten mayores flujos que los centrífugos y mayores presiones que los axiales, figura 1.3.

1.3.4 Bombas de remolino

En estos equipos a diferencia de los de tipo centrifugo, el fluido penetra y sale por la periferia del impelente. Los álabes del impelente son radiales y presentan cavidades en las cuales el fluido al entrar y salir de ellas adquiere energía.

El propio sentido de rotación del impelente obliga al flujo a recorrer la máquina desde el conducto de entrada hasta el de salida al mismo tiempo que va adquiriendo energía en su continuo entrar y salir de las cavidades formadas por los álabes. (Figura 1.4).

Figura 1.4 Esquema de una bomba de remolino

1.3.5 Bombas de discos

En estos equipos a diferencia de los de tipo centrífugo no esta provisto de álabes, el fluido (viscoso) bajo la acción de las fuerzas viscosas y centrífugas, se traslada hacia la periferia del disco ganando energía.

A la salida del impelente un colector reduce su velocidad y lo envía hacia el conducto de salida. Estas máquinas se emplean para el bombeo de líquidos de alta viscosidad, figura 1.5.

Figura 1.5 Corte de la bomba de discos y su impulsor
 

1.4 MÁQUINAS VOLUMÉTRICAS O DESPLAZAMIENTO POSITIVO

Los equipos volumétricos, también llamados de desplazamiento positivo, producen el movimiento del fluido mediante la variación del volumen de la cámara donde se aloja este en el interior del equipo, forzándolo a desplazarse hacia el conducto de salida.

La característica más común de este tipo de equipos, es que se logren grandes presiones de trabajo, aunque manipulando caudales relativamente pequeños en comparación con las máquinas centrifugas y axiales.

Existe gran diversidad de máquinas volumétricas que responden a los distintos requerimientos y características de los fluidos a manipular.

1.4.1 Bombas de émbolo

Estas máquinas son de las más antiguas y su principio de funcionamiento es muy simple, como se muestra en la figura 1.6.

El embolo animado de un movimiento alternativo succiona el fluido hacia el interior del cilindro a través de la válvula de aspiración o succión, comprimiéndolo posteriormente en su recorrido inverso, obligándolo a salir a través de la válvula de impulsión o descarga hacia el conducto de salida.

Figura 1.6 Esquema de una bomba de embolo

Las bombas de émbolo se emplean en la actualidad fundamentalmente para el bombeo de líquidos viscosos, ya que las bombas centrifugas han desplazado a las de embolo en la manipulación de agua.

1.4.2 Bombas de paletas

La bomba de paletas mostrada en la figura 1.7, está compuesta por un rotor cilíndrico (1) en el cual se alojan las paletas (5), cuyo número puede variar dependiendo del diseño. El fluido que penetra a la bomba a través de la tubería de succión (2) se aloja en el espacio comprendido entre el rotor (1), la carcasa (4) y las paletas (5).

Figura 1.7 Esquema de una bomba de paletas.

Al sobrepasar la posición A, el espacio comienza a reducirse y el fluido es forzado a través del conducto de descarga (3). Esta variación en el espacio entre el rotor y la carcasa se logra con la excentricidad (e) entre los ejes de simetría de ambos.

Las paletas se mantienen en contacto con la carcasa por la acción de las fuerzas centrífugas originadas por la rotación del rotor, aunque existen diseños provistos de muelles para garantizar este contacto.

Estas bombas se emplean para la manipulación de fluidos viscosos. En la industria azucarera es tradicional su empleo para el bombeo de mieles.

1.4.3 Bombas de tornillo y engranes

Las de tornillo han ampliado su campo de aplicación en las últimas décadas, a tal grado que han invadido campos de trabajo de otros tipos de bombas.

Estas máquinas pueden estar compuestas de uno, dos, tres o cinco tornillos, de los cuales uno es el conductor, y los restantes son conducidos.

El principio de trabajo se basa en que al hacer girar el tornillo, el fluido atrapado entre sus hélices es obligado a desplazarse axialmente de la misma forma que lo haría una tuerca sobre este (figura 1.8). Son utilizadas para la manipulación de fluidos viscosos.

Figura1.8 Esquema de una bomba de 3 tornillos succión sencilla

Las bombas de engranes tienen un principio de trabajo parecido a las de tornillo, tal como en la figura 1.9 se puede observar, para el caso particular de una bomba de engranes externos.

Figura 1.9 Esquema de una bomba de engranes externos

Un engrane denominado conductor (1) recibe la energía de motor y la transmite al engrane conducido (4) y el fluido que penetra por el conducto de entrada (5) ocupa los espacios entre los dientes del engrane y la carcasa (2).

El punto de contacto entre los engranes constituye un sello que corta la conexión entre la succión y descarga de la bomba.

1.5 MÁQUINAS MOTORAS TURBINAS

Las turbinas hidráulicas son máquinas motoras en las cuales la transferencia de energía se efectúa del fluido hacia un rotor provisto de alabes mientras el flujo pasa a través de estos, logrando de esta forma convertir la energía potencial y cinética del agua en energía mecánica de rotación.

Las turbinas que solo utilizan la energía cinética del fluido para su accionamiento reciben el nombre de turbinas de impulso o de acción y a este grupo pertenecen las llamadas Turbinas Pelton; y las que aprovechan además la energía de presión reciben el nombre de turbinas de reacción, a este grupo corresponden las turbinas conocidas como Francis y Kaplan.

Una turbina hidráulica se compone de tres órganos diferentes que el fluido va atravesando sucesivamente: el distribuidor, el rodete y el difusor. En la figura 1.10 se indican estos elementos para el caso de una turbina Francis.

El distribuidor y el difusor (tubo de aspiración), forman parte del estator de la máquina, es decir, son órganos fijos; así como el rodete está siempre presente, el distribuidor y el difusor pueden ser inexistentes en determinadas turbinas.

Figura 1.10 Vista de un rodete de turbina

El distribuidor es un órgano fijo cuya misión es dirigir el agua, desde la sección de entrada de la máquina hacia la entrada en el rodete, distribuyéndola alrededor del mismo, (turbinas de admisión total), o a una parte, (turbinas de admisión parcial), es decir, permite regular el agua que entra en la turbina, desde cerrar el paso totalmente, caudal cero, hasta lograr el caudal máximo. Es también un órgano que transforma la energía de presión en energía de velocidad; en las turbinas hélico-centrípetas y en las axiales está precedido de una cámara espiral (voluta) que conduce el agua desde la sección de entrada, asegurando un reparto simétrico de la misma en la superficie de entrada del distribuidor.

El rodete es el elemento esencial de la turbina, estando provisto de álabes en los que tiene lugar el intercambio de energía entre el agua y la máquina.

El difusor en una turbina es el órgano de desagüe, pero se llama tubo de aspiración porque crea una aspiración o depresión a la salida del rodete.