GENERALIDADES

DEFINICIÓN DE MÁQUINAS

Una máquina es un transformador de energía. Absorbe energía de una clase y restituye energía de otra clase o de la misma clase pero transformada. Se clasifican en grupos: máquinas de fluido, máquinas herramientas, máquinas eléctricas, máquinas térmicas.

Las máquinas hidráulicas pertenecen a las máquinas de fluido. Máquinas de fluido son aquellas máquinas en donde el fluido proporciona la energía que absorbe la máquina, o bien aquellas en el que el fluido es el receptor de energía, al que la máquina restituye la energía mecánica absorbida.

En toda máquina de fluido hay un intercambio entre energía de fluido y energía mecánica. Revisten infinidad de formas y encuentran un sin fin de aplicaciones en la técnica. Las máquinas de fluido se clasifican en máquinas hidráulicas y máquinas térmicas.

Máquina hidráulica es aquella en que el fluido que intercambia su energía no varía sensiblemente de densidad en su paso a través de la máquina, por lo cual en el diseño y estudio de la misma se hace la hipótesis de que su densidad es constante.

Figura 1.1 El “gato” se puede considerar una máquina hidráulica.

Máquina térmica es aquella en que el fluido en su paso a través de la máquina no varía sensiblemente de densidad y volumen específico, el cual en el diseño y estudio de la máquina ya no puede suponerse constante.

Figura 1.2 Cualquier pistón trabaja de manera que se considera una máquina térmica.

CLASIFICACIÓN DE LAS MÁQUINAS DE FLUIDO

Las máquinas hidráulicas se clasifican en turbomáquinas y máquinas de desplazamiento positivo. En las máquinas de desplazamiento positivo el órgano intercambiador de energía cede energía al fluido o el fluido a él en forma de energía de presión creada por la variación de volumen. Los cambios en la dirección y valor absoluto de la velocidad del fluido no juegan papel esencial en alguno.

Figura 1.3 Bomba de émbolo (máquina de desplazamiento positivo).

En las turbomáquinas, denominadas también máquinas de corriente, los cambios en la dirección y valor absoluto de la velocidad del fluido juegan un papel esencial. En las turbomáquinas el órgano transmisor de la energía es el rodete, el cual se mueve siempre con movimiento rotativo. El principio de funcionamiento de éstas es la ecuación de Euler.

Las turbomáquinas y máquinas de desplazamiento positivo se subdividen en motoras y generadoras. Las primeras absorben energía del fluido y restituyen energía mecánica; mientras que las segundas absorben energía mecánica y restituyen energía al fluido.

Figura 1.4 Clasificación de las máquinas de fluido

TURBOMÁQUINAS

Son  aquellas que absorben energía de un fluido y restituyen generalmente energía mecánica en el eje, como una turbina de vapor, una turbina hidráulica o bien absorben energía mecánica en el eje y restituyen energía a un fluido como una bomba, un ventilador.

        El fluido puede ser un líquido o un gas y el órgano, intercambiador de energía mecánica y de fluido, está dotado de movimiento rotativo; de allí la palabra Turbo o Turbinis de origen latín que significa que la máquina gira.

        Las turbomáquinas se llaman también máquinas de corriente o máquinas dinámicas y en ellas el intercambio de energía es debido a la variación del momento cinético del fluido en su paso por el órgano intercambiador de energía, como ya se mencionó antes, el rodete. La ecuación de Euler o ecuación fundamental de las turbomáquinas, basada en el teorema del momento cinético, es básica para el estudio de estas máquinas. La figura 1.5 muestra un corte meridional y un corte transversal de una turbomáquina.

Figura 1.5 Corte longitudinal y transversal de una turbomáquina

CLASIFICACIÓN DE TURBOMÁQUINASLas turbomáquinas se clasifican según tres criterios:

1.- Según la compresibilidad del fluido2.- Según el sentido de intercambio de energía3.- Según la dirección del flujo

SEGÚN LA COMPRESIBILIDAD DEL FLUIDO

a) Turbomáquinas TérmicasCuando el fluido experimenta una variación de la densidad en su paso a través de la máquina, es decir el fluido se considera compresible. Ejemplo: turbinas de vapor, turbinas de gas, compresores.

Figura 1.6 Ejemplo de turbomáquinas térmicas

b) Turbomáquinas Hidráulicas

Su diseño se hace sin tener en cuenta la variación de la densidad o del volumen específico a través de la máquina. En estas turbomáquinas el fluido de trabajo no necesariamente es agua aunque etimológicamente esto signifique la palabra hidráulica, ni siquiera tiene que ser un líquido; el fluido tiene que ser incompresible. Ejemplo: una bomba, una turbina hidráulica, un ventilador. La figura 1.7 muestra un ejemplo de turbomáquina hidráulica.

Figura 1.7 Bomba centrífuga con y sin difusor radial

SEGÚN EL SENTIDO DE INTERCAMBIO DE ENERGÍA

a) Turbomáquinas MotorasEn ellas el fluido cede energía a la máquina disminuyendo la energía del fluido en su paso por la máquina. Producen potencia expandiendo el fluido hasta una presión más baja. Ejemplo: turbinas de vapor, turbinas de gas y turbinas hidráulicas.

Figura 1.8 Turbina de vapor. El vapor incide sobre el rodete o rodetes de la turbina a través de una o más toberas, o por una corona fija de álabes. El vapor cede su energía cinética obteniéndose energía útil en el eje de la turbina. La expansión del fluido ocurre

tanto en los álabes fijos como en los álabes móviles del rodete.

a)

b)

c)Figura 1.9 Corte meridional y transversal de algunas turbinas hidráulicas:

a) Turbina Francis b) Turbina Pelton c) Turbina Kaplan.

b) Turbomáquinas GeneradorasEn ellas la máquina comunica energía al fluido. La energía aumenta en su paso por la máquina. Absorben potencia para incrementar la presión del fluido. Ejemplo: bombas, compresores, ventiladores.

Bombas.

La bomba absorbe energía mecánica y restituye al líquido que la atraviesa energía hidráulica. El rodete comunica energía al fluido en forma de energía cinética que luego se transforma en energía de presión a través del difusor. Las bombas pueden ser centrífugas y axiales.

Figura 1.10 Corte transversal de una bomba centrífuga.

SEGÚN LA DIRECCIÓN DEL FLUJO

a) Turbomáquinas de flujo axialCuando la trayectoria del flujo que atraviesa la máquina es paralela al eje de rotación.

Figura 1.11 Turbomáquina de flujo axial.

b) Turbomáquinas de flujo radialCuando la trayectoria del flujo está en un plano perpendicular al eje de rotación.Ejemplo: la bomba centrífuga, el ventilador o soplador centrífugo, el compresor centrífugo.

Figura 1.12 Turbomáquina de flujo radial.

c) Turbomáquinas de flujo mixtoCuando en la dirección del flujo en la salida del rotor intervienen las componentes axial y radial de la velocidad.

Figura 1.13 Turbina de Francis de flujo mixto.

CONCLUSIONES

Existen diversos tipos de turbomáquinas, sin embargo se mencionaron las más importantes. Nuestro estudio va más enfocado al estudio de las turbomáquinas hidráulicas, ya que, como se comentó, las turbomáquinas térmicas son para el estudio de la termodinámica.

BIBLIOGRAFÍA Claudio Mataix (1982). Mecánica de fluidos y máquinas hidráulicas. México.

Segunda Edición. Editorial: Harla. http://www.unet.edu.ve/~fenomeno/F_DE_T-164.htm http://www.sabelotodo.org/aparatos/bombasimpulsion.html