tema 4. turbobombas ingeniería fluidomecánica
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Tema 4
Turbobombas
Turbobombas Hidráulicas
Introducción
• Definición Mataix: – Bomba es una máquina que absorbe energía mecánica y restituye al líquido que la atraviesa
energía hidráulica.
• Para pequeñas presiones y grandes caudales.
• Ventajas con respecto a las bombas de desplazamiento positivo: – Potencia específica mayor – No tiene fuerzas de inercia descompensadas-> menos vibraciones – Permite el acoplamiento a motores de altas revoluciones (más baratos, sin transmisión
reductora) – Carencia de sobrepresiones en bomba y tubería por cierre de válvula de impulsión – Carencia de válvulas-> menos averías – Más baratas
• Desventajas: – No son autocebantes. Ejemplo para una bomba que da una altura máxima de 100m
• Si la bomba está llena de aire:
• Si la bomba está llena de agua:
mcaPams
m
m
kggHp 129.05.1265100·81.9·29.1
23
mcaPams
m
m
kggHp 100981000100·81.9·1000
23
Clasificación
• Según la dirección del flujo: – radial – axial – radioaxial
• Según la posición del eje: – de eje vertical – de eje horizontal
• Según la presión proporcionada: – baja – media – alta
• Según el número de flujos en la bomba: – de simple aspiración – de doble aspiración
• Según el número de rodetes: – de un escalonamiento – de varios escalonamientos
Elementos Constructivos
• Tubería de aspiración
• Impulsor (rodete)
• Corona directriz
• Voluta
• Tubería de impulsión
Tipos Constructivos
Carcasa seccionada Carcasa monobloc
Carcasa doble aspiración Axial
Tipos Constructivos
Horizontal de múltiples escalonamientos
http://www.youtube.com/watch?v=r4GJ34J0z2g
Tipos Constructivos
Verticales de múltiples escalonamientos
Rodete
• Clasificación
– Cerrado de simple aspiración
– Cerrado de doble aspiración
– Semiabierto de simple aspiración
– Abierto de doble aspiración
Difusor
Cono difusor Caja espiral
Corona directriz
Secciones de voluta habituales
Elementos fundamentales de la instalación
Ecuaciones Fundamentales
• Ecuación de Euler de las bombas
• Altura útil o efectiva
m
g
cucuH uu
u1122
int ru HHH
Ecuaciones Fundamentales
• Aplicando Bernoulli entre entrada y salida
g
vz
g
pH
g
vz
g
p SS
SEE
E
22
22
g
vvzz
g
ppH ES
ESES
2
22
Altura de presión Altura geodésica Altura dinámica
Ecuaciones Fundamentales
• Primera expresión de la energía útil
– La altura geodésica suele ser despreciable en bombas de eje
horizontal
– La altura dinámica suele ser despreciable en bombas de eje horizontal salvo que los diámetros de entrada y salida sean muy distintos entre sí para evitar cavitación
2
22
ESES
ES vvzzg
g
ppY
Ecuaciones Fundamentales
• Segunda expresión de la energía útil
g
vz
g
pHH
g
vz
g
p ZZ
Zpext
AA
A
22
22
extrAZAZ Hzz
g
ppH
Presiones A y Z= 0 (depósitos a la atmósfera) Velocidades A y Z despreciables (depósitos muy grandes)
g
vHHH t
riraextr2
2
Donde:
Pérdidas en la aspiración (entre A y E) Pérdidas en la tubería de impulsión
Pérdidas en el desagüe
Pérdidas • Pérdidas hidráulicas (Ph)
– De superficie: por rozamiento viscoso del fluido con las paredes de la bomba y de las partículas de fluido entre sí
– De forma: por desprendimiento de la capa límite en cambios de dirección y otras formas difíciles al flujo
• Pérdidas volumétricas (PV)
– Pérdidas de caudal internas: las más importantes:
– Pérdidas de caudal externas: más fáciles de evitar
• Pérdidas mecánicas (Pm)
– Rozamiento entre presaestopa y eje de la máquina
– Rozamiento entre eje y cojinetes
– Accionamiento de auxiliares
– Rozamiento de disco
Potencias y Rendimientos
Potencias y rendimientos
Pérdidas mecánicas Pérdidas por rozamiento entre partículas de fluido
Pérdidas volumétricas
Curvas Características
• Las curvas características son las ecuaciones experimentales que relacionan el caudal, el rendimiento y la altura manométrica (H).
Ecuación de Euler para las bombas:
mg
cucuH uu
u1122
º900 111 ucuAltura máxima:
22
2
2
1
222222
22
max
tancos
k
Qc
cuwuc
g
cuH
m
mu
u
u
2
1
22
2
2
2
2
1
22
22
max
2
1
22
22
tan
tan
tan
k
Q
g
u
g
u
g
k
Quu
H
k
Quc
u
u
Curvas Características
Qgk
uB
g
uA
·tan 2
1
22
2
2
2
QBAHu ·max
Curvas Características
Altura efectiva o útil: intpu HHH
22
2
int
,QQfH
QfH
HHH
tchoque
roz
choquerozp
Curvas Características
http://www.youtube.com/watch?v=XMDO6LVqMik&feature=endscreen
Cavitación
• Fenómeno que se produce siempre que la presión en algún punto baja de cierto valor mínimo admisible: presión de saturación.
• Disminución del rendimiento • Erosión
• Depende de:
• Tipo de bomba (sobre todo, su velocidad) • Sitio donde se instala la bomba • Condiciones de servicio de la bomba
Cavitación
Cavitación
g
cz
g
pH
g
cz
g
ppext
22
2
22
2
2
11
1
12 zzHs
g
v
g
pHE
2
2
22
g
v
g
ppH s
Ed2
2
22
dspexts
Ed NPSHHHg
ppH
1
Altura de aspiración
Altura de entrada
Altura de entrada disponible
Altura neta positiva de aspiración disponible (Net Positive Suction Head - NPSHd)
Cavitación
• La cavitación se evitará siempre que la altura neta positiva de aspiración sea mayor o igual que la caída de altura de presión en el interior de la bomba:
• La caída de altura de presión en el interior de la bomba depende del tipo de bomba y su construcción y es un valor que aparece en las gráficas de curvas de funcionamiento de las bombas.
hHEd
http://www.youtube.com/watch?v=zowQiteQL2I http://www.youtube.com/watch?v=jGN4l6f6xc8&feature=endscreen http://www.youtube.com/watch?v=GO3ZG3e5xuU http://www.youtube.com/watch?v=YTP7nbiDSOI&feature=endscreen
Cavitación
Disminución brusca por la cavitación
Altura neta de entrada disponible (NPSHd)
Semejanza
• Las leyes de semejanza sirven para:
– Predecir el comportamiento de una máquina de distinto tamaño pero geométricamente semejante a otra cuyo comportamiento se conoce, trabajando en las mismas condiciones de rendimiento.
– Predecir el comportamiento de la misma máquina cuando varía alguna de sus características de funcionamiento, trabajando en las mismas condiciones de rendimiento.
Semejanza
𝑅𝑒𝑚 = 𝑅𝑒𝑝
𝐷𝑚𝑢𝑚 = 𝐷𝑝𝑢𝑝
𝑢𝑚 =𝜋𝐷𝑚𝑛𝑚
60 𝑢𝑝=
𝜋𝐷𝑝𝑛𝑝
60
𝐷2𝑚𝑛𝑚 = 𝐷
2𝑝𝑛𝑝
𝑄′
𝑄′′=𝑛′
𝑛′′
𝐻′
𝐻′′=𝑛′
𝑛′′
2
𝑃′
𝑃′′=𝑛′
𝑛′′
3
𝑄′
𝑄′′=𝐷′
𝐷′′
3
𝐻′
𝐻′′=𝐷′
𝐷′′
2
𝑃′
𝑃′′=𝐷′
𝐷′′
5
Número específico de revoluciones
𝑄′
𝑄′′=𝑛′
𝑛′′𝐷′
𝐷′′
3
𝐻′
𝐻′′=𝑛′
𝑛′′
2𝐷′
𝐷′′
2
𝑃′
𝑃′′=𝑛′
𝑛′′
3𝐷′
𝐷′′
5
Agrupando:
𝐷′
𝐷′′=𝐻′
𝐻′′
1/2𝑛′′
𝑛′
𝑃′
𝑃′′=𝐻′
𝐻′′
5/2𝑛′′
𝑛′
2
𝑛′2𝑃′𝐻′−5/2 = 𝑛′′2𝑃′′𝐻′′−5/2
𝑛′𝑃′1/2𝐻′−5/4 = 𝑛′′𝑃′′1/2𝐻′′−5/4
Número específico de revoluciones ns en función de la potencia
𝑛𝑠 = 3.65𝑛𝑄1/2𝐻−3/4
Número específico de revoluciones ns en función de el caudal (potencia en CV)
Turbobombas Térmicas
Rendimiento interno
• Tiene en cuenta todas las pérdidas internas del compresor:
– Por fricción, remolinos y choque en los álabes móviles.
– Fricción y remolinos en los álabes fijos.
– Rozamiento de disco.
– La energía disipada se transfiere al fluido en forma de calor a diferencia de las mecánicas que se transfieren al medio.
Rendimiento interno de un escalonamiento
i
sie
W
W
Trabajo adiabático-reversible
Trabajo interno o trabajo real
Pérdidas internas:
sii hhy
Rendimiento interno de todo el compresor
sii hhy
rsCssIIIsIIsI hhhhhh
iC
iC
sC
iC
sC
rsC
iC
rsC
i
s
ie
Rh
hR
h
h
hh
h
hh
h
h
··
1
R > 1 El rendimiento de todo el compresor es menor que el de un escalonamiento
Relación de compresión de un escalonamiento adiabático
2
3
1
2
1
3 ·p
p
p
p
p
pc
12
2
1
2
21212
2W
cchhQ s
uupsp cucucc
TcTc 2211
2
1
2
212
20
1
1
2
1
2
p
p
T
T ss
1
2
1
2
21122
11
2 22
11
cccucuTcp
puu
p
s
Compresión isentrópica en el rodete
TC Radial
Relación de compresión de un escalonamiento adiabático
Compresión real en el rodete
n
n
p
p
T
T1
1
2
1
2
12
12
12
12
TTc
TTc
hh
hh
p
spsie
1
2
1
2
21122
11
2 22
11
n
n
uu
iep
cccucuTcp
p
Relación de compresión en un escalonamiento adiabático
Compresión en el sistema difusor (W23=0)
22
2
33
2
22
cTc
cTc spp
1
1
2
1
2
T
T
p
p
1
2
2
2
3
2
2
2
2
3 12
1
c
c
Tc
c
p
p
p
s
1
2
2
2
3
2
2
2
2
3 12
1
n
n
iep c
c
Tc
c
p
p
Isoentrópico Real
Relación de compresión de un escalonamiento adiabático
TC Axial
uu ccucc
hh 21
2
1
2
313
20
02
2
2
2
3 cc 13
3
1
1213 ppvvdpccuhh
s
uu
2
1
2
2
2
2
2
112132
ccwwccupp uu
Corona móvil Corona fija
Rendimientos
• Rendimiento volumétrico
• Potencia de accionamiento o potencia en el eje
• Rendimiento mecánico
• Rendimiento interno
teórico
utilv
Q
Q
ss hGGWP
iCi
a
im hGP
P
P
i
s
i
si
h
h
W
W
Curvas características
Bombas en paralelo
𝑄𝑡 = 𝑄𝑖
Bombas en serie
𝐻𝑡 = 𝐻𝑖
Bibliografía
• Mecánica de Fluidos y Máquinas Hidráulicas. Claudio Mataix
• Termodinámica Térmica y Máquinas Térmicas. Claudio Mataix.
• Apuntes Universidad de Cantabria. Pedro Fernández Díez.
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