HISTORIA DE LA MECANICA DE FLUIDOS

La mecánica de fluidos tiene una historia de antecedentes que han sido considerados como paralelos a los de la historia de la civilización, esto ha ocurrido así dado la importancia que tienen varios fluidos en el desarrollo de la vida. Algunos de los descubrimientos, estudios y personajes más relevantes datan desde las civilizaciones antiguas ya que estas tenían conocimientos rudimentarios, pero suficientes para resolver algunos problemas. La navegación a vela y el regadío datan de tiempos prehistóricos. Los griegos introdujeron la información cuantitativa, Arquímedes formuló las leyes de flotabilidad y los supo aplicar a cuerpos sumergidos, los romanos construyeron multitud de acueductos, y en el renacimiento hubo mejoras sustanciales en el diseño de naves y canales. Leonardo Da Vinci (1452-1519) obtuvo una ecuación de continuidad para flujos unidimensionales, dejando descripciones muy reales sobre chorros, alas, y bombas hidráulicas. En el siglo XVII dentro de los científicos más notables estuvieron, Edme Mariotte, que construyó el primer túnel aerodinámico y realizó diversas pruebas en él. Pascal Blaise (1623-1662), estableció el principio de Pascal el cual determina que "La presión ejercida en la superficie libre de un líquido se transmite íntegramente a todos los puntos de la masa líquida." Uno de los principales avances se debe Isaac Newton (1642-1727), que propuso las leyes generales del movimiento y la luz de resistencia viscosa lineal para los fluidos newtonianos. Los matemáticos del siglo XVIII como Daniel Bernoulli, Leonhard Euler, Jean D´alembert, Joseph-Louis Lagrange y Pierre Simon Laplace obtuvieron soluciones a muchos problemas de flujos no viscosos y Los ingenieros de la época desarrollaron la ciencia denominada "hidráulica". Experimentalistas como Chézy, Pitot, Borda, Weber, Francis, Hazen, Poiseuille, Darcy, Manning, Bazin y Wiesbach trabajaron en gran variedad de flujos como canales abiertos, resistencia de barcos, flujos en tuberías, olas y turbinas. La mayor parte de los datos eran utilizados sin tener en cuenta los fundamentos físicos de los flujos. A partir del siglo XIX el aumento de la población en las zonas urbanas obligó a realizar grandes obras de conducción y tratamiento de las aguas. Se comenzaron a utilizar las instalaciones de conducción de sifón basadas en el empleo de distintas presiones .Al final del siglo XIX comenzó la unificación entre hidráulicos e hidrodinámicos, William Froude (1810-1879) y su hijo Robert Froude (1846-1924) desarrollaron leyes para el estudio con modelos a escala; Lord Rayleigh (1842-1919) propuso la técnica del análisis dimensional; y Osborne Reynolds (1842-1912) publicó en 1883 su experimento, mostrando la importancia de los efectos viscosos a través de el número de Reynolds. En 1904, el ingeniero alemán Ludwig Prandtl (1875-1953), publicó el artículo quizá más importante de la historia de la mecánica de los fluidos, explicando la teoría de la capa límite resultando ser la herramienta más importante en el análisis de los flujos. Al principio del siglo XX, los científicos comenzaron trabajos intensivos sobre los cohetes proyectiles dirigidos por la presión de gases en combustión. Robert H. Goddard, despegó el primer cohete de combustible líquido en1926.Las aportaciones esenciales a la mecánica de fluidos durante el siglo XX son trabajos teóricos y experimentales de Ludwig Prandtl que es considerado generalmente el padre de la mecánica de fluidos actual.

ARQUIMEDES 287-212 A.C: El principio de Arquímedes es un principio físico que afirma que un cuerpo total o parcialmente sumergido en un fluido estático, será empujado con una fuerza igual

al peso del volumen de fluido desplazado por dicho objeto. De este modo cuando un cuerpo está sumergido en el fluido se genera un empuje hidrostático resultante de las presiones sobre la superficie del cuerpo que actúa siempre hacia arriba a través del centro de gravedad del cuerpo del fluido desplazado y de valor igual al peso del fluido desplazado. Esta fuerza se mide en Newton (en el SI) y su ecuación se describe como:

Fy = E – mg = (Pf - Ps) Vg

Donde ρf y ρs son respectivamente la densidad del fluido y del sólido sumergido; V el volumen del cuerpo sumergido; y g la aceleración de la gravedad. Establece que cuando un cuerpo es sumergido en agua, el volumen del agua aumenta; ya que se le suma el volumen del cuerpo. De manera que si se resta el volumen final (cuando el cuerpo está sumergido) menos el volumen inicial (antes de que el cuerpo sea sumergido), se puede obtener el volumen del cuerpo.

Leonardo da Vinci (1452-1519) Ecuación de Continuidad

Leonardo Da Vinci (1452-1519) obtuvo una ecuación de continuidad para flujos unidimensionales. Fue una excelente experimentalista y en sus notas dejó descripciones muy reales sobre chorros, alas, resalto hidráulico, formación de torbellinos y diseños de cuerpos de baja y alta resistencia (cuerpos fuselados y paracaídas).

Torricelli (1608-1647) Salida por un orificio. Relación entre la altura y la presión atmosférica.

Físico y matemático italiano, nacido en 1608 y fallecido en 1647. Descubre la forma de medir la presión atmosférica mediante el barómetro de mercurio, inventado por él. Destacó tanto por su habilidad práctica como por su talento teórico. Nace en Faenza (Italia) en 1608, pronto queda huérfano, se educa con los jesuitas y después se traslada a Roma donde con B. Castelli con quien investiga la dinámica de los gases, lo que le posibilita la oportunidad de trabajar junto a Galileo, quien entonces era matemático de la corte de Toscana, cargo que posteriormente ocupará el propio Torricelli. En aquel entonces, había un problema en Florencia, relativo a la distribución del agua potable hasta el palacio ducal de Cósimo II de Mèdici pues las bombas aspirantes eran incapaces de elevar el agua ni siquiera hasta el primer piso desde un pozo que tenía aproximadamente unos 10 metros de profundidad; los ingenieros de Cósimo no habían podido construir una bomba capaz de extraer agua desde esa profundidad. El mismo Galileo, al que se le confió la cuestión, no pudo resolver este problema y se limitó a decir que el agua era demasiado pesada, aunque si había orientado el camino hacia la invención del barómetro cuando descubrió que el aire tenía un peso específico. En 1643, Torricelli prueba que utilizando mercurio la presión atmosférica equilibra al líquido en un nivel determinado, pero no lo hace elevarse más; a partir de entonces en Florencia emplearon dos bombas aspirantes, una que recogía el agua que la inferior había subido, solucionando de esta manera el problema. Su experimento consistió en introducir en una cubeta de mercurio un tubo de vidrio aproximadamente de un metro de largo, cerrado en la parte superior, abierto en la inferior y lleno de mercurio; el líquido comenzaba a descender hasta un punto y después se detenía; la altura alcanzada es independiente de la forma y la orientación del tubo, siendo de unos 760 mm, pues había una fuerza que le impedía descender

más, y mientras sobre la columna del tubo se hacia el vacío, comprobando de esta manera su existencia en contra de la hipótesis de Aristóteles según la cual la materia es compacta y continua y no tolera ningún vacío. Esta fuerza era la presión atmosférica. Con ello, Torricelli, proporciona un método de medida de la presión atmosférica. Y en 1644 enuncia que la presión de la atmósfera era igual a la ejercida por una columna de mercurio de unos 760 mm de altura aproximadamente, ello corresponde a que la presión de la atmósfera sería menor a medida que la altura aumentase sobre el nivel del mar. Expresado matemáticamente:

La diferencia de presión entre el nivel de la cubeta (nivel A) y el nivel superior (nivel B) es igual al peso de la columna de mercurio de altura H = AB, y de sección igual a la unidad de superficie; si r es la masa especifica del mercurio a la temperatura del experimento se tiene:

pA - pB = H r g

pA no es más que la presión atmosférica existente en la superficie de la cubeta de mercurio, y PB es despreciable puesto que por encima del mercurio sólo existe el vacío. Luego: Presión atmosférica = H r g

Como a la temperatura de 0 ºC, en el nivel del mar y en un lugar de latitud 45 grados, donde g = 9,8 cm/s2, H toma el valor de 760 mm, y al medir la presión por medio de la altura de mercurio dentro de un tubo, la presión atmosférica es de 760 mm de mercurio normal. Como consecuencia del descubrimiento del barómetro, se advirtió que el aire pesa menos a medida que aumenta la altura, algo que fue comprobado el 19 de septiembre de 1648 cuando el cuñado del físico francés Blas Pascal, siguiendo sus indicaciones asciende la montaña Puy de Dôme (Francia) y verifica las hipótesis de Torricelli, pues la columna descendió 8 centímetros cuando se hubo llegado a los 1465 metros de altitud; esta disminución de la presión del aire con la altura parecía totalmente natural pues al aumentar la altura la columna de aire que pesa sobre el aparato es cada vez menor; también se advirtió que el aire caliente es más ligero que el aire frío, y el húmedo más que el seco; todo ello facilitó la invención de los altímetros e hicieron surgir la idea de que podía ser posible ascender en el espacio por medio de globos llenos de aire caliente o de algún gas ligero. El funcionamiento de los manómetros también se basa en el principio del experimento de Torricelli. Enuncia uno de los principales principios de la hidrodinámica, que se conoce con el nombre de teorema de Torricelli: "bajo la acción de la gravedad solamente, la velocidad de salida de un fluido por un orificio pequeño practicado en la pared es igual a la que adquiriría un sólido cayendo libremente en el vacío desde la superficie del líquido al orificio"

Pascal (1623-1662) Ley de Pascal

El principio de Pascal puede comprobarse utilizando una esfera hueca, perforada en diferentes lugares y provista de un émbolo. Al llenar la esfera con agua y ejercer presión sobre ella mediante el émbolo, se observa que el agua sale por todos los agujeros con la misma velocidad y por lo tanto con la misma presión. También podemos ver aplicaciones del principio de Pascal en las prensas hidráulicas, en los elevadores hidráulicos y en los frenos hidráulicos.

La prensa hidráulica es una máquina compleja que permite amplificar la intensidad de las fuerzas y constituye el fundamento de elevadores, prensas hidráulicas, frenos y muchos otros dispositivos hidráulicos de maquinaria industrial. La prensa hidráulica constituye la aplicación fundamental del principio de Pascal y también un dispositivo que permite entender mejor su significado. Consiste, en esencia, en dos cilindros de diferente sección comunicados entre sí, y cuyo interior está completamente lleno de un líquido que puede ser agua o aceite. Dos émbolos de secciones diferentes se ajustan, respectivamente, en cada uno de los dos cilindros, de modo que estén en contacto con el líquido. Cuando sobre el émbolo de menor sección S1 se ejerce una fuerza F1 la presión p1 que se origina en el líquido en contacto con él se transmite íntegramente y de forma casi instantánea a todo el resto del líquido. Por el principio de Pascal esta presión será igual a la presión p2 que ejerce el fluido en la sección S2, es decir:

p1 = p2

con lo que las fuerzas serán, siendo, S1 < S2 :

F1 = p1 S1 < p1 S2 = p2 S2 = F2

y por tanto, la relación entre la fuerza resultante en el émbolo grande cuando se aplica una fuerza menor en el émbolo pequeño será tanto mayor cuanto mayor sea la relación entre las secciones:

F1 = F2 ( S1 / S2)

Newton (1642-1726) Ley de viscosidad dinámica

La viscosidad es la propiedad mas importante de los fluidos, y por tanto esta requiere la mayor consideración en el estudio del flujo de fluidos. Esta es la resistencia que ejercen los fluidos al ser deformado cuando este se aplica un mínimo de esfuerzo cortante. La viscosidad de un fluido depende de su temperatura. Es por eso que en los líquidos a mayor temperatura la viscosidad disminuye mientras que en los gases sucede todo lo contrario lo contrario. Existen diferentes formas de expresar la viscosidad de un fluido, pero las más importantes son las siguientes: viscosidad absoluta o dinámica, cinemática, Saybol, Redwoor. Los líquidos y los gases corresponden a dos tipos diferentes de fluidos. Los primeros tienen un volumen constante que no puede alterarse apreciablemente si son sometidos a compresión, por ende se dice que son fluidos incompresibles. Los segundos no tienen un volumen propio, sino que ocupan el del recipiente que los contiene; son fluidos compresibles porque, a diferencia de los líquidos, sí pueden ser comprimidos. La viscosidad es aquella propiedad de un fluido por virtud de la cual ofrece resistencia al corte. Esta se puede clasificar en newtonianos, donde hay una relación lineal entre la magnitud del esfuerzo cortante aplicado y la rapidez de deformación resultante, y en no newtonianos, donde tal relación lineal no existe. La Ley de la viscosidad de Newton afirma que dada una rapidez de deformación angular en el fluido, el esfuerzo cortante es directamente proporcional a la viscosidad. La resistencia de un fluido al corte depende de su cohesión y de su rapidez de la transferencia de la cantidad del movimiento molecular. Un liquido, cuyas moléculas dejan espacios entre ellas mucho mas cerradas que las de un gas, tienen fuerzas cohesivas mucho

mayor que un gas. La cohesión parece ser la causa predominante de la viscosidad en un liquido; y ya que la cohesión decrece con la temperatura, la viscosidad decrece también.

Teorema de Bernoulli

Principio físico que implica la disminución de la presión de un fluido (líquido o gas) en movimiento cuando aumenta su velocidad. Fue formulado en 1738 por el matemático y físico suizo Daniel Bernoulli, y anteriormente por Leonhard Euler. El teorema afirma que la energía total de un sistema de fluidos con flujo uniforme permanece constante a lo largo de la trayectoria de flujo. Puede demostrarse que, como consecuencia de ello, el aumento de velocidad del fluido debe verse compensado por una disminución de su presión. El teorema se aplica al flujo sobre superficies, como las alas de un avión o las hélices de un barco. Las alas están diseñadas para que obliguen al aire a fluir con mayor velocidad sobre la superficie superior que sobre la inferior, por lo que la presión sobre esta última es mayor que sobre la superior. Esta diferencia de presión proporciona la fuerza de sustentación que mantiene al avión en vuelo. Una hélice también es un plano aerodinámico, es decir, tiene forma de ala. En este caso, la diferencia de presión que se produce al girar la hélice proporciona el empuje que impulsa al barco. El teorema de Bernoulli también se emplea en las toberas, donde se acelera el flujo reduciendo el diámetro del tubo, con la consiguiente caída de presión. Asimismo se aplica en los caudalímetros de orificio, también llamados venturi, que miden la diferencia de presión entre el fluido a baja velocidad que pasa por un tubo de entrada y el fluido a alta velocidad que pasa por un orificio de menor diámetro, con lo que se determina la velocidad de flujo y, por tanto, el caudal.

Turbina: Motor rotativo que convierte en energía mecánica la energía de una corriente de agua, vapor de agua o gas. El elemento básico de la turbina es la rueda o rotor, que cuenta con palas, hélices, cuchillas o cubos colocados alrededor de su circunferencia, de tal forma que el fluido en movimiento produce una fuerza tangencial que impulsa la rueda y la hace girar. Esta energía mecánica se transfiere a través de un eje para proporcionar el movimiento de una máquina, un compresor, un generador eléctrico o una hélice. Las turbinas se clasifican en turbinas hidráulicas o de agua, turbinas de vapor y turbinas de combustión. Hoy la mayor parte de la energía eléctrica mundial se produce utilizando generadores movidos por turbinas. Los molinos de viento que producen energía eléctrica se llaman turbinas de viento.

TURBINAS HIDRÁULICAS: El tipo más antiguo y más simple de turbina hidráulica es la rueda hidráulica, utilizada por primera vez en Grecia y utilizada durante la antigüedad y la edad media para moler cereales. Consistía en un eje vertical con un conjunto de aspas o palas radiales situadas en una corriente de agua a gran velocidad. La potencia de la rueda era de unos 0,5 caballos de vapor (CV). La rueda hidráulica horizontal (o sea, un eje horizontal conectado a una rueda de palas vertical), descrita por primera vez por el arquitecto e ingeniero romano Vitrubio en el siglo I a.C., tenía el segmento inferior de la rueda de palas insertada en la corriente, y actuaba como una rueda hidráulica de empuje inferior. Hacia el siglo II d.C. se empezó a utilizar en las regiones montañosas la rueda hidráulica de empuje superior. En este caso, el agua se vertía sobre las palas desde arriba, y se obtenía energía adicional de la inercia del agua en su caída. En la edad media la

potencia máxima de la rueda, fabricada con madera, aumentó de 3 a 50 CV. La transición de la rueda hidráulica a la turbina es sobre todo semántica. El primer intento de formular la base teórica para el diseño de ruedas hidráulicas en el siglo XVIII corresponde al ingeniero civil británico John Smeaton, que demostró que la rueda de empuje superior era más eficaz. Sin embargo, el ingeniero militar francés Jean Victor Poncelet diseñó una rueda de empuje inferior cuyas palas curvadas aumentaban el rendimiento casi un 70%. El uso de esta máquina se extendió rápidamente. Otro ingeniero militar francés, Claude Burdin, inventó el término turbina, como parte de un análisis teórico en que se daba una gran importancia a la velocidad de rotación. Benoit Fourneyron, un alumno de Burdin en la Escuela de Minería de Saint Étienne, diseñó y construyó ruedas que alcanzaban velocidades de rotación de 60 rpm (revoluciones por minuto) o más y que proporcionaban hasta 50 CV en las factorías metalúrgicas francesas. Por último, Fourneyron construyó turbinas que trabajaban a 2.300 rpm, desarrollando 60 CV y un rendimiento de más del 80%. A pesar de esta eficiencia excepcional, la turbina de Fourneyron tenía algunos inconvenientes causados por el flujo centrífugo del agua que la atravesaba. Esto provocaba problemas si se reducía el flujo de agua o su carga. El ingeniero estadounidense nacido en Gran Bretaña James B. Francis diseñó una turbina en la que el flujo se producía hacia el interior. La llamada turbina de reacción o turbina Francis se convirtió en la turbina hidráulica más utilizada con presiones de agua, o alturas de caída, equivalentes a una columna de agua de 10 a 100 m. Este tipo de turbina funciona debido a la expansión del agua mientras fluye a través de los espacios entre las palas, lo que produce una fuerza neta, o reacción, con un componente tangencial que pone la rueda en movimiento. La rueda Pelton, cuyo nombre proviene del ingeniero estadounidense Lester Allen Pelton, se empezó a aplicar durante la segunda mitad del siglo XIX, en instalaciones donde la presión del agua era equivalente a una columna de agua de entre 90 y 900 m. En este tipo de turbinas el agua se conduce desde un depósito a gran altura a través de un canal o una conducción forzada hasta una boquilla eyectora que convierte la energía cinética del agua en un chorro a presión. Dado que la acción de la rueda Pelton depende del impulso del chorro sobre ella, en lugar de la reacción del agua en expansión, este tipo de turbina se denomina también turbina de acción. El aumento de las necesidades de energía hidroeléctrica durante los albores del siglo XX puso de manifiesto la necesidad de turbinas que pudieran aprovechar caídas de agua de 3 a 9 m, que podrían utilizarse en muchos ríos construyendo pequeños embalses de agua. En 1913, el ingeniero austriaco Viktor Kaplan planteó por primera vez la turbina de hélice, que actúa al contrario que la hélice de un barco. Kaplan mejoró la turbina haciendo que las palas pudieran pivotar sobre su eje. Los distintos ángulos de las palas aumentaban el rendimiento ajustando el ángulo al volumen de la caída de agua. Para mantener una salida constante de voltaje en una instalación hidroeléctrica la velocidad de la turbina debe mantenerse constante, independientemente de las variaciones de la presión del agua que las mueve. Esto requiere gran número de controles que, tanto en la turbina de Francis como en la de Kaplan, varían el ángulo de las palas. En las instalaciones de ruedas Pelton, el flujo del agua se controla abriendo y cerrando las boquillas eyectoras. En este caso, se utiliza una boquilla de derivación de descarga, dado que los cambios rápidos de corriente en canales de caída largos podrían producir aumentos repentinos en la presión, llamados martillos de agua, que pueden ser muy dañinos. Con estos ajustes, se

mantiene constante el flujo de agua a través de las boquillas. Para ello se cierran las boquillas de descarga, lo que se hace con mucha lentitud para evitar martillos de agua.

AVANCES EN EL DISEÑO DE LAS TURBINAS: La tendencia en las turbinas hidráulicas modernas es utilizar caídas mayores y máquinas más grandes. Según el tamaño de la unidad, las turbinas Kaplan se utilizan en caídas de unos 60 m, y en el caso de las turbinas Francis de hasta 610 m. La instalación de caída más alta del mundo (1.770 m) se encuentra en Reisseck, en Austria, y las turbinas más grandes del mundo están en una planta generadora de la presa de Itaipú, entre Paraguay y Brasil, donde se utilizan 18 turbinas de tipo Francis de 700 MW de potencia cada una, que consiguen un total de 12.600 MW. Muchas de las pequeñas instalaciones en presas construidas antes de 1930 han sido abandonadas debido a su alto coste de mantenimiento y la mano de obra que requieren. Sin embargo, el aumento de los costos de los combustibles fósiles ha hecho volver la mirada hacia este tipo de sistemas de poca caída. Con el desarrollo de turbinas de hélice normalizadas con ejes casi horizontales, las instalaciones pequeñas han recuperado su atractivo original. Se han diseñado turbinas que actúan como bombas cuando funcionan a la inversa, invirtiendo el generador eléctrico para que funcione como un motor. Dado que no es posible almacenar la energía eléctrica de forma económica, este tipo de bombas turbina se utiliza para bombear agua hacia los embalses, aprovechando la energía eléctrica generada por las centrales nucleares y térmicas durante las horas de poco consumo. El agua embalsada se emplea de nuevo para generar energía eléctrica durante las horas de consumo elevado. En los últimos años se han desarrollado turbinas para caídas de hasta 600 m y con capacidades de más de 400 MW.

TURBINAS DE VAPOR : El éxito obtenido con las turbinas de agua condujo a utilizar el principio de la turbina para extraer energía del vapor de agua. Mientras que la máquina de vapor de vaivén desarrollada por Watt utilizaba la presión del vapor, la turbina consigue mejores rendimientos al utilizar también la energía cinética de éste. La turbina puede ser más pequeña, más ligera y más barata que una máquina de vapor de vaivén de la misma potencia, y puede ser de un tamaño mucho mayor que las máquinas de vapor convencionales. Desde el punto de vista de la mecánica, tiene la ventaja de producir directamente un movimiento giratorio sin necesidad de una manivela o algún otro medio de convertir la energía de vaivén en energía rotatoria. Como resultado de ello, la turbina de vapor ha reemplazado a las máquinas de vaivén en las centrales generadoras de energía eléctrica, y también se utiliza como una forma de propulsión a chorro. Las turbinas de vapor se utilizan en la generación de energía eléctrica de origen nuclear y en la propulsión de los buques con plantas nucleares. En las aplicaciones de cogeneración que requieran tanto calor (el utilizado en un proceso industrial) como electricidad, se genera vapor a altas presiones en una caldera y se extrae desde la turbina a la temperatura y la presión que necesita el proceso industrial. Las turbinas de vapor pueden utilizarse en ciclos (escalones) combinados con un generador de vapor que recupera el calor que se perdería. Las unidades industriales se utilizan para poner en movimiento máquinas, bombas, compresores y generadores eléctricos. La potencia que se obtiene puede ser de hasta 1.300 MW. La turbina de vapor no fue inventada por una única persona, sino que fue el resultado del trabajo de un grupo de inventores a finales del siglo XIX.

Algunos de los participantes más notables en este desarrollo fueron el británico Charles Algernon Parsons y el sueco Carl Gustaf Patrik de Laval. Parsons fue responsable del denominado principio de escalones, mediante el cual el vapor se expandía en varias fases, aprovechándose su energía en cada una de ellas. De Laval fue el primero en diseñar chorros y palas adecuados para el uso eficiente de la expansión del vapor.

FUNCIONAMIENTO DE UNA TURBINA DE VAPOR: El funcionamiento de la turbina de vapor se basa en el principio termodinámico que expresa que cuando el vapor se expande disminuye su temperatura y se reduce su energía interna. Esta reducción de la energía interna se transforma en energía mecánica por la aceleración de las partículas de vapor, lo que permite disponer directamente de una gran cantidad de energía. Cuando el vapor se expande, la reducción de su energía interna en 400 cal puede producir un aumento de la velocidad de las partículas a unos 2.900 km/h. A estas velocidades la energía disponible es muy elevada, a pesar de que las partículas son extremadamente ligeras. Si bien están diseñadas de dos formas diferentes, las partes fundamentales de las turbinas de vapor son parecidas. Consisten en boquillas o chorros a través de los que pasa el vapor en expansión, descendiendo la temperatura y ganando energía cinética, y palas sobre las que actúa la presión de las partículas de vapor a alta velocidad. La disposición de los chorros y las palas depende del tipo de turbina. Además de estos dos componentes básicos, las turbinas cuentan con ruedas o tambores sobre los que están montadas las palas, un eje para las ruedas o los tambores, una carcasa exterior que retiene el vapor dentro de la zona de la turbina, y varios componentes adicionales como dispositivos de lubricación y controladores.

TIPOS DE TURBINA DE VAPOR: La forma más sencilla de turbina de vapor es la denominada turbina de acción, en la que los chorros de la turbina están sujetos a un punto dentro de la carcasa de la turbina, y las palas están dispuestas en los bordes de ruedas que giran alrededor de un eje central. El vapor pasa a través de las boquillas y alcanza las palas. Éstas absorben una parte de la energía cinética del vapor en expansión, lo que hace girar la rueda y con ella el eje al que está unida. La turbina está diseñada de forma que el vapor que entra por un extremo de la misma se expande a través de una serie de boquillas hasta que ha perdido la mayor parte de su energía interna. En la turbina de reacción la energía mecánica se obtiene de la aceleración del vapor en expansión. Las turbinas de este tipo cuentan con dos grupos de palas, unas móviles y las otras fijas. Las palas están colocadas de forma que cada par actúa como una boquilla a través de la cual pasa el vapor mientras se expande. Las palas de las turbinas de reacción suelen montarse en un tambor en lugar de una rueda. El tambor actúa como eje de la turbina. Para que la energía del vapor se utilice eficientemente en ambos tipos de turbina, es necesario utilizar varios escalones en cada uno de los cuales se convierte en energía cinética una parte de la energía térmica del vapor. Si se hiciera toda la conversión de los dos tipos de energía en un solo escalón, la velocidad rotatoria de la rueda sería excesiva. Por lo general, se utilizan más escalones en las turbinas de reacción que en las turbinas de acción. Se puede comprobar que, con el mismo diámetro y la misma cantidad de energía, la turbina de reacción necesita el doble de escalones para obtener un rendimiento máximo. Las turbinas más grandes, que normalmente son de acción, emplean hasta cierto grado la reacción al principio del recorrido del vapor para que el flujo de vapor sea eficaz.

Muchas de las turbinas de reacción utilizan primero un escalón de control de acción, lo que reduce el número de escalones necesarios. A causa del aumento de volumen del vapor cuando se expande, es necesario aumentar en cada escalón el tamaño de las aberturas a través de las cuales pasa el vapor. Durante el diseño real de las turbinas, este aumento se consigue alargando las palas de un escalón a otro y aumentando el diámetro del tambor o la rueda a la que están acopladas las palas. También se agregan dos o más secciones de turbina en paralelo. Como resultado de esto, una turbina industrial pequeña puede ser prácticamente cónica, con el diámetro más pequeño en el extremo de entrada, de mayor presión, y el diámetro mayor en el extremo de salida. Las grandes turbinas de una central eléctrica nuclear pueden tener cuatro rotores con una sección de alta presión con flujo doble, seguida de tres secciones de baja presión y flujo doble. Las turbinas de vapor son máquinas simples que tienen prácticamente una sola parte móvil, el rotor. Sin embargo, requieren algunos componentes auxiliares para funcionar: cojinetes de contacto plano para sostener el eje, cojinetes de empuje para mantener la posición axial del eje, un sistema de lubricación de los cojinetes y un sistema de estanqueidad que impide que el vapor salga de la turbina y que el aire entre en ella. La velocidad de rotación se controla con válvulas en la admisión de vapor de la máquina. La caída de presión en las palas produce además una fuerza axial considerable en las palas móviles, lo que se suele compensar con un pistón de equilibrado, que crea a su vez un empuje en sentido opuesto al del vapor. La eficiencia de expansión de las turbinas modernas de varios escalones es alta, dado el avanzado estado de desarrollo de los componentes utilizados en las turbinas y la posibilidad de recuperar las pérdidas de un escalón en los siguientes, con un sistema de recalentamiento. El rendimiento que se obtiene al transformar en movimiento la energía teóricamente disponible suele superar el 90%. La eficiencia termodinámica de una instalación de generación con vapor es mucho menor, dada la pérdida de energía del vapor que sale de la turbina.

Bomba: Dispositivo empleado para elevar, transferir o comprimir líquidos y gases. A continuación se describen cuatro grandes tipos de bombas para líquidos. En todas ellas se toman medidas para evitar la cavitación (formación de un vacío), que reduciría el flujo y dañaría la estructura de la bomba. Las bombas empleadas para gases y vapores suelen llamarse compresores. El estudio del movimiento de los fluidos se denomina dinámica de fluidos.

BOMBAS ALTERNATIVAS: Las bombas alternativas están formadas por un pistón que oscila en un cilindro dotado de válvulas para regular el flujo de líquido hacia el cilindro y desde él. Estas bombas pueden ser de acción simple o de acción doble. En una bomba de acción simple el bombeo sólo se produce en un lado del pistón, como en una bomba impelente común, en la que el pistón se mueve arriba y abajo manualmente. En una bomba de doble acción, el bombeo se produce en ambos lados del pistón, como por ejemplo en las bombas eléctricas o de vapor para alimentación de calderas, empleadas para enviar agua a alta presión a una caldera de vapor de agua. Estas bombas pueden tener una o varias etapas. Las bombas alternativas de etapas múltiples tienen varios cilindros colocados en serie.

BOMBAS CENTRÍFUGAS : Las bombas centrífugas, también denominadas rotativas, tienen un rotor de paletas giratorio sumergido en el líquido. El líquido entra en la bomba cerca del eje del rotor, y

las paletas lo arrastran hacia sus extremos a alta presión. El rotor también proporciona al líquido una velocidad relativamente alta que puede transformarse en presión en una parte estacionaria de la bomba, conocida como difusor. En bombas de alta presión pueden emplearse varios rotores en serie, y los difusores posteriores a cada rotor pueden contener aletas de guía para reducir poco a poco la velocidad del líquido. En las bombas de baja presión, el difusor suele ser un canal en espiral cuya superficie transversal aumenta de forma gradual para reducir la velocidad. El rotor debe ser cebado antes de empezar a funcionar, es decir, debe estar rodeado de líquido cuando se arranca la bomba. Esto puede lograrse colocando una válvula de retención en el conducto de succión, que mantiene el líquido en la bomba cuando el rotor no gira. Si esta válvula pierde, puede ser necesario cebar la bomba introduciendo líquido desde una fuente externa, como el depósito de salida. Por lo general, las bombas centrífugas tienen una válvula en el conducto de salida para controlar el flujo y la presión. En el caso de flujos bajos y altas presiones, la acción del rotor es en gran medida radial. En flujos más elevados y presiones de salida menores, la dirección de flujo en el interior de la bomba es más paralela al eje del rotor (flujo axial). En ese caso, el rotor actúa como una hélice. La transición de un tipo de condiciones a otro es gradual, y cuando las condiciones son intermedias se habla de flujo mixto.

BOMBAS DE CHORRO : Las bombas de chorro utilizan una corriente relativamente pequeña de líquido o vapor, de gran velocidad, para ocasionar un flujo mayor en otro fluido. Cuando la corriente de alta velocidad pasa a través del fluido, extrae parte del fluido de la bomba; por otra parte, crea un vacío que absorbe líquido hacia la bomba. Las bombas de chorro se emplean a menudo para inyectar agua en calderas de vapor. También se han utilizado bombas de chorro para propulsar barcos, sobre todo en aguas poco profundas donde una hélice convencional podría dañarse.

OTRAS BOMBAS: También existen diversos tipos de bombas de desplazamiento positivo, que suelen constar de una pieza giratoria con una serie de aletas que se mueven en una carcasa muy ajustada. El líquido queda atrapado en los espacios entre las aletas y pasa a una zona de mayor presión. Un dispositivo corriente de este tipo es la bomba de engranajes, formada por dos ruedas dentadas engranadas entre sí. En este caso, las aletas son los dientes de los engranajes. También puede construirse una bomba sencilla, aunque poco eficiente, con un tornillo que gira en una carcasa e impulsa el líquido. El primero que inventó una bomba similar fue el matemático y físico griego Arquímedes, después del año 300 antes de Cristo. En todas estas bombas, el líquido se descarga en una serie de pulsos, y no de forma continua, por lo que hay que tener cuidado para que no aparezcan condiciones de resonancia en los conductos de salida que podrían dañar o destruir la instalación. En las bombas alternativas se colocan con frecuencia cámaras de aire en el conducto de salida para reducir la magnitud de estas pulsaciones y hacer que el flujo sea más uniforme.

Euler (1707-1783) Ecuaciones diferenciales del movimiento del fluido ideal; formulación del teorema de Bernoulli; Teorema fundamental de las turbomáquinas