Tema 4. Turbobombas Ingeniería Fluidomecánica

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


• 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


• 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


• 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


Qgk

uB

g

uA

·tan 2

1

22

2

2

2

QBAHu ·max


Altura efectiva o útil: intpu HHH

22

2

int

,QQfH

QfH

HHH

tchoque

roz

choquerozp


http://www.youtube.com/watch?v=XMDO6LVqMik&feature=endscreen

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

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


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


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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