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BOMBAS HIDRAULICAS

1. TEORIA DE BOMBAS

Una bomba es una máquina hidráulica generadora que transforma la energía

(generalmente energía mecánica) con la que es accionada en energía hidráulica del

fluido incompresible que mueve. El fluido incompresible puede ser líquido o una

mezcla de líquidos y sólidos como puede ser el hormigón antes de fraguar o la pasta

de papel. Al incrementar la energía del fluido, se aumenta su presión, su velocidad

o su altura, todas ellas relacionadas según el principio de Bernoulli. En general, una

bomba se utiliza para incrementar la presión de un líquido añadiendo energía al

sistema hidráulico, para mover el fluido de una zona de menor presión o altitud a

otra de mayor presión o altitud.

Existe una ambigüedad en la utilización del término bomba, ya que generalmente

es utilizado para referirse a las máquinas de fluido que transfieren energía, o

bombean fluidos incompresibles, y por lo tanto no alteran la densidad de su fluido

de trabajo, a diferencia de otras máquinas como lo son los compresores, cuyo

campo de aplicación es la neumática y no la hidráulica. Pero también es común

encontrar el término bomba para referirse a máquinas que bombean otro tipo de

fluidos, así como lo son las bombas de vacío o las bombas de aire.

2. TIPOS DE BOMBAS

La principal clasificación de las bombas se realiza atendiendo al principio de

funcionamiento en el que se basan:

2.1 Bombas de desplazamientos positivos o volumétricos

El principio de funcionamiento está basado en la hidrostática, de modo que el

aumento de presión se realiza por el empuje de las paredes de las cámaras que

varían su volumen. En este tipo de bombas, en cada ciclo el órgano propulsor

genera de manera positiva un volumen dado o cilindrada, por lo que también se

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denominan bombas volumétricas. En caso de poder variar el volumen máximo de

la cilindrada se habla de bombas de volumen variable. Si ese volumen no se puede

variar, entonces se dice que la bomba es de volumen fijo. A su vez este tipo de

bombas pueden subdividirse en:

2.1.1 Bombas de émbolo alternativo

Son las que existe uno o varios compartimentos fijos, pero de volumen

variable, por la acción de un émbolo o de una membrana. En estas máquinas,

el movimiento del fluido es discontinuo y los procesos de carga y descargase

realizan por válvulas que abren y cierran alternativamente.

Algunos ejemplos de este tipo de bombas son la bomba alternativa de pistón,

la bomba rotativa de pistones la bomba pistones de accionamiento axial.

Operan sobre el principio de desplazamiento positivo, es decir, que bombean

una determinada cantidad de fluido (sin tener en cuenta las fugas

independientemente dela altura de bombeo.

Figura 1.- Bomba alternativa de piston.

2.1.2 Bombas volumétricas rotativas o rotoestáticas

Son las que una masa fluida es confinada en uno o varios compartimentos

que se desplazan desde la zona de entrada (de baja presión) hasta la zona

de salida (de alta presión) de la máquina. Algunos ejemplos de este tipo de

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máquinas son la bomba de paletas, la bomba de lóbulos, la bomba de

engranajes, la bomba de tornillo o la bomba peristáltica.

Figura 2.- Bomba de tornillo.

2.1.3 Bombas de diafragma

La bomba de diafragma usa un elemento flexible como un elemento de

desplazamiento. Este puede ser movido directamente por un movimiento

excéntrico o un líquido de bombeo secundario. No requiere empaques o

sellos dinámicos porque el mecanismo de impulsión está completamente

aislado del fluido bombeado por el diafragma. Los diafragmas están

fabricados por elastómeros, plásticos o metales. El principal problema que

presentan es naturalmente el de la vida relativamente corta del diafragma y

su riesgo de rotura, por lo que los costos de mantenimiento pueden ser

elevados.

Figura 3.- Bomba de diafragma.

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2.2 Bombas rotodinámicas

El principio de funcionamiento está basado en el intercambio de cantidad de

movimiento entre la máquina y el fluido, aplicando la hidrodinámica. En este tipo de

bombas hay uno o varios rodetes con álabes que giran generando un campo de

presiones en el fluido. En este tipo de máquinas el flujo del fluido es contínuo. Estas

turbomáquinas hidráulicas generadoras pueden subdividirse en:

2.2.1 Radiales o centrífugas, cuando el movimiento del fluido sigue una trayectoria

perpendicular al eje del rodete impulsor.

• Axiales, cuando el fluido pasa por los canales de los álabes siguiendo una

trayectoria contenida en un cilindro.

• Diagonales o helicocentrífugas cuando la trayectoria del fluido se realiza en otra

dirección entre las anteriores, es decir, en un cono coaxial con el eje del rodete.

3. CLASIFICACIÓN SEGÚN EL TIPO DE ACCIONAMIENTO

Electrobombas. Genéricamente, son aquellas accionadas por un motor

eléctrico, para distinguirlas de las motobombas, habitualmente accionadas

por motores de explosión

Bombas neumáticas que son bombas de desplazamiento positivo en las que

la energía de entrada es neumática, normalmente a partir de aire

comprimido.

Bombas de accionamiento hidráulico, como la bomba de ariete o la noria.

Bombas manuales. Un tipo de bomba manual es la bomba de balancín.

4. BOMBAS CENTRIFUGAS

Las bombas centrífugas mueven un cierto volumen de líquido entre dos niveles; son

máquinas hidráulicas que transforman un trabajo mecánico en otro de tipo

hidráulico. Los elementos de que consta una instalación son:

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a) Una tubería de aspiración, que concluye prácticamente en la brida de

aspiración.

b) El impulsor o rodete, formado por un conjunto de álabes que pueden adoptar

diversas formas, según la misión a que vaya a ser destinada la bomba, los cuales

giran dentro de una carcasa circular. El rodete es accionado por un motor, y va unido

solidariamente al eje, siendo la parte móvil de la bomba.

El líquido penetra axialmente por la tubería de aspiración hasta la entrada del

rodete, experimentando un cambio de dirección más o menos brusco, pasando a

radial, (en las centrífugas), o permaneciendo axial, (en las axiales), acelerándose y

absorbiendo un trabajo.

Los álabes del rodete someten a las partículas de líquido a un movimiento de

rotación muy rápido, siendo proyectadas hacia el exterior por la fuerza centrífuga,

creando una altura dinámica de forma que abandonan el rodete hacia la voluta a

gran velocidad, aumentando también su presión en el impulsor según la distancia al

eje. La elevación del líquido se produce por la reacción entre éste y el rodete

sometido al movimiento de rotación.

c) La voluta es un órgano fijo que está dispuesta en forma de caracol alrededor del

rodete, a su salida, de tal manera que la separación entre ella y el rodete es mínima

en la parte superior, y va aumentando hasta que las partículas líquidas se

encuentran frente a la abertura de impulsión. Su misión es la de recoger el líquido

que abandona el rodete a gran velocidad, cambiar la dirección de su movimiento y

encaminarle hacia la brida de impulsión de la bomba.

La voluta es también un transformador de energía, ya que frena la velocidad del

líquido, transformando parte de la energía dinámica creada en el rodete en energía

de presión, que crece a medida que el espacio entre el rodete y la carcasa aumenta,

presión que se suma a la alcanzada por el líquido en el rodete.

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En algunas bombas existe, a la salida del rodete, una corona directriz de álabes

que guía el líquido antes de introducirlo en la voluta.

d) Una tubería de impulsión, instalada a la salida de la voluta, por la que el líquido

es evacuado a la presión y velocidad creadas en la bomba.

Estos son, en general, los componentes de una bomba centrífuga aunque existen

distintos tipos y variantes. La estructura de las bombas centrífugas es análoga a la

de las turbinas hidráulicas, salvo que el proceso energético es inverso; en las

turbinas se aprovecha la altura de un salto hidráulico para generar una velocidad de

rotación en la rueda, mientras que en las bombas centrífugas la velocidad

comunicada por el rodete al líquido se transforma, en parte, en presión, lográndose

así su desplazamiento y posterior elevación.

Figura 3.- Bomba centrifuga, disposición, esquema y perspectiva.

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5. APLICACIÓNES DE LAS BOMBAS CENTRIFUGAS

En la industria en general se utilizan diversos tipos de bombas hidráulicas, como

por ejemplo en la extracción de agua de los pozos, para la utilización como insumo

en la industria de bebidas gaseosas; en la industria de petróleo para bombear fluidos

dispersos cuya finalidad es remover los productos sólidos en la perforación de pozos

petroleros; en la movilización de minerales bajo la forma de pulpa, para la flotación

selectiva de minerales; en la industria cervecera para transferir el mosto del filtro-

prensa al caldero de sacarificación; en las refinerías de petróleo para mover los

diversos fluidos de las columnas de fraccionamiento, craqueo, etc.; en las plantas

de producción de vapor para mover el agua debidamente ablandada a la

alimentación del caldero; podríamos mencionar muchos más pues las aplicaciones

de las bombas hidráulicas son múltiples.

De la amplia gama de bombas hidráulicas utilizadas para transferir fluidos y en

especial líquidos, las más utilizadas son las bombas centrífugas, por su facilidad de

adecuarse a la naturaleza de los fluidos a manipular, es decir, su composición,

corrosividad, viscosidad; adecuando las partes expuestas para contrarrestar estos

inconvenientes, a través de utilización de materiales como: vidrio, acero inoxidable,

hule, grafito, cloruro de polivinilo (PVC), porcelana, fibra de vidrio y otros.

6. ACOPLAMIENTOS DE BOMBAS

6.1. BOMBAS EN SERIE

La impulsión de una bomba constituye la aspiración de la siguiente unidad,

por lo que el caudal bombeado será el mismo en todas las máquinas aunque

las alturas creadas deberán sumarse.

Un caso especial es el de las bombas multicelulares, puesto que a pesar de

estar los rodetes montados en serie el cuerpo de la bomba es único. Su uso

es generalizado para elevar agua de pozos profundos, puesto que utilizar un

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solo rodete elevaría a diámetros muy grandes. Además mejora el

rendimiento puesto que éste crece.

y para el caso que se tienen m etapas puestas en serie se tiene:

De forma gráfica esto es:

Al acoplar bombas en serie hay que sumar alturas manteniendo caudales, lo

que se traduce en que las curvas resultantes tienen una pendiente acusada,

tanto mayor cuanto más grande sea el número de etapas.

Ello ocasiona el que sean bastante rígidas y que las variaciones de nivel

estacional de un pozo hagan fluctuar poco el caudal que elevan y el

rendimiento de la instalación cuando la curva resistente tenga escasa

pendiente (conducción sobredimensionada).

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6.2. BOMBAS EN PARALELO

El fluido se aspira en un punto común, inyectándose después el caudal en la

impulsión general. En este caso se suman los caudales, conservando las

alturas. Todas las impulsiones se conectan ordenadamente a una

conducción general común o a un múltiple de impulsión.

Su empleo se justifica por ejemplo cuando en un abastecimiento el consumo

de agua fluctúa mucho con el tiempo, si bien las condiciones de uso se

mantienen.

La utilización de una sola bomba tratando de satisfacer una amplia gama de

consumo sería factible, pero a costa de trabajar con rendimientos bajísimos

en determinados puntos de funcionamiento. Poniendo en funcionamiento en

forma progresiva los grupos necesarios según el consumo, se logra

mantener el rendimiento dentro de márgenes razonables.

Otro caso será cuando hay gran Q para satisfacer y es imprescindible tener

un buen nivel de respaldo. Para obtener la curva de funcionamiento de un

sistema de bombas acopladas en paralelo solo debemos sumar los caudales

para una misma altura.

Analíticamente esto se expresa como:

Si las curvas de una bomba son:

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De forma gráfica, la suma de caudales manteniendo las alturas para

obtener la curva característica del sistema acoplado resulta ser:

7. MONTAJE DE UNA BOMBA

MONTAJE BOMBA-MOTOR EN EJECUCIÓN MONOBLOC Y SOBRE

BANCADA

Cuando la bomba se ha suministrado a eje libre (o sea sin motor), es necesario

utilizar una bancada adecuada para efectuar el montaje al motor.

La bancada deberá ser lo suficiente dimensionada para evitar vibraciones y/ó

deformaciones: aconsejamos la utilización de perfiles en “U”.

Si la bomba no se ha suministrado montada con motor eléctrico sobre una bancada

común, deberemos efectuar el montaje con un motor adecuado antes de proceder

a la instalación.

El motor eléctrico debe ser seleccionado verificando principalmente los siguientes

datos a las condiciones de servicio:

- La potencia máxima requerida por la bomba en todo su campo de funcionamiento.

- La velocidad de giro.

- La tensión, las fases y la frecuencia de red disponibles.

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- El tipo de motor.

- La forma constructiva.

Un acoplamiento de transmisión requiere un perfecto alineamiento: un mal

alineamiento provoca la destrucción del mismo y daños a los soportes de la bomba

y el motor.

Debemos seleccionar el acoplamiento verificando principalmente:

- La potencia nominal del motor

- El número de revoluciones

- Que la utilización de la protección de acoplamiento cumpla con las normas de

seguridad.

8. CAVITACIÓN

Se entiende por cavitación el fenómeno consistente en la vaporización del fluido

circulante, a temperaturas muy inferiores a las del punto de ebullición del mismo en

condiciones normales de presión.

Un líquido se evapora cuando su tensión de vaporización a la temperatura que se

considera alcanza la presión exterior que sobre dicho líquido actúa.

La cavitación puede aparecer en la aspiración de bombas cuando éstas se

encuentran a un nivel superior al de la superficie libre en el depósito de captación.

Se da por una progresiva transferencia de energía de presión en energía potencial

y en pérdidas por rozamiento a vencer en la conducción. Motivos que hacen

indeseable que la bomba funcione con cavitación:

Las piezas mecánicas están sometidas a esfuerzos alternados pues la

potencia solicitada al motor depende del estado líquido o vapor del fluido.

Descenso brusco del caudal impulsado por la bomba por el estrangulamiento

que se produce con la vaporización del fluido.

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9. TURBOMAQUINAS HIDRAULICAS

Una máquina hidráulica es un dispositivo capaz de convertir energía hidráulica en

energía mecánica; pueden ser motrices (turbinas), o generatrices (bombas),

modificando la energía total de la vena fluida que las atraviesa.

En el estudio de las turbomáquinas hidráulicas no se tienen en cuenta efectos de

tipo térmico, aunque a veces habrá necesidad de recurrir a determinados conceptos

termodinámicos; todos los fenómenos que se estudian serán en régimen

permanente, caracterizados por una velocidad de rotación de la máquina y un

caudal, constantes.

En una máquina hidráulica, el agua intercambia energía con un dispositivo mecánico

de revolución que gira alrededor de su eje de simetría; éste mecanismo lleva una o

varias ruedas, (rodetes o rotores), provistas de álabes, de forma que entre ellos

existen unos espacios libres o canales, por los que circula el agua. Los métodos

utilizados para su estudio son, el analítico, el experimental y el análisis dimensional.

El método analítico se fundamenta en el estudio del movimiento del fluido a través

de los álabes, según los principios de la Mecánica de Fluidos.

El método experimental, se fundamenta en la formulación empírica de la

Hidráulica, y la experimentación.

El análisis dimensional ofrece grupos de relaciones entre las variables que

intervienen en el proceso, confirmando los coeficientes de funcionamiento de las

turbomáquinas, al igual que los diversos números adimensionales que proporcionan

información sobre la influencia de las propiedades del fluido en movimiento a través

de los órganos que las componen.

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10. CLASIFICACIÓN DE LAS TURBOMAQUINAS HIDRÁULICAS

Una primera clasificación de las turbomáquinas hidráulicas, (de fluido

incompresible), se puede hacer con arreglo a la función que desempeñan, en la

forma siguiente:

a) Turbomáquinas motrices, que recogen la energía cedida por el fluido que

las atraviesa, y la transforman en mecánica, pudiendo ser de dos tipos:

Dinámicas o cinéticas, Turbinas y ruedas hidráulicas

Estáticas o de presión, Celulares (paletas), de engranajes, helicoidales,

etc

b) Turbomáquinas generatrices, que aumentan la energía del fluido que las

atraviesa bajo forma potencial, (aumento de presión), o cinética; la energía

mecánica que consumen es suministrada por un motor, pudiendo ser:

Bombas de álabes, entre las que se encuentran las bombas centrífugas

y axiales

Hélices marinas, cuyo principio es diferente a las anteriores; proporcionan

un empuje sobre la carena de un buque.

c) Turbomáquinas reversibles, tanto generatrices como motrices, que

ejecutan una serie de funciones que quedan aseguradas, mediante un rotor

específico, siendo las más importantes:

Grupos turbina-bomba, utilizados en centrales eléctricas de acumulación por

bombeo

Grupos Bulbo, utilizados en la explotación de pequeños saltos y centrales

maremotrices

d) Grupos de transmisión o acoplamiento, que son una combinación de

máquinas motrices y generatrices, es decir, un acoplamiento (bomba-

turbina), alimentadas en circuito cerrado por un fluido, en general aceite; a

este grupo pertenecen los cambiadores de par.

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11. TURBINAS HIDRÁULICAS

Una turbomáquina elemental o monocelular tiene, básicamente, una serie de

álabes fijos, (distribuidor), y otra de álabes móviles, (rueda, rodete, rotor). La

asociación de un órgano fijo y una rueda móvil constituye una célula; una

turbomáquina monocelular se compone de tres órganos diferentes que el fluido va

atravesando sucesivamente, el distribuidor, el rodete y el difusor.

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 en determinadas turbinas, inexistentes.

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. Atendiendo a

que la presión varíe o no en el rodete, las turbinas se clasifican en:

a) Turbinas de acción o impulsión

b) Turbinas de reacción o sobrepresión

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En las turbinas de acción el agua sale del distribuidor a la presión atmosférica, y

llega al rodete con la misma presión; en estas turbinas, toda la energía potencial del

salto se transmite al rodete en forma de energía cinética.

En las turbinas de reacción el agua sale del distribuidor con una cierta presión que

va disminuyendo a medida que el agua atraviesa los álabes del rodete, de forma

que, a la salida, la presión puede ser nula o incluso negativa; en estas turbinas el

agua circula a presión en el distribuidor y en el rodete y, por lo tanto, la energía

potencial del salto se transforma, una parte, en energía cinética, y la otra, en energía

de presión.

12. CLASIFICIACION DE LAS TURBINAS HIDRUALICAS

Atendiendo a la dirección de entrada del agua en las turbinas, éstas pueden

clasificarse en:

En las axiales, (Kaplan, hélice, Bulbo), el agua entra paralelamente al eje, tal como

se muestra en la siguiente imagen:

Figura 4.- a) Turbina Axial, b) Turbina Radial, c) Turbina Tangencial

13. TURBINAS DE REACCIÓN

- Turbina Fourneyron (1833) en la que el rodete se mueve dentro del agua. Es

una turbina radial centrífuga, lo que supone un gran diámetro de rodete; en la

actualidad no se construye.

- Turbina Heuschel-Jonval: axial, y con tubo de aspiración; el rodete es

prácticamente inaccesible; en la actualidad no se construye.

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Figura 5.- a) Turbina Fourneyron, b) Turbina Heuschel-Jonval

Turbina Francis (1849), es radial centrípeta, con tubo de aspiración; el rodete es de

fácil acceso, por lo que es muy práctica. Es fácilmente regulable y funciona a un

elevado numero de revoluciones; es el tipo más empleado, y se utiliza en saltos

variables, desde 0,5 m hasta 180 m; pueden ser, lentas, normales, rápidas y

extrarápidas.

Figura 6.- Turbina Francis.

Turbina Kaplan (1912), Las palas del rodete tienen forma de hélice; se emplea en

saltos de pequeña altura, obteniéndose con ella elevados rendimientos, siendo las

palas orientables lo que implica paso variable. Si las palas son fijas, se denominan

turbinas hélice.

Figura 7.- Turbinas Kaplan.

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14. TURBINAS DE ACCIÓN

Estas turbinas se empezaron a utilizar antes que las de reacción; entre ellas se

tienen:

- Turbina Zuppinger (1846), con rueda tangencial de cucharas

- Turbina Pelton, es tangencial, y la más utilizada para grandes saltos

Figura 8.- Turbina Pelton.

15. CONCEPTO DE SALTO NETO EN TURBINAS HIDRÁULICAS

En las turbinas de reacción el salto bruto o altura geométrica h es la diferencia

de niveles entre la cámara de carga y el canal de fuga a la salida del tubo de

aspiración.

El salto neto Hn es la energía que por kg de agua se pone a disposición de la

turbina. En Europa se considera como turbina desde la entrada del distribuidor,

punto M0, hasta el nivel del canal de desagüe, punto Ma, por lo que se tiene:

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Figura 9.- Esquema de un salto hidráulico.

Figura 10.- Sistemas de presión (chimeneas de equilibrio).

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Figura 10.1.- Sistemas de atenuación de golpe de ariete.

Figura 11.- Nomenclatura utilizada en saltos con turbinas de reacción.

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Figura 12.- Partes de una Turbina Pelton de eje horizontalm con dos equipos de inyección.

Figura 13.- Turbina Kaplan y Turbina Pelton.

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16. CONCLUSIONES

La aplicación de las turbinas es muy frecuente para obtener energía eléctrica ya sea

por cualquier método posible. Un claro ejemplo es que las turbinas se pueden utilizar

de muchas maneras como en una central hidroeléctrica

Las turbinas han evolucionado mucho desde que surgieron como unas simples

ruedas, después empezaron a conectarse a otros aparatos para utilizarse con

máquinas como las de un molino de papel (un claro ejemplo de molino de papel es

el de Capellades ) pero aquí no se detuvo su evolución y siguió evolucionando hasta

las centrales (normalmente eléctricas ) de hoy en día.

Mediante las turbinas hemos podido aprovechar diversas energías que no podrían

haber sido aprovechadas de otra manera.

17. BIBLIOGRAFIA

Mecánica de fluidos y maquinas hidráulicas – Claudio Mataix

Turbinas Hidráulicas – Pedro Fernández Díez

Bombas Centrifugas y Volumétricas - Pedro Fernández Díez

Maquinas Hidraulicas - Urbano Jesús Sánchez Domínguez


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