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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