MAQUINAS HIDRAULICAS DE

DESPLAZAMIENTO POSITIVO

Concepcion Paz Penın

Eduardo Suarez Porto

Antonio Eirıs Barca

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MAQUINAS HIDRAULICAS DE

DESPLAZAMIENTO POSITIVO

Concepcion Paz Penın

Eduardo Suarez Porto

Antonio Eirıs Barca

Prologo

Motivacion y objetivos

Se pretende que este libro sea empleado como basico o de referencia durante

los cursos de Maquinas Hidraulicas por parte de los estudiantes de ingenierıa

en su tercer y cuarto ano de estudios, en los cuales el alumno ya ha adquirido

conocimientos de mecanica de fluidos y teorıa de maquinas y mecanismos.

Es necesario tener en cuenta que la literatura previa existente en este cam-

po es escasa (para temas concretos incluso es necesario acudir a informacion

tecnica de fabricantes), no es reciente, y ademas se encuentra muy diseminada.

Los autores, profesores desde hace varios anos en las materias citadas, conside-

ran importante la recopilacion y actualizacion de estos contenidos en un texto

de referencia para el alumno.

Se han tenido en cuenta cuatro aspectos para la realizacion del mismo:

Conducir al estudiante a una comprension clara de los principios de

funcionamiento de las Maquinas Hidraulicas de desplazamiento positi-

vo, teniendo en cuenta que estan fuertemente basados en conocimientos

previos de caracter mas basico como la Mecanica de Fluidos.

Desarrollar una comprension intuitiva mediante la inclusion de conteni-

dos de caracter mas descriptivo. A este fin, este libro dispone de mucha

ayuda visual: numerosos graficos, imagenes, esquemas y diagramas con-

ceptuales en todos los capıtulos.

Relacionar las caracterısticas de diseno y tecnicas con los fundamentos

teoricos de las maquinas de fluidos de desplazamiento positivo, tratando

de ir mas alla de la simple vision de catalogo tecnico que presenta mucha

de la literatura sobre el tema.

Introducir al estudiante en las aplicaciones reales, con ejemplos practicos

resueltos en cada capıtulo, ubicados inmediatamente despues de la ex-

plicacion teorica y una coleccion de problemas conceptuales, de seleccion

y de diseno resueltos al final del libro.

v

vi

Estructura

Este libro esta organizado en cinco capıtulos mas un apendice final de pro-

blemas resueltos. El primer capıtulo incluye una introduccion general a las

maquinas de fluido y presenta su clasificacion primaria. Ya centrados en las

maquinas hidraulicas de desplazamiento positivo (MHDP), el principio de fun-

cionamiento, las caracterısticas y los tipos de dichas maquinas se explican en

el capıtulo 2. La estructura seguida en los siguientes capıtulos de este libro

realiza una separacion primaria entre MHDP generadoras y motoras. Las ma-

quinas generadoras alternativas se analizan en el capıtulo 3 y las rotativas en el

capıtulo 4. El capıtulo 5 se destina conjuntamente al estudio de las maquinas

motoras alternativas y rotativas, dadas sus muchas simulitudes constructivas

con los tipos de bombas ya presentados.

En cada capıtulo, se describe en primer lugar el funcionamiento de cada

maquina. A continuacion, se detalla su clasificacion y, como ultimo nivel en el

estudio, se considera el tipo constructivo. La ventaja de esta estructuracion es

clara, ya que parte de los principios generales comunes y termina explicando

los detalles concretos de cada configuracion. Cada capıtulo contiene varios

ejemplos resueltos que ilustran y aplican los contenidos del parrafo que les

precede.

Notacion y sistema de unidades

Se ha unificado la notacion en las maquinas generadoras y motoras, de

modo que los diagramas de flujo de energıa de ambas sean formalmente iguales

si se recorren en sentido inverso, y a su vez, que esta misma notacion sea

coincidente con la aplicable a las turbomaquinas, aunque no sean objeto de

este libro. Ası, se denota como Q al caudal efectivo, que en el caso de las

bombas es el caudal en la salida, mientras que en los motores, hace referencia

al caudal a la entrada.

En cuanto al sistema de unidades, se ha procurado el uso del SI en la

medida de lo posible, y ası se ha hecho en muchos de los ejercicios resueltos, si

bien, es necesario considerar el hecho de que en la practica es usual el empleo

de, por ejemplo, litros por minuto y bares para expresar caudales volumetricos

y presiones, respectivamente, dados los rangos de operacion habituales de este

tipo de maquinas.

Nomenclatura

A Area embolo[m2

]a Area vastago

[m2

]D Desplazamiento

[m3 rev−1

]e Excentricidad [m]

F Fuerza[kgms−2

]H Altura [m.c.a.]

p Presion[kgm−1 s−2

]P Potencia

[kgm2 s−3

]Q Caudal volumetrico

[m3 s−1

]M Par

[kgm2 s−2

]n Velocidad de giro [rpm]

s Carrera [m]

r Radio [m]

t Tiempo [s]

v Velocidad[ms−1

]V Volumen

[m3

]z Altura [m]

Sımbolos griegos

β Coeficiente de compresibilidad [−]

ε Coeficiente de irregularidad [−]

vii

viii

η Rendimiento [−]

θ Angulo [−]

ρ Densidad[kgm−3

]φ Diametro [m]

ω Velocidad angular de giro[s−1

]Subındices

a Accionamiento

asp Aspiracion

E Entrada

emb Embolo

h Hidraulico

imp Impulsion

m Mecanico

S Salida

t Teorico

v Volumetrico

vas Vastago

Abreviaturas

DE Doble Efecto

MDP Maquinas de Desplazamiento Positivo

MHDP Maquinas Hidraulicas de Desplazamiento Positivo

PDP Principio de Desplazamiento Positivo

SE Simple Efecto

Indice general

Nomenclatura VII

1. MAQUINAS DE FLUIDO 9

1.1. Concepto y definicion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

1.2. Clasificacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

1.2.1. Segun las variaciones de densidad del fluido . . . . . . . 10

1.2.2. Segun el principio de funcionamiento . . . . . . . . . . . 11

1.2.3. Segun el sentido del flujo de energıa . . . . . . . . . . . 12

1.2.4. Otras maquinas de fluido . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

2. MAQUINAS DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO 15

2.1. Principio de funcionamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

2.2. Caracterısticas generales de las Maquinas de Desplazamiento

Positivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

2.2.1. Diferencias entre MDP y TM . . . . . . . . . . . . . . . 16

2.2.2. Parametros importantes en MHDP . . . . . . . . . . . . 18

2.2.2.1. Desplazamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

2.2.2.2. Presion nominal . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

2.2.2.3. Velocidad de giro . . . . . . . . . . . . . . . . 19

2.2.2.4. Caudal teorico . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

2.2.2.5. Otros: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

2.2.3. Presiones, caudales, potencias y rendimientos . . . . . . 21

2.3. Clasificaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

2.3.1. Segun el movimiento del desplazador . . . . . . . . . . . 29

2.3.2. Segun la variabilidad del desplazamiento . . . . . . . . . 30

2.3.3. Segun modo de accionamiento . . . . . . . . . . . . . . 31

2.3.4. Segun compensacion hidraulica . . . . . . . . . . . . . . 32

2.3.5. Segun tipos constructivos . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

1

2

3. BOMBAS VOLUMETRICAS ALTERNATIVAS 37

3.1. Caracterısticas tecnicas bombas alternativas . . . . . . . . . . . 37

3.2. Bombas de embolo simple . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

3.2.1. Principio de funcionamiento . . . . . . . . . . . . . . . . 37

3.2.2. Clasificacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

3.2.3. Desplazamiento. Caudal. Coeficiente de irregularidad . . 52

3.2.4. Caracterısticas tecnicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

3.2.5. Campos de aplicacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

3.3. De diafragma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

3.3.1. Principio de funcionamiento.Tipos . . . . . . . . . . . . 58

3.3.2. Desplazamiento. Caudal . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

3.3.3. Caracterısticas tecnicas. Aplicaciones . . . . . . . . . . . 64

4. BOMBAS VOLUMETRICAS ROTATIVAS Y PERISTALTI-

CAS 67

4.1. Caracterısticas de las bombas volumetricas rotativas . . . . . . 67

4.1.1. Diferencias entre las bombas rotativas y alternativas . . 68

4.1.2. Clasificaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

4.2. Bombas de engranajes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

4.2.1. De engranajes externos . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

4.2.1.1. Funcionamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

4.2.1.2. Desplazamiento. Caudal . . . . . . . . . . . . . 71

4.2.1.3. Caracterısticas. Aplicaciones . . . . . . . . . . 72

4.2.2. De engranajes internos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

4.2.2.1. Funcionamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

4.2.2.2. Caracterısticas. Aplicaciones . . . . . . . . . . 80

4.2.3. De rotor lobular . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

4.2.3.1. Funcionamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

4.2.3.2. Caracterısticas. Aplicaciones . . . . . . . . . . 81

4.3. Bombas de paletas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

4.3.1. Bombas de paletas rıgidas . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

4.3.1.1. Rotor excentrico . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

4.3.1.2. Estator ovalado . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

4.3.1.3. Paletas fijas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

4.3.1.4. Detalles constructivos de las bombas de paletas 87

4.3.1.5. Caracterısticas. Aplicaciones . . . . . . . . . . 91

4.3.2. Paletas flexibles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

4.3.2.1. Funcionamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

4.3.2.2. Caracterısticas. Aplicaciones . . . . . . . . . . 92

4.4. Bombas de pistones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

INDICE GENERAL 3

4.4.1. Bombas de pistones radiales . . . . . . . . . . . . . . . . 93

4.4.1.1. Funcionamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

4.4.2. Bombas de pistones paralelos axiales . . . . . . . . . . . 96

4.4.2.1. Funcionamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . 96

4.4.2.2. Desplazamiento. Cargas inducidas . . . . . . . 97

4.4.3. De pistones paralelos en angulo . . . . . . . . . . . . . . 100

4.4.3.1. Funcionamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . 100

4.4.3.2. Desplazamiento. Cargas inducidas . . . . . . . 101

4.4.4. Caracterısticas. Aplicaciones . . . . . . . . . . . . . . . 102

4.5. Bombas de helicoide o tornillo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103

4.5.1. Funcionamiento. Clasificacion . . . . . . . . . . . . . . . 103

4.5.2. Bomba de tornillo simple . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

4.5.2.1. Funcionamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

4.5.2.2. Desplazamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . 105

4.5.2.3. Caracterısticas. Aplicaciones . . . . . . . . . . 105

4.5.3. Bombas de tornillo multiple . . . . . . . . . . . . . . . . 106

4.5.3.1. Funcionamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . 106

4.5.3.2. Caracterısticas. Aplicaciones . . . . . . . . . . 107

4.6. Bombas peristalticas o de tubo flexible . . . . . . . . . . . . . . 107

4.6.1. Funcionamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107

4.6.2. Caracterısticas. Aplicaciones . . . . . . . . . . . . . . . 108

5. MOTORES HIDRAULICOS 109

5.1. Introduccion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109

5.2. Motores alternativos o cilindros . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111

5.2.1. Clasificacion. Tipos. Caracterısticas . . . . . . . . . . . 111

5.3. Motores rotativos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113

5.3.1. Clasificacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113

5.3.2. Caracterısticas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114

5.3.2.1. Desplazamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . 114

5.3.2.2. Par . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115

5.3.2.3. Presion neta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115

5.3.3. Diagrama de energıa en motores hidraulicos . . . . . . . 115

5.3.4. Motores de engranajes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117

5.3.5. Motores de paletas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118

5.3.6. Motores de pistones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119

5.3.7. Motores de tornillo helicoidal . . . . . . . . . . . . . . . 120

5.4. Actuadores giratorios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120

5.4.1. Clasificacion. Tipos. Caracterısticas . . . . . . . . . . . 120

4

I PROBLEMAS 123

II BIBLIOGRAFIA 157

Indice de figuras

1.1. Distintos tipos de maquinas de fluido. . . . . . . . . . . . . . . 9

1.2. Principio de desplazamiento positivo. . . . . . . . . . . . . . . . 11

1.3. Conservacion del momento cinetico. . . . . . . . . . . . . . . . 12

1.4. Clasificacion de las maquinas de fluido. . . . . . . . . . . . . . . 13

1.5. Ejemplos de maquinas de fluido hidraulicas. . . . . . . . . . . . 14

2.1. Analisis del principio de desplazamiento positivo. . . . . . . . . 15

2.2. Curvas p−Q. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

2.3. Esquema de presiones en una MDP. . . . . . . . . . . . . . . . 19

2.4. Caudales y presiones en MHDP generadoras y motoras. . . . . 22

2.5. Analisis del flujo en la holgura adyacente a dos camaras de

bombeo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

2.6. Diagrama de potencias maquinas generadoras y motoras. . . . 26

2.7. Perdidas volumetricas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

2.8. Curvas caracterısticas de MHDP. . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

2.9. Segun el movimiento del desplazador. . . . . . . . . . . . . . . 29

2.10. Segun la variabilidad del desplazamiento. . . . . . . . . . . . . 31

2.11. Modos de accionamiento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

2.12. Segun compensacion hidraulica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

2.13. Cabestrante. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

2.14. Ascenso de la vagoneta. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

3.1. Elementos bomba de embolo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

3.2. Principio de funcionamiento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

3.3. Clasificacion atendiendo al tipo de embolo. . . . . . . . . . . . 42

3.4. Tipos de accionamiento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

3.5. Clasificacion atendiendo a la aplicacion. . . . . . . . . . . . . . 44

3.6. Esquema de una bomba de extraccion de crudo. . . . . . . . . . 48

3.7. Esquema de fuerzas sobre el embolo. . . . . . . . . . . . . . . . 49

3.8. Clasificacion atendiendo al modo de funcionamiento. . . . . . . 51

5

6

3.9. Mecanismo biela - manivela. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

3.10. Caudal instantaneo de una bomba de simple efecto. . . . . . . . 54

3.11. Caudal instantaneo de una bomba de doble efecto. . . . . . . . 55

3.12. Caudal instantaneo de una bomba trıplex. . . . . . . . . . . . . 56

3.13. Camara de aire a la salida de la bomba. . . . . . . . . . . . . . 57

3.14. Bombas de diafragma segun accionamiento. . . . . . . . . . . . 59

3.15. Desplazamiento de una bomba de diafragma. . . . . . . . . . . 60

3.16. Esquema de la bomba de diafragma empleada. . . . . . . . . . 61

3.17. Esquema de los desplazamientos requeridos para cada producto. 62

4.1. Engranajes externos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

4.2. Calculo del desplazamiento de una bomba de engranajes externos. 72

4.3. Curvas caracterısticas de una bomba de engranajes. . . . . . . 74

4.4. Esquema de la bomba de engranajes del ejercicio. . . . . . . . . 75

4.5. Bomba de media luna. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

4.6. Bomba de media luna detalle seccion. . . . . . . . . . . . . . . 78

4.7. Bomba de engranajes internos tipo gerotor. . . . . . . . . . . . 79

4.8. Funcionamiento de bomba gerotor. . . . . . . . . . . . . . . . . 79

4.9. Detalle del desplazamiento de bomba tipo gerotor. . . . . . . . 80

4.10. Bomba de rotor lobular. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

4.11. Bomba de paletas de rotor excentrico. . . . . . . . . . . . . . . 83

4.12. Excentricidad maxima de la bomba de paletas y rotor excentrico. 83

4.13. Excentricidad media de la bomba de paletas y rotor excentrico. 84

4.14. Esquema de bomba de paletas de estator ovalado. . . . . . . . . 85

4.15. Desplazamiento de bomba de paletas de estator ovalado. . . . . 85

4.16. Esquema de una bomba de paletas fijas. . . . . . . . . . . . . . 86

4.17. Corte meridional (detalle constructivo) de una bomba de paletas. 87

4.18. Detalle paletas: diseno achaflanado, de doble paleta y de doble

paleta perforada. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

4.19. Detalle de disenos de bombas de paletas mas avanzados. . . . . 88

4.20. Bomba de paletas de dos etapas. . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

4.21. Sistema de desplazamiento variable con compensacion de presion. 90

4.22. Curva caracterıstica ideal de la bomba de paletas con compen-

sacion de presion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

4.23. Compensacion directa y pilotada. . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

4.24. Bomba de paletas flexibles. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

4.25. Detalle de bomba de pistones radiales de bloque excentrico. . . 95

4.26. Bombas de pistones radiales con accionamiento de leva. . . . . 95

4.27. Detalle de bomba de pistones paralelos axiales. . . . . . . . . . 96

4.28. Patines de sustentacion hidrostatica. . . . . . . . . . . . . . . . 96

INDICE DE FIGURAS 7

4.29. Regularidad/rizado para distinto numero de pistones. . . . . . 98

4.30. Esquema variacion del Desplazamiento de una bomba de pisto-

nes paralelos axiales. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

4.31. Diagrama de fuerzas en bomba de pistones axiales paralelos. . . 99

4.32. Detalle tridimensional de bomba de pistones en angulo. . . . . 100

4.33. Esquema de funcionamiento de bomba de pistones en angulo. . 101

4.34. Cargas soportadas por una bomba de pistones en angulo. . . . 102

4.35. Transporte axial y transporte circunferencial de las camaras de

bombeo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103

4.36. Bomba de tornillo simple. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

4.37. Bombas de tornillo multiple. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

4.38. Desplazamiento de bomba de rotor simple. . . . . . . . . . . . . 105

4.39. Efecto del numero de etapas en una bomba de tornillo. . . . . . 106

4.40. Esquemas de entradas simple y entrada doble en una bomba de

tornillo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107

4.41. Esquema de bomba peristaltica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108

5.1. Cilindro tipo Buzo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112

5.2. Cilindro telescopico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112

5.3. Cilindro de doble efecto. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113

5.4. Cilindro de doble vastago. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113

5.5. Flujo de energıa en un motor hidraulico. . . . . . . . . . . . . . 115

5.6. Motor de engranajes externos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118

5.7. Curvas caracterısticas de un motor de pistones. . . . . . . . . . 120

5.8. Actuador rotativo de paleta. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121

5.9. Actuadores rotativos de piston. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121

5.10. Motor hidraulico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125

5.11. Esquema carrera de ida. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128

5.12. Esquema carrera de vuelta. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128

5.13. Esquema carrera de subida. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130

5.14. Esquema carrera de bajada. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131

5.15. Esquema de una hidrolimpiadora. . . . . . . . . . . . . . . . . . 132

5.16. Esquema de bomba oscilante de accionamiento manual. . . . . 136

5.17. Volumen desalojado en un ciclo, representado por el area som-

breada. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137

5.18. Esquema de una bomba simple efecto de embolo diferencial. . . 138

5.19. Diagrama de caudales aspirado e impulsado en un ciclo de fun-

cionamiento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140

5.20. Esquema de una bomba de engranajes externos. . . . . . . . . . 141

5.21. Esquema de un circuito oleo-hidraulico. . . . . . . . . . . . . . 144

8

5.22. Diagrama de potencias maquinas generadoras y motoras. . . . 145

5.23. Esquema bomba. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149

5.24. Bomba alternativa actuada mediante un biela-manivela. . . . . 151

Capıtulo 1

MAQUINAS DE FLUIDO

1.1. Concepto y definicion

Una maquina es un dispositivo transformador de energıa. Recibe una ener-

gıa de una cierta clase y entrega en la salida otro tipo de energıa.

Se dice que una maquina es una maquina de fluido si recibe o entrega

energıa de/a un fluido, respectivamente. A este tipo de maquinas pertene-

cen mecanismos tan separados en el tiempo y de caracterısticas tan dispares

como, por ejemplo, el tornillo de Arquımedes y un aerogenerador tripala, re-

presentados de forma esquematica en la Figura 1.1. El primero, cuya invencion

se atribuye a Arquımedes de Alejandrıa (287− 212a.C.) fue utilizado para el

bombeo de agua en las minas y para el riego en la antigua Roma y Egipto. El

diametro del rotor de un moderno aerogenerador de 4,5MW puede rondar los

130m, (Figura 1.1).

130 m

Figura 1.1: Distintos tipos de maquinas de fluido.

9

10

1.2. Clasificacion

Como ya se ha dicho, las maquinas de fluido comprenden un amplio gru-

po de dispositivos, por lo que existen diversos criterios para su clasificacion.

Es comunmente aceptado que los criterios mas relevantes que dividen a las

maquinas de fluido en grupos diferenciados, tanto para su estudio como cons-

tructivamente, son:

las variaciones de densidad del fluido

el principio de funcionamiento

el sentido del flujo de energıa

1.2.1. Segun las variaciones de densidad del fluido

La clasificacion primaria de las maquinas de fluido atiende a las variaciones

de densidad del fluido en la maquina, criterio segun el cual se separan en

maquinas hidraulicas y maquinas termicas [10, 13].

Maquinas hidraulicas son aquellas en las que la densidad del fluido no

varıa de forma apreciable a su paso a traves de la maquina, y por tanto,

en su diseno y estudio puede suponerse que la densidad del fluido es

constante y es valida la hipotesis de incompresibilidad1. Bombas, venti-

ladores, turbinas hidraulicas, cilindros y motores hidraulicos pertenecen

este grupo [10].

Maquinas termicas son aquellas en las que el fluido en su paso a traves

de la maquina varıa sensiblemente su densidad. Turbinas de gas, turbi-

nas de vapor, motores de combustion interna alternativos, soplantes y

compresores2 forman parte del grupo de las maquinas termicas [9].

De la definicion del coeficiente de compresibilidad β de un fluido

β =− 1V

(dVd p

)T=

1ρ

dρd p

=⇒ dρ = ρβd p (1.1)

se deduce que las variaciones de densidad en la maquina dependen de

la densidad y compresibilidad del fluido y de las diferencias de presion. La

definicion anterior explica la clasificacion del compresor como maquina termica

1Recuerdese que los fenomenos de compresibilidad (o cambios significativos de densidaddebidos al flujo) deben tenerse en cuenta cuando el numero de Mach alcanza valores delorden de 0,3.

2Habitualmente, se considera soplante cuando 0,3<Ma<0,7 y compresor para valores deMa superiores a 0,7.

1.2. Clasificacion 11

y la del ventilador como maquina hidraulica, aun cuando ambas son maquinas

de fluido que operan con aire.

1.2.2. Segun el principio de funcionamiento

Considerando su principio de funcionamiento, las maquinas de fluido se

clasifican en maquinas de desplazamiento positivo, turbomaquinas y maquinas

gravimetricas.

Las maquinas de desplazamiento positivo, tambien llamadas maquinas

volumetricas, basan su funcionamiento en el Principio de Desplazamiento

Positivo (PDP), segun el cual, la variacion de volumen de una camara en

la que se confina al fluido, produce el movimiento del mismo. En lo que

sigue, utilizaremos las siglas MDP para referirnos a ellas. La inmersion

de un solido en un recipiente con lıquido y la utilizacion de una jeringuilla

(Figura 1.2) son ejemplos cotidianos de aplicacion de este principio.

V

V

Figura 1.2: Principio de desplazamiento positivo.

Las turbomaquinas (abreviadamente, TM) basan su funcionamiento en el

teorema de conservacion del momento cinetico o ecuacion de Euler de las

turbomaquinas. El fluido, a su paso por los conductos de un organo que rota,

denominado rotor o rodete, varıa su momento cinetico (Figura 1.3).

En las maquinas gravimetricas, el intercambio de energıa entre maquina

y fluido se realiza en forma de energıa potencial gravitatoria. Ejemplos de

maquinas gravimetricas son el tornillo de Arquımedes, la noria y la rueda

12

R1

R2�

c2

c1

U1

U2

Figura 1.3: Conservacion del momento cinetico.

hidraulica. Por motivos obvios, todas ellas son maquinas hidraulicas, no

existiendo sus homologos como maquinas termicas.

1.2.3. Segun el sentido del flujo de energıa

Dependiendo del sentido del flujo de energıa, las maquinas de fluido pueden

ser generadoras o motoras.

Las maquinas generadoras absorben energıa mecanica y, de forma mas

o menos eficiente, se la entregan al fluido que las atraviesa. A este grupo

pertenecen bombas, ventiladores, soplantes y compresores.

Las maquinas motoras son maquinas que extraen la energıa del fluido y

entregan energıa mecanica. Maquinas motoras son los cilindros hidrau-

licos y neumaticos, motores, turbinas y aerogeneradores.

Atendiendo a estos tres criterios, la Figura 1.4 muestra la clasificacion de las

maquinas de fluidos recuadrando las maquinas objeto de este manual.

1.2.4. Otras maquinas de fluido

Las maquinas de fluido puede estar constituidas por mas de un elemento

simple (motor y/o generador) de alguno de los grupos descritos en la seccion

precedente.

Se denominan maquinas de multiples escalonamientos o multietapa [8,

10] a aquellas que presentan mas de un elemento simple del mismo tipo

(motor o generador) dispuestos en serie en un mismo eje, con la finalidad

de aumentar la altura util con el mismo caudal.

Las maquinas compuestas estan formadas por un elemento motor y uno

generador. Se emplean para transmitir potencia entre dos ejes con un

fluido como intermediario. Dentro de esta categorıa se encuentran los

1.2. Clasificacion 13

Máquinas de

Fluido

HIDRÁULICAS

TÉRMICAS

Motoras

Generadoras

Gravimétricas

Volumétricas

Turbomáquinas

Motoras

Generadoras

Atendiendo a la

compresibilidad

del flujo

Atendiendo al

principio de

funcionamiento

Atendiendo al

sentido del flujo de

energía

Figura 1.4: Clasificacion de las maquinas de fluido.

turbocompresores [9] y las transmisiones hidraulicas. Estas ultimas, a su

vez, son de dos tipos: si ambos elementos, generador y motor, son ma-

quinas volumetricas, constituyen una transmision hidrostatica; mientras

que si ambos son turbomaquinas, el conjunto se denomina transmision

hidrodinamica [4].

A las maquinas de fluido que pueden funcionar, ora como generador,

ora como motor, se les denomina reversibles. Las maquinas de desplaza-

miento positivo son, casi todas, reversibles. Por el contrario, una turbo-

maquina que presente buen rendimiento en ambas condiciones de fun-

cionamiento requiere de un cuidadoso diseno. Estas son utilizadas desde

mediados del siglo XX en las centrales de acumulacion por bombeo, para

el trasvase entre dos embalses situados a diferentes niveles en los pe-

rıodos de baja demanda energetica. En horas punta, pueden funcionar

como turbina utilizando la energıa potencial previamente almacenada.

Otros criterios mas especıficos que suelen emplearse en la clasificacion de las

maquinas de fluido son: la inclinacion del eje, la velocidad especıfica, el tipo

de fluido, etc.

A modo de presentacion se muestran ejemplos de maquinas de fluido hi-

draulicas en la Figura 1.5. En lo que sigue, nos centraremos en las maquinas

hidraulicas de desplazamiento positivo (MHDP).

14

(a) Corte de una turbo-bomba radial (Turboma-quina generadora de flujoradial).

(b) Rodete de turbo-maquina generadora(de flujo axial).

(c) Corte de una bomba de en-granajes internos (Maquina dedesplazamiento positivo generado-ra/motora)

(d) Turbina Pelton (Turboma-quina motora de accion, flujocircunferencial y admision par-cial).

(e) Cilindro de simple efecto (Maquina dedesplazamiento positivo motora alternati-va).

(f) Barrilete de una bom-ba de embolos multiples(Maquina de desplaza-miento positivo generado-ra alternativa).

Figura 1.5: Ejemplos de maquinas de fluido hidraulicas.