DENOMINACIÓN: MÁQUINAS HIDRÁULICASCARÁCTER: TRONCALDURACIÓN: ANUAL CRÉDITOS: 9 CRÉDITOS

1.- DENOMINACIÓN: Máquinas Hidráulicas

2.- TITULACIÓN: Ingeniero Técnico Industrial. Especialidad: Mecánica

3.- OBJETIVOS GENERALES

El objetivo de esta asignatura es que el alumno conozca y domine las Máquinas Hidráulicas en profundidad, se trata de barrer todo el campo de dichas máquinas estudiando primeramente las máquinas motoras: Turbinas hidráulicas y eólicas, y Motores Hidráulicos y a continuación las receptoras: bombas y ventiladores, terminando con instalaciones de bombeo simples con el fin de analizar los problemas de regulación y de cavitación de las bombas.

4 ORGANIZACIÓN DE LA ASIGNATURA

La asignatura consta de 7,5 créditos, 6 créditos teóricos (teoría y problemas) y 1,5 créditos prácticos de laboratorio.

La asignatura se imparte en dos clases de dos horas a la semana de teoría y problemas indistintamente, según la teoría explicada y la necesidad de aplicarla en problemas.

Las prácticas de laboratorio se realizaran en grupos reducidos, cómo máximo 20 alumnos, a lo largo del cuatrimestre y siempre a continuación de los conceptos básicos impartidos en las clases teóricas. En las prácticas de laboratorio se pasará lista a los alumnos. Después de la realización de cada práctica, los alumnos, por grupos, deberán realizar un informe con los datos, cálculos y resultados obtenidos en la práctica, y entregarlo en el plazo previamente asignado.

La asignatura exige al alumno un trabajo continuo a lo largo del cuatrimestre, para conseguir con facilidad su asimilación y dominio de los conceptos.

5.- PROGRAMA DE LA ASIGNATURA

MÁQUINAS HIDRÁULICAS

TEMA 1: MÁQUINAS HIDRÁULICAS DEFINICIÓN, CLASIFICACIÓN, FUNDAMENTOS Y DESCRIPCIÓN

Definición de máquinas de fluidos. Clasificación: Máquinas hidráulicas y máquinas térmicas.

Clasificación de máquinas hidráulicas: Según el principio de funcionamiento y según el sentido de conversión de energía. Turbomáquinas hidráulicas, motoras: turbinas, y receptoras: turbobombas.

Definición de turbina hidráulica. Tipos actuales de turbinas: turbina de acción y de reacción. Descripción general de los elementos fundamentales. Diferencias fundamentales. Campos de aplicación. Clasificación de las turbinas hidráulicas.

Definición de turbobomba hidráulica. Elementos fundamentales. Principio de funcionamiento. Campos de aplicación. Clasificación

Máquinas de desplazamiento positivo: Bombas de desplazamiento positivo: Bombas alternativas; bombas rotativas. Motores hidráulicos.

Otras máquinas hidráulicas: Bombas especiales: Tornillo de Arquimedes. Eyectores

Fundamentos de máquinas hidráulicas: Ecuación de la continuidad. Ecuación fundamental de la dinámica de fluidos perfectos o Ecuación de Euler. Ecuación de Bernoulli. Ecuaciones de Navier-Stokes. Ecuación de la cantidad de movimiento. Ecuación del momento cinético.

TEMA 2: FUNDAMENTOS DE TURBOMÁQUINAS HIDRÁULICAS

Definición de turbomáquina. Elementos fundamentales. Clasificación de turbomáquinas: Según la dirección del intercambio de energía y según la dirección del flujo con relación al eje de la máquina.

Formas de respresentación de las turbomáquinas : Planos de respresentación y Métodos de representación.

Descomposición del movimiento en las turbomáquinas. Diagrama de velocidades.

Modificaciones para el caso de un número finito de álabes. Distorsión del diagrama de velocidades.

Conceptos en turbinas: Alturas, Caudales, Potencias, Pérdidas, y Rendimientos.

Conceptos en turbobombas: Alturas, Caudales, Potencias, Pérdidas, y Rendimientos.

Teorema fundamental de las turbomáquinas para el caso de un número infinito de álabes o Teorema de Euler. Aplicación al caso de turbinas. Aplicación al caso de turbobombas. Diferentes expresiones.

Teoría hidrodinámica del ala portante. Flujo alrededor de un perfil aerodinámico simétrico. Perfiles aerodinámicos asimétricos en los álabes de turbobombas y turbinas hidráulicas.

TEMA 3: SEMEJANZA EN TURBOMÁQUINAS

Introducción.

Semejanza geométrica, cinemática y dinámica.

Semejanza hidrodinámica absoluta. Limitaciones en la posibilidad de alcanzarla.

Semejanzas hidrodinámicas restringidas: De Reech-Froude, de Reynolds y geométrica.

Máquinas homólogas. Velocidad específica dimensional o número de Camerer. Clasificación de las turbomáquinas en función del número de Camerer.

Coeficientes óptimos o característicos de velocidad.

Diferencias entre los rendimientos del modelo y prototipo. Efecto de escala.

TEMA 4: ANÁLISIS DIMENSIONAL APLICADO A TURBOMÁQUINAS

Entidades o variables que participan en el fenómeno físico de una turbomáquinas.

Recordatorio del teorema de o de Vaschy-Buckingham. Cálculo de los parámetros adimensionales. Parámetros de Rateau de caudal y de altura.

Teorema fundamental de las turbomáquinas homólogas o teorema de Combes- Bertrand- Rateau.

Turbomáquinas homólogas : ejemplos. Influencia del número de Reynolds.

Calculo de los parámetros de caudal y altura mediante semejanza.

Velocidad específica adimensional. Clasificación de las turbomáquinas según la velocidad específica.

TEMA 5: CENTRALES HIDROELÉCTRICAS

Introducción. Formación del salto de agua.

Disposición de conjunto de una central hidroeléctrica. Elementos fundamentales.

Tipos de centrales según el binomio altura-caudal: de gran salto, De pie de presa. De fin de cauce.

Salto total, bruto, neto, efectivo y real en una central hidroeléctrica. Pérdidas en el proceso de producción y distribución. Energía producida.

Clases de central. De agua corriente y de agua acumulada.

Relación entre la producción y el consumo de energía eléctrica. Evolución histórica.

Centrales de acumulación por bombeo.

Obras civiles de una central hidroeléctrica.

TEMA 6: TURBINAS DE ACCIÓN

Definición de turbina hidráulica. Tipos actuales de turbinas: turbinas de acción y de reacción.

Disposición de conjunto de una turbina Pelton.

Descripción , misión, y funcionamiento de cada uno de los elementos de una turbina Pelton.

Diagrama de transformación de energía en turbinas de acción.

Velocidad específica dimensional en función de las características de la turbina Pelton. Intervalo de valores de la velocidad específica.

Consideraciones sobre las velocidades de una turbina Pelton. Diagrama de velocidades.

TEMA 7: TURBINAS DE REACCIÓN

Disposición de conjunto de una turbina Francis.

Descripción, misión, y funcionamiento de cada uno de los elementos de una turbina Francis.

Diagrama de transformación de energía de turbinas de reacción.

Proceso evolutivo de las turbinas de reacción.- Evolución del rodete con la velocidad específica. Turbina hélice.- Turbina Kaplan.- Turbina Deriaz.- Turbina Bulbo.- Turbina Straflo.- Turbinas-bombas.

Velocidad específica en función de las características de una turbina Francis. Intervalo de valores de la velocidad específica.

Diagramas de velocidad a la entrada y salida del rodete.- Rodetes lentos, normales y rápidos.

Fenómeno de la cavitación. Descripción y expresiones de cálculo.

Selección de turbinas. Condicionamientos técnicos y económicos.

Materiales empleados en la construcción de las turbinas hidráulicas.

TEMA 8 CURVAS CARACTERÍSTICAS Y REGULACIÓN DE LAS TURBINAS HIDRÁULICAS

Obtención de las variables para el trazado de curvas características. Curvas reales y curvas once.

Curvas características de dos variables.

Curvas características de tres o más variables.- Curvas colina.

Función de la regulación de las turbinas. Tipos de regulación.

TEMA 9: TURBINAS EÓLICAS

Generalidades de la energía eólica. Tipos y descripción de turbinas eólicas-

Hipótesis de Rankine. Potencia máxima del viento: Fórmula de Betz.

Características aerodinámicas de las hélices de las turbinas eólicas.

TEMA 10: ELEMENTOS DE UNA TURBOBOMBA

Definición de bomba hidráulica. Clasificación de las bombas hidráulicas: Turbobombas, Bombas de desplazamiento positivo y bombas especiales.

Disposición del conjunto de una turbobomba.

Rodete. Evolución del rodete con la velocidad específica.

Carcasa y sistema difusor de la turbobomba. Tipos de difusor.

Sistemas de sellado: sistemas de sellado interno.- sistemas de sellado externo (caja prensaestopas, cierres mecánicos).

Atenuación de empujes axiales: Discos compensadores de empujes axiales.- Tambores compensadores. Atenuación de empujes radiales.

Eje y casquillos de protección. Rodamientos . Acoplamientos.

TEMA 11: TIPOS CONSTRUCTIVOS DE TURBOBOMBAS

Bombas de una etapa.

Bombas multicelulares o multietapadas.

Bombas de pozo: Con motor desplazable. Bombas sumergibles.

Bombas de achique y de líquidos sucios.

Bombas autocebantes. Bombas aceleradoras. Bombas marinas.

TEMA 12: TRANSFORMACIÓN DE ENERGÍA EN UN SISTEMA DE BOMBEO

Diagrama de transformación de energía en un sistema de bombeo. Diagrama de pérdidas de carga en un sistema de bombeo.

Altura manométrica de la instalación y de la bomba.

Curva característica de una instalación simple de bombeo: Expresión analítica.- Representación gráfica.- Punto de funcionamiento de una bomba trabajando en una instalación.- Modificación de la curva característica de una instalación.

TEMA 13: CURVAS CARACTERÍSTICAS TEÒRICAS DE LAS TURBOBOMBAS

Introducción.

Variables que relacionan las curvas características.

Clases de curvas características.

Obtención de la curva característica ideal para un número infinito. Influencia de 2. Representación gráfica para diferentes valores de 2.

Incidencia de la prerrotación.

Curva característica teórica para un número finito de álabes. Imperfecciones en el guiado. Expresión de Pfleiderer.

Pérdidas hidráulicas. Pérdidas volumétricas. Pérdidas orgánicas o mecánicas.

Expresiones analíticas de la curva característica H-Q teórica de la turbobomba: Altura de Euler, altura interna y altura manométrica.

Parámetros que afectan a la curva característica de una turbobomba.

Curvas características en función de la velocidad específica.

TEMA 14: CURVAS CARACTERÍSTICAS PRÁCTICAS DE LAS TURBOBOMBAS

Banco de ensayo de bombas. Construcción de curvas características. Curvas características comerciales.

Efecto de la densidad, la viscosidad y la gravedad en las curvas características de las turbobombas. Efecto del paso del tiempo en un sistema de bombeo.

Rendimiento en función de la velocidad específica y el caudal. Ábaco de Karassik.

Estabilidad de funcionamiento. Zonas estables e inestables de las bombas

Interpretación del funcionamiento de las turbobombas en el segundo y cuarto cuadrante.

TEMA 15: REGULACIÓN DE TURBOBOMBAS

Métodos para regular el funcionamiento de las turbobombas.

Variación de las curvas características de una bomba al modificar la velocidad de giro.

Variación de las curvas características de una bomba al tornearse el rodete. Igualdad de rendimientos prácticos.

Variación de las curvas características de una bomba al modificar la anchura del rodete en su salida.

Regulación de la bomba mediante cambios en la instalación: Maniobrado de válvula By-pass.

TEMA 16: FUNCIONAMIENTO DE LAS TURBOBOMBAS

Precauciones a adoptar en la puesta en marcha de las turbobombas. Curvas características de la puesta en marcha de las turbobombas.

Arrastre de las turbobombas.

Cavitación en las turbobombas. Descripción del fenómeno. Parámetro de cavitación de Thoma.- Velocidad específica de succión. NPSHdisponible y NPSHrequerido.- Carga de seguridad. Factores que influyen en la cavitación. Obtención del NPSHrequerido en una turbobomba.- Banco de ensayos: ensayo con variación de la presión en el depósito de aspiración y ensayo mediante maniobrado en una válvula de la aspiración.

Funcionamiento de una bomba en vacío y con la válvula de impulsión cerrada.

Bombas funcionando en grupo: en serie.- en paralelo.

Anomalías en el funcionamiento de las turbobombas.

TEMA 17: INSTALACIONES DE BOMBEO SIMPLES

Introducción. Instalaciones de bombeo simples.

Expresión gráfica de la curva característica de la instalación. Elección de la bomba mas apropiada. Punto de funcionamiento. Costo energético.

Regulación del punto de funcionamiento de un sistema de bombeo: Mediante la instalación; mediante la bomba.

Cavitación en un sistema de bombeo.TEMA 18: VENTILADORES

Definición de ventilador.- Clasificación de los ventiladores.

Cargas estática y dinámica.- Ecuación de Euler aplicada a los ventiladores.- Potencia.- Diagramas de transformación de energía: a sobrepresión, a depresión.

Elementos costitutivos. Tipos de ventiladores y campos de aplicación.

Curvas características de los ventiladores. Ensayo de ventiladores. Curva característica de la instalación. Selección de ventiladores.

Regulación de ventiladores. Instalación. Aplicaciones.

TEMA 19: BOMBAS Y MOTORES DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO

Principio de desplazamiento positivo . Características fundamentales. Clasificación de las bombas y de motores de desplazamiento positivo.

Máquinas alternativas. Generalidades: Funcionamiento.- Campos de aplicación.

Clasificación de las Máquinas alternativas de émbolo. Elementos de las Máquinas de émbolo. Asociación de bombas de émbolo.

Máquinas rotativas: Funcionamiento.- Características.- Campos de aplicación. Tipos de bombas rotativas.

6.- PROGRAMA DE PRÁCTICAS DE LABORATORIO

Curvas características de turbinas Francis. Curvas características de turbinas Pelton. Selección de turbinas. Estudio topológico de turbobombas. Estudio topológico de máquinas de desplazamiento positivo. Curvas características de turbobombas. Curvas características de turbobombas con variación de la velocidad de

rotación. Curvas características de turbobombas funcionando en serie. Curvas características de turbobombas funcionando en paralelo. Obtención de la curva de NPSH requerido de una turbobomba. Estudio de instalaciones de bombeo, y obtención de los factores de paso de la

válvula de regulación..

7.- BIBLIOGRAFÍA

Mataix, C. “Turbomáquinas Hidráulicas”. Ed. ICAI- 1975.

Karassik, I. J. Y otros. “Manual de Bombas”. Ed. Mc Graw-Hill

Santos Sabrás, F. “Apuntes de Máquinas Hidráulicas” Volúmenes 1 y 2.

Escuela de Ingenieros Industriales.- Universidad de Navarra.

Manuales de energía renovables. “Energía Eólica”. Ed. Instituto para la

diversificación y ahorro de la energía (IDEA). Biblioteca CINCO DIAS

Almandoz Berrondo J. Y Mongelos Oquiñena B. “ Apuntes de Máquinas

Hidráulicas” E.U.Politécnica Donostia- San Sebastián

Masana J. “Ventiladores y Turbocompresores” Ed. Marcombo

Mannesmann REXROTH “ Training Hidráulico” Volumen I .- Goimendi

Automatismos

Soler y Palau “Ventiladores” Soler y Palau S.A.

8.- TIPO DE EVALUACIÓN

La asignatura tiene una docencia de 7,5 créditos, es decir 75 horas lectivas. De las cuales 60 son teóricas y 15 prácticas. Las primeras se desarrollarán en dos clases semanales de 2 horas totales cada una y las segundas en cinco sesiones de tres horas totales cada una.

La asignatura tiene una vocación eminentemente práctica por lo que los alumnos que cursen la asignatura habrán de hacer una serie de trabajos prácticos con su informe correspondiente en las diferentes sesiones de laboratorio y además una serie de ejercicios sobre temas concretos de la asignatura que se realizarán y recogerán en clase. Los alumnos deberán asistir a las clases teóricas y tendrán obligación de hacerlo a las clases prácticas.

La asignatura se podrá aprobar de alguna de estas dos maneras:

1)      Asistencia obligatoria a las clases teóricas y prácticas y aprobar todos los informes y ejercicios realizados a lo largo de la asignatura. En caso de no aprobar algún informe o trabajo será necesario hacer un examen test de los informes y trabajos no aprobados.

2)      Mediante un examen escrito (3 horas) relacionado con todos los temas de la asignatura para los alumnos que no hayan aprobado la evaluación continua o para los que no asistan a las clases teóricas y/o prácticas

Si se suspendiera en la convocatoria de junio, habría de acogerse al modo segundo para aprobar la asignatura.

8.- CONOCIMIENTOS PREVIOS

Para seguir la asignatura es totalmente imprescindible haber cursado la asignatura de 2º curso, Ingeniería Fluidomecánica