Maquinas hidrulicas de desplazamiento positivo.IntroduccinLas mquinas de desplazamiento positivo, motores y bombas constituyen otra clase de las cuales fueron divididas las maquinas hidrulicas. Estas mquinas tienen una ventaja con respecto a las turbo mquinas ya que su teora es mucho ms sencilla.Esta clase, adems del grupo importante de las bombas de embolo, comprende el grupo compuesto por los cilindros hidrulicos y neumticos, las bombas y motores rotativos, grupo muy numeroso y variadsimo, que constituye hoy da en los pases ms desarrollados una industria floreciente, la cual encuentra cada nuevas aplicaciones en el campo de las transmisiones y controles hidrulicos y neumticos y el automatismo.Esta campo de las transmisiones y controles es un dominio casi exclusivo de las mquinas de desplazamiento positivo; mientras que en el campo de bombeo de lquidos y gases las turbo mquinas han invadido y seguirn invadiendo cada vez ms el dominio en otro tiempo exclusivo de las mquinas de embolo. Uno y otro hecho se fundan en el distinto principio de funcionamiento.Principio de operacinPrincipio de desplazamiento positivoEl funcionamiento de las mquinas de desplazamiento positivo no se basa, como el de las turbo maquinas en la ecuacin de Euler sino en el principio del desplazamiento positivo. En el interior del cilindro en que se mueve un embolo con movimiento uniforme y velocidad v hay un fluido a la presin p. Supondremos que tanto el cilindro como el embolo son rgidos o indeformables y que el fluido es incompresible. El movimiento del embolo se debe a la fuerza aplicada F. El embolo al moverse desplaza al fluido a travs del orificio de la figura. Si el embolo recorre un espacio l hacia la izquierda el volumen ocupado por el lquido reducir en un valor igual a Al (donde A es el rea trasversal del embolo). Como el fluido es incompresible el volumen de fluido que sale por el orificio ser tambin Al.

El tiempo y empleado en recorrer la distancia l es:

El caudal Q o volumen desplazado en la unidad de tiempo ser, teniendo en cuenta:

Si no hay rozamiento la potencia comunicada al fluido ser:

Pero F=pA; luego

Es evidente que el esquema que se muestra puede funcionar como bomba o como motor, es decir, la maquina puede absorber potencia mecnica, Fv y restituir potencia hidrulica Qp (bomba) o viceversa. Tanto en un caso como en otro queda en evidencia que:El principio de desplazamiento positivo consiste en el movimiento de un fluido causado por la disminucin del volumen de una cmara.Por tanto en una mquina de desplazamiento positivo: el rgano intercambiador de energa no tiene necesariamente movimiento alternativo (embolo), sino que puede tener un movimiento rotativo (rotor). Sin embargo, en las mquinas de desplazamiento positivo tanto alternativos como rotativos, siempre hay una cmara que aumenta de volumen (succin en una bomba) y disminuye de volumen (impulsin). Por eso estas mquinas se llaman tambin maquinas volumtricas. Adems, si el rgano transmisor de energa tiene movimiento rotativo, la maquinase llama roto esttica para distinguirlas de las rotodinmicas.Una maquina rotoesttica es una mquina de desplazamiento positivo de movimiento rotativo.El intercambiador de energa de fluido se hace siempre en forma de presin, en contraposicin a las turbomquinas, en las que los cambios en la direccin y valor de la velocidad del fluido juegan un papel esencial.Las turbomquinas basadas en la ecuacin de Euler por lo general no son reversibles, una bomba rotodinmica al funcionar como turbina empeora su rendimiento, y en algunos casos es incapaz de producir potencia til alguna. La razn es que los ngulos de los alabes juegan un papel decisivo en la transmisin de la energa, y al funcionar como turbina los alabes poseen ya los ngulos apropiados.Por el contrario, el principio de desplazamiento positivo hace que todas las maquinas basadas en el sean fundamentalmente reversibles. El que algunas mquinas prcticamente no lo sean no es en virtud de la hidrulica, sino de la mecnica del aparato. Por ejemplo, ciertas bombas de paletas deslizantes funcionado como motor a pequeas velocidades pueden no llegar a desarrollar la fuerza centrfuga necesaria para producir suficiente estanqueidad.En las transmisiones y controles se emplean casi exclusivamente las mquinas de desplazamiento positivo; quedando casi eliminadas de este dominio las turbomquinas.Para ello existen dos razones:1. En las turbomquinas al variar la presin vara el caudal. Si, por ejemplo, se emplease una bomba rotodinmica para el sistema de presin de accionamiento hidrulico de una excavadora, al encontrar esta mayor resistencia en el terreno se reducir la velocidad de trabajo dela misma. Si se emplea una bomba rotoesttica, no2. Una bomba rotodinmica da una presin mxima. Si aumenta la resistencia aumenta la presin necesaria en la bomba, que no puede exceder dicho valor mximo y la maquina se calara. La bomba rotoesttica, no.Clasificacin de las mquinas de desplazamiento positivo.El rgano principal de las mquinas de desplazamiento positivo, que designaremos con el nombre genrico de desplazado, tiene la misin de intercambiar energa con el lquido, lo que indica un desplazamiento del mismo.Sin embargo, es fcil clasificar estos diseos atendiendo a dos criterios distintos:Primer criterio: Segn el tipo de movimiento del desplazado, las mquinas de desplazamiento positivo se clasifican en: Maquinas alternativas Maquinas rotativasSegundo criterio: Segn la variabilidad del desplazamiento se clasifican en: Mquina de desplazamiento fijo Mquina de desplazamiento variable.La variacin del desplazamiento es una maquina alternativa es fcil: basta con variar la carrera del embolo. En algunas mquinas rotativas tambin es fcil basta con variar la excentricidad del rotor.Desplazamiento D, es el volumen desplazado en una revolucin. Por tanto el caudal Q, en las mquinas de desplazamiento positivo ser:

En muchas aplicaciones interesa variar el caudal. Segn la ecuacin anterior esto puede lograrse variando n; pero no es recomendable y se usa poco. Lo mas ordinario es variar el desplazamiento D, como se acaba de explicar.Mquinas de desplazamiento positivo: Maquinas AlternativasExisten multitud de variantes en la construccin de estas bombas. Como ejemplo una bomba de cilindro oscilante que carece de vlvulas cuyo funcionamiento se basa en la oscilacin del cilindro, que pone en comunicacin las cmaras de izquierda y derecha alternativamente con la aspiracin y la impulsin.

Otra variante es la bomba diferencial. La supervise del cilindro a la derecha es mayor que a la izquierda. Cuando el embolo se mueve hacia la derecha parte del caudal que sale de la vlvula de impulsin sale definitivamente de la bomba; mientras que la otra parte retrocede para llenar el espacio izquierdo del cilindro. Esta bomba funciona como una bomba de simple efecto en la aspiracin y como una bomba de doble efecto en la impulsaran y, sin embargo, solo tiene dos vlvulas.

Mquinas de desplazamiento positivo: Mquinas rotativas.Son mquinas roto estticas de desplazamiento positivo dotadas de movimiento rotativo.Estas mquinas se construyen en inmensa variedad de modelos y continuamente aparecen nuevos tipos. Aunque tienen movimiento rotativo como las turbo mquinas, el principio hidrulico de funcionamiento es el mismo que el de una bomba de embolo. Consta de un estator y de un rotor, dotado este ltimo de paletas, embolo, etctera, segn el tipo de la mquina.Se clasifican segn: el rgano desplazado y la variacin de caudal (segn el segundo criterio) Mquina de embolo Mquina de engranajes Mquina de paletas.A su vez los de embolo se clasifican en: De mbolos radiales De mbolos axialesA su vez los de engranajes se clasifican en: De engranajes externos De engranajes internos De tornillo De lbulosA su vez los de paletas se clasifican en: Deslizantes Oscilantes Bastara con mencionar de todos estos, los ms importantes.Mquinas de paletas deslizantes: Al girar el rotor excntrico con relacin a la carcasa en sentido de las agujas del reloj de A a B aumenta el volumen, se crea una succin y entra el lquido por el conducto y la lumbrera de admisin; de B a A el volumen entre el rotor y la carcasa disminuye y el lquido es impulsado por la lumbrera y el conducto de salida: el principio de funcionamiento de esta mquina es, pues, el mismo que el de una bomba de embolo: un volumen que aumenta y realiza la succin y luego disminuye realizando la impulsin.

Mquinas de mbolos radiales: Esta mquina es muy utilizada para trabajo pesado en prensas, maquinaria de acereras, etc., as como en mquinas herramientas y se adapta con facilidad al tipo de desplazamiento variable. Se construyen hasta presiones superiores de 250 bares.

Mquinas de mbolos axiales: Esta mquina consta de estator o carcasa en cuyo interior giran el eje con el bloque, donde axialmente estn dispuestos los mbolos. El eje se extiende a travs del bloque que lleva la placa oscilante montada sobre los cojinetes de rodillos. Los vstagos de los cilindros estn montados con Cardan sobre la placa. La placa oscilante puede girar a ambos lados de la perpendicular al eje.

Mquina de engranajes externos: Las bombas de este tipo encuentran mltiples aplicaciones. Al girar en el sentido de las flechas, en el lado de admisin siempre hay dos dientes que se separan, creando un vaco, con lo que el lquido penetra en el estator, y es desplazado por los espacios entre los dientes y el estator hacia la impulsin, donde por lo contrario siempre hay dos nuevos dientes que engranan y expulsan al lquido.

En resumen atendiendo a los dos criterios enunciados, las mquinas de desplazamiento positivo se clasifican en cuatro grupos: Maquinas alternativas de desplazamiento fijo Maquinas alternativas de desplazamiento variable Maquinas rotativas de desplazamiento fijo Maquinas rotativas de desplazamiento variableLos primero dos grupos o maquinas alternativas tienen dos campos de aplicacin distinta:1. Bombeo de lquidos.2. Transmisiones y controles hidrulicos y neumticos.

Parmetros principalesPresinLas bombas de embolo prcticamente no tienen lmite de presiones. Actualmente se construyen para presiones de 1000 bar y an mayores. Para aumentar la presin basta hacer la bomba ms robusta y el motor ms potente. El principio de desplazamiento positivo demuestra que tericamente cualquier presin es alcanzable. Sin embargo, las bombas roto estticas con excepcin de las de tornillo, no se adaptan tan bien a presiones mayores de 30 bares.Las bombas rotodinmicas, centrifugas y axiales alcanzan grades presiones, aumentando el nmero de escalonamiento; pero si este nmero es excesivo el rendimiento disminuye mucho. Sin embargo, la tendencia moderna muestra una invasin muy acusada de las bombas rotodinmicas en el campo de las grandes presiones: se construyen para alimentacin de calderas de vapor en centrales trmicas bombas de presin superior a los 350 bar.CaudalesLas bombas de embolo se adaptan solo a caudales limitados. Para aumentar el caudal en ellas hay que aumentar el tamao de la mquina, porque, siendo como veremos en estas mquinas el flujo pulsatorio, los fenmenos de inercia impiden aumentar el caudal mediante el aumento de velocidad.Las bombas rotodinmicas se adaptan fcilmente a grandes caudales.En resumen: Las bombas de embolo se adaptan ms a grandes presiones y pequeas caudales y las bombas rotodinmicas a pequeas presiones y grandes caudales. Las bombas rotodinmicas a pequeas presiones y grandes caudales. Las bombas rotodinmicas son mquinas de mayor numero especifico de revoluciones que las bombas de embolo.Caudal para bombas de embolo.Para un mecanismo de biela manivela corresponde a cada revolucin del motor dos carreras (ida y vuelta) s del embolo; pero solo en una realiza la impulsin. Por tanto ser:Caudal terico

Donde: A = rea transversal del emboloS = CarreraAs = D = Desplazamiento o volumen desplazado en una revolucinN = RPM del cigeal Luego el caudal terico de una bomba de embolo es directamente proporcional al rea del embolo, a la carrera y al nmero de revoluciones del motor, y no depende de la presin creada por la bomba. Esta ltima determina la potencia absorbida por la bomba para bombear un caudal determinado.Caudal realEl caudal real es menor que el teorico, por el hecho de las fugas debidas al retraso de cierre en las vlvulas, a que las vlvulas no son estancas, y a las perdidas exteriores en el prensaestopas por donde el eje atraviesa el embolo. Adems por el aire mezclado con le liquido impulsado que se desprende a causa del vaco creado por la bomba, y que penetra por el tubo de aspiracin si no es estanco, disminuye el caudal. Todas estas prdidas se tienen en cuenta en el rendimiento volumtrico:

Caudal instantneoEste caudal no es constante como en las bombas rotodinmicas, lo que constituye una desventaja, sino pulsa torios. En efecto en la siguiente figura:

W = Velocidad angular constante de la manivelaR = Radio de la manivelaL = Longitud de la bielaWt = Angulo de giro de la manivelaX = Camino recorrido por el embolo desde el punto muerto superiorD = Desplazamiento V = Velocidad del emboloS = 2r = Carrera del emboloY siendo la relacin r/l pequea ab = ac = x. Entonces x = r bd = r r cos o = r ( l cos o).Por otra parte:

Pero v = 0 tanto para = 0 (punto muerto superior) como para = (punto muerto inferior); luego entre ambos valores hay un mximo cuyo valor tiene lugar para:

Luego la velocidad no es constante, sino que sigue una ley sinodal. El volumen desplazado en un recorrido infinitesimal del embolo ser

Pero

Luego

Y el caudal instantneo ser

Que no es constante, sino que sigue una ley sinusoidalComo Y el desplazamiento o volumen impulsado en una revolucin ser:

El caudal total ser:

Caudal para bombas multiplexLas bombas multiplex tienen la ventaja de aminorar las pulsaciones del caudal, as como aumentar el caudal total de la bomba. Es evidente que el caudal terico Q de esta bomba ser:

Donde: A = es el rea del emboloA = Es el rea del vstagoS= carreraEsta bomba consigue mucha mayor uniformidad de caudal con poca complicacinPotencia Indicada o potencia interna de una bomba de embolo

Potencia til

RendimientoRedimiendo hidrulico

Rendimiento total

El rendimiento total en las bombas oscila de 0.70 a 0.92 segn tamao, tipo y calidad de construccinCircuitos hidrulicosLas posibilidades de combinacin de los diferentes elementos hidrulicos son enormes pudiendo disearse un circuito diferente para cada aplicacin. Sin embargo los circuitos presentas ciertas similitudes especialmente los utilizados para funciones similares.Circuito de generacin de energa hidrulica.El circuito de potencia bsico consta de una bomba, movida por un motor elctrico o de combustin interna, un tanque o depsito en el que se almacena el fluido, un filtro de aspiracin y una vlvula de seguridad.La vlvula de seguridad desva el caudal de la bomba al tanque y la presin en la descarga supera un valor predeterminado.Circuitos de utilizacinLas finalidad de los circuitos de utilizacin o transmisiones hidrostticas es equipara el par y la velocidad del impulsor primario (Bomba) a las necesidades de par y velocidad de la carga (Motor).Las transmisiones hidrostticas pueden ser de circuito abierto o circuito cerrado.Circuito cerradoEn los circuitos cerrados el fluido despus de trabajar en el motor va a ser aspirado directamente por la bomba.Se describir un sencillo circuito cerrado unidireccional en el que la bomba es de desplazamiento variable y por lo tanto la velocidad del motor viene determinada por el caudal de la misma.El par del motor depende de su desplazamiento y del taraje de la vlvula de seguridad.Debido a las fugas el caudal de retorno del motor a la bomba es siempre inferior al caudal de descarga lo que si no se remedia de alguna manera dar lugar a un vaco en la aspiracin y a la cavitacin de la bomba. Para evitar esto los circuitos cerrados van equipados de un tanque de compensacin con un sistema de vlvulas anti retorno que permiten el pre llenado del sistema y el mantenimiento de una presin positiva en la zona de aspiracin de la bomba. De forma similar se dispone una proteccin contra el exceso de presin mediante cuatro vlvulas anti retorno que conectan las vas de entrada y salida de la vlvula de seguridad a las lneas de presin y retorno del sistema de forma automtica. De esta manera la vlvula de seguridad al actuar enva el fluido de la lnea de presin a la de retorno sin eliminarlo del circuito cerrado. Este circuito no se utiliza en la prctica porque es difcil de realizar el filtrado y refrigeracin del fluido.Componentes principalesLos componentes de un sistema hidrulico son: bomba, filtro, recipiente de almacenamiento de aceite, vlvulas, actuadores, fluido hidrulico, todos estos son unidos o conectados entre s por medio de tubos y mangueras.Bomba hidrulica: convierten energa mecnica trasmitida por el motor primario en energa hidrulica. La accin de bombear es la misma para todas las bombas. Se genera un volumen creciente en el lado de la succin y un volumen decreciente en lado de la presin. En un sistema hidrulico industrial, el tipo de bomba que se usa es de desplazamiento positivo, como las bombas de paletas, engranajes o pistones.

Vlvula: Son elementos de mandan o regulan la puesta en marcha, el paro y la direccin, as como la presin o el caudal del fluido enviado por una bomba hidrulica. Una vlvula es un dispositivo mecnico que consiste de un cuerpo y una pieza mvil, que conecta y desconecta conductos dentro del cuerpo.

Cilindros hidrulicos: En cualquier aplicacin la energa hidrulica disponible deber transformarse en energa mecnica para realizar un trabajo. Los cilindros hidrulicos son los encargados de transformar la energa hidrulica a energa mecnica lineal.

Fluido: En principio, cualquier lquido es apropiado para transmitir energa de presin. No obstante, el lquido utilizado en un sistema hidrulico tiene que cumplir ciertas funciones; transmitir la presin, lubricas las partes mviles de los equipos, disipar el calor producto de la transformacin de la energa, amortiguar vibraciones causada por picos de presin, proteger ante corrosin, eliminar partculas abrasivas, adems de utilizar lquidos difcilmente inflamables.

Bibliografa Mecnica de Fluidos y Maquinas Hidrulicas, Mataix Claudio, Segunda Edicin, Ediciones del castillo, Madrid, 1986http://catarina.udlap.mx/u_dl_a/tales/documentos/lmt/maza_c_ac/capitulo5.pdf