M ´ AQUINAS HIDR ´ AULICAS DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO Concepci´onPazPen´ ın Eduardo Su´ arez Porto Antonio Eir´ ıs Barca
MAQUINAS HIDRAULICAS DE
DESPLAZAMIENTO POSITIVO
Concepcion Paz Penın
Eduardo Suarez Porto
Antonio Eirıs Barca
����������������������� �����
���������������������� ��!����"��!�������"��!�������#����$������!�%�� ��&��!�'��&�! '!()�"�����#�*+*,-��#�.� $//�01+�1,2�2*�"�)3���#�/�"
4��������������� ��!����"��!�������"��!�������#�5�2-,24�'����)������!�����6�5����!������7�������&��8���&��������6"�%!��!
����&�������)!���9��()��"������")!:!
��%���0�191;91,�19�0,90/</�� ��+092-,2
�()��(���.���� ����&�"� �7$��!"5��/�/
������������ ���������������� ������������������ ������������������������������������������������� �������������������� �������������������������������� ������ ������������������������������������������������������������������ ����� ����������!�������������"��
�!�����6�5�'����)����
����7=���!"�>���7� ��!"������") !�!(���&��)�"�&����?�'����)������!�����6�5���!������7�������&�5���&��������6"�%!��!
�#����������"��!�������#�5��������������� ��!����"5�2-,2
,�-�)/���,�@2;��(/�A�B�!��!�"��!�������"��!�������#������C
/</� /���+092-,2�A���%��0�191;91,�19�0,90
,/��7=���!"�>���7� ��!"��/���7�������&�5����!������/����6"�%!��!5���&�������/�������"��!�������#�/��������������� ��!����"5���/
+2,/22
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
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.