maquinas hidraulicas

1. MAQUINAS
HIDRAULICAS
Unidad 5 y 6
7mv24

2. Equipo 2
Franco Rogel Paul Alexis
Prieto Rojas Jorge Guillermo
Pérez Alcántar Daniela Patricia
García de Alba Aceves Aranza
Gaytán Bustamante Carlos Joshua

3. Í
N
D
I
C
E
UNIDAD 5 TURBINAS HIDRÁULICAS……………………………………………….….4
5.1 INTRODUCCIÓN………………………………………………………………………………..5
5.2 TURBINAS PELTON,FRANCIS Y KAPLAN. DEFINICIÓN. CLASIFICACIÓN Y
CARACTERÍSTICAS TURBOMÁQUINAS………………….…………………..……….....9
5.3 TRIÁNGULOS DE VELOCIDADES………………….……………………………………...37
5.4 DEFINICIÓN Y CÁLCULO DE PARÁMETROS PRINCIPALES…….……………..……41
5.4.1 CAUDAL…………………………………....……………………...…….……………..……42
5.4.2 ALTURA ÚTIL…….……………..………………………………………………………..…43
5.4.3 ALTURA NETA……....…………………………………………...…….……………..……44
5.4.4 POTENCIAS…….…………………………………………………………….………..……46
5.4.5 RENDIMIENTOS…….…………………………………………………….…………..…....48
5.4.6 GRADO DE REACCIÓN…….………………………………………………………..……50
5.5 DESCRIPCIÓN BREVE DE UNA CENTRAL HIDROELÉCTRICA…………….............51
5.6 CAVITACIÓN EN TURBINAS HIDRÁULICAS………………………………………….…54
UNIDAD 6 VENTILADORES…………………………………………………………....56
6.1 INTRODUCCIÓN………………………………………………………………………...……57
6.1.1 VENTILADORES- CLASIFICACIÓN………………..…………………………………...58
6.2 FUNCIONAMIENTO Y PARTES COMPONENTES……...……………………………....59
6.3 TRIÁNGULOS DE VELOCIDADES………………………….…………………………..…61
6.4 GRADO DE REACCIÓN …………………………………………………………………….64
6.5 PRESIÓN TOTAL ÚTIL……………………………………………………………………...66
6.6 RENDIMIENTOS Y POTENCIAS………………………………………………………...…68
6.7 SELECCIÓN DE VENTILADORES………………………………………………..…….…71
6.8 USOS ESPECIALES……………………………….……………………………….………..71
4.6 BIBLIOGRAFÍA…………………………………………………………………………….…75

4. UNIDAD 5
Turbinas Hidráulicas
OBJETIVO: El alumno aplicará los
principios de funcionamiento de
las turbinas hidráulicas en la
solución de problemas
planteados en clase y en el
laboratorio.

5. 5.1
INTRODUCCIÓN
Turbina
hidráulica
Es una
turbomáquina
motora
Bomba
rotodinámica
que trabaja a
la inversa
Bomba
Absorbe
energía
mecánica
Restituye
energía al
fluido
Turbina
Absorbe
energía
del fluido
Restituye
energía
mecánica
Teóricamente Prácticamente
Si se suministra
energía hidráulica
a la máquina
Una bomba
centrífuga podría
trabajar como
turbina
Rendimiento bajo o
nulo
No incluir máquinas
diseñadas para trabajar
como ambas (bomba y
turbina).
Ejemplo: Máquina doble
bomba-turbina de las
centrales de bombeo

6. Elementos constitutivos
Elemento constitutivo Descripción
Elemento
sinónimo en una
Bomba
Canal de llegada
(lámina libre)
Tubería forzada (flujo
a presión)
Al final de la tubería
forzada, se instala
una válvula
(compuerta,
mariposa, etc.)
Tubería de impulsión
Caja espiral
Transforma presión
en velocidad
Transforma velocidad
en presión
Distribuidor
Transforma presión
en velocidad
Actúa como tobera
Corona directriz
Actúa como difusor

7. Elementos constitutivos
Elemento constitutivo Descripción
Elemento
sinónimo en una
Bomba
Rodete
Turbina centrípeta
con flujo en el rodete
hacia el interior
Bomba centrífuga con
flujo en el
rodete hacia el
exterior
Tubo de aspiración
Elemento de desagüe
Crea aspiración o
depresión a la salida
del rodete
Tubería de
aspiración (admisión)
Crea una depresión a
la entrada del rodete

8. NOTA: Las turbinas de
acción carecen de tubo
de aspiración (3)
Central de Entrepreñas de la Unión Eléctrica Madrileña. Altura de salto:
máxima 80,000 m; mínima 37, 000 m; esta central está equipada con 2 grupos
de 19,500 kW, cada uno. (Mataix, 1993)
Sección E --> Entrada
Sección S --> Salida

9. 5.2
Turbinas Pelton,
Francis y Kaplan.
Definición.
Clasificación y
Característica

10. Clasificación de Turbinas
Hidráulicas
Según las Turbinas de la actualidad,
existen multiples turbinas en esta
clasificación; además de las
Bombas-Turbinas reversibles de los
grupos binarios de las centrales de
acumulación por bombeo.
Según el número
de RPM
Esta clasificación se funda en el
concepto de grado de reacción si el
grado de reacción es 0, la turbina se
llama de acción. Si el grado de
reacción es distinto de 0, la turbina
se llama de reacción.
Por Grado de reacción
(𝜀𝐵 𝜀𝑇)

11. Clasificación de Turbinas
Hidráulicas
𝜀𝐵 =
𝐴𝑙𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑒 𝑝𝑟𝑒𝑠𝑖𝑜𝑛 𝑑𝑎𝑑𝑎 𝑝𝑜𝑟 𝑒𝑙 𝑟𝑜𝑑𝑒𝑡𝑒
𝐴𝑙𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑑𝑎𝑑𝑎 𝑝𝑜𝑟 𝑒𝑙 𝑟𝑜𝑑𝑒𝑡𝑒
𝜀𝑇 =
𝐴𝑙𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑒 𝑝𝑟𝑒𝑠𝑖𝑜𝑛 𝑎𝑏𝑠𝑜𝑟𝑣𝑖𝑑𝑎 𝑝𝑜𝑟 𝑒𝑙 𝑟𝑜𝑑𝑒𝑡𝑒
𝐴𝑙𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑎𝑏𝑠𝑜𝑟𝑣𝑖𝑑𝑎 𝑝𝑜𝑟 𝑒𝑙 𝑟𝑜𝑑𝑒𝑡𝑒
Por Grado de reacción
(𝜀𝐵 𝜀𝑇)
Esta es una clasificación
numérica, que se hace asignando a
toda la familia de turbinas
geométricamente semejantes un
numero especifico de rpm
𝑛𝑠 =
𝑛𝑃𝑎
1
2
𝐻
5
4
n= # de rpm
H = Altura neta
𝑃𝑎 = Potencia Util
Según el número
de RPM

12. Turbina Pelton

13. Funcionamiento
Se encarga de transformar la energía
potencial gravitatoria del agua
embalsada se convierte, salvo pérdidas,
en energía cinética al salir el agua a
través de dichos orificios en
forma de chorros libres.
Las formas cóncavas de las cucharas
hacen cambiar la dirección del chorro
de agua, saliendo éste, ya sin energía
apreciable, por los bordes laterales sin
ninguna incidencia posterior sobre los
álabes sucesivos. De este modo, el
chorro de agua transmite su energía
cinética al rodete, donde queda
transformada en energía mecánica.

14. Turbina Pelton
Sus características principales son:
• Su presión es constante en el rodete ya que
están expuestas a la atmosfera
• Su Chorro es libre porque igual esta expuesto
a la atmosfera
• Su admisión es parcial debido a que el fluido
solo toca una sección limitada del rodete
• Es tangencial debido al tipo de contacto
entre el fluido y el Rodete
• El fluido y el Rodete tienen el mismo sentido
Además de que funcionan con alturas promedio
de 200 m sus caudales son mínimo de 10
𝑚3
𝑠
.
Y su mayor característica sus alabes en forma de
canjilones.

15. Sus componentes
son:
Turbina Pelton
1.- Codo de Entrada
2..- Inyector
3.- Tobera
4.- Válvula de aguja
5.- Servomotor
6.- Regulador
7.- Mando del deflector
8.- Deflector o Pantalla
deflectora
9.- Chorro
10.- Rodete
11.- Alabes
12.- Freno de la turbina
13.- Blindaje
14.- Destructor de energía
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14

16. Distribuidor
Está constituido por uno o varios
equipos de inyección de agua, cada uno
formado por varios elementos
mecánicos.
Su objetivo es:
*Controla el caudal que fluye hacia el
rodete
*Controla la dirección del chorro de
agua hacia el rodete

17. Distribuidor
El número de equipos de inyección,
colocados circunferencialmente
alrededor de un rodete, depende de la
potencia y características del
grupo, según las condiciones del salto
de agua
En turbinas Pelton con eje vertical
pueden ser hasta seis los equipos que
proyectan chorros de agua sobre un
mismo rodete, derivando todos y
cada uno de ellos de la tubería forzada

18. Rodete
Es la pieza clave donde se transforma la
componente cinética de la
energía del líquido en energía mecánica
o, dicho de otra manera, en
trabajo según la forma de movimiento
de rotación.
Se compone por:
*Rueda motriz
*Alabes, cucharas o cangilones

19. Está unida
rígidamente
al eje,
montada en el
mismo por
medio de
chavetas y
anclajes
adecuados
Están diseñados para
recibir el empuje directo
del chorro de agua.
Su forma es similar a la
de una doble cuchara,
con una arista interior
afilada y situada
centralmente en dirección
perpendicular hacia el
eje. Esto permite
compensar los empujes
axiales
Rueda Motriz
Alabes,
Cucharas o
Cangilones
Rodete

20. Diámetro del chorro: d
Ancho del Canjilón: b= 3.75 d
Altura del Canjilón: h= 3.50 d
Profundidad del Canjilón: f = 1.5d
Diámetro del Rodete: D
# de canjilones = 15 +
𝐷
2 ∗𝑑
Si: 5 <
𝑑
𝐷
< 6.5
𝑛𝑠 4 6 8 10 12 14 18 22 26 32
# canjilones 40 37 34 30 28 26 22 20 17 15

21. Eje
Rígidamente unido al rodete y situado
adecuadamente sobre cojinetes
debidamente lubricados, transmite el
movimiento de rotación al eje del
alternador
En el mismo eje pueden estar unidas
varias turbinas y un generador

22. Sistema de frenado
Se puede disponer de un circuito
derivado de la cámara de distribución
que permite proyectar agua uno o
varios contra chorros incidente sobre la
zona convexa de los álabes,
favoreciendo el rápido frenado del
rodete.

23. Carcasa
Es la envoltura metálica que cubre los
inyectores, rodete y otros
elementos mecánicos de la turbina
Su misión consiste en evitar que el agua
salpique al exterior cuando
después de incidir sobre los álabes los
abandona

24. Cámara de descarga
Es la zona por donde cae el agua
libremente hacia el desagüe, después
de haber movido al rodete.
Para evitar deterioros debidos a la
acción de los chorros de agua,
usualmente los originados por la
intervención del deflector, se suele
disponer en el fondo de la cámara de
descarga de un colchón de agua de
2 a 3 m de espesor; con el objetivo de
proteger la infraestructura del efecto
residual del chorro

25. Turbina Francis
Se conocen como turbinas de admisión
centrípeta o total por encontrarse el
rodete sometido a la influencia directa
del agua en toda su periferia
Pueden clasificarse como turbinas
radiales-axiales y de reacción.
Se pueden emplear en saltos de distintas
alturas dentro de una amplia gama de
caudales (entre 2 y 200 m3/s
aproximadamente).

26. La construcción de la turbina
Francis es más simple en
comparación con la Pelton, ya
que posee una menor
cantidad de elementos:
Turbina Francis
1.- Cámara Espiral
2.- Distribuidor
3.- Rodete
4.- Codo de salida
5.- Tubo de aspiración
S: Salida
1
2
3
4
5
S

27. La cámara espiral más habitual está
formada por la unión sucesiva de una
serie de virolas tronco-cónicas, cuyos ejes
respectivos forman una espiral
Esta disposición constructiva permite que
el agua atraviese la cámara a velocidad
sensiblemente constante, evitándose la
formación de torbellinos que darían lugar
a pérdidas de carga.
Cámara
Espiral
Componentes

28. El distribuidor está
formado por un
determinado
número de palas
móviles cuya
función es la de
distribuir, regular o
cortar totalmente el
caudal de agua que
fluye hacia el rodete
Los alabes dirigen
el líquido al
rodete con un
mínimo de
pérdidas y
transforman parte
de
La energía de
presión en
energía cinética
Distribuidor
Componentes

29. El distribuidor está formado por un
determinado número de palas
móviles cuya función es la de distribuir,
regular o cortar totalmente el
caudal de agua que fluye hacia el
rodete; y sus componentes son:
Distribuidor Palas o Alabes
Directrices
orientables
El sistema de
accionamiento
de los alabes

30. Se trata de la pieza
fundamental de la turbina,
donde se obtiene la energía
mecánica deseada
Consta de un núcleo central,
alrededor del cual se
encuentra dispuesto un
número determinado de
álabes que van de los 12 a los
21
La longitud de los álabes y su
mayor o menor inclinación
respecto al eje de la turbina
depende del caudal, de la
altura del salto y, en
consecuencia, de la velocidad
específica
Rodete
Componentes

31. Consiste en un conducto recto o levemente
cónico, que une la turbina propiamente
dicha con el canal de desagüe.
crea una depresión, o aspiración, a la
salida del rodete. De esta manera
el salto de presión en él es mayor.
Sus funciones son:
•Recuperar la energía cinética que tiene el
agua a la salida del rodete
• Recuperar la energía geodésica que tiene
el agua a la salida del rodete, porque éste
se ha de colocar elevado para proteger el
grupo contra una posible inundación,
debido a ella se crea la depresión.
Tubo de aspiración

32. La presión a la salida del
rodete puede llegar a
descender de manera
peligrosa, favoreciendo el
fenómeno de la CAVITACIÓN
Esto se debe a dos
posibilidades:
• Velocidad excesiva a la salida
del rodete
• Altura de aspiración excesiva
La solución en la práctica a este
fenómeno es la construcción de
turbinas en las cuales se llega a
producir una cavitación
“controlada”. Esto producirá un
cierto desgaste en los álabes, pero
sin que llegue a afectar de manera
inaceptable al rendimiento de la
máquina
Cavitación
Tubo de Aspiración

33. Turbina Kaplan

34. Turbina Kaplan
La principal ventaja que presentan
estas turbinas es la posibilidad de
ajustar su geometría, según la carga
demandada, a las condiciones de
óptimo rendimiento.
Las turbinas Kaplan son turbinas de
reacción y de admisión total, cuyo
funcionamiento es adecuado a
pequeños saltos (hasta 50 m) y caudales
medios y grandes (15 m3/s).

35. Turbinas Kaplan
En las turbinas Kaplan las palas del
rodete están situadas a un nivel más
bajo que el distribuidor, de modo que la
corriente de agua que fluye por éste
incide sobre dichas palas en su parte
posterior, en dirección paralela al eje de
la turbina

36. 5.3 Triángulo
de velocidades

37. Turbina Pelton

38. Turbina Francis

39. Turbina kaplan

40. 5.4 definición y
cálculo de
parámetros
principales

41. 5.4.1 caudal
Turbina Pelton Turbina Francis Turbina Kaplan
Velocidad
absoluta del
fluido
Diámetro del
chorro
Componente
meridional de la
velocidad
absoluta del
fluido
Diámetro
Ancho del
chorro
Componente
meridional de la
velocidad
absoluta del
fluido
Diámetro exterior
Diámetro interior
o del cubo

42. 5.4.2 altura útil
Altura útil, también
conocida como Altura
de Euler
Velocidad
absoluta del álabe
Componente tangencial o
periférica de la velocidad
absoluta del fluido
Gravedad

43. 5.4.3 altura neta
Para obtener la altura neta, se empieza con la ecuación de Bernoulli entre las secciones de
entrada y de salida.
Despejando Hn tenemos:
La altura neta es la diferencia de alturas totales entre la entrada y salida de
la turbina. Esta diferencia es el incremento de altura absorbido por la
turbina

44. 5.4.3 altura neta
La altura neta es igual al incremento de altura que absorbe la
turbina en forma de presión + la que absorbe en forma de altura
geodésica + la que absorbe en forma de altura cinética - la altura en
forma de pérdidas.

45. Potencia
absorbida o
potencia neta
Potencia
hidráulica puesta
a disposición de
la turbina
Potencia restituida
Potencia al freno
Potencia en el eje
Potencia
suministrada por
la turbina
descontando la
potencia
necesaria para
vencer los
rozamientos
mecánicos
Potencia teórica
Potencia Útil Potencia Interna
5.4.4 potencias

46. Diagrama de potencias
Potencias por pérdidas
hidráulicas,
volumétricas y
mecánicas

47. 5.4.5 rendimientos
Rendimiento
volumétrico
Caudal útil, o sea caudal
que cede su energía en el
rodete
Caudal
suministrado a la
turbina
Rendimiento
hidráulico
Altura de Euler
Altura neta (Ecuación de
Bernoulli)
Rendimiento
Mecánico
Potencia útil
Potencia interna

48. 5.4.6 grado de reacción
Turbina de
Acción
Grado de
reacción = 0
ó indefinido
Turbina
Pelton
Turbina de
Reacción
0 < Grado
de reacción
< 1
Turbina
Francis y
Kaplan
Altura, carga o
energía de presión

49. 5.4.5 rendimientos
Rendimiento
Interno
Potencia interna
Potencia absorbida
o teórica
Rendimiento
Total
Potencia útil
Potencia absorbida
o teórica

50. 5.5 Central
Hidroeléctrica

52. Presa
Rebosaderos
Destructores
de energía
Sala de
Maquinas
Turbina
Alternador
Prismas de
sementó
Deflectores
de salto
Responsable de contener el agua
de un río y almacenarla en
un embalse.
Elementos que permiten liberar
parte del agua retenida sin que
pase por la sala de máquinas.
Construcción donde se sitúan las
máquinas y elementos de
regulación y control de la central.
Transforman la energía cinética
de una corriente de agua en
energía mecánica. Tipo de generador eléctrico que
transforma la energía mecánica a
eléctrica
Provocan un aumento de la
turbulencia y de los remolinos.
Disipan la energía haciendo
aumentar la fricción del agua
con el aire y a través del choque
con el colchón de agua que
encuentra a su caída.

53. 5.6 CAVITACIÓN EN TURBINAS HIDRÁULICAS.
CAVITACIÓN
Se produce en
dos fases:
Estado
líquido a
gaseoso
Estado
gaseoso a
líquido
En la
cavitación
de turbinas
hidráulicas
tenemos:
Perfilar Pelicular
Local

54. Existe un coeficiente de cavitación de
Thoma 𝜎 que para las turbinas
hidráulicas es:
Donde:
𝑷𝒂𝒎𝒃 = Presión astmosférica que indica
el barómetro
𝑷𝒔 = Presión de saturación del vapor
𝑯𝒔 𝒎á𝒙 = Valor máximo que la altura de
aspiración alcanza cuando se
produce la cavitación
𝑯 = Altura neta

55. UNIDAD 6
Ventiladores
Objetivo: El alumno describirá el
funcionamiento, las partes y
componentes de un ventilador
centrífugo y su impulso en función del
flujo a manejar. Calculará pérdidas,
potencia y eficiencia para una
correcta selección.

56. INTRODUCCIÓN
Un ventilador es una
turbomáquina hidráulica
generadora para gases.
Siempre que el gas se
considere incompresible la
maquina se llamará
ventilador, en el caso
contrario será un
turbocompresor.
Ideales para mover grandes
caudales con frecuencias de presión
relativamente pequeñas

57. Ventiladores
centrífugos
Ventiladores
axiales
6.1.1 VENTILADORES-CLASIFICACIÓN.
Ventilador.
Turbomáquina
hidráulica
generadora para
gases.
El aire entra en dirección axial y
sale en dirección radial.
Donde el flujo del aire sigue la
dirección del eje del ventilador.
Ventiladores de baja
presión
Ventiladores de media
presión
Ventiladores de alta
presión

58. 6.2 Funcionamiento y partes de componentes.
Ventilador
centrífugo

59. 6.2 Funcionamiento y partes de componentes.
Ventilador axial

60. 6.3 TRIANGULO DE
VELOCIDADES

63. 6.5 PRESIÓN
TOTAL ÚTIL

64. Pe = Ɣ He = (𝑈2𝐶2𝑢 − 𝑈1𝐶1𝑢)ρ
La presión total útil es la
medida de energía que el
ventilador transfiere al
aire.
Se refiere a la presión que el
ventilador puede crear para vencer
las resistencias del sistema
• Conductos
• Filtros
• Curvas
• Accesorios
Ecuación para determinar
la presión total útil

65. 6.6
RENDIMIENTOS
Y POTENCIAS

66. Los ventiladores no presentan
variaciones en las fórmulas de
rendimiento y potencia con
respecto a las bombas
Rendimiento hidráulico
ηh =
𝐻
𝐻𝐸
Rendimiento Volumétrico
η𝑣 =
𝑄
𝑄+𝑞𝑒+𝑞𝑖
𝑞𝑒 = perdidas exteriores
𝑞𝑖= perdidas interiores
Rendimiento mecánico
η𝑚 =
𝑁𝑢
𝑁𝑎
H = altura efectiva
del ventilador
𝐻𝐸 = altura de Euler
Nu = potencia útil
Na = potencia de
accionamiento

67. Potencias
𝑁𝑢 = Ɣ𝑄𝐻 Na =
Ɣ𝑄𝐻
η𝑣
ηhη𝑚
Potencia útil
Ɣ = Peso especifico
Q = Caudal
H = Altura efectiva del
ventilador
Potencia de accionamiento
η𝑣 = Rendimiento volumétrico
ηh = Rendimiento hidráulico
η𝑚 = Rendimiento mecánico

68. 6.7 SELECCIÓN DE
VENTILADORES
y
6.8 Usos especiales

69. La selección de un ventilador se enfoca a cumplir con
los objetivos mínimos del diseño del sistema de
ventilación. Esto significa definir el caudal de aire a
manejar y las pérdidas o resistencias generadas por
todos los componentes del sistema de ventilación, en
términos de presión estática.
Ventiladores de flujo
axial: Utilizados principalemte en
ventilación general, manejan grandes
caudales con bajas perdidas.

70. Se utiliza para el manejo de
altos caudales de aire a bajas
presiones estáticas.
Para condiciones que incluyan
velocidades bajas y
temperaturas moderadas.
Circulación de aire en areas
grandes y abiertas
Rotor encerrado en un
ducto cilindrico.
Presiones mayores que
el ventildador de helice
Conductos de
ventilación, flujo
direccional
Dotado de paletas guias,
mejoran la eficiencia por
lo que manejan presones
más altas
Radiadores de motores,
refrigeracion con flujo
fuertre
Hélice
Tubo-axial Paleta-axial

71. Álabes totalmente rectos,
caracterizados por mover
volúmenes de aire moderados
a presiones altas.
Aplicaciones a nivel
industrial con flujos de aire
cargados con polvo y
humedad.
Maneja grandes caudales a
presiones bajas o moderadas, lo
que permite que se ultilice ne
sistemas de calefacción,
ventilación y
acondicionamiento de aire.
Manejan altos caudales a
presiones altas,sistemas de
calentamiento, ventilacion y aire
acondicionado con flujo de aire
limpio y libre de humos
condensables.
Ventiladores de flujo
centrífugo
Álabes
radiales
Álabes curvados
hacia afelante
Álabes curvados
hacia atrás

72. BIBLIOGRAFÍA.
Matáix, Claudio. Mecánica de Fluidos y Máquinas Hidráulicas. Oxford University
Press, México, 2003, 651 págs.
Mataix, C. (1993). Mecánica de fluidos y máquinas hidráulicas.
J Renedo, C., Carcedo Haya, J., & Ortiz Fernandez, F. (s. f.). SISTEMAS Y
MAQUINAS FLUIDO MECANICAS [Diapositivas]. unican.es.
https://ocw.unican.es/pluginfile.php/2415/course/section/2433/bloque_1_tema_1.pdf
RECOMENDACIONES BÁSICAS PARA LA SELECCIÓN DE VENTILADORES.
(2021, abril). ISP.