Gestores de Contenidos : Álvaro Neva Rodríguez y Horacio Charry López

Presentación del tema: "Gestores de Contenidos : Álvaro Neva Rodríguez y Horacio Charry López"— Transcripción de la presentación:

1 Gestores de Contenidos : Álvaro Neva Rodríguez y Horacio Charry López
Curso: TURBINAS HIDRÁULICAS I (ACH03) Objetivo General: Reconocer el principio de funcionamiento y los elementos que constituyen una turbina hidráulica. Gestores de Contenidos : Álvaro Neva Rodríguez y Horacio Charry López

2 UNIDAD I Las Máquinas Hidráulicas Objetivos: Suministrar los conceptos básicos de las máquinas hidráulicas.

3 En esta unidad se presenta una introducción a los temas de las máquinas hidráulicas. Si el lector desea profundizar en los temas tratados, se recomienda la consulta de libros sobre mecánica de fluidos y máquinas hidráulicas.

4 LECCIÓN 1 Mecánica de Fluidos Conceptos básicos
Fluido es una sustancia que puede fluir, es decir que cede inmediatamente a cualquier fuerza tendiente a alterar su forma, con lo que fluye y se adapta a la forma del recipiente; los líquidos y los gases fluyen pero los sólidos no. La Mecánica de Fluidos es la parte de la física que estudia la acción de los fluidos en reposo o en movimiento, así como las aplicaciones y mecanismos de ingeniería que utilizan fluidos. La mecánica de fluidos se divide en dos campos principales: La estática de fluidos y la dinámica de fluidos.

5 Lección 2 : Hidrostática
Lección 2 : Hidrostática. Conceptos básicos, principio de Pascal, Principio de Arquímedes. La estática de fluidos también llamada hidrostática se ocupa de los fluidos en reposo. Una de las características principales de un fluido en reposo es que la fuerza ejercida sobre cualquier partícula del fluido es igual en todas las direcciones. Si las fuerzas fueran desiguales la partícula se desplazaría en el sentido de la fuerza resultante. De esto se deduce que la fuerza por unidad de superficie, es decir la presión, que el fluido ejerce sobre las paredes del recipiente que lo contiene, independientemente de su forma, es perpendicular a la pared en cada punto. Si la presión no fuera perpendicular, habría una componente tangencial de la fuerza sin equilibrar y el fluido se movería a lo largo de la pared.

6 Lo anterior se conoce como el principio de Pascal, porque fue enunciado mas ampliamente en 1647 por el matemático y filósofo francés Blaise Pascal. Este principio afirma que la presión aplicada sobre un fluido contenido en un recipiente se transmite por igual en todas direcciones y a todas las partes del recipiente, siempre que se puedan despreciar las diferencias de presión debidas al peso del fluido y a la profundidad. Si la gravedad es la única fuerza que actúa sobre un líquido en un recipiente abierto, la presión es directamente proporcional al peso específico de dicho líquido situada sobre ese punto. La presión es a su vez proporcional a la profundidad del punto con respecto a la superficie, y es independiente del tamaño o forma del recipiente. De esta manera la presión en el fondo de una tubería vertical llena de agua de 1 cm de diámetro y 15 m de altura, es la misma que en

7 LA PRESIÓN HIDROSTÁTICA ES PROPORCIONAL A LA ALTURA

8 el fondo de un lago de 15 m de profundidad; igualmente, si una tubería de 30 m de longitud se llena de agua y se inclina de modo que la parte superior esté sólo a 15 m en vertical por encima del fondo, el agua ejercerá la misma presión sobre el fondo que en los casos anteriores, aunque la distancia a lo largo de la tubería sea mucho mayor que la altura de la tubería vertical. El segundo principio importante de la estática de fluidos, fue descubierto por el matemático y filósofo griego Arquímedes; este principio afirma que un cuerpo parcial o totalmente sumergido en un fluido experimenta una fuerza de flotación igual en magnitud al peso del volumen del fluido desplazado; esta fuerza de flotación actúa hacia arriba sobre el objeto, mientras que la fuerza de su peso actúa hacia abajo, si estas fuerzas se igualan el objeto flota en equilibrio.

9 PRINCIPIO DE ARQUÍMEDES

10 Lección 3 : Hidrodinámica
Lección 3 : Hidrodinámica. Conceptos básicos, teorema de Bernoulli, viscosidad, flujo laminar y turbulento, golpe de ariete. La dinámica de fluidos trata de los fluidos en movimiento y es también llamada hidrodinámica. Esta rama de la mecánica de fluidos se ocupa de las leyes de los fluidos en movimiento. Sin embargo hay que aclarar que el término de hidrodinámica, se aplica al flujo de líquidos o al flujo de los gases a baja velocidad, donde se considera que estos gases son incompresibles. El estudio de los gases donde es necesario tener en cuenta su compresibilidad se conoce como aerodinámica ó dinámica de gases. En este enfoque de dinámica de fluidos, se consideran cuatro características de un fluido ideal:

11 (1) Constante, implica que todas las partículas del fluido tienen la misma velocidad al pasar por un punto dado. (2) Irrotacional, implica que un elemento de fluido no posee una velocidad angular neta. (3) No viscoso, implica que la viscosidad es insignificante. (4) Incompresible, implica que la densidad de fluido es constante. El llamado teorema de Bernoulli, enunciado por el matemático y científico suizo Daniel Bernoulli afirma que la energía mecánica total de un flujo incompresible y no viscoso (sin rozamiento) es constante a lo largo de una línea de corriente. Las líneas de corriente son líneas de flujo imaginarias que siempre son paralelas a la dirección del flujo en cada punto, y en el caso de flujo uniforme coinciden con la trayectoria de las partículas individuales de fluido.

12 El teorema de Bernoulli implica una relación entre los efectos de la presión, la velocidad y la gravedad, e indica que la velocidad aumenta cuando la presión disminuye, igualmente la velocidad disminuye cuando la presión aumenta. Este principio es importante entre otros para la medida de flujos. Todos fluidos reales tienen una resistencia interna al flujo llamada viscosidad, que puede entenderse como la fricción entre las moléculas del fluido. En los líquidos la viscosidad se debe a fuerzas de cohesión de corto alcance; en los gases, se debe a los choques entre las moléculas. En otras palabras la viscosidad es la propiedad de un fluido que tiende a oponerse a su flujo cuando se le aplica una fuerza. Los fluidos de alta viscosidad presentan una cierta resistencia a fluir; los fluidos de baja viscosidad fluyen con facilidad. La fuerza con la que una capa de fluido en movimiento arrastra consigo a las capas adyacentes de fluido determina su viscosidad, que se mide con

13 un recipiente (viscosímetro) que tiene un orificio de tamaño conocido en el fondo. La velocidad con la que el fluido sale por el orificio es una medida de su viscosidad. En 1883, el ingeniero británico Osborne Reynolds demostró la existencia de dos tipos de flujo viscoso en tuberías, flujo laminar y flujo turbulento. La fricción interna hace que las distintas capas de un fluido se muevan con diferente rapidez en respuesta a un esfuerzo cortante, este movimiento relativo de capas es conocido como flujo laminar y es característico del flujo estable de líquidos viscosos a baja velocidad, también se puede afirmar que en el flujo laminar las partículas del fluido siguen las líneas de corriente. A velocidades más elevadas, surgen fluctuaciones en la velocidad del flujo, o remolinos, de tal manera que el flujo se vuelve rotacional o turbulento y difícil de analizar.

14 Los flujos turbulentos no se pueden evaluar exclusivamente a partir de las predicciones calculadas, y su análisis depende de una combinación de datos experimentales y modelos matemáticos; gran parte de la investigación moderna en mecánica de fluidos está dedicada a una mejor formulación de la turbulencia. El llamado golpe de ariete, por un lado es el aumento súbito de presión que aparece en una tubería cuando el líquido que circula por la misma es detenido bruscamente, en este caso se conoce como golpe de ariete positivo. También es la disminución súbita de la presión que se presenta cuando se da paso bruscamente a un fluido para que circule por una tubería, en este caso se conoce como golpe de ariete negativo.

15 Esto se explica por la energía cinética que el líquido posee por efecto de su velocidad; por ejemplo, para el caso del golpe de ariete positivo, si por una causa cualquiera (cierre súbito de una válvula o una compuerta), este líquido es detenido bruscamente, su energía cinética se transforma en ondas de presión, que se propagan desde la válvula al depósito y viceversa, amortiguándose progresivamente a medida que se repite el ciclo. El golpe de ariete, es un fenómeno transitorio en el que la tubería ya no es rígida y el fluido es compresible.

16 LINEAS DE FLUJO – VARIACIÓN DE LA VELOCIDAD Y PRESIÓN

17 EFECTO DE LA VELOCIDAD EN UN FLUIDO
FLUJO LAMINAR EFECTO DE LA VELOCIDAD EN UN FLUIDO

18 Lección 4 : Las máquinas hidráulicas
Lección 4 : Las máquinas hidráulicas. Conceptos básicos, tipos de máquinas hidráulicas. Se conoce como máquina el dispositivo utilizado en ingeniería para cambiar la magnitud y dirección de aplicación de una fuerza. La hidráulica es la aplicación de la mecánica de fluidos en ingeniería, para construir dispositivos que funcionan con líquidos, por lo general agua o aceite. Las máquinas hidráulicas son dispositivos que funcionan con un fluido que puede ser agua o aceite; desde el punto de vista de transformación de energía, tenemos dos tipos:

19 El primer tipo, son las máquinas hidráulicas que toman la energía mecánica de una fuente y le transfieren esta energía a un fluido, convirtiéndola en energía hidráulica. Dentro de este tipo de máquinas tenemos las bombas, que se pueden definir como las máquinas empleadas para elevar, transferir o comprimir líquidos y gases, por ejemplo la bomba centrífuga para agua; las bombas empleadas para gases y vapores se denominan compresores. Generalmente las fuentes de energía de las bombas son los motores eléctricos y motores de combustión interna. El segundo tipo son las máquinas hidráulicas que toman la energía de un fluido (energía hidráulica) y la transforman en energía mecánica. Dentro de este tipo de Máquinas, las mas comunes son las turbinas, los cilindros hidráulicos y los motores hidráulicos. Desde el punto de vista de la función que ejerce el elemento u órgano principal, las máquinas hidráulicas se clasifican en:

20 Máquinas rotativas, en estas se tiene un elemento que gira, comúnmente llamado rodete ó rotor; en este tipo de máquinas se encuentran entre otras las bombas centrífugas y las turbinas hidráulicas, estas últimas son el objeto de este curso. Para el caso de las bombas también se construyen con otros elementos giratorios, tenemos entonces por ejemplo las bombas de engranajes, bombas de tornillo y bombas de paletas. Máquinas volumétricas ó de émbolo, en estas se tiene un émbolo o pistón que se desplaza linealmente con un movimiento alternativo, en este tipo de máquinas están las bombas de pistón que tienen diferentes diseños constructivos; las mas conocidas son las bombas de pistones radiales y axiales que pueden ser de caudal constante o caudal variable.

21 BOMBAS CENTRÍFUGAS CON MOTOR ELÉCTRICO
TURBINAS HIDRÁULICAS

22 Has Finalizado la UNIDAD 1 Las Máquinas Hidráulicas

23 Actividades Escribe dos ejemplos del principio de Pascal.
Escribe un ejemplo de viscosidad de tu central hidráulica. Identifica un ejemplo de flujo laminar en tu central hidráulica. Identifica los tipos de máquinas hidráulicas que hay en tu central hidráulica y envíalos al foro. Envía al foro esquemas de dos máquinas hidráulicas que hay en tu central hidráulica.

24 Para los temas tratados y la participación en el foro, se sugiere la consulta de los textos siguientes: STREETER, WYLIE, BEDFORD Mecánica de Fluidos. New York: Mc Graw-Hill. RODRÍGUEZ, Camilo Máquinas Hidráulicas Tomo 1 – La Plata: CEILP. RODRÍGUEZ, Camilo Máquinas Hidráulicas Tomo 2 – La Plata: CEILP.