Fundamentos y Operación de Turbomáquinas: Clasificación, NPSH y Métodos de Regulación

Clasificación y Geometría de Máquinas Hidráulicas

Clasificación de Máquinas

Las máquinas se clasifican según diversos criterios:

• Según criterio energético: Turbomáquinas y máquinas de desplazamiento positivo.
• Según sentido de intercambio energético: Turbina o bomba.
• Según movimiento del rodete: Axial, centrífuga o mixta.
• Según variación de densidad: Máquinas térmicas (densidad constante) o Máquinas hidráulicas (densidad variable).

Planos de Referencia en el Flujo

La descripción del flujo en turbomáquinas se basa en los siguientes planos:

• Plano Meridiano: Contiene el eje del rodete.
• Plano Transversal: Normal al eje de giro de la máquina. Representa el corte transversal de la máquina radial y es perpendicular al meridiano y tangencial.
• Plano Tangencial: Tangente a la superficie axisimétrica de flujo.
• Superficie Axisimétrica de Flujo: Superficie de corriente tangente al vector velocidad en cada punto. Las propiedades del fluido son constantes en dirección acimutal (excepto en los álabes); es simétrica axial.
• Plano de Desarrollo: Superficie cilíndrica.

Cavitación y Carga Neta de Aspiración (NPSH)

Conceptos de NPSH

El NPSH (Net Positive Suction Head) se divide en dos componentes esenciales:

• NPSHR (Required): Carga neta requerida de aspiración. Depende exclusivamente de la bomba (máquina).
• NPSHA (Available): Carga neta disponible de aspiración. Influida por la instalación y la diferencia de cotas entre los valores.

Ensayo y Detección de Cavitación

Para conocer la curva de carga de la bomba ($H_B$) en relación con la cavitación, se varía la curva de instalación (modificando la posición de la válvula, lo que implica recorrer la curva característica de la bomba) y se obtienen los distintos puntos de cavitación para las distintas posiciones de la válvula. La unión de todos estos puntos define la curva $H_B$.

Identificación del Punto de Cavitación

El punto de cavitación se identifica:

• A oído: Se distingue un ruido característico claramente.
• Técnicamente: Ocurre cuando la presión absoluta ($P_{abs}$) es menor que la presión de vapor del fluido.

Funcionamiento, Cebado y Ecuaciones Fundamentales

Preguntas Frecuentes sobre el Funcionamiento

¿Para qué sirven los agujeros superior e inferior del rodete?

Para disminuir el empuje axial.

¿Utilidad de los orificios con tapones roscados?

Para cebar la máquina antes de trabajar.

¿Qué es el cebado?

Llenar de agua la instalación (quitando el aire) antes de empezar a aspirar del depósito. Si no se realiza, la bomba se estropea.

¿Por qué se ceba la bomba?

Se ceba por los orificios con tapones roscados en la parte superior e inferior de la voluta, para llenar de agua la instalación antes de aspirar.

Instrumentación y Ecuaciones

Para la medición se utilizan el Vacuómetro, el Manómetro y el Caudalímetro.

Ecuación de la Carga de la Bomba ($H_B$)

$$H_B = \frac{P_I - P_A}{\rho g} + \frac{V_I^2 - V_A^2}{2g} + (Z_I - Z_A)$$

Donde la velocidad se descompone como: $V_I^2 = V_{I\theta}^2 + V_{Im}^2$.

Nota sobre Pérdidas

Pérdidas por choque a la entrada (corriente diferente).

Métodos de Regulación de Caudal

Regulación por Bypass

Consiste en desviar parte del caudal ($Q$) de la salida de la bomba de nuevo a su entrada. De esta forma, se reduce el caudal sin cambiar las revoluciones (es decir, sin cambiar su curva característica).

• Ventajas/Desventajas: Coste bajo, rendimiento bajo.
• Fórmulas asociadas: $Q_B = Q + Q_{BP}$
• Pérdida de carga en el Bypass: $h_{BP} = \left(\lambda \frac{L}{D} \frac{Q_{BP}^2}{2gS^2}\right) + K \cdot Q_{BP} + \left(\frac{K_s}{2gS^2}\right) Q_{BP}^2$

Otros Métodos de Regulación de Caudal

La regulación del caudal se puede lograr mediante:

1. Modificación de la curva de instalación $H_I(Q)$ mediante válvula.
2. Modificación de la curva de la bomba $H_B$ modificando la velocidad de giro ($N$).
3. Regulación por Bypass.
4. Inclinación de las palas en bombas axiales (cambiando el ángulo $\beta_2$).
5. Uso de prerrotadores (modificando el coeficiente $K_1$).