Turbina Francis

turbin4La turbina Francis, desarrollada por James B. Francis, es una turbomáquina motora a reacción y de flujo mixto. Son turbinas hidráulicas que se pueden diseñar para un amplio rango de saltos y caudales,  capaces de operar en desniveles que van de los dos metros hasta varios cientos de metros. Esto, junto con su alta eficiencia, ha hecho que este tipo de turbina sea el más usado en el mundo, principalmente para la producción de energía eléctrica en centrales hidroeléctricas.  Son muy costosas de diseñar, fabricar e instalar, pero pueden funcionar durante décadas.

Estas turbinas presentan un diseño hidrodinámico que garantiza un alto rendimiento debido a las bajas pérdidas hidráulicas. Son robustas, con bajo costo de mantenimiento. Sin embargo, no se recomienda su instalación con alturas de agua mayores de 800 m ni cuando existen grandes variaciones de caudal. Asimismo es muy importante controlar la cavitación.

Espiral de entrada de una turbina Francis, Presa Grand Coulee.

Las partes de una turbina Francis son las siguientes:

  • Cámara espiral: distribuye uniformemente el fluido en la entrada del rodete. La forma en espiral o caracol se debe a que la velocidad media del fluido debe permanecer constante en cada punto de la misma. La sección transversal  puede ser rectangular o circular, siendo esta última la más utilizada.
  • Predistribuidor:  formado por álabes fijos que tienen una función netamente estructural, para mantener la estructura de la caja espiral y conferirle rigidez transversal, que además poseen una forma hidrodinámica para minimizar las pérdidas hidráulicas.
  • Distribuidor: constituido por álabes móviles directores, cuya misión es dirigir convenientemente el agua hacia los álabes del rodete (fijos) y regular el caudal admitido, modificando de esta forma la potencia de la turbina de manera que se ajuste en lo posible a las variaciones de carga de la red eléctrica, a la vez de direccionar el fluido para mejorar el rendimiento de la máquina. Este recibe el nombre de distribuidor Fink.
  • Rotor o rodete: es el corazón de la turbina, pues aquí tiene lugar el intercambio de energía entre la máquina y el fluido. En forma general, la energía del fluido al momento de pasar por el rodete es una suma de energía cinéticaenergía de presión y energía potencial. La turbina convierte esta energía en energía mecánica que se manifiesta en el giro del rodete. El rodete a su vez transmite esta energía por medio de un eje a un generador eléctrico dónde se realiza la conversión final en energía eléctrica. El rotor puede tener diversas formas dependiendo del número específico de revoluciones para el cual esté diseñada la máquina, que a su vez depende del salto hidráulico y del caudal de diseño.
  • Tubo de aspiración: es la salida de la turbina. Su función es darle continuidad al flujo y recuperar el salto perdido en las instalaciones que están por encima del nivel de agua a la salida. En general se construye en forma de difusor, para generar un efecto de aspiración, el cual recupera parte de la energía que no fuera entregada al rotor en su ausencia.

 

Las turbinas Francis se pueden clasificar en función de la velocidad específica del rotor y de las características del salto:

  • Turbina Francis lenta: para saltos de gran altura, alrededor de 200 m o más
  • Turbina Francis normal: indicada en saltos de altura media, entre 200 y 20 m
  • Turbina Francis rápidas y extrarrápidas: apropiadas para saltos de pequeña altura, inferiores a 20 m

 

A continuación os paso un par de vídeos explicativos que espero os sean de utilidad:

Os paso un vídeo de una Turbina Francis de la Central Hidroeléctrica de la Presa Susqueda en funcionamiento produciendo 27,5 MW por caída hidráulica de 162 m.

Referencias:

YEPES, V.; MARTÍ, J.V. (2017). Máquinas, cables y grúas empleados en la construcción. Editorial de la Universitat Politècnica de València. Ref. 814. Valencia, 210 pp.

Sistemas de distribución

Sistema de distribución OHV, www.aficionadosalamecanica.net

La distribución se puede definir como el conjunto de elementos necesarios para regular la entrada y la salida de gases del cilindro de los motores de cuatro tiempos. Generalmente se trata de un conjunto de piezas que, accionadas por el mismo motor, abren y cierran las válvulas de entrada y salida de gases.

Los sistemas de distribución se pueden clasificar dependiendo de la localización del árbol de levas. Hasta los años 80 los motores estaban configurados con el árbol de levas situado en el bloque motor. Actualmente prácticamente todos los motores tienen el árbol de levas montado en la culata.

El sistema consta de una serie de piezas que pueden variar dependiendo del motor. Generalmente podemos encontrar:

  • Engranaje de mando, cadena o correa: Se encuentra conectado al cigüeñal. Recibe el movimiento de este y lo transmite al árbol de levas. Los engranajes de mando solo se encuentra en los vehículos antiguos o con grandes motores porque son menos eficientes que las cadenas y correas porque pierden energía en forma de calor.
  • Árbol de levas: Es un eje con protuberancias, llamadas levas, que al girar activan en su momento justo el taqué. Debido a las condiciones que debe soportar lleva un tratamiento térmico especial llamado cementación.
  • Taqué o botador: Es un empujador que, movido por el árbol de levas, empuja la válvula. Pueden ser mecánicos (comunes o con un regulador de la luz de válvula) o hidráulicos (regulan la luz de válvula automáticamente).
  • Válvula: Es la parte fundamental del sistema. Accionada por el botador, se abre o cierra permitiendo el paso de los gases al cilindro.

 

Os dejo varios vídeos explicativos. El primero esde la Universidad de La Laguna y en él se explica el funcionamiento del sistema de distribución de un motor de combustión interna.

 

Referencias:

YEPES, V.; MARTÍ, J.V. (2017). Máquinas, cables y grúas empleados en la construcción. Editorial de la Universitat Politècnica de València. Ref. 814. Valencia, 210 pp.

 

 

El cigüeñal

El cigüeñal  es un árbol de transmisión, con codos y contrapesos presente en ciertas máquinas que, aplicando el principio del mecanismo de biela – manivela, transforma el movimiento rectilíneo alternativo en circular uniforme y viceversa. En realidad consiste en un conjunto de manivelas. Cada manivela consta de una parte llamada muñequilla y dos brazos que acaban en el eje giratorio del cigüeñal. Cada muñequilla se une una biela, la cual a su vez está unida por el otro extremo a un pistón. En los motores de automóviles el extremo de la biela opuesta al bulón del pistón (cabeza de biela) conecta con la muñequilla, la cual junto con la fuerza ejercida por el pistón sobre el otro extremo (pie de biela) genera el par motor instantáneo. El cigueñal va sujeto en los apoyos, siendo el eje que une los apoyos el eje del motor.

Os dejo a continuación un vídeo explicativo que espero os guste.

Referencias:

YEPES, V.; MARTÍ, J.V. (2017). Máquinas, cables y grúas empleados en la construcción. Editorial de la Universitat Politècnica de València. Ref. 814. Valencia, 210 pp.

El diferencial

Vista de un diferencial. Wikipedia

Un diferencial es el elemento mecánico que permite compensar las diferencias en la velocidad de giro de las ruedas exteriores e interiores de un vehículo, según éste se encuentre tomando una curva hacia un lado o hacia el otro. Permite, por tanto, la transmisión de par a distintas revoluciones a ambas ruedas simultáneamente. Sus inventores fueron los chinos, que hace ya 3.000 años ya utilizaban un mecanismo diferencial en sus carros. Gracias al diferencial la conducción es más predecible, los neumáticos se gastan menos y no hay tensiones extra en chasis y ejes, así que, en definitiva, tenemos una conducción más segura.

El diferencial consta de engranajes dispuestos en forma de “U” en el eje. Cuando ambas ruedas recorren el mismo camino, por ir el vehículo en línea recta, el engranaje se mantiene en situación neutra. Sin embargo, en una curva los engranajes se desplazan ligeramente, compensando con ello las diferentes velocidades de giro de las ruedas.

http://www.tecnerife.com

 

 

Os paso a continuación varios vídeos explicativos sobre este elemento (algunos en inglés). Espero que os sean útiles.

Referencias:

YEPES, V.; MARTÍ, J.V. (2017). Máquinas, cables y grúas empleados en la construcción. Editorial de la Universitat Politècnica de València. Ref. 814. Valencia, 210 pp.

 

 

 

Turbocompresores

Turbocompresor (corte longitudinal). En rojo, estátor de fundición y rotor de la turbina. En azul estátor de aluminio y rotor del compresor. Wikipedia

La incorporación de la sobrealimentación a motores de combustión interna permite aumentar la potencia del motor evitando la necesidad de incrementar sus dimensiones. Esta sobrealimentación puede conseguir hasta un 40% más de potencia que un motor igual no sobrealimentado. La solución pasa por incrementar el volumen de aire que accede a la cámara de combustión en motores atmosféricos. Los turbocompresores son, por tanto, turbo-máquinas que comprimen el aire, estando compuestos por una turbina solidaria a un eje que impulsa el compresor de aire de admisión en su otro extremo. Este motor funciona con la energía que normalmente se pierde en los gases de escape del motor. Se pueden clasificar en turbocompresores de geometría fija o de geometría variable. Estos sistemas de sobrealimentación ha sido posible gracias a la mejora de los materiales. Cuanto mayor sea la eficiencia adiabática, mejor será, en principio, el rendimiento final del sistema.

Los turbos de geometría variable disponen de un sistema de aletas o álabes que dependiendo de la presión de los gases de escape se sitúan en una u otra posición, para aumentar la velocidad del flujo que debe pasar a través de la turbina y mantener a la turbina girando a su velocidad óptima a cualquier régimen del motor.

En los motores diésel el turbocompresor está más difundido debido a que un motor diésel trabaja con exceso de aire al no haber mariposa, por una parte; esto significa que a igual cilindrada unitaria e igual régimen motor (rpm) entra mucho más aire en un cilindro diésel.

Turbo de geometría variable. Fuente: http://www.motorpasion.com/

A continuación os dejo un vídeo explicativo que explica el funcionamiento de esta máquina.

En el siguiente vídeo de la universidad de La Laguna se explica el funcionamiento de un sistema turbocompresor.

En este vídeo se explica el turbo de geometría variable.

Referencias:

YEPES, V.; MARTÍ, J.V. (2017). Máquinas, cables y grúas empleados en la construcción. Editorial de la Universitat Politècnica de València. Ref. 814. Valencia, 210 pp.

 

El motor diésel de cuatro tiempos

En 1892, el ingeniero alemán Rudolf Diesel patenta el primer motor de encendido de compresión, construido con éxito en 1897. Desde 1945 el motor diesel rápido, perfeccionado paulatinamente con reducciones en las relaciones peso/potencia e importantes mejoras en los sistemas de inyección, ha desplazado al de gasolina, cuyo uso se reduce a motores ligeros de menos de 5 CV. Existen motores diesel de dos tiempos (llamados de acción simple) y de cuatro tiempos (más habituales). Los primeros presentan un barrido defectuoso, por lo que necesitan mejores sistemas de engrase y refrigeración.

Una primera clasificación de estos motores atiende a su velocidad:

  • Motores de baja velocidad (w<350 r.p.m.): se usa normalmente en instalaciones estacionarias de gran potencia.
  • Motores de media velocidad (w aprox = 350 r.p.m.): su empleo habitual es en generadores de corriente de media y baja potencia.
  • Motores de alta velocidad (w>350 r.p.m.): en máquinas de movimiento de tierras.

 

El motor diesel de cuatro tiempos presenta similitudes al de gasolina. Se pueden establecer las siguientes fases del ciclo:

  1. Admisión: En esta fase entra aire en el cilindro (sin mezcla de combustible) que es succionado por el pistón en su movimiento de descenso.
  2. Compresión: Después de alcanzar el pistón el extremo inferior, y una vez se cierran las válvulas de admisión, el cilindro inicia su ascenso comprimiendo el aire hasta llegar al punto más alto de la carrera. La relación de compresión varía entre 14 y 22.
  3. Encendido, combustión y expansión: La elevación de temperatura (440ºC) que acompaña la compresión permite una combustión espontánea al inyectar el combustible. Con las válvulas cerradas, la expansión del gas obliga al pistón a descender hasta el punto muerto inferior (PMI).
  4. Escape: Al llegar el pistón al PMI las válvulas de expulsión se abren y los gases se expulsan al exterior.

 

 

Imagen1

 

El ciclo real y teórico presentan diferencias:

  • La inyección no coincide exactamente con el punto muerto superior (PMS). Asimismo las válvulas de escape se abren instantes antes de que el pistón alcance el PMI.
  • Aunque en el ciclo teórico la combustión se supone que se produce a volumen constante, en realidad sólo una parte lo hace. El resto de la combustión se realiza a presión constante, de modo que se aproxima al ciclo de Otto.

 

 

Sólo en los motores diesel muy lentos, la combustión se desarrolla aproximándose al ciclo teórico.

Os dejo algunos vídeos donde podréis ver el funcionamiento del ciclo diésel y sus más importantes características. Espero que os gusten.

Referencias:

YEPES, V.; MARTÍ, J.V. (2017). Máquinas, cables y grúas empleados en la construcción. Editorial de la Universitat Politècnica de València. Ref. 814. Valencia, 210 pp.

Grúa torre de doble vano

Están compuestas por un mástil vertical fijo apoyado sobre una plataforma soporte. Sobre éste mástil se sustenta un brazo horizontal de dos vanos estabilizados por medio de cables atirantados en su parte superior. El vano superior, denominado pluma es el utilizado por el carro de traslación para desplazarse mientras el otro, la contrapluma, sirve de contrapeso. La estructura se compone de tramos en celosía. La pluma gira 360º por medio de una corona circular y por un engranaje movido por motor eléctrico.

Las velocidades de maniobra son de 1 a 2 r.p.m. para el giro y de unos 40 a 50 m/min para el desplazamiento y elevación de la carga. El control de la grúa puede efectuarse desde una cabina de mando situada en la base o en la parte superior de la torre, o bien desde tierra por medio de un mando móvil desplazable.

Os adjunto un vídeo para que veáis el funcionamiento de estas máquinas.

Como curiosidad os dejo un vídeo de la grúa torre más grande del mundo: la Kroll K-10000. Tiene una altura de 120 m y es capaz de levantar 132 t de carga máxima y 91 t a una distancia de 100 m. Puede resistir vientos de hasta 240 km/h. Espero que os guste el vídeo.

Referencias:

YEPES, V.; MARTÍ, J.V. (2017). Máquinas, cables y grúas empleados en la construcción. Editorial de la Universitat Politècnica de València. Ref. 814. Valencia, 210 pp.

¿Qué es un caballo de potencia?

http://enciclopedia.us.es/index.php/Caballo_de_vapor

La potencia de un motor se define como el trabajo realizado por unidad de tiempo. Existen diversas unidades para medirla, aunque la aceptada por el sistema internacional de unidades es el vatio (W). Sin embargo, pese a no pertenecer al sistema métrico, se sigue utilizando en muchos países de influencia anglosajona el caballo de potencia, especialmente para referirse a la potencia de los motores, tanto de combustión interna como eléctricos. Su magnitud es similar al caballo de vapor, pero no exactamente equivalente. Sin embargo, a veces hay confusión en estos términos (ver este enlace).

  • El caballo de vapor alemán CV o PS (metric horsepower) se define como el trabajo de 75 kilográmetros por segundo. Equivale a 735.49875 W.
  • El caballo de vapor inglés HP (mechanical horsepower) equivale a 550 pies por libra y por segundo, lo cual corresponde aproximadamente a 1.013849 CV y 745.685 W.

 

El caballo de potencia (o de fuerza) es una unidad que fue propuesta a finales del siglo XVIII por el ingeniero escocés James Watt, quien mejoró, diseñó y construyó máquinas de vapor, además de promover el uso de éstas en variadas aplicaciones. Watt propuso esta unidad para expresar la potencia que podía desarrollar la novedosa máquina de vapor (en su época), con respecto a la potencia que desarrollaban los caballos. Estos animales eran las “máquinas” de trabajo que se usaban ampliamente para mover molinos, levantar cargas, mover carruajes y muchas otras actividades. Luego de varios experimentos y aproximaciones de cómo medir y expresar la potencia de los caballos, James Watt estimó que un caballo podía levantar 330 libras-fuerza de peso a una altura de 100 pies en un minuto.

Os dejo un par de vídeos explicativos que espero os gusten.

Referencias:

YEPES, V.; MARTÍ, J.V. (2017). Máquinas, cables y grúas empleados en la construcción. Editorial de la Universitat Politècnica de València. Ref. 814. Valencia, 210 pp.

Motor endotérmico rotativo

Motor Wankel en el Deutsches Museum en Múnich (Alemania). Wikipedia

Dentro de los motores de combustión interna rotativos, el motor Wankel, cuya patente data de 1936, se diferencia enormemente de los motores convencionales. Este motor tiene un 40 por ciento menos de piezas y la mitad de volumen y peso de un motor comparable a pistones. Es de diseño simple, en vez de un pistón, de un cilindro y de válvulas mecánicas, un rotor triangular que gira alrededor del excéntrico, hay muy poca vibración y no hay problemas con la disipación de calor, los puntos calientes, o la detonación, que son consideraciones en el motor convencional del intercambio.

En la figura puede observarse el funcionamiento en cuatro fases: (1) admisión de la mezcla, (2) compresión, (3) encendido (por chispa), explosión y expansión y (4) escape. Todas las fases ocurren de forma simultánea.

Motor Wankel

Las ventajas teóricas de estos motores frente a los alternativos son las siguientes:

  • Su distribución uniforme, regular y ausente de fuerzas alternativas facilita un diseño más equilibrado.
  • Su volumen es menor, así como su relación peso/potencia.
  • Ausencia de espacios muertos.
  • Inexistencia de válvulas y menor número de piezas, lo que contribuye a su simplicidad constructiva.
  • Funcionamiento continuo, dando un empuje constante, lo que teóricamente va asociado a un rendimiento más alto.

 

Sin embargo también se pueden anotar algunos inconvenientes que hacen que su empleo sea más bien escaso:

  • Problemas de estanqueidad, para no perturbar las fases del ciclo.
  • Dificultad de conseguir una eficaz refrigeración.
  • Gradientes elevados de temperatura de la zona caliente de explosión y escape (más de 1000ºC) respecto a las otras (unos 150ºC).
  • Baja eficacia en el uso del combustible y necesidad de estar perfectamente sincronizado.

Os dejo una explicación del motor rotativo (en inglés, así practicáis). Espero que os guste.

Aquí podéis ver el motor rotativo del Mazda RX8.

Referencias:

YEPES, V.; MARTÍ, J.V. (2017). Máquinas, cables y grúas empleados en la construcción. Editorial de la Universitat Politècnica de València. Ref. 814. Valencia, 210 pp.

 

 

 

 

Instalación de bombas centrífugas

La bomba centrífuga constituye el tipo más frecuentemente utilizado. Puede bombear todo tipo de líquidos, incluso con sólidos en suspensión. Se utilizan en toda clase de bombeos excepto si la carga a vencer es demasiado elevada. Esta clase de bomba se indica para caudales moderados y alturas notables. La bomba puede ser sumergible o estar instalada en seco. En éste último caso, la instalación puede estar en aspiración o en carga.

Son máquinas hidráulicas donde el líquido, al entrar en la cámara por la parte central y en la dirección del eje del rotor, es impulsada por éste y al girar lanzada hacia el exterior por la fuerza centrífuga. El líquido adquiere energía cinética que en el difusor se convierte en un aumento de presión. Transforman, por tanto, un trabajo mecánico en otro de tipo hidráulico, siendo su funcionamiento análogo, pero inverso, a las turbinas hidráulicas.

Los elementos constitutivos de que constan son:

  1. Una tubería de aspiración, que concluye prácticamente en la brida de aspiración.
  2. El impulsor o rodete, formado por una serie de álabes de formas distintas que giran dentro de una carcasa circular. El rodete va unido solidariamente al eje y es la parte móvil de la bomba.
  3. Una tubería de impulsión, donde el líquido adquiere la presión cedida por la energía cinética en la voluta de la bomba.

 

Perspectiva de una bomba centrífuga

Os dejo a continuación un vídeo explicativo de cómo se instala una bomba centrífuga. Espero que os sea de utilidad.

Referencias:

YEPES, V.; MARTÍ, J.V. (2017). Máquinas, cables y grúas empleados en la construcción. Editorial de la Universitat Politècnica de València. Ref. 814. Valencia, 210 pp.