3.1 Características Generales
Las bombas axiales son turbomáquinas que permiten la transferencia de energía mecánica del rotor al líquido mientras este pasa a través de los álabes en dirección axial. El impulsor tiene forma de hélice de 2 a 6 aspas,por lo que estas bombas se llaman también de hélice.
La velocidad de base o de arrastre, en la incidencia del liquido en el álabe a la entrada, conserva su valor en el borde de fuga del álabe a la salida, o sea U1=U2, y en consecuencia la accion centrifuga es nula. La ganancia en carga de presion debe lograrse solamente a expensas del cambio en magnitud de la velocidad relativa, con resultados desacelerativos en esta velocidad, de forma Vr2<Vr1, a fin de producir un efecto de difusion a lo largo del ducto entre álabes, que aumenta la presion.
La energia transferida, bajo la forma de componentes energeticas, se reduce pues a:
En la cual, los dos terminos del segundo miembro deben ser positivos, o sea Vr1>Vr2 y V2>V1.
Como consecuencia de ser nulo el termino U2²-U1² /2g, de accion centrifugea, que es el que en las bombas proporciona mayor ganancia en carga estatica, se tiene en las bombas axiales una carga estatica reducida, ya que el cambio en velocidad relativa, que es donde se puede obtener, se hace dificil conseguir valores elevados, pues se exigiria una velocidad relativa muy alta que deberia ser reducida a un valor muy bajo en el ducto entre álabes, lo cual es dificil lograr en el corto recorrido atraves del rodete movil.
La velocidad absoluta del agua que penetra en la helice impulsora en direccion axial, sale de la misma con trayectoria helicoidal, debido a que existe componente tangencial (Vu2) y tambien al efecto de puntas. para volverla a la direccion axial y al mismo tiempo para convertir la energia dinamica en estatica, se dispone a la salida del impulsor un sistema de álabes fijos a la carcasa, llamdos álabes directores o difusor.En ciertos casos se produce tambien un ensanchamiento gradual del ducto de descarga, con divergencia de 15° a 20°, que completa la conversion de energia cinetica en potencial.
Las bombas de este tipo son de un solo paso en general (aunque pueden tener varios), constituido por la helice impulsora seguida de un rodete fAsi ijo a la carcasa, con o sin ducto abocinado de descarga. En contados casos se coloca el rodete fijo antes del impulsor, pues la primera disposicion a probado ser mas conveniente.
Finalmente, se producen separaciones o choques sobre el álabe cuando el angulo de ataque no corresppnde a las condiciones de incidencia prevista.
3.2 Diagramas Vectoriales de Velocidades
Tomando el caso mas general, de estar colocado el impulsor o rotor delante del rodete fijo o estator y que la velocidad absoluta de entrada es axial, se tiene la siguente figura:
En ella se representa el perfil de unos álabes del rotor y del estator, cuya seccion es normal a la direccion radial. Se va a suponer que la maquina es de un solo paso, esto es, un rotor y un estator, como es comun en las bombas.
El flujo entra en direccion axial y ataca el álabe movil en esa direccion. la componente axial de la velocidad conserva el mismo valor entre la entrada y la salida para evitar empujes axiales perjudiciales. Esta circunstancia facilita la relacion entre las distintas componentes y por tanto el diseño de la maquina.
La velocidad absoluta aumenta a su paso por el álabe movil, esto es, V2>V1, haciendo al termino de carga dinamica positivo ((V2²+V1²)/2gc)=+.
Asi mismo se advierte que Vr2<Vr1 debido a la curvatura del álabe, y que por tanto tambien es positivoel termino de carga estatica ((Vr1²+Vr2²)/2gc)=+ , que reclam
a la misma ecuacion.
El álabe fijo endereza y reduce la velocidad absoluta, cumpliendo las dos funciones de director y de convertidor parcial de la energia dinamica del agua en estatica.
Estos dos diagramas de entrada y salida en el álabe movil se suelen agrupar en uno solo bajo las dos formas siguientes: con vertice comun o sobre baso comun. En la figura siguiente se presentan estas dos formas, en las que se ha considerado el caso mas general de que V1 no sea axial. El vector que 0sirve de base comun es el U que tiene el mismo valor a la entrada que a la salida.
Si Vr1=V2 yVr2=V1 se tiene simetria en el diagrama, condicion que da lugar a un grado de reaccion del 50% como se vera mas adelante.
Estos diagramas muestran claramente el cambio de la componente de giro, Vu2-Vu1= ΔVu, que es factor escencial en el calculo de la energia transferida, segun la ecuacion de Euler.
H=U ΔVu/gc
En los diagramas con vertice comun se aprecia ademas del cambio en la velocidad de giro, el valor del angulo θ de deflexion de la velocidad relativa, el cual suele ser del orden de unos 15° para las condiciones de diseño.
La figura 3.4 nos ayuda a definir otro concepto util como es el de "angulo medio del fluido" αm o de la "velocidad media relativa" (Vmr) cuya tangente se define por la expresion.
tan αm=Vmru/Va
En la que Va es la componente axial de la velocidad absoluta y Vmru es la media aritmetica de las dos componentes de giro de las velocidades relativas a la entrada y a la salida del álabe, o sea
Vmru= Vru1+Vru2/2
El angulo αm se puede calcular facilmente en funcion de los angulos α1 y α2 que caracterizan la deflexion del fluido entre la entrada y la salida. En efecto,
Vru1=Va tan α1
Vru2= Va tan α2
Por tanto,
Vmru=(Va/2)(tan α1 + tan α2)
y en consecuencia, sustituyendo en la ecuacion se tiene
tan αm= 1/2(tan α1 + tan α2)
El angulo αm es util en la fijacion de caracteristicas del álabe en la maquina axial. la direccion de Vmr y la cuerda de perfil del álabe, definen el angulo de incidencia.
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