1. TEORIA DEL IMPACT OF JET
Figura
1. Impact of jet
Dentro del estudio de
la mecánica de fluidos encontramos el impacto de un chorro sobre una
superficie, base principal para el desarrollo de la teoría de turbomáquinas. Es
mediante las turbomáquinas, que se puede realizar un trabajo a partir de la
energía que trae un fluido, como también la aplicación de un trabajo a un
fluido, para agregarle una energía mayor.
El impact of jet o
impacto de chorro es un equipo que ha sido diseñado para comprobar la validez
de las expresiones teóricas que determinan la fuerza ejercida por un chorro
sobre diferentes tipos de álabes.
El equipo funciona
sobre el banco hidráulico, permite una perfecta visualización del impacto del
chorro sobre el álabe estudiado gracias a su carcasa transparente.
FUNCIONAMIENTO
DEL EQUIPO IMPACT OF JET
Figura
2. Partes del Impact of jet
El equipo sirve para
estudiar las fuerzas de chorros a impulsos en cuerpos de choque. Las fuerzas de
impulsión se generan mediante un chorro de agua. Las fuerzas de impulsión se
miden con un sistema de palancas y pesos. Las fuerzas de impulsión del chorro
de agua se ajustan mediante el caudal. El suministro de agua tiene lugar
mediante un Módulo básico para hidrodinámica o a través de la red del
laboratorio. El módulo básico permite crear un circuito cerrado de agua. El equipo se compone básicamente de:
- Pesos [1]
- Sistema de palancas
[2]
- Cuerpo de choque [3]
- Tobera [4]
- Depósito de plexiglás
[5]
- Conexión de salida [6]
- Placa base [7]
- Conexión de entrada
[8]
Figura
3. Componentes del Impact of jet
En la posición [3] se
pueden montar diversos cuerpos de choque:
- Cuerpos de choque con
superficie plana
- Cuerpos de choque con
superficie esférica
PRINCIPIO
DE LA CANTIDAD DE MOVIMIENTO
Las fuerzas ejercidas
por los fluidos en movimiento conducen al diseño de bombas, turbinas, aviones,
cohetes, hélices, barcos, etc., por lo cual, la ecuación fundamental de la
energía no es suficiente para resolver todos los problemas que se presentan y
por lo tanto se necesita el auxilio del principio de la cantidad de movimiento.
Ecuación de momento
para un volumen de control:
(1)
Esta ecuación establece
la suma de las fuerzas (de superficie y másicas) que actúan sobre un volumen de
control no acelerado, es igual a la relación de cambio de momento dentro del
volumen de control, más la relación neta de flujo de momento que sale a través
de la superficie de control.
Considere la situación
mostrada en la Figura 4. En la que
un chorro de agua impacta contra una superficie sólida plana (a), oblicua (b) o
hemisférica (c). El chorro de agua, generado mediante una tobera de d = 8 mm de
diámetro interior, lleva una velocidad (V), de manera que transporta un caudal
Q = V A, donde A = π d^2 / 4 es el área
de la sección transversal del chorro.
Figura
4. Tipos de superficies del impacto de chorro
Al impactar contra la
superficie, el chorro abandona ésta con una velocidad (Vs) convertido en una
lámina de área transversal (As). En condiciones estacionarias (Q = constante),
y teniendo en cuenta que los efectos viscosos son despreciables en el problema
(Re = ρ v d /μ >> 1), donde ρ y μ son la densidad y viscosidad del agua respectivamente,
la aplicación de la ecuación de Bernoulli a lo largo del chorro proporciona Vs=
V, de manera que la velocidad de salida es igual a la velocidad del chorro. Por
tanto, la conservación de la masa implica A=A. La ecuación de la cantidad de movimiento
proporciona la fuerza total sobre la placa en cada caso:
(a)
F =ρ Q 2/ A
(b)
F = 3/2 ρ Q 2/ A
(c)
F = 2 ρ Q 2/ A
APLICACIONES
Las turbinas son
dispositivos que producen energía a partir de un fluido que pasa por ella,
están constituidos por un conjunto de
álabes ajustados al eje de la turbina recibiendo el nombre de rodete o rotor.
El flujo a través de
una turbomáquina puede ser: axial, radial o mixto. La máquina de flujo axial (Turbina
Francis) maneja grandes gastos, con alto rendimiento. Para una turbina de
impulso o de reacción (Turbina Pelton) no existe aceleración del fluido
respecto al álabe, es decir, trabaja a velocidad constante. En general, la
energía del fluido que se transmite a los álabes (o rotor) es convertida en
energía mecánica y ésta a su vez puede ser transformada en energía eléctrica,
como sucede en las plantas hidroeléctricas.
Figura
5. Turbina Francis y Pelton
OBJETIVOS
ü Comprender
como actúa las fuerzas de empuje en el equipo de impacto de chorro.
ü Identificar
la diferencia entre un alabe plano y esférico.
ü Determinar
y analizar por medio de gráficas diferentes variables como flujo másico,
velocidad, fuerza, entre otras.
