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.