Motores y Generadores

MAQUINAS Y MECANISMOS
TEMA 1: MOTORES TÉRMICOS
TEMA 2: MOTORES ELÉCTRICOS
TEMA 3: GENERADORES DE ENERGÍA
TEMA 4: MECANISMOS DE TRANSMISIÓN DE MOVIMIENTOS
MOTORES TÉRMICOS
1.− Introducción.
• Motor térmico: es una máquina a la que aplicamos energía calorífica y como resultado obtenemos
energía eléctrica, (gracias al giro de un eje).
•
Combustión: es una reacción química entre un combustible y el oxígeno del aire, produciendo
nuevas substancias y energía en forma de calor.
El motor realiza en su interior una transformación energética, que debe cumplir la Ley de Conservación de la
Energía (la energía ni se crea ni se destruye, sólo se transforma).
El motor se clasifica según su rendimiento.
• Energía: es la capacidad que tiene un cuerpo para realizar un trabajo. Unidad: Joule (J).
•
Trabajo: es la acción de producir movimiento en aplicar una fuerza sobre un cuerpo o modificar su
estado de reposo.
• Potencia: es la rapidez con que una máquina puede realizar un trabajo o la cantidad de trabajo
realizado en unidad de tiempo. Unidad Watt (w) P = W / t
2.− Máquinas motrices.
Máquinas motrices: son las máquinas que transforman energía primaria en energía mecánica (produciendo
movimiento). Clasificación de las máquinas según su función:
• Energía eléctrica (motor eléctrico) Energía mecánica.
• Energía hidráulica (turbina) Energía mecánica.
• Energía calorífica (motor térmico) Energía mecánica.
• Energía eólica (molino de viento) Energía mecánica.
Máquinas operativas: son las máquinas que producen transformación en la forma o dimensiones de un
material. Esta es la función de las herramientas. Ejemplos: taladro, martillo eléctrico...
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3.− Ruedas hidráulicas y turbinas.
3.1.− Ruedas hidráulicas.
Aprovechan la fuerza del agua para transformar la energía que produce en movimiento, mediante el giro de un
eje conectado a la misma.
3.1.1.− Tipos de ruedas
• Rueda de corriente inferior
Ventajas: Fácil instalación.
Desventajas: Necesitan gran corriente.
• Rueda de corriente superior
Ventajas: Funciona bien con corrientes pequeñas.
Desventajas: Necesita obras de acondicionamiento del terreno.
• Rueda de corriente media
Ventajas: Es la rueda más eficiente.
Desventajas: Se necesita acondicionar el terreno.
3.2.− Turbinas
Una turbina es una estructura cerrada, la cual tiene en su interior un eje que gira gracias al movimiento de
unos álabes conectados a la turbina. Tiene un canal de entrada y uno de salida.
Las turbinas generan más potencia que las ruedas hidráulicas y además son más pequeñas. La potencia
generada por una turbina depende de dos factores:
• Salto: Es la distancia que hay entre el nivel superior del agua en la presa y el nivel donde se coloca la
turbina.
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• Caudal: Es el número de litros que pasa por una sección del canal en la unidad de tiempo.
3.2.1.− Tipos de turbinas
• Turbina Francis: apropiada para saltos de agua y caudales medios. Tiene una parte fija con dos guías
curvadas, llamadas deflectores, y una parte móvil con álabes, llamada rotor.
• Turbina Pelton: apropiada para grandes saltos de agua y pequeños caudales. Tiene unos álabes en
forma de cuchara doble. El agua llega a ellos a través de un conducto, llamada también tobera (con
una aguja inferior que regula el caudal). Esta es la turbina más eficiente.
• Turbina Kaplan: apropiada para pequeños saltos de agua y grandes caudales. Tiene un rotor con
forma de hélice que gira en el sentido del eje.
4.− Motores de combustión externa (La máquina de vapor)
Son aquellos motores que aprovechan la energía térmica de la combustión de combustibles como el carbón, la
madera, el gas, la gasolina... para transformarla en energía mecánica capaz de realizar trabajo.
Las máquinas de vapor estaban formadas por:
4.1.− La caldera
La caldera es el lugar donde se quema el combustible.
El agua se transforma en vapor. Este adquiere una presión elevada y continua por los conductos hasta llegar al
cilindro. En la caldera se producen residuos que proceden de la combustión, humos (que son expulsados a
través de la chimenea), y cenizas (que para limpiarlas hay que parar la caldera).
4.2.− El cilindro y el distribuidor
El vapor de la caldera pasa al cilindro. La alta presión del vapor empuja el pistón desplazándolo a lo largo del
cilindro. Cuando el pistón llega al P.M.I. (punto muerto inferior), el vapor se introduce por el otro extremo del
cilindro forzándolo a desplazarse en sentido contrario. Y produce el movimiento del eje.
El distribuidor es el mecanismo encargado de hacer entrar el vapor en el interior del cilindro,
alternativamente, por un extremo o por el otro.
4.3.− El regulador
El regulador es un mecanismo que sirve para conseguir una velocidad constante en el giro del volante de
inercia, con cualquier régimen de trabajo. Esto se consigue gracias a un mecanismo formado por una válvula
que permite la entrada de vapor según la fuerza centrífuga, gracias a esta fuerza unas bolas pesadas suben y
bajan abriendo o cerrando la válvula.
MAQUINA DE VAPOR
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5.− Motor térmico de combustión interna
5.1.− Introducción
Como su nombre indica es un motor térmico en el que el proceso de combustión se produce en el interior del
motor.
Estos motores también se conocen como motores de explosión, ya que la combustión se produce gracias a una
explosión controlada.
5.2.− Partes de un motor térmico de combustión interna
• Pistón: se utiliza para aprovechar la fuerza de empuje de los gases que se producen en la explosión.
• Segmentos: aíslan el combustible superior del aceite inferior.
• Bulón: unión articulada que permite el movimiento relativo entre el pistón y la biela.
• Biela − manivela: mecanismo que transforma el movimiento lineal del pistón en movimiento de giro
del eje del motor.
• Cigüeñal: es el eje del motor donde se produce el movimiento de giro.
• Volante de inercia: se utiliza para almacenar energía que se produce durante la explosión, de esta
manera el pistón podrá seguir su movimiento hasta completar el ciclo de funcionamiento.
• Válvulas: elementos que se abren y se cierran en diferentes momentos del ciclo para permitir la
entrada de combustible y la salida de gases quemados en la explosión. (Admisión, Escape) son
accionadas por un mecanismo (árbol de levas).
• Bujía: genera una chispa eléctrica que provoca la explosión del combustible comprimido.
• Cárter: parte inferior del motor donde se almacena el aceite para engrasar las partes móviles del
motor.
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MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA
5.3.− Ciclo de funcionamiento de un motor de gasolina
El ciclo de funcionamiento de un motor de gasolina se divide en cuatro tiempos.
1ª Fase: Admisión
El pistón comienza a bajar, la válvula de admisión se abre y se produce un efecto de admisión de la mezcla
aire combustible.
2ª Fase: Compresión
El pistón sube, las válvulas se cierran y la mezcla se comprime. La temperatura y la presión aumentan.
3ª Fase: Explosión.
La bujía suelta una chispa y se produce una explosión del combustible, que obliga al pistón a desplazarse
hacia abajo. (Es la única fase en la que se produce energía).
4ª Fase: Escape.
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El pistón se desplaza hacia el PMS y en su camino expulsa los gases residuales por la válvula de escape, que
estará abierta.
5.4.− Características de un motor
5.4.1.− La cilindrada.
Es el volumen total del motor que se puede llenar de mezcla aire − combustible.
Para calcular la cilindrada hay que tener en cuenta estos dos factores:
Carrera: es la distancia existente entre el PMI y el PMS.
Volumen del cilindro: que es igual al volumen del barrido del pistón más el volumen residual (Cámara de
combustión).
5.4.2.− La relación de compresión
La relación de compresión es la relación que hay entre el volumen que ocupa el combustible antes de estar
comprimido y el que ocupa después de la fase de compresión.
La relación de compresión habitual es la que se encuentra entre el 1 − 7 y el 1 − 10.
5.4.3.− La potencia
Es la cantidad de trabajo que puede realizar un motor por unidad de tiempo.
1 CV = 736 w (CV = caballo de vapor)
La potencia de un motor depende de tres factores:
• Cilindrada: cuanto mayor es la cilindrada, mayor es la potencia.
• Velocidad de régimen (velocidad de giro del eje): cuanto mayor es la velocidad de régimen, mayor
es la potencia.
• Relación de compresión: cuanto mayor es la relación de compresión, mayor es la potencia.
5.4.4.− El par de un motor
El par motor se define como la fuerza que transmite el pistón al eje de giro a través del mecanismo biela −
manivela. Esta es la fuerza que hace girar el eje. Se mide en Newtons / metro.
5.4.5.− El consumo
Hace referencia al número de litros que consume el motor por cada 100 Km. Cuanto mayor es la potencia,
mayor es el consumo.
5.5.− Sistemas auxiliares de un motor
5.5.1.− El carburador
Es el mecanismo encargado de realizar la mezcla aire − combustible en su cantidad adecuada, según la
necesidad del motor.
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5.5.2.− La inyección electrónica
La gasolina es introducida al canal de admisión por unos inyectores. (Controlados por un circuito electrónico).
En cada momento el motor recibe la cantidad justa de carburante en función de la potencia. Gracias a este
sistema se obtiene un mayor rendimiento del motor.
5.5.3.− El Turbo
La turbo alimentación consiste en introducir gases combustibles dentro del cilindro, a una presión superior a
la atmosférica, así aumenta la cantidad y la velocidad de entrada de gases combustibles, por tanto, la aumenta
la potencia del motor.
El turbo compresor es el conjunto de la bomba y la turbina.
5.5.4.− El circuito de refrigeración.
Ya que hay que reducir la alta temperatura del motor, se realiza un proceso de enfriamiento, a través de un
líquido que circula por un circuito de refrigeración.
El radiador enfría el líquido caliente que sale del motor.
5.5.5.− La lubricación
Los motores de 4T tienen una cantidad de aceite lubricante que hace que resbalen ciertas superficies con
piezas móviles. Se utilizan para disminuir pérdidas de energía y desgaste entre las piezas móviles, evitar la
corrosión y disipar el calor generado.
Los lubricantes pueden ser líquidos o pastosos (aceites o grasas).
Características de los lubricantes:
• Viscosidad: resistencia a fluir.
• Untuosidad: Capacidad de adherirse a las superficies.
• Puntos de combustión, inflamación y congelación.
• Poder anticorrosivo.
• Poder detergente.
5.6.− Los motores Diesel
En estos motores solamente se comprime aire (1 − 23), y llega a unas temperaturas muy elevadas. El inyector
electrónico suelta combustible vaporizado (gasoil), y se produce una explosión.
El Funcionamiento del motor Diesel se divide en cuatro fases:
1ª Fase: Admisión
El pistón está a punto de llegar al PMS, en ese momento se abre la válvula de admisión y el desplazamiento
del pistón provoca la entrada de aire. Acto seguido la válvula de admisión se cierra.
2ª Fase: Compresión
El pistón se desplaza hacia la parte superior del cilindro y comprime el aire. Esto provoca que el aire llegue a
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altas temperaturas.
3ª Fase: Explosión
Unos inyectores electrónicos introducen la cantidad necesaria de gasoil en función de la potencia del motor. A
causa de la elevada temperatura el combustible se inflama y produce una gran cantidad de gases que empujan
al pistón hacia la parte inferior del cilindro.
4ª Fase: Escape
Las válvulas de escape se cierran y los gases son expulsados al exterior gracias al movimiento ascendente del
pistón.
5.7.− El motor de dos tiempos: la moto.
Estos motores son más ligeros y más sencillos que los de 4T, pero su funcionamiento es similar. Utilizan
gasolina mezclada con aceite y no tienen válvulas.
El ciclo de funcionamiento del motor de dos tiempos se divide en dos fases:
1ª Fase: Admisión y compresión
El pistón se desplaza del PMI al PMS. Se abre la boca de entrada de gases combustibles que vienen del
carburador. El vacío producido en el cárter provoca la entrada de gases combustibles (admisión) y la mezcla
de aire, gasolina y aceite. El pistón continua su movimiento hacia el PMS comprimiendo los gases
combustibles del interior del cilindro.
2ª Fase: Explosión y escape
El pistón se desplaza debido a la chispa provocada por la bujía hacia el PMI (explosión), se cierra la boca de
admisión y se abre la de escape para abocar los gases quemados al exterior.
5.8.− Combustibles
Los combustibles almacenan energía en forma química.
Características de un buen combustible.
• Volátil: se vaporiza muy fácilmente y así se produce una buena mezcla.
• Poder calorífico alto: indica la cantidad de energía que podrá liberar el combustible por unidad de
masa.
• Resista una alta relación de compresión sin explotar (si el combustible se comprime mucho y no
explota la potencia aumenta la potencia.
• Debe generar muy poca materia contaminante.
5.8.1.− El octanaje
El octanaje indica la relación de compresión, la capacidad que tiene un combustible de ser comprimido sin
que se produzca una explosión espontanea. Se mide en octanos.
Gasolina SUPER de 90 a 100 octanos.
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Gasolina NORMAL menos de 90 octanos.
Gasolina SIN PLOMO (súper) de 97 a 98 octanos (menos contaminante).
GASOIL (no es volátil) Se mide en Centanos, se utiliza para los motores diesel. Entre 40 y 70 cetanos.
TEMA 2: MOTORES ELÉCTRICOS
1.− El magnetismo
Los materiales magnéticos se alteran entre si. Y atraen el hierro (magnesio). Tienen dos caras (polos
magnéticos): Polo Norte y Polo Sur. Los polos diferentes se atraen y los iguales se repelen.
• Campo magnético: es una zona donde se manifiestan fuerzas de atracción y repulsión.
2.− Electricidad y magnetismo (Electromagnetismo)
• Imán: es un material que tiene la propiedad de atraer a materiales como el y al hierro.
• Interaccionar: La interacción se produce cuando dos campos magnéticos tienden a ponerse en la
misma dirección. Aparecen fuerzas de expulsión.
3.− El electroimán
Son imanes artificiales que basan su funcionamiento en los efectos provocados por una corriente eléctrica. Se
puede gobernar a nuestro gusto, se le pueden cambiar los polos y aumentar o disminuir la potencia.
4.− Motores eléctricos de corriente continua
Un motor eléctrico es una máquina motriz capaz de transformar la energía eléctrica en energía mecánica. Esta
energía mecánica estará disponible en forma de movimiento de giro de un eje.
4.1.− Descripción de un motor de C.C.
Básicamente constan de dos partes. Una fija que se denomina estátor y otra móvil llamada rotor.
En el estátor se encuentran los polos magnéticos, que pueden pertenecer a un imán o bien a un electroimán.
En el rotor hay una bobina de hilo imantado, que se coloca sobre un eje giratorio. El eje también contiene el
colector. Que es el lugar donde se conectan las bobinas a unas finas láminas de cobre que se denominan
delgas. Unas piezas fijas de granito, resistentes al rozamiento, llamadas escobillas hacen contacto con las
delgas, para permitir que la corriente llegue a la bobina del rotor.
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4.2.− Funcionamiento
El principio de funcionamiento de los motores eléctricos se basa en la interacción de dos campos magnéticos,
el del rotor y el del estátor.
Cuando circula corriente por cada uno de los lados de la bobina del rotor se forma un campo magnético a su
alrededor, que interactua con el campo magnético del estátor. Como consecuencia se producen unas fuerzas
que obligan a la bobina del rotor a moverse, un lado hacia arriba y el otro hacia abajo, todo esto obliga a la
bobina a girar. Como el sentido de la corriente se mantiene a uno y a otro lado de la bobina, cuando esta da
media vuelta, el sentido de giro se mantiene, ya que las delgas del colector cambian de polaridad al girar la
bobina.
5.− Maniobras sobre un motor de C.C.
Las maniobras sobre un motor de C.C. son la de inversión de giro y la de control de velocidad del motor.
Un circuito equivalente del motor de C.C.
5.1.− Inversión de giro.
Es más fácil invertir el sentido del campo del rotor, cuando esto ocurra se invertirá la fuerza que provoca el
giro del rotor y se conseguirá invertir el sentido de las fuerzas.
5.2.− Regulación de velocidad.
Ya que la velocidad de giro depende de la tensión aplicada, aumentando la tensión también aumentará la
velocidad de giro. Se consigue manipulando una resistencia colocada en el circuito, llamada resistencia de
ajuste.
TEMA 3: GENERADORES DE ENERGÍA
1.− Introducción
Un generador eléctrico es un sistema que produce energía eléctrica a partir de otra energía primaria
TEMA 4: MECANISMOS DE TRANSMISIÓN DE MOVIMIENTOS
1.− Los engranajes
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Los engranajes son mecanismos de transmisión de movimiento circular mediante ruedas dentadas. Estas
actúan la una sobre la otra, a través de los dientes que intercalan entre si. La rueda que está conectada al
aparato motor, es la rueda motriz; la rueda que es empujada es la rueda conducida. En una transmisión de dos
engranajes uno siempre gira en sentido contrario al otro.
1.1.− Tipos de engranajes
Según la forma de los dientes y la posición de los ejes existen diferentes tipos de engranajes.
• Engranaje con diente de flecha.
• Engranaje cónico.
• Engranaje recto.
• Engranaje con dientes helicoidales.
• Tornillo sin fin de engranaje.
• Corona dentada interior.
• Engranaje de cremallera.
1.2.− Propiedades de los engranajes
En estos engranajes no hay posibilidad de deslizamiento entre las ruedas, ya que los dientes lo impiden.
Para las transmisiones de precisión, por ejemplo el reloj, ha de haber sincronismo exacto entre los ejes.
Otro tipo de transmisiones son las de esfuerzos elevados, y con variación de velocidad, como las cajas de
cambios. En ellas hay una combinación de diferentes engranajes.
1.3.− Cálculo de velocidades y relación de transmisión
Se utiliza el número de dientes de las ruedas, ya que es proporcional al diámetro de las mismas.
n1 = velocidad de la rueda motriz.
z1 = número de dientes de la rueda motriz.
n2 = velocidad de la rueda conducida.
z2 = número de dientes de la rueda conducida.
2.− Transmisión por cadenas o correas dentadas
Es un sistema que incorpora las ventajas de las ruedas dentadas y de las poleas.
Este sistema está formado por ruedas dentadas enlazadas por una cadena metálica, de manera que los
eslabones se introducen dentro de los dientes de las ruedas transmitiendo el movimiento de una a otra.
A la rueda de diámetro grande se le denomina plato, y a la de diámetro pequeño piñón.
2.1.− Propiedades
Las transmisiones por cadena son fuertes y seguras, por ello se utilizan en bicicletas y motos. No obstante, no
se pueden transmitir velocidades elevadas, ya que la cadena, en moverse rápidamente, vibra y este hecho
provocaría un deterioro rápido del mecanismo.
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Para solucionar este problema se substituye la cadena de acero por una correa dentada fabricada en caucho, ya
que es más resistente y puede transmitir velocidades mayores.
2.2.− Cálculo de velocidades y relación de transmisión
En este tipo de transmisiones de velocidades y relación de transmisión, se calculan igual que las transmisiones
de ruedas dentadas, partiendo del número de dientes del plato y del piñón.
n1 = velocidad de la rueda motriz.
z1 = número de dientes de la rueda motriz.
n2 = velocidad de la rueda conducida.
z2 = número de dientes de la rueda conducida.
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