Un freno de agua es un tipo de acoplamiento de fluido utilizado para absorber energía mecánica y generalmente consiste en una turbina o hélice montada en un recinto lleno de agua.
A medida que la turbina o la hélice gira, la energía mecánica se transfiere al agua debido a la turbulencia y la fricción . El choque causado por la aceleración del agua a medida que pasa de las bolsas del estator a las bolsas del rotor giratorio requiere energía. Esa energía calienta el agua debido a la fricción a medida que el agua se mueve a través del freno de agua. Casi toda la potencia del sistema que hace girar el rotor (generalmente un motor de combustión interna) se convierte en un cambio de temperatura del agua. Los cojinetes y sellos dentro de la unidad absorben una cantidad muy pequeña de energía. Por lo tanto, el agua debe moverse constantemente a través del dispositivo a una velocidad proporcional a la potencia que se está absorbiendo. La temperatura del agua que sale de la unidad debe mantenerse por debajo de 120–160 °F (50–70 °C) para evitar la formación de incrustaciones y la cavitación. El agua ingresa por el centro del dispositivo y, después de pasar por las bolsas del estator y el rotor, sale por el exterior de la carcasa a través de un orificio controlado. La cantidad de carga depende del nivel de agua dentro de la carcasa. Algunos frenos de agua varían la carga controlando únicamente el volumen de agua de entrada y tienen un tamaño de orificio de salida determinado según los caballos de fuerza que se deseen absorber, y algunos controlan tanto los orificios de entrada como de salida al mismo tiempo, lo que permite un mayor control sobre las temperaturas del agua de salida. La carcasa está ventilada hacia el exterior para permitir que el aire desplace el agua a medida que el nivel de agua en la unidad sube y baja.
La cantidad de torque que se puede absorber se define mediante la ecuación T=kN 2 D 5 donde T = torque, N = RPM, D = el diámetro del rotor y k = una constante que depende del tamaño, la forma y el ángulo de los bolsillos del rotor/estator. [1]
Los sistemas que requieren que se mida el par del sistema bajo prueba generalmente utilizan un extensómetro montado en un brazo de torsión que está unido a la carcasa perpendicularmente al eje de entrada. La carcasa/estator está montado sobre cojinetes de rodillos y el rotor está montado sobre cojinetes de rodillos dentro de la carcasa/estator de modo que pueda girar independientemente del rotor y el bastidor. El extensómetro conecta el brazo de torsión al conjunto del bastidor y evita que la carcasa gire mientras la carcasa intenta girar en la misma dirección que la turbina. (Tercera ley de Newton).
La cantidad de resistencia se puede variar modificando la cantidad de agua que hay en el recinto en cualquier momento. Esto se logra mediante válvulas de agua controladas de forma manual o electrónica. Cuanto más altos sean los niveles de agua dentro del freno, mayor será la carga. Los frenos de agua se utilizan comúnmente en algunas formas de dinamómetro , pero también se han utilizado en vehículos ferroviarios, como el British Advanced Passenger Train .
El freno de agua Froude se basa en una construcción hidrocinética (absorción de par).
La máquina consta de un impulsor (rotor) que acelera el agua hacia afuera mediante su rotación. El agua cambia su velocidad mediante un estator que hace que el agua regrese al diámetro interior del rotor. Para una masa dada de agua, este cambio de velocidad produce un cambio de momento correspondiente, y la tasa de cambio de momento es proporcional a una fuerza. Esta fuerza que actúa en algún punto dentro del rotor y el estator está a una distancia del eje central, y una fuerza multiplicada por una distancia produce un par motor.
