Bombas Hidraulicas 3w584n

AREA MECÁNICA – INACAP MAIPÚ

MAQUINAS TERMICAS E HIDRAULICAS

APUNTE


1

BOMBAS HIDRAULICAS OBJETIVOS ESPECIFICOS: •

Explicar la función de una bomba hidráulica

•

Explicar la clasificación de las bombas hidráulicas

•

Describir una instalación de bombeo de una bomba centrifuga

•

Realizar cuadro de mantención de las bombas hidráulicas de acuerdo al tipo

CONTENIDO •

INTRODUCCION

•

DEFINICION

•

CLASIFICACION

•

BOMBAS DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO

•

o

BOMBAS RECIPROCAS

o

BOMBAS ROTATORIAS

BOMBAS DINAMICAS o

BOMBAS CENTRIFUGAS

•

INSTALACION DE BOMBEO DE UNA BOMBA CENTRIFUGA

•

CUADRO DE AVERIAS DE LAS BOMBAS

•

BIBLIOGRAFIA

Docente: Paola Benavides Ingeniero Civil Mecánico - PUCV

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INTRODUCCION La función del siguiente apunte, es complementar los conocimientos adquiridos en clases, de manera que el alumno pueda cumplir con los objetivos específicos determinados por la asignatura. Las bombas hidráulicas son de gran importancia en el campo industrial, existe una infinidad de ellas, las cuales tienen distintas funciones, todo depende del tipo de fluido, caudal, de la temperatura a la cual se va a transportar y la presión que se soportará. DEFINICION

Una bomba es una máquina o dispositivo cuya función es desplazar un fluido incomprensible, o sea generar caudal por medio de la transformación de energía eléctrica o térmica obtenida por el motor eléctrico o de combustión, la cual se transforma en mecánica en el eje y finalmente es absorbida por el fluido convirtiéndose en energía hidráulica.

ENERGIA ELECTRICA O TERMICA

ENERGIA MECANICA

BOMBA

ENERGIA HIDRAULICA

CLASIFICACION Las bombas se pueden clasificar en dos grandes grupos:

BOMBAS BOMBAS DESPLAZAMIENTOPOSITIVO

BOMBAS RECIPROCAS

BOMBA DE EMBOLO

BOMBAS DINAMICAS BOMBAS ROTATORIAS

BOMBA DE TORNILLO

BOMBA DE PISTON

BOMBA DE ENGRANAJE

BOMBA DE DIAFRAGMA

BOMBA DE LOBULO BOMBA DE PALETAS


FLUJO AXIAL FLUJO RADIAL FLUJO MIXTO VERTICAL HORIZONTAL MULTIPLE

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El primer grupo de bombas denominadas de desplazamiento positivo, realiza el trasvasije del fluido debido a la disminución del volumen de la cámara la cual se forma por el espacio contenido entre la carcasa y un elemento con movimiento ya sea rotatorio (engranajes, tornillos, paletas, lóbulo) o alternativo (pistón, embolo, diafragma). Estas bombas reciben el nombre también de Bombas Volumétricas. En el caso del segundo grupo denominadas bombas centrifugas, el trasvasije se realiza debido la fuerza centrifuga, según la cual el fluido, entra por el centro del cuerpo de la bomba, es expulsado hacia el exterior por medio de un impulsor que gira rápidamente. Las bombas además de clasificarlas por su funcionamiento, también pueden ser clasificadas según los siguientes criterios: • • • •

Fluido (según viscosidad, temperatura) Caudal (según suministro; constante o pulsante, según su cantidad; grande o pequeño) Presión (alta, media o pequeña) Velocidad de giro del eje (alta, media o pequeña)

BOMBAS DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES Debido al funcionamiento de estas bombas es importante aclarar que la única función de una bomba es generar caudal, que trabajan con fluidos incompresibles y por lo tanto no crea presión por disminución del volumen de masa ocupado por el fluido, sino "empujando" el fluido que llena los conductos o paso a través de algunas restricciones. Si un circuito no tuviera fugas y se obstruyera la descarga, la presión aumentaría (en fracciones por cada vuelta de la bomba), hasta frenar el motor de arrastre, romper la bomba o los conductos. Debido a esto es necesario ubicar elementos de protecciones para las posibles sobrepresiones (filtros, manómetros, válvulas, etc.). Otra característica importante a considerar es la velocidad del fluido en la línea tanto de aspiración como en la descarga o trabajo. Generalmente las velocidades recomendadas son: •

Línea de aspiración de la bomba; de 0,6 a 1,2 (m/s)

•

Línea de trabajo; 2 a 5 (m/s)

Se recomiendan ductos de aspiración muy corto y sobredimensionado, sin cambios de diámetro ni curvas, el fluido no debe tener una alta viscosidad. Las bombas de pistones y paletas pueden entregar caudal constante o variable, en cambio las de engranaje solo constante. CARACTERISTICAS TECNICAS Para poder comprar una bomba se deben indicar las siguientes características técnicas: • •

Presión de funcionamiento (se debe especificar máximas y mínimas) Caudal (constante o variable)


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• • • • • • •

Rendimiento Volumétrico Velocidad angular del eje Dirección de giro Motor de accionamiento Fluido Temperatura Funcionamiento (continuo)

•

Instalación (interior, exterior, fija, móvil)


Las características técnicas específicas para cada bomba de desplazamiento positivo tanto reciprocas como rotatorias se detallan en los apartados correspondientes. Una ventaja característica de las bombas de desplazamiento positivo es que son autocebantes, esto significa que no es necesario llenar el circuito con fluido antes de su funcionamiento. BOMBAS RECIPROCAS El funcionamiento de una Bomba Reciproca depende del llenado y vaciado sucesivo de receptáculos de volumen fijo, para lo cual cierta cantidad de fluido entra al cuerpo de la bomba en donde queda encerrado momentáneamente, para después ser forzado a salir por la descarga. De lo anterior se deduce, en términos generales, que el caudal de una Bomba Reciproca es directamente proporcional a su velocidad de rotación y casi independiente de la presión de bombeo. Como el proceso de llenado y vaciado sucesivo de receptáculos de volumen fijo requiere fricción por resbalamiento entre las paredes estacionarias del receptáculo y las partes móviles, estas bombas no son apropiadas para manejar fluidos que contengan arenas o materias en suspensión. Además, la variación cíclica del caudal de descarga puede obligar al empleo de un acumulador y de grandes tuberías. Estas bombas son relativamente de baja velocidad de rotación, de tal manera que cuando tienen que ser movidas por motores eléctricos deben ser intercaladas trasmisiones de engranes o poleas para reducir la velocidad entre el motor y la bomba. Estas bombas se clasifican de la siguiente manera: •

Bombas de Pistones

•

Bombas de Embolo

•

Bombas de Diafragma


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BOMBA DE DIAFRAGMA Están provistas de un diafragma flexible recíprocamente en vez de un émbolo o pistón reciprocante, con lo cual se elimina la fricción y las fugas en el punto donde el émbolo atraviesa la caja de empaque. Un ejemplo de esta bomba queda ilustrado en la figura en la cual el movimiento del diafragma es obtenido mediante una cama excéntrica y una palanca; las válvulas de succión y de descarga trabajan en forma ordinaria. Tales bombas son muy comunes en la actualidad para levantar combustible de los tanques posteriores de los automóviles a los carburadores de los mismos. Se utiliza solo para caudales elevados de fluidos ya sean limpios o con contenidos sólidos, son apropiadas para; pulpas gruesas, drenajes, lodos, soluciones acidas y alcalinas así como mezclas de agua con solido que puedan causar erosión. Un diafragma de material flexible no metálico, puede soportar mejor la acción corrosiva y erosiva de los fluidos que transporta.


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BOMBA DE EMBOLO O PISTON

Comúnmente llamada de émbolo o de presión, están mostrados esquemáticamente en la figura. En ella puede verse que, como la Manivela o cigüeñal gira con una velocidad uniforme, accionada por el motor, el émbolo o pistón se mueve hacia adelante y hacia atrás en el cuerpo del cilindro; en el golpe hacia afuera un vacío parcial detrás del émbolo permite que el fluido pase por la válvula de succión y llene el cilindro; en el golpe hacia adentro, la válvula de succión se cierra y el agua es presionada a salir hacia el tubo de descarga. Son bombas ideales para equipos que trabajan a altas presiones, son mas caras y complicadas que otras bombas positivas. Generan un caudal de hasta 1700 (l/min), presiones promedio de hasta 400 (Kp/cm2) y velocidades hasta 3000 (rpm). Relativamente silenciosas, creciendo el ruido a medida que aumenta la presión. Las temperaturas máximas de trabajo alcanzan los 80°C. la presión máxima en la aspiración es de 1 (Kp/cm2). La mayoría de estas bombas son autoaspirantes. Los diseños básicos son radial y axial, ambos con desplazamiento fijo o variable.

Las bombas radiales tienen la característica que con ellas se obtienen grandes presiones, grandes velocidades y gran caudal


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Las bombas rotativas de émbolos radiales se fabrican para presiones de hasta 500 (Kp/cm2). Se emplean tanto para caudal constante como variable es decir son regulables. La regulación se logra variando la excentricidad. El rango de velocidades normal es de 100 a 3000 (rpm). En general las bombas de embolo axial alcanzan presiones de 300 (Kp/cm2) con rangos de velocidades de 100 a 2000 (rpm). Son bastante silenciosas hasta 150 (Kp/cm2). Funcionamiento bombas radiales: Todos los ejes de los cilindros son concurrentes y situados en un mismo plano. Los pistones se aplican a un tambor fijo por la fuerza centrifuga y los muelles. Durante la rotación del rotor los pistones efectúan un movimiento de vaivén y siempre en o con el tambor; cuando se alejan del centro aspiran el fluido y lo comprimen en la otra media vuelta. Se modifica el caudal variando la excentricidad entre el rotor y el tambor fijo. Este tipo de bomba da un caudal libre de pulsaciones. Cuando el numero de pistones varia entre 5 a 9 la velocidad de aspiración del fluido es de 2 a 3 (m/s) y en la salida de 4 a 6 (m/s).

BOMBA RECIPROCANTE DE EMBOLO DE DESCARGA VARIABLE. En sistemas de transmisión de circuito hidráulico cerrado, es algunas veces necesaria una forma de bomba cuyo gasto de descarga pueda ser variado sin cambiar la velocidad de rotación. Tal bomba está indicada en la figura, tiene un cierto número de cuerpos cilíndricos paralelos A, hechos formando un bloque B, que gira mediante engranes alrededor de un eje central. Los pistones o émbolos están articulados a un anillo D que es mantenido en o con un platillo E, el cual puede inclinarse fuera de la perpendicular; de este modo cuando el anillo D gira en conjunto con el bloque de cilindros, también se balancea e imparte el movimiento reciprocante necesario a los pistones o émbolos. En estas bombas no son necesarias las válvulas que tienen las bombas de émbolo antes descritas; en su lugar tienen dos entradas o ranuras semicirculares que obturan las extremidades de los cilindros, una de las entradas está conectada a la tubería de succión y la otra a la de descarga. Así todos los cilindros del bloque en el lado en que suben los émbolos, que es cuando se mueven éstos hacia afuera, son puestos en comunicación directa con la Docente: Paola Benavides Ingeniero Civil Mecánico - PUCV

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tubería de succión, mientras que el líquido descargado de los cilindros en los cuales bajan los émbolos, tienen salida libre al tubo de descarga. A fin de variar el gasto de descarga de la bomba, es necesario alterar la carrera de los émbolos, lo cual puede hacerse cambiando el ángulo de inclinación del plato E. Para este objeto el plato está montado sobre ejes, de tal modo que él puede mecerse alrededor de un eje horizontal, transversal al eje principal de la bomba. Mientras más normal se hace el plato E, menor será la descarga, hasta que ésta cesa por completo cuando el plato E, es paralelo a F. Si se sigue variando la inclinación, el escurrimiento vuelve a tener lugar; pero ahora en sentido contrario, saliendo el líquido por el tubo en que antes se hacía la succión. Debido al hecho de que estas bombas son empleadas exclusivamente para manejar aceite y de que todas las partes móviles están ahogadas en aceite, a pesar del número de superficies de fricción que tienen, alcanzan una alta eficiencia, de un 80% o más. La presión media usual de 2 trabajo es de unos 35 kg/cm . BOMBAS

ROTATORIAS

Estas bombas, como ya antes se dijo» no tienen válvulas ni partes reciprocantes; el movimiento del líquido es efectuado por la acción combinada de dos elementos giratorios semejantes a las ruedas dentadas. Bomba de tornillo

Las bombas de tornillo son un tipo especial de bombas rotatorias de desplazamiento positivo, en el cual el flujo a través de los elementos de bombeo es verdaderamente axial. El líquido se transporta entre las cuerdas de tornillo de uno o más rotores y se desplaza axialmente a medida que giran engranados. La aplicación de las bombas de tornillo cubren una gama de mercados diferentes, tales como en la armada, en la marina y en el servicio de aceites combustibles, carga marítima, quemadores industriales de aceite, servicio de lubricación de aceite, procesos químicos, industria de petróleo y del aceite crudo, hidráulica de potencia para la armada y las máquinas herramientas y muchos otros. La bomba de tornillo puede manejar líquidos en una gama de viscosidad como la melaza hasta 2 la gasolina, así como los líquidos sintéticos en una gama de presiones de 50 a 5.000 lb/pulg y los flujos hasta de 5.000 gpm.


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Debido a la relativamente baja inercia de sus partes en rotación, las bombas de tornillo son capaces de operar a mayores velocidades que otras bombas rotatorias o alternativas de desplazamiento comparable. Algunas bombas de lubricación de aceite de turbina adjunta operan a 10.000 rpm y aún mayores. Las bombas de tornillo, como otras bombas rotatorias de desplazamiento positivo son de autocebado y tienen una característica de flujo que es esencialmente independiente de la presión. La bomba de tornillo simple existe sólo en número limitado de configuraciones. La rosca es excéntrica con respecto al eje de rotación y engrana con las roscas internas del estator (alojamiento del rotor o cuerpo). Alternativamente el estator está hecho para balancearse a lo largo de la línea de centros de la bomba. Las bombas de tornillos múltiples se encuentran en una gran variedad de configuraciones y diseños. Todos emplean un rotor conducido engranado con uno o más rotores de sellado. Varios fabricantes cuentan con dos configuraciones básicas disponibles, la construcción de extremo simple o doble, de las cuales la última es la más conocida. Como cualquier otra bomba, hay ciertas ventajas y desventajas en las características de diseño de tornillo. Estos deben de reconocerse al seleccionar la mejor bomba para una aplicación particular. Entre algunas ventajas de este tipo tenemos: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

Amplia gama de flujos y presiones. Amplia gama de líquidos y viscosidad. Posibilidad de altas velocidades, permitiendo la libertad de seleccionar la unidad motriz. Bajas velocidades internas. Baja vibración mecánica, flujo libre de pulsaciones y operaciones suaves. Diseño sólido y compacto, fácil de instalar y mantener. Alta tolerancia a la contaminación en comparación con otras bombas rotatorias.

Entre algunas desventajas de este tipo tenemos: 1. Costo relativamente alto debido a las cerradas tolerancias y claros de operación. 2. Características de comportamiento sensibles a los cambios de viscosidad. 3. La capacidad para las altas presiones requiere de una gran longitud de los elementos de bombeo. Bombas de engranajes: Se pueden considerar de caudal constante, pues la única forma de variar el caudal es aumentando su velocidad de rotación. Su caudal va de 1 a 600 (l/min). Su presión va de 15 a 175 (Kp/cm2) punta hasta 200 (Kp/cm2). Su velocidad va de 500 a 3000 (rpm). Temperatura máxima de trabajo 70°C. la tubería de aspiración debe ser mayor a la de descarga.


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La presión de aspiración máxima será de 1 (Kp/cm2), y la velocidad puede alcanzar hasta los 2 (m/s). Las bombas de engranaje se dividen en bombas de engranajes internos y externos. Bombas de engranajes externos. Consta de dos engranajes acoplados dentro de una carcasa, el eje de la bomba hace girar uno de los engranajes que arrastra al otro. Sus elementos son: Árbol y piñón conductor, piñón conducido son de Cr-Ni cementados. Cuerpo fundición gris de aluminio, casquillos antifuga o retenes Placas de fricción (fundición gris aluminio) estanqueidad de la cara lateral de los piñones.

mejora

la

Funcionamiento El funcionamiento es muy sencillo. Entra el aceite en los dientes y la pared del cuerpo el cual es obligado a la salida, los dientes en el centro hacen de cierre hermético. Un defecto de este tipo de bombas es que su caudal es pulsatorio, por lo cual hacen ruido, y el fluido ejerce presiones radiales. Estas bombas son las mas utilizadas por ser las mas baratas, pero sufren grandes desgaste, mientras que las de engranaje internos son mas silenciosas.

Bombas de engranajes internos El principio de funcionamiento es el mismo que las anteriores, son de construcción muy compacta. Crean un vacío mayor debido a su estanqueidad, dan menos presión y caudal que la de engranajes externos


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Bombas de paletas Son bombas características intermedias entre las de pistones y las de engranajes. Su caudal va desde 2 a 900 (l/min), presión de 10 a 200 (Kp/cm2) y 1200 a 4000 (rpm). Son muy silenciosas, caudal con muy pocas pulsaciones, muy sensibles a las presiones puntas ya que se pueden romper las paletas. Son sensibles ala suciedad del aceite. El numero de paletas esta comprendido entre 8 y 14. Existen dos tipos de bombas de paletas; bombas de paletas equilibradas y sin equilibrar. Bombas de paletas equilibradas: Son de caudal constante. Se llaman equilibradas por la posición de las bocas por donde entra y sale el fluido (dos y dos). La bomba consta de un cuerpo en el cual van montados dos discos laterales, cada uno de los cuales tiene cuatro ventanas: dos de entrada y dos de salida, lleva una camisa de perfil elíptico. En la figura: 1 2 3 4 5

Paleta (acero rápido) Rotor (acero al Cr- Mo) Entrada de fluido Salida de fluido Anillo

Bombas de paletas sin equilibrar El principio de funcionamiento es el mismo que las bombas anteriores pero tienen un grave defecto y es el gran desgaste de cojinetes al hacer presión el fluido por un lado nada mas al no estar equilibradas las presiones. CAVITACION Cuando la tubería de aspiración suministra caudal deficiente, puede ocurrir que la presión absoluta del líquido descienda a un valor igual ala tensión de vapor, lo que supone una evaporación del fluido y la formación de burbujas. La cavitación se produce debido a que las burbujas explotan produciendo erosión en las partes metálicas debido a los diminutos e infinitos choques con el metal.


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El caudal deficiente se produce debido a un estrechamiento en la tubería de aspiración, por no haber calculado correctamente su diámetro o que exista una excesiva cantidad de rios o por obturación en los filtros de aspiración. Otra causa de la cavitación se produce por la velocidad excesiva del fluido en la tubería de aspiración, lo que supone alta perdida de carga. Por lo general la cavitación vuelve ruidosas a las bombas, hace vibrar las tuberías y origina un mal funcionamiento del sistema, provocando desgaste y deterioro de los elementos por erosión y fatiga mecánica. Como solución se propone lo siguiente: • • • • • •

Volver a calcular los conductos y sustituirlos, modificando el trazado o utilizar un ducto de diámetro mayor. Cambiar la tubería de aspiración y la manguera de aspiración. Limpiar filtros de aspiración, tuberías de aspiración y filtros de aire. Confirmar la velocidad angular correcta del motor que acciona la bomba. Comprobar la temperatura y si existen válvulas medio cerradas en la tubería de aspiración. Cambiar el fluido, utilizando el recomendado.

AIRE EN LA ASPIRACION La presencia de aire en la aspiración afecta de igual forma que la cavitación, produce ruido, disminuye el caudal y el funcionamiento se hace irregular. Cuando se comprimen las burbujas de aire se puede deteriorar el cuerpo interno de la bomba (se erosiona). Se produce la entrada de aire cuando la tubería de aspiración no es estanca. No se debe confundir la cavitación con la entrada de aire. En la cavitación son burbujas de fluido en estado gaseoso en el mismo fluido, en la entrada de aire son burbujas de aire. MONTAJE La bomba con el motor eléctrico se hace mediante un acoplamiento elástico, de tal forma que evita en parte los defectos de una mala alineación entre ambos y un defecto de paralelismo. Lo ideal es que el acoplamiento del motor-bomba este dentro de las siguientes tolerancias 0,2 (mm) y 1°, ya que de ser mayores tendríamos desgaste en los rodamientos del eje del motor. PUESTA EN MARCHA Bombas de paletas Buenas condiciones de aspiración (diámetro de tubería, velocidad) Buena alineación con el motor Mismo diámetro de la tubería de aspiración con la de la bomba, no debe existir reducción Velocidad de aspiración entre 0.6 y 1,2 (m/s) Bombas de pistones Verificar el sentido de rotación Hacer marchar la bomba lentamente y purgar el circuito del posible aire Docente: Paola Benavides Ingeniero Civil Mecánico - PUCV

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MANTENIMIENTO Un buen programa de mantenimiento posee una ficha por cada maquina, en la cual se anotan las fechas de las revisiones, que elementos se han utilizado (aceites, filtros, juntas) y las averías de la maquina. Todo lo anterior bajo las instrucciones especificas recomendadas por el fabricante. Diariamente Verificar el aspecto del fluido el cual no debe tener espuma para evitar la cavitación (ruidos) Verificar la existencia de fugas Verificar las obstrucciones de los filtros Semanalmente Cambiar cartuchos de los filtros Reparar fugas Verificar acoplamiento Mensual y semestral Comprobar aceites Anual Verificar el estado de las diferentes piezas en movimiento Aprietes adecuados en los tornillos de fijación Cambiar juntas y rodamientos CALCULOS Definiremos las formulas mas relevantes para las bombas de desplazamiento positivo: Rendimiento

η

=

EnergiaObtenida

⟨1 EnergiaSu min istrada

ηt = ηv

*

ηm

Rendimiento

Rendimiento Total = Rendimiento Volumétrico * Rendimiento Mecanico

Por lo tanto si una bomba tiene un rendimiento volumétrico del 80% y mecanico del 85% entonces su rendimiento total será de:

ηt = 0,8 * 0,85 = 0,68 = 68% Además sabemos que el rendimiento volumétrico es el cociente entre el caudal real sobre el caudal teórico de la bomba.

η

v

=

Qr Qt

Donde

ηv = Rendimiento Volumétrico; Qr = Caudal Real; Qt = Caudal Teórico


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Los rendimientos volumétricos más importantes son los siguientes: Bombas de paletas: 75 a 85% Bombas de Pistones: 90 a 95% Bombas de Engranajes: 70 a 95% La comparación de los rendimientos volumétricos entre bombas es solo posible si su temperatura de funcionamiento es análoga. El rendimiento mecanico por su parte es el cociente entre la potencia teórica de la bomba y la potencia de accionamiento o absorbida.

η

m

=

Wt Wa

Donde

ηm= Rendimiento Mecanico; Wt= Potencia Teórica; Wa= Potencia Absorbida

Los rendimientos mecánicos más importantes son: Bombas de paletas: 80 a 85% Bombas de pistones: 80 a 90% Bombas de engranajes: 75 a 80% Una bomba con bajo rendimiento mecanico se desgatara más rápidamente que una con alto rendimiento mecanico. Para determinar el caudal emplearemos la expresión: Donde Q= Caudal (l/min), V=Volumen (cm3), n = Velocidad (rpm), ηv = Rendimiento Volumétrico

V∗n∗ η v Q= 1000

La potencia generada por el motor eléctrico o potencia de accionamiento de la bomba, queda definida de la siguiente manera: Pa =

p∗Q

Kw

600 ∗ η t

Donde Pa= Potencia de accionamiento; Q= Caudal (l/min); p = Presión (bar) ηt = Rendimiento Total

No se debe confundir la potencia necesaria para el accionamiento de una bomba con la potencia hidráulica que suministra. La potencia hidráulica (W) de una bomba se expresa como el producto de la presión que suministra (p) y el caudal que impulsa (Q): W = p∗ Q

Esta igualdad es general y la potencia vendrá expresada en las unidades del sistema de trabajo elegido


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BOMBAS DINAMICAS

CARACTERISTICAS PRINCIPALES Las bombas dinámicas, generan caudal debido al movimiento de un elemento rotativo llamado rodete, que aumenta la energía cinética del fluido. La carcaza exterior, el eje y el motor completan la unidad de bombeo. Las bombas dinámicas son capaces de satisfacer la mayoría de las necesidades de la ingeniería y su uso esta muy extendido; desde abastecimientos públicos de agua, drenajes, regadíos, transporte de hormigón o pulpa, etc. FACTORES DE SELECCIÓN: A. B. C. D.

Propiedades físicas del fluido Presión de aspiración e impulsión Velocidad y Caudal Lugar de instalación

CLASIFICACION DE LAS BOMBAS DINAMICAS Las bombas centrifugas se pueden clasificar según las siguientes características: • • •

Flujo: Radial, Axial o Mixto Eje: Horizontal, Vertical Etapas: Simple, Múltiple

BOMBA CON IMPULSOR DE FLUJO AXIAL, RADIAL Y MIXTO


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a) Bombas Flujo Radial o Centrifugas Son el tipo más corriente de bombas dinámicas, y se denomina así porque la cota de presión que crean es ampliamente atribuible a la acción centrífuga. Las bombas centrífugas, debido a sus características, son las bombas que más se aplican en la industria. Las razones de estas preferencias son las siguientes: a. b. c. d.

Son aparatos giratorios. No tienen órganos articulados y los mecanismos de acoplamiento son muy sencillos. La impulsión eléctrica del motor que la mueve es bastante sencilla. Para una operación definida, el caudal es constante y no se requiere dispositivo regulador. e. Se adaptan con facilidad a muchas circunstancias. Aparte de las ventajas ya enumeradas, se unen las siguientes ventajas económicas: a. El precio de una bomba centrífuga es aproximadamente ¼ del precio de la bomba de émbolo equivalente. b. El espacio requerido es aproximadamente 1/8 del de la bomba de émbolo equivalente. c. El peso es muy pequeño y por lo tanto las cimentaciones también lo son. d. El mantenimiento de una bomba centrífuga sólo se reduce a renovar el aceite de los descansos, los empaques del presa-estopa y el número de elementos a cambiar es muy pequeño. FUNCIONAMIENTO CENTRÍFUGAS

DE

LAS

BOMBAS

El funcionamiento se desarrolla de la siguiente manera; el fluido entra por el centro u ojo del rodete, (el cual consiste en cierto número de álabes curvados en dirección contraria al movimiento y colocados entre dos discos metálicos), es arrastrada por los álabes y lanzada en dirección radial. Esta aceleración produce un apreciable aumento de energía de presión y cinética. A la salida, el movimiento del fluido tiene componentes radial y transversal. Las bombas centrífugas mueven un cierto volumen de líquido entre dos niveles; son pues, máquinas hidráulicas que transforman un trabajo mecánico en otro de tipo hidráulico. Los elementos constructivos de que constan son:


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Una tubería de aspiración, que concluye prácticamente en la brida de aspiración. El impulsor o rodete, formado por una serie de álabes de diversas formas que giran dentro de una carcasa circular. El rodete va unido solidariamente al eje y es la parte móvil de la bomba. El líquido penetra axialmente por la tubería de aspiración hasta el centro del rodete, que es accionado por un motor, experimentando un cambio de dirección más o menos brusco, pasando a radial, (en las centrífugas), o permaneciendo axial, (en las axiales), adquiriendo una aceleración y absorbiendo un trabajo. La carcasa, (voluta), está dispuesta en forma de caracol, de tal manera, que la separación entre ella y el rodete es mínima en la parte superior; la separación va aumentando hasta que las partículas líquidas se encuentran frente a la abertura de impulsión; en algunas bombas existe, a la salida del rodete, una directriz de álabes que guía el líquido a la salida del impulsor antes de introducirlo en la voluta. Una tubería de impulsión.- La finalidad de la voluta es la de recoger el líquido a gran velocidad, cambiar la dirección de su movimiento y encaminarle hacia la brida de impulsión de la bomba. La voluta es también un transformador de energía, ya que disminuye la velocidad (transforma parte de la energía dinámica creada en el rodete en energía de presión), aumentando la presión del líquido a medida que el espacio entre el rodete y la carcasa aumenta. Entre sus ventajas se pueden citar los siguientes parámetros: caudal constante, presión uniforme, sencillez de construcción, tamaño reducido, bajo mantenimiento y flexibilidad de regulación. Como desventaja presenta el tener que cebarla cada vez que se pone en marcha, a no ser que se mantenga sumergido el rodete en el fluido. Pueden estar proyectadas para impulsar caudales tan pequeños como 1 gal/min. o tan grandes como 4.000.000 gal/min, mientras que la cota generada puede variar desde algunos pies hasta 400. El rendimiento de las de mayor tamaño puede llegar al 90%. Para que no haya una pérdida notable de energía, y por tanto de rendimiento, es esencial transformar en la mayor medida posible la considerable cota cinemática a la salida del rodete en la más útil cota de presión. Normalmente, esto se consigue construyendo la carcaza en forma de espiral, con lo que la sección del flujo en la periferia del rodete va aumentando gradualmente. Para caudales grandes se usa el rodete de doble aspiración, que es equivalente a dos rodetes de simple aspiración ensamblados dorso con dorso; esta disposición permite doblar la capacidad sin aumentar el diámetro del rodete. Es más cara de fabricar, pero tiene la ventaja adicional de solucionar el problema del empuje axial. El montaje es generalmente horizontal, ya que así se facilita el para el mantenimiento. Sin embargo, debido a la limitación del espacio, algunas unidades de gran tamaño se montan verticalmente.


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Las proporciones de los rodetes varían dentro de un campo muy amplio, lo que permite hacer frente a una dilatada gama de condiciones de funcionamiento. Por ejemplo, los líquidos con sólidos en suspensión (aguas residuales) pueden ser bombeados siempre que los conductos sean suficientemente amplios. Inevitablemente habrá alguna disminución de rendimiento. Para que la bomba centrífuga esté en disposición de funcionar satisfactoriamente, tanto la tubería de aspiración como la bomba misma, han de estar llenas de agua. Si la bomba se encuentra a un nivel inferior a la del agua del pozo de aspiración, siempre se cumplirá esta condición, pero en los demás casos hay que expulsar el aire de la tubería de aspiración y de la bomba y reemplazarlo por agua; esta operación se denomina cebado. El mero giro del rodete, aún a alta velocidad, resulta completamente insuficiente para efectuar el cebado y sólo se conseguirá recalentar los cojinetes. Los dos métodos principales de cebado exigen una válvula de retención en la proximidad de la base del tubo de aspiración, o en las unidades mayores, la ayuda de una bomba de vacío. En el primer caso, se hace entrar el agua de la tubería de impulsión o de cualquier otra procedencia, en el cuerpo de bomba y el aire es expulsado por una llave de purga. Las bombas están disponibles en materiales del acero termoplástico e inoxidable, diseños del mecanismo impulsor para las aplicaciones horizontales y verticales. La construcción rugosa proporciona una resistencia excelente al producto químico y a la corrosión. Las aplicaciones típicas son proceso químico, laminado de metal, piezas que lavan sistemas, fabricación de la tarjeta de circuito impresa, foto que procesa, productos farmacéuticos, semiconductores, etc. b) Bombas de Flujo Axial Este tipo de bomba es muy adecuado cuando hay que elevar un gran caudal a pequeña altura. Por esto, sus principales campos de empleo son los regadíos, el drenaje de terrenos y la manipulación de aguas residuales. El rendimiento de esta bomba es comparable al de la centrífuga. Por su mayor velocidad relativa permite que la unidad motriz y la de bombeo sean más pequeñas y por tanto más baratas. La altura máxima de funcionamiento oscila entre 30 y 40 (pies). Sin embargo, es posible conseguir mayores cotas mediante 2 ó 3 escalonamientos, pero este procedimiento raramente resulta económico. Para grandes bombas se adopta generalmente el montaje vertical, pasando el eje por el centro de la tubería de salida. El rodete es de tipo abierto, sin tapas, y su forma es análoga a la de una hélice naval. El agua entra axialmente y los álabes le imprimen una componente rotacional, con lo que el camino por cada partícula es una hélice circular.


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La cota se genera por la acción impulsora o de elevación de los álabes, sin que intervenga el efecto centrífugo. La misión de los álabes fijos divergentes o álabes directores es volver a dirigir el flujo en dirección axial y transformar la cota cinemática en cota de presión. Para evitar la creación de condiciones favorables al destructivo fenómeno de cavitación, la bomba de flujo axial se ha de proyectar para poca altura de aspiración. De hecho, es preferible que el rodete permanezca siempre sumergido, ya que así la bomba estará siempre cebada y lista para comenzar a funcionar. El objeto del sifón es evitar el riesgo de que se averíe la válvula de retención, que de otro modo tendría lugar una inversión del flujo en la tubería, con lo que la bomba funcionaría como una turbina. La acción sifónica se interrumpe mediante una válvula de mariposa. Esta válvula está en ligero equilibrio hacia la posición de abierta y en el instante en que cesa el bombeo, la válvula se abre y entra el aire, con lo que se evita la inversión del flujo. c) Bomba de Flujo Mixto La bomba de flujo mixto ocupa una posición intermedia entre la centrífuga y la de flujo axial. El flujo es en parte radial y en parte axial, siendo la forma del rodete acorde con ello. La trayectoria de una partícula de fluido es una hélice cónica. La cota que se consigue puede ser hasta de 80 pies por rodete, teniendo la ventaja sobre la bomba axial de que la potencia que ha de suministrar el motor es casi constante aunque se produzcan variaciones considerables de cota. La recuperación de la cota de presión se consigue mediante un difusor, un caracol o una combinación de ambos. BOMBA VERTICAL Y HORIZONTAL El eje de rotación de una bomba puede ser horizontal o vertical, (rara vez inclinado). De esta disposición se derivan diferencias estructurales en la construcción de la bomba que a veces son importantes, por lo que también las aplicaciones de los dos tipos de construcción suelen ser, a menudo, distintas y bien definidas. BOMBAS VERTICALES Diseñadas especialmente para la elevación del fluido en perforaciones angostas, pozos profundos o pozos de drenaje. Resultan adecuadas para perforaciones de un diámetro tan pequeño como 6 pulg. y con mayores diámetros son capaces de elevar cantidades de fluido superiores a un millón de (GPH) desde profundidades de hasta 304 (m). Normalmente se diseñan los rodetes de forma que lancen el agua en dirección radial-axial, con objeto de reducir a un mínimo el diámetro de perforación necesario para su empleo. La unidad de bombeo consiste en una tubería de aspiración y una bomba situada bajo el nivel del agua y sostenida por la tubería de impulsión y el árbol motor. Dicho árbol ocupa el centro de la tubería y está conectado en la superficie al equipo motor. Docente: Paola Benavides Ingeniero Civil Mecánico - PUCV

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Cuando la cantidad de agua que se ha de elevar es pequeña o moderada, a veces es conveniente y económico colocar la unidad completa de bombeo bajo la superficie del agua, así se evita la gran longitud del árbol, pero en cambio se tiene la desventaja de la relativa inaccesibilidad del motor a efectos de su mantenimiento. BOMBAS HORIZONTALES La disposición del eje de giro horizontal presupone que la bomba y el motor se hallan a la misma altura; éste tipo de bombas se utiliza para funcionamiento en seco, exterior al líquido bombeado que llega a la bomba por medio de una tubería de aspiración. Las bombas centrífugas, sin embargo, no deben rodar en seco, ya que necesitan del líquido bombeado como lubricante entre aros rozantes e impulsor, y entre empaquetadura y eje. Como no son autoaspirantes requieren, antes de su puesta en marcha, el estar cebadas; esto no es fácil de conseguir si la bomba no trabaja en carga, estando por encima del nivel del líquido, que es el caso más corriente con bombas horizontales, siendo a menudo necesarias las válvulas de pie, (aspiración), y los distintos sistemas de cebado. Como ventajas específicas se puede decir que las bombas horizontales, (excepto para grandes tamaños), son de construcción más barata que las verticales y, especialmente, su mantenimiento y conservación es mucho más sencillo y económico; el desmontaje de la bomba se suele hacer sin necesidad de mover el motor y al igual que en las de cámara partida, sin tocar siquiera las conexiones de aspiración e impulsión. BOMBAS MULTIPLES Para alturas superiores a 60 (m) se emplean normalmente bombas múltiples o bombas de turbina. Este tipo de bomba se rige exactamente por el mismo principio de la centrífuga y las proporciones del rodete son muy semejantes. Consta de un cierto número de rodetes montados en serie, de modo que el agua entra paralelamente al eje y sale en dirección radial. La elevada energía cinética del agua a la salida del rodete se convierte en energía de presión por medio de una corona difusora formada por álabes directores divergentes. Un conducto en forma de S conduce el agua en sentido centrípeto hacia el ojo del rodete siguiente. El proceso se repite en cada escalonamiento hasta llegar a la salida. Si se aplica un número suficiente de escalonamientos, puede llegarse a obtener una cota de 1.219 (m). De hecho, la cota máxima vendrá probablemente dictada por el costo de reforzamiento de la tubería más que por cualquier limitación de la bomba.


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INSTALACION DE BOMBEO DE UNA BOMBAS CENTRIFUGA La figura siguiente representa una instalación de bombeo destinada a elevar agua desde un pozo de aspiración hasta un depósito en elevación.

En esta instalación, se destacan los siguientes elementos: 1.- La alcachofa y válvula de pie: la primera evita la entrada de elementos contaminantes (ramas, hierbas, papeles, etc.) que pueden obstruir la bomba y, la segunda hace posible, reteniendo el líquido, el cebado de la bomba. Ambos elementos originan una importante pérdida de carga. Si fuera preciso evitar esta pérdida para que no se produzca cavitación no se instalan estos elementos. Entonces el cebado se realiza mediante una bomba de vacío que elimina el aire de la tubería de aspiración y del cuerpo de la bomba con lo que al crearse un vacío la presión atmosférica eleva el agua hasta el interior de la bomba. 2.- Las dos válvulas de compuerta en la aspiración y en la impulsión: a veces no se instala la primera; pero de la segunda no se prescinde nunca porque sirve para la regulación del caudal de la bomba. 3.- La válvula de retención en la impulsión: impide el retroceso del fluido, cuando la bomba se detiene. Es imprescindible si la tubería de impulsión es muy larga o se encuentra a gran presión. 4.- El reductor en la aspiración: para mejorar la aspiración de la bomba y evitar la cavitación (eventualmente también se aumenta el diámetro de la tubería de aspiración). La reducción se hace con un rio, como el de la figura, para evitar la formación de bolsas de aire en la parte superior


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PÉRDIDAS En el intercambio de energías que ocurre en el impulsor de una bomba centrífuga y, entre las secciones de entrada y salida de ésta, se generan pérdidas de energía disponible, que son básicamente de tres tipos: 1.- Pérdidas Hidráulicas. 2.- Pérdidas Mecánicas. 3.- Pérdidas Volumétricas. Las pérdidas hidráulicas disminuyen la energía específica útil que la bomba comunica al fluido y consiguientemente la altura útil. Estas pérdidas se generan básicamente por tres motivos: • • •

Fricción viscosa, debido al rozamiento del fluido con las paredes de la bomba o de las partículas de fluido entre sí. Desprendimiento de la capa límite, debido a los cambios bruscos en la dirección del flujo. Pérdida adicional, denominada de flujo circulatorio, que reduce la altura útil o manométrica y se origina por efecto del número finito de álabes.

Las pérdidas mecánicas se manifiestan debido al roce entre el eje y las empaquetaduras o elementos de sello, rozamiento en los descansos y el fenómeno de la fricción de discos. Las pérdidas volumétricas o de caudal se originan fundamentalmente por dos razones: • •

Pérdidas exteriores o por goteo. Pérdidas interiores o de caudal en corto circuito.

Las pérdidas volumétricas externas, constituyen el goteo normal de la bomba y corresponden al fluido que sale al exterior de ésta a través de las holguras que existen entre la carcasa, elementos de sello y el eje. Las pérdidas interiores se originan debido a la diferencia de presiones que existe entre la entrada y salida del rodete, generando un caudal de recirculación, que absorbe parte de la energía. POTENCIAS En la figura siguiente se muestra un gráfico de potencia, que denota el comportamiento de ésta, asociada al trabajo de una bomba centrífuga. La nomenclatura utilizada, definición de potencias, siguiente:


para la es la

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PA = Potencia de accionamiento, potencia absorbida, potencia al freno o potencia al eje. Los cuatro nombres se utilizan en la práctica. Así, en un grupo moto-bomba (motor eléctrico-bomba) PA no es la potencia absorbida de la red, sino la potencia libre en el eje (esto corresponde a la potencia absorbida de la red multiplicada por el rendimiento del motor eléctrico). PI = Potencia interna. Corresponde a la potencia suministrada al rodete, igual a la potencia de accionamiento menos las pérdidas mecánicas. PU = Potencia útil, potencia efectiva, potencia hidráulica. Incremento de potencia que experimenta el fluido en la bomba. Por definición: PA = T * ω

PI = QTH * γ * He

PU = QR * γ * Hm

Donde: T = Torque, ω = Velocidad angular, QTH = Caudal Teórico, γ = Peso Especifico He = Altura de Aspiración, QR = Caudal Real, Hm= Altura de Elevación RENDIMIENTOS Rendimiento Hidráulico (ηH)

ηH =

Hm He

Rendimiento Volumétrico (η∀)

η∀ =

QR Q TH

Rendimiento Mecánico (ηM)

ηM =

PI PA

Rendimiento Total (ηT)

ηT =

PU PA

ηT = ηM * η∀ * ηH


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CAVITACION Para garantizar la no existencia del fenómeno de cavitación debe cumplirse que: 1.- La presión sobre el depósito de aspiración es baja. Si el depósito está abierto a la atmósfera y esta es pequeña, normalmente se debe presurizar el sistema. 2.- La presión de saturación (PSAT) del fluido de trabajo es alta. El riesgo es mayor cuando existe sobrecalentamiento. 3.- La velocidad en la tubería de aspiración es elevada. regulando el caudal de línea.

Dicha velocidad puede controlarse

4.- La altura de aspiración (He) es elevada, por lo tanto, siempre que sea posible, el depósito de aspiración debe ser instalado lo más cerca del nivel de entrada de la bomba. 5.- Las pérdidas en la aspiración son elevadas, en consecuencia, deberán evitarse en esta sección, tramos de gran longitud, rios en general, capacidad en los filtros y caídas de presión elevadas en las válvulas. Por otra parte, conviene utilizar tuberías de mayor diámetro que en la sección de impulsión. PUESTA EN MARCHA DE UNA BOMBA CENTRIFUGA Para poner en marcha una bomba centrifuga hay que tener presente las siguientes consideraciones: a) Comprobar todos los purgadores, bridas, líneas, etc., asegurándose de que no se ha olvidado ninguna junta ciega. b) Si la bomba esta recién instalada, comprobar que puede girar sin dificultad rodándola a mano. Comprobar si el sentido de rotación es el correcto. c) Comprobar la lubricación de los cojinetes y demás partes móviles. d) Cerrar válvula de impulsión, abrir la de aspiración plenamente y llenar de líquido la carcasa. Purgar el aire o vapor por el purgador situado en la parte más alta de la carcasa. Si el liquido que vamos a bombear es caliente déjesele fluir hasta que caliente la carcasa. e) Poner en marcha la bomba hasta alcanzar la presión normal y abrir entonces la válvula de impulsión lentamente y asegurarse que la presión se mantiene en su valor. Hay que tener en cuenta que si se abre demasiado rápido la válvula de impulsión, se puede originar una pulsación repentina con la perdida de la succión. PARADA DE UNA BOMBA CENTRIFUGA a) Cerrar la válvula de impulsión; esto reduce la carga del motor y evita el retroceso si la válvula de retención no funcionase. b) Parar el motor de accionamiento. c) Dejar la bomba llena de líquido a menos que el producto tenga un alto punto de congelación o viscosidad. En este caso vaciar la bomba cerrando previamente la válvula Docente: Paola Benavides Ingeniero Civil Mecánico - PUCV

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de aspiración. Abrir la purga de presión de la bomba. Volver a cerrar esta purga. Si la bomba se deja preparada para entrar en servicio, dejar la aspiración abierta. d) Si existen líneas que lo permitan mantener caliente las bombas de reserva. e) Si se va a hacer en la bomba alguna reparación, cerrar todas las válvulas de bloqueo y vaciar la bomba. COMPROBACION DE UNA BOMBA CENTRIFUGA EN FUNCIONAMIENTO a) b) c) d)

Comprobar Comprobar Comprobar Comprobar

la presión de descarga la empaquetadura el nivel de aceite lubricante en el cojinete manualmente si existe una excesiva vibración y ruidos

CUADRO DE AVERIAS DE LAS BOMBAS AVERIAS EN BOMBAS DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO Elemento Bomba

Avería Ruido

Aumento de la temperatura

Falta de presión

Poco caudal

Fugas


Causa Entrada de aire por la aspiración Cavitación Obstrucción o aplastamiento del tubo de aspiración Filtro de aspiración obstruido Fluido demasiado caliente Mala calidad del aceite para trabajar a alta temperatura Nivel de fluido bajo Piezas gastadas Refrigeración inadecuada Cavitación Circuito parcialmente obstruido Presión muy elevada Velocidad de giro elevada Piezas gastadas Filtro obstruido Válvula de seguridad averiada Eje de la bomba roto Mala transmisión entre el motor y la bomba Grandes fugas en el circuito Mala regulación de las válvulas Eje roto Entrada de aire en la aspiración Fluido muy viscoso Sentido de giro invertido Filtro obstruido Aire en el circuito Mala estanqueidad en los retenes Fugas en el cuerpo Mala estanqueidad de juntas Piezas internas gastadas

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AVERIAS BOMBAS CENTRIFUGAS Elemento Bomba

Avería Caudal Insuficiente Presión Insuficiente

Falla en la puesta en marcha Consumo excesivo de potencia Fugas de fluido

Ruidos anormales Falla repetida de algún cojinete

Causa Rodete roto Velocidad baja Vapor o aire en el fluido Diámetro del rodete demasiado pequeño Sentido de giro invertido Anillos gastados Succión insuficiente Bolsas de aire en la línea de aspiración Empaquetaduras estropeadas Velocidad excesiva Sentido de giro inverso Empaquetaduras demasiado apretadas Empaquetaduras estropeadas Lubricación insuficiente Empaquetaduras mal colocadas Manguitos descentrados Eje torcido o doblado Cavitación Mal alineamiento Mala lubricación Mala alineación Cavitación Mala instalación

BIBLIOGRAFIA E. CARNICER C. MAINAR

OLEOHIDRAULICA CONCEPTOS BASICOS

MANUAL DE MECANICA INDUSTRIAL TOMO II

NEUMATICA E HIDRAULICA

PEDRO FERNANDEZ DIEZ UNIVERSIDAD DE CANTABARRA ESPAÑA

APUNTE BOMBAS CENTRIFUGAS Y VOLUMETRICAS

HECTOR DEL PINO MUÑOZ INACAP

APUNTE TURBOMAQUINAS

PAGINAS WEB DE CONSULTA: www.soltex.cl www.elprisma.com www.tecnicaoleohidraulica.com http://kogi.udea.edu.co/talleres/maquinaria/Bombas.doc http://tar5.eup.us.es/master/formacion/documentacion/cursodebombas.pdf Docente: Paola Benavides Ingeniero Civil Mecánico - PUCV

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