Bombas Centrifugas

INTRODUCCIÓN

Las bombas centrífugas, también denominadas rotativas, tienen un rotor de paletas giratorio sumergido en el líquido. El líquido entra en la bomba cerca del eje del rotor, y las paletas lo arrastran hacia sus extremos a alta presión. El rotor también proporciona al líquido una velocidad relativamente alta que puede transformarse en presión en una parte estacionaria de la bomba, conocida como difusor. En bombas de alta presión pueden emplearse varios rotores en serie, y los difusores posteriores a cada rotor pueden contener aletas de guía para reducir poco a poco la velocidad del líquido. En las bombas de baja presión, el difusor suele ser un canal en espiral cuya superficie transversal aumenta de forma gradual para reducir la velocidad. El rotor debe ser cebado antes de empezar a funcionar, es decir, debe estar rodeado de líquido cuando se arranca la bomba. Esto puede lograrse colocando una válvula de retención en el conducto de succión, que mantiene el líquido en la bomba cuando el rotor no gira. Si esta válvula pierde, puede ser necesario cebar la bomba introduciendo líquido desde una fuente externa, como el depósito de salida. Por lo general, las bombas centrífugas tienen una válvula en el conducto de salida para controlar el flujo y la presión. En el caso de flujos bajos y altas presiones, la acción del rotor es en gran medida radial. En flujos más elevados y presiones de salida menores, la dirección de flujo en el interior de la bomba es más paralela al eje del rotor (flujo axial). En ese caso, el rotor actúa como una hélice. La transición de un tipo de condiciones a otro es gradual, y cuando las condiciones son intermedias se habla de flujo mixto.

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BOMBAS CENTRIFUGA HORIZONTAL. 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 auto aspirantes 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.

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FUNCIONAMIENTO DE UNA BOMBA CENTRIFUGA. 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 de que consta una instalación son: a) Una tubería de aspiración, que concluye prácticamente en la brida de aspiración. b) El impulsor o rodete, formado por un conjunto de álabes que pueden adoptar diversas formas, según la misión a que vaya a ser destinada la bomba, los cuales giran dentro de una carcasa circular. El rodete es accionado por un motor, y va unido solidariamente al eje, siendo la parte móvil de la bomba. El líquido penetra axialmente por la tubería de aspiración hasta la entrada del rodete, experimentando un cambio de dirección más o menos brusco, pasando a radial, (en las centrífugas), o hermaneciendo axial, (en las axiales), acelerándose y absorbiendo un trabajo. Los álabes del rodete someten a las partículas de líquido a un movimiento de rotación muy rápido, siendo proyectadas hacia el exterior por la fuerza centrífuga, creando una altura dinámica de forma que abandonan el rodete hacia la voluta a gran velocidad, aumentando también su presión en el impulsor según la distancia al eje. La elevación del líquido se produce por la reacción entre éste y el rodete sometido al movimiento de rotación. c) La voluta es un órgano fijo que está dispuesta en forma de caracol alrededor del rodete, a su salida, de tal manera que la separación entre ella y el rodete es mínima en la parte superior, y va aumentando hasta que las partículas líquidas se encuentran frente a la abertura de impulsión. Su misión es la de recoger el líquido que abandona el rodete 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 frena la velocidad del líquido, transformando parte de la energía dinámica creada en el rodete en energía de presión, que crece a medida que el espacio entre el rodete y la carcasa aumenta, presión que se suma a la alcanzada por el líquido en el rodete. En algunas bombas existe, a la salida del rodete, una corona directriz de álabes que guía el líquido antes de introducirlo en la voluta. 3

d) Una tubería de impulsión, instalada a la salida de la voluta, por la que el líquido es evacuado a la presión y velocidad creadas en la bomba. Estos son, en general, los componentes de una bomba centrífuga aunque existen distintos tipos y variantes. La estructura de las bombas centrífugas es análoga a la de las turbinas hidráulicas, salvo que el proceso energético es inverso; en las turbinas se aprovecha la altura de un salto hidráulico para generar una velocidad de rotación en la rueda, mientras que en las bombas centrífugas la velocidad comunicada por el rodete al líquido se transforma, en parte, en presión, lográndose así su desplazamiento y posterior elevación.

Bomba Centrifuga, disposición, esquema y perspectiva.

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PRINCIPIOS DE UNA BOMBA HIDRÁULICA.

Bomba centrífuga Bomba que aprovecha el movimiento de rotación de una rueda con paletas (rodete) inserida en el cuerpo de la bomba misma. El rodete, alcanzando alta velocidad, proyecta hacia afuera el agua anteriormente aspirada gracias a la fuerza centrífuga que desarrolla, encanalando el líquido en el cuerpo fijo y luego en el tubo de envío. Caudal Cantidad de líquido (en volumen o en peso) que se debe bombear, trasladar o elevar en un cierto intervalo de tiempo por una bomba: normalmente expresada en litros por segundo (l/s), litros por minuto (l/m) o metros cúbicos por hora (m³/h). Símbolo: Q. Altura de elevación Altura de elevación de un líquido: el bombeo sobreentiende la elevación de un líquido de un nivel más bajo a un nivel más alto. Expresado en metros de columna de líquido o en bar (presión). En este último caso el líquido bombeado no supera ningún desnivel, sino que va erogado exclusivamente a nivel del suelo a una presión determinada. Símbolo: H. Curva de prestaciones. Especial ilustración gráfica que explica las prestaciones de la bomba: el diagrama representa la curva formada por los valores de caudal y de altura de elevación, indicados con referencia a un determinado tipo de rodete diámetro y a un modelo específico de bomba. Bajo nivel Especial instalación de la bomba, colocada a un nivel inferior al de la vena de la cual se extrae el agua: de esta manera, el agua entra espontáneamente en la bomba sin ninguna dificultad. Cebado Llenado de la bomba o de la tubería para quitar el aire presente en ellas. En algunos casos, se pueden suministrar, también, bombas auto cebadas, o sea, dotadas de un mecanismo automático que facilita el cebado y por lo tanto la puesta en marcha de la bomba, lo cual sería imposible de otra manera, y además muy lento. Cavitación Fenómeno causado por una inestabilidad en el flujo de la corriente. La cavitación se manifiesta con la formación de cavidad en el líquido bombeado y está acompañada por vibraciones ruidosas, reducción del caudal y, en menor medida, del rendimiento de la bomba. Se provoca por el pasaje rápido de pequeñas burbujas de vapor a través de la bomba: su colapso genera micro chorros que pueden causar 5

graves daños. Pérdidas de carga Pérdidas de energía debidas a la fricción del líquido contra las paredes de la tubería, proporcionales al largo de éstas. También son proporcionales al cuadrado de la velocidad de deslizamiento y variabilidad en relación con la naturaleza del líquido bombeado. Cada vez que disminuye el deslizamiento normal del fluido movido representa una posibilidad de pérdidas de carga como los bruscos cambios de dirección o de sección de las tuberías. Para lograr en la bomba un correcto dimensionamiento, la suma de tales pérdidas se debe agregar a la altura de elevación prevista originariamente. Sello mecánico Sello mecánico para ejes rodantes. Usado en todos los casos en que no se puede permitir goteo alguno externo de líquido. Está compuesto por dos anillos con superficie plana, una fija y otra rodante: las dos caras están prensadas juntas de manera que dejan sólo una finísima película hidrodinámica formada por líquido que se retiene para que funcione como lubricante de las partes que se deslizan. Viscosidad Se trata de una característica del fluido bombeado: representa su capacidad de oponerse al desplazamiento. La viscosidad varía según la temperatura. Peso específico Cada fluido tiene una densidad característica. El agua, que se usa como término de comparación, convencionalmente tiene un peso específico (o densidad) de 1 (a 4°C y a nivel del mar). El peso específico representa el valor usado para comparar el peso de un cierto volumen de líquido con el peso de la misma cantidad de agua.

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PARTES DE UNA BOMBA CENTRIFUGA.

Partes constitutivas de una bomba centrifuga.

Nomenclatura recomendada para piezas de las bombas Centrifugas. Ref. No.

Nombre de la pieza

Ref. No.

Nombre de la pieza

1 1A

Carcasa Carcasa (mitad inferior) Carcasa (mitad superior) Impulsor Árbol de la bomba Anillo de la carcasa Empaquetadura Manguito del árbol Cojinete (interno) Collarín del estopero Cojinete (externo) Tuerca de manguito de árbol. Contratuerca del cojinete Anillo de cierre hidráulico

31 32

Cubierta de cojinete (interno) Cuña del impulsor

33

Cubierta de cojinete (externo)

35 37 42 44 46 48 50 52

Tapa de cojinete (interno) Tapa de cojinete (externo) Acoplamiento (mitad en el impulsor) Acoplamiento (mitad en la bomba) Cuña del acoplamiento Buje del acoplamiento Contratuerca del acoplamiento Pasador del acoplamiento

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Tapa de extremo de cojinete

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Aceitera o grasera

127

Tubo de sello

1B 2 6 7 13 14 16 17 18 20 22 29

Las bombas centrífugas horizontales se clasifican, todavía más, de acuerdo con la ubicación de la tobera de succión, como 1) succión por el extremo. 2) succión lateral, 3) succión inferior y 4) succión superior.

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FUNCIONAMIENTO Y DESCRIPCIÓN DE ALGUNAS PIEZAS DE UNA BOMBA CENTRIFUGA. Carcasa. La función de la carcasa en una bomba centrifuga es convertir la energía de velocidad impartida al liquido por el impulsor en energía de presión. Esto se lleva a cabo mediante reducción de la velocidad por un aumento gradual del área. Tipos

Voluta Simple Por De Lateral Según una un unpaso plano el la pieza número manera horizontal la desus efectuar construcción Por De características Superior pasos Doble varios un plano pasos verticallade conversión Difusor Partida Por succión Inferior Succión un planopor inclinado de un energía. extremo

La carcasa tipo voluta, Es llamada así por su forma de espiral. Su área es incrementada a lo largo de los 360º que rodean al impulsor hasta llegar a la garganta de la carcasa donde conecta con la descarga.

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La carcasa tipo difusor, consiste en una serie de aspas fijas que además de hacer el cambio de energía de velocidad a presión, guían el líquido de un impulsor a otro.

Impulsores El impulsor es el corazón de la bomba centrífuga. Recibe el líquido y le imparte una velocidad de la cual depende la carga producida por la bomba. Los impulsores se clasifican según: Simple Succión

Tipo de succión Doble Succión Aspas Aspas Aspas Forma de las aspas Aspas

curvas radiales tipo Francis para flujo mixto tipo propela

Radial Mixto Dirección del flujo Axial Abierto Semiabiertos Construcción mecánica Cerrado Baja Media Velocidad Específica Alta Los impulsores, además de que se los clasifica con referencia al flujo de succión hacia ellos, al componente básico del flujo y a sus características mecánicas, también se clasifican con referencia a su perfil y a sus características de capacidad de carga a una velocidad dada.

Muchos impulsores se diseñan para aplicaciones específicas. Para aguas negras, que suelen contener trapos y materiales fibrosos, se utilizan impulsores especiales que no se atascan, con aristas redondeadas y amplios conductos para agua. Los impulsores 9

diseñados para manejar paletas para pulpa de papel están abiertos por completo, no se obstruyen y tienen paletas transportadoras de tornillo que penetran en la tobera de succión.

Impulsor axial

Impulsor de doble flujo Impulsor tipo intascable

Impulsores abiertos

Impulsor mixto

Impulsores cerrados

Flechas

La flecha de una bomba centrífuga es el eje de todos los elementos que giran en ella, transmitiendo además el movimiento que le imparte la flecha del motor. En el caso de una bomba centrífuga horizontal, la flecha es una sola pieza o lo largo de toda la bomba. En el caso de bombas de pozo profundo, existe una flecha de impulsores y después una serie de flechas de transmisión unidas por un cople, que completan la longitud necesaria desde el cuerpo de tazones hasta el cabezal de descarga. Las flechas generalmente son de acero, modificándose únicamente el contenido de carbono, según la resistencia que se necesite. En el caso de bombas de pozo profundo, las flechas de impulsores son de acero inoxidable con 13% de cromo, en tanto que las flechas de transmisión son de acero con 0.38 a 0.45 de carbono, rolado en frío y rectificado. La determinación del diámetro de las flechas en centrífugas horizontales se hace tomando en cuenta la potencia máxima que va a transmitir la bomba, el peso de los elementos giratorios y el empuje radial que se pro duce en las bombas de voluta, que como se ha visto anteriormente, llega a ser una fuerza de magnitud apreciable. 10

Flecha

Camisas de flecha. Debido a que la flecha es una pieza bastante cara y en la sección del empaque o de los apoyos hay desgaste, se necesita poner una camisa de flecha que tiene por objeto proteger la flecha y ser una pieza de cambio, sobre la cual trabajan los empaques. Las camisas son generalmente de latón o de acero inoxidable y existen diversas formas constructivas de ellas, dependiendo del tamaño de la flecha y de la naturaleza del líquido manejado.

Camisa de Flecha

Cojinetes El objeto de los cojinetes es soportar la flecha de todo el rotor en un alineamiento correcto en relación con las partes estacionarias. Por medio de un correcto diseño soportan las cargas radiales y axiales existentes en la bomba. Los soportes pueden ser en forma de bujes de material suave, con aceite a presión que centra la flecha o bien los baleros comunes y corrientes, que pueden ser de bolas en sus variantes de una hilera, 11

dos hileras, autoalineables, etc.; o bien pueden ser del tipo de rodillos.

Diferentes tipos de baleros o rodamientos.

Las chumaceras de camisa se utilizan en las bombas gran des para trabajo pesado con diámetros de árbol de tal proporción que los cojinetes antifricción necesarios no suelen estar disponibles. También se usan para bombas de etapas múltiples y alta presión que trabajan a velocidades de 3600 a 9000 r/min. Todavía otra aplicación es en las bombas verticales sumergidas, como las verticales de turbina, en donde los cojinetes están en contacto con el agua. Casi todas las chumaceras de camisa se lubrican con aceite. Los cojinetes de empuje que se emplean en combinación con las chumaceras de camisa, son Kingsburyo tipo Kingsbury. Anillos de desgaste Los anillos desgastablesproporcionan un sello contra fugas (que es fácil y rápido de sustituir), entre el impulsor y la carcasa. Un sello que no tiene piezas sustituibles se utiliza sólo en bombas muy pequeñas y poco costosas. El anillo estacionario se llama 1) anillo de carcasa si está montado en ésta; 2) anillo de tapa de succión o anillo de cabeza de succión si está montado en la lapa o en la cabeza; y 3) anillo de tapa de prensaestopas (estopero), si está montado en esa tapa. Hay una pieza renovable, se llama anillo del impulsor, para la superficie de desgaste del impulsor Las bombas que tienen anillos estacionarios y rotatorios se lo llama de construcción de doble anillo. Hay diversos tipos de diseño de anillos de desgaste y la selección del más adecuado depende del líquido que se mane je, la presión diferencial a través del sello contra fugas, la velocidad de superficie y el diseño particular de bomba. En general, los diseñadores de bombas 12

centrífugas utilizan la construcción de anillo que han encontrado adecuado para servicio en cada bomba determinada.

Diferentes tipos de anillos de desgaste.

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Árboles y manguitos de los árboles. Los diámetros de los árboles de las bombas suelen ser mayores de lo que se necesita para transmitir el par motor, debido a que su tamaño se determina por la deflexión máxima permisible o deseable del árbol. Esta deflexión se selecciona para evitar un posible contacto en las superficies de desgaste a la vez que se mantienen holguras razonables que no afecten muy perjudicialmente la eficiencia de la bomba. La primera velocidad crítica de un árbol está relacionada con su deflexión. Se sigue un diseño que permita por ejemplo una deflexión de 0.005 a 0.006 pulg. (0.13 a 0.15 mm), tendrá una primera velocidad critica de 2400 a 2650 r/min. Ésta es la razón para emplear árboles rígidos (que trabajen a menos de su primera velocidad crítica) para bombas que operen a 1750 r/min o menos. Prensaestopas (estoperos) Los prensaestopas tienen la función principal de proteger la bomba contra fugas en el punto en que el árbol sale de la carcasa de la bomba. Si la bomba produce altura de aspiración y la presión en el extremo de prensaestopas interior es menor que la atmosférica, entonces la función del prensaestopas es evitar las filtraciones de aire a la bomba. Si esta presión es mayor que la atmosférica, la función es evitar las fugas hacia afuera de la bomba. El prensaestopas tiene la forma de un rebajo cilíndrico en el cual se coloca cierto número de anillos de empaquetadura alrededor del árbol o del manguito de éste. Si se desea sellar el prensaestopas, se emplea un anillo de cierre hidráulico o una jaula para sello para separar los anillos de la empaquetadura en secciones aproximadamente iguales. Se comprime la empaquetadura para darle el ajuste deseado sobre el árbol o camisa, mediante un collarín que se puede ajustar en dirección axial. Se debe contar con un suministro independiente de agua para los sellos, si existe alguna de las siguientes condiciones: 1) la altura de aspiración sobrepasa los 15 pie (4.5 m); 2) la presión de descarga es menor de 10 lb/pulg2 (0.7 kg/cm2); 3) se maneja agua caliente sin enfriamiento adecuado (excepto en las bombas de alimentación de calderas, en las cuales no se emplean las jaulas de sellos); 4) se maneja agua lodosa, o con arena o gránulos; 5) en todas las bombas para pozo caliente; 6) cuan do no se permite que el líquido bombeado se fugue a la atmósfera. Hay dos disposiciones básicas de sellos: 1) montaje interno y 2) externo. Se pueden montar dos sellos mecánicos en un estopero para formar un montaje de doble sello. 14

Acoplamientos Las bombas centrífugas están conectadas a sus impulsores por medio de acoplamientos (coples) de diversos tipos, excepto en las bombas con acoplamiento cerrado, en las cuales el impulsor está montado en una extensión del árbol de la máquina motriz. Los acoplamientos utilizados con las bombas centrífugas pueden ser rígidos (del tipo de abrazadera o compresor) o flexibles (de pasador y tope, de engranes, de rejilla, o de disco flexible).

Bomba con acoplamiento compacto (montada en el motor).

Montaje de la bomba Es deseable que las bombas y sus unidades matrices se puedan remover de sus montajes. En consecuencia, se fijan con pero nos y espigas a las superficies maquinadas, que a su vez están conectadas con firmeza en la cimentación. Estas superficies maquinadas suelen ser parte de una placa de base en la cual ya se ha alineado la bomba y su unidad motriz. Las placas de base son de hierro fundido o de acero estructural. Las placas de asiento de hierro fundido o de acero se emplean para bombas verticales de pozo seco y para algunas unidades horizontales de las más grandes.

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Conclusión Una bomba centrífuga es un tipo de bomba hidráulica que transforma la energía mecánica de un impulsor rotatorio en energía cinética y potencial requeridas. Aunque la fuerza centrífuga producida depende tanto de la velocidad en la periferia del impulsor como de la densidad del líquido, la energía que se aplica por unidad de masa del líquido es independiente de la densidad del líquido. En este trabajo se ha ejemplificado las partes principales de una bomba centrifuga horizontal, sus funciones y así como papel que cumplen en una bomba centrifuga. Bibliografía

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