Bomba rotodinámica

PRACTICA B1
CUESTIONARIO:
• Características generales de la bomba.
• Clasificación de la bomba según el número de escalonamientos, posición del eje, tipo de carcasa.
Se trata de una bomba de múltiples escalonamientos, es decir, que puede tener más de un rodete. Nuestra
bomba se puede configurar para colocar un rodete, dos o más. La posición del eje es horizontal. La carcasa es
anular.
• Clasificación de la bomba según la altura que suministra. Estimar la altura que proporciona la bomba
suponiendo que gira a 3000 r.p.m..
El caudal de una bomba en régimen permanente es el mismo en cualquier sección de la bomba, por la
ecuación de continuidad. La sección de entrada en los álabes del rodete es la superficie lateral de un cilindro,
si no se tiene en cuenta el espesor de los álabes, y la velocidad normal a dicha sección es la componente radial
C1m = C1. Es decir:
Q = .b1.D1.C1m
El espesor de los álabes se tendría en cuenta por medio de un coeficiente de obstrucción a la entrada < 1.
De modo que:
Q = ..b1.D1.C1m
Asimismo a la salida:
Q = ..b2.D2.C2m
Triángulo de velocidades a la entrada:
Triángulo de velocidades a la salida:
Q = ..b1.D1.C1m= ..b2.D2.C2m
Despejando
C2m = C1m =1,73 m/s
u2 = = 6,95 m/s
C2u = u2 − = 5,95 m/s
Altura efectiva de la bomba:
1
Hu = = 4,22 m
• Justificar la forma en que se ha realizado la conexión de la tubería de admisión.
La toma de admisión se ha colocado lateralmente para separar el problema de la lubricación y estabilidad del
eje del de la estanqueidad. La estabilidad es más importante al ser una máquina con varios rodetes.
• Estudio del prensaestopas. Dibujar un croquis del mismo e indicar brevemente su misión.
La misión del prensaestopas es actuar de cierre exterior, asegurando la estanqueidad de la instalación. Se
monta según el esquema de la figura y se aprietan las tuercas de forma que las estopas queden comprimidas
entre la carcasa y el prensaestopas. Un mayor apriete conllevará un mejor aislamiento pero aumentará las
pérdidas mecánicas por rozamiento entre las estopas y el eje.
Existen prensaestopas más modernos con dispositivos de cierre (resortes, anillos, muelles) que producen un
estrangulamiento perfecto incluso en las peores condiciones y estopas especiales trenzadas para fluidos a alta
temperatura.
• Apoyos del eje. Comentar la función de cada uno de ellos.
Los principales apoyos del eje son rodamientos. Uno de bolas para absorber esfuerzos axiales y otro cónico
para absorber los esfuerzos radiales. Sin embargo, no podemos utilizar dos rodamientos iguales ya que se
produciría una hiperestaticidad que crearía tensiones adicionales. Con rodamientos conseguimos a su vez un
mínimo de pérdidas por rozamiento.
El contacto entre el eje y la carcasa ( y corona, en el caso de que la haya) viene proporcionado por unos
casquillos de bronce. El bronce, al ser un material blando, absorbe bien las vibraciones. Así se evitan pérdidas
y se conserva el eje, ya que cuando el anillo de bronce se gasta, su sustitución es rápida y barata. No ocurriría
así en el caso de que se desgastara el eje, o la carcasa.
• Estudio del rodete.
• Tipo de rodete.
Cerrado. Según se ve en la figura, los álabes se encuentran entre dos tapas formando una caja cerrada.
• Número de flujos.
Un flujo, como se observa.
• Número de álabes.
Ocho. Aunque cuatro de ellos no estén completos también se cuentan. Los motivos se verán más adelante.
• Dimensiones del rodete.
• Diámetro a la entrada: d1 = 51mm
• Diámetro a la salida: d2 = 139mm
• Ancho a la entrada: b1 = 8,5mm
• Ancho a la salida: b2 = 3,9mm
• Ángulo de los álabes a la entrada: = 45º
• Ángulo de los álabes a la salida: = 60º
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• Espesor de los álabes a la entrada: s1 = 4,5mm
• Espesor de los álabes a la salida: s2 = 3mm
• Calcular el valor de los coeficientes de obstrucción a la entrada y a la salida.
: coeficiente de obstrucción a la entrada =
= 0,79
: coeficiente de obstrucción a la salida = = 0,93
• Para dos rodetes cerrados a los cuales se les ha quitado la tapa anterior, discutir y justificar la configuración
de los álabes.
Los 8 álabes no son iguales (ver figura página siguiente). 4 de ellos van desde el interior del rodete hasta la
salida, pero los otros 4 no. Sólo aparece medio álabe, desde la mitad hasta el final. Esto se ha hecho porque si
pusiéramos los 8 álabes enteros tendríamos un problema de obstrucción a la entrada de los álabes. Con esta
solución mejoramos el coeficiente de obstrucción de 0,58 a 0,79.
Pero si no pusiéramos los álabes intermedios aparecerían remolinos y bajaría el rendimiento del rodete. Con
esta configuración resolvemos ambos problemas sin perder efectividad.
• Forma de sujeción del rodete al eje.
El rodete va sujeto al eje por un sencillo sistema de chaveta y chavetero.
• ¿Está hidráulicamente equilibrado el empuje axial en el rodete?. Comentar los procedimientos de
equilibrado utilizados.
Sí. Para equilibrar el empuje axial en el rodete se han practicado unas perforaciones en el mismo, cerca del
eje, sin llegar a los álabes, (véase figura) y de este modo, las presiones a ambos lados del rodete se equilibran.
Con estos agujeros solucionamos el problema de equilibrio axial del rodete.
• ¿Está hidráulicamente equilibrado el empuje axial en la bomba?.
No. En bombas de múltiples escalonamientos existe un método para equilibrar hidráulicamente la bomba
poniendo los rodetes enfrentados dos a dos, de forma que los empujes axiales se neutralicen. En nuestra
bomba no esta dispuesto así, pero también es cierto que si usáramos un número impar de rodetes no serviría
esta solución.
• Cierres interiores que consideras necesarios en este tipo de bomba. ¿Qué se pretende eliminar con ellos?.
Enumerar, hacer croquis y criticar los cierres de esta bomba.
Esta bomba no dispone de cierres interiores. Deberían instalarse cierres laberínticos para recuperar el caudal
de fugas. También debe instalarse un cierre que impida el paso de fluido del lado de alta presión al de baja a
través de los agujeros practicados en el rodete.
• Estudio del sistema difusor.
• Elementos que pueden aparecer.
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Puede tener tres elementos: corona directriz, caja espiral y cono difusor, como se ve en la figura
• Elementos del sistema difusor presentes en esta bomba. Razonar la ausencia de elementos del sistema
difusor.
Sólo tiene corona directriz. Existen dos posibles razones para que no haya caja espiral ni cono difusor. La
primera es que no fuera necesario aumentar el rendimiento de la bomba y la segunda es que posiblemente
fuese demasiado caro, no rentable.
• Medir el ángulo de los álabes a la entrada de la corona directriz, así como el diámetro y ancho en este
punto.
= 30º
d4 = 141,8mm
b4 = 5mm
• Cojinetes / Rodamientos.
• Tipo. Justificar.
Los cojinetes son de dos tipos; de bolas y cónico y su función proporcionar un apoyo eficaz con mínimo
rozamiento y absorber los esfuerzos axiales y radiales. Se usan los dos tipos porque, como ya se ha explicado
anteriormente, no podemos utilizar dos rodamientos iguales ya que se produciría una hiperestaticidad que
crearía tensiones adicionales.
• Sistema de engrase. Justificar.
El medio utilizado como lubricante es grasa, que se introduce mediante un inyector manual. El inyector se
carga de grasa y a continuación se presiona para que la grasa entre en la bomba. Hace falta inyectar
manualmente la grasa ya que ésta es muy viscosa y no entraría por sí misma.
• Cierres exteriores.
• Tipos de cierres exteriores, ventajas e inconvenientes de cada uno de ellos.
Prensaestopas y cierre mecánico. El prensaestopas es un método eficaz y de poco coste, pero sin embargo
añade una carga por rozamiento. El cierre mecánico es la solución más eficaz aunque es más caro.
Existen diferentes tipos de cierres mecánicos:
Simple
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Cartucho
Split
5
Externo
Los tipos, además, pueden variar según el fabricante y aplicaciones, así como los materiales. Los cierres de la
tabla anterior pertenecen a la casa Chesterton.
• Croquis aproximado del cierre mecánico dibujando la posición relativa que ocupa respecto al eje y la
carcasa de la bomba. Explicar su funcionamiento.
En esta bomba no hay o al menos no se ve cierre mecánico exterior. Debería ir entre la carcasa y el eje, según
se indica en la figura.
El cierre mecánico consta de dos partes, una fija y otra móvil. Varios anillos de caucho o un material similar
proporcionan la estanqueidad entre las distintas zonas. Hay un muelle interior que presiona ambas partes. La
parte fija, evidentemente, no se mueve, y la móvil es solidaria al eje, es decir, que gira junto con él.
• ¿Cómo se asegura la estanqueidad entre el cierre y el eje y entre el cierre y la carcasa?.
Entre la parte móvil del cierre y el eje hay diversos anillos de material impermeable (caucho, goma, neopreno,
etc.) que aseguran la estanquidad (ver figura, en este caso sólo hay un anillo).
Lo mismo podemos decir para la parte fija del cierre y la carcasa.
• ¿Cómo se asegura la estanqueidad entre la parte fija y móvil del cierre?. Piezas del cierre sometidas a
desgaste.
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Hay una pieza de caucho entre ambas partes que se ocupa de la estanqueidad. En algunos cierres también hay
anillos impermeables. Estas piezas, por encontrarse entre una parte fija y otra móvil solidaria al eje, están
sometidas a un rozamiento y, por tanto, a un desgaste.
La figura utilizada en estos tres apartados corresponde aproximadamente al modelo de cierre simple que se
muestra en el apartado 5.1.
• Materiales.
• Características técnicas a exigir a los materiales para las siguientes piezas:
• De la bomba:
• Eje. Es de acero cementado. El tratamiento superficial se aplica para conseguir una alta dureza
superficial, que se traduce en un menor rozamiento, manteniendo un interior más blando cuya función
será absorber las vibraciones. Un eje demasiado rígido en su totalidad no sería adecuado ya que se
rompería fácilmente, pero un eje blando tendría un gran rozamiento. El cementado da solución a
ambos problemas.
• Carcasa. Es de fundición.
• Rodete. Es de un material que resista la corrosión, ligero. El nuestro parece ser bronce o alguna
aleación parecida, por su color.
• Elementos de cierre entre eje y carcasa. El prensaestopas es de bronce, sujeto por pernos de acero. Las
estopas suelen ser de amianto grafitado.
• Del cierre mecánico:
• Piezas del cierre propiamente dichas. Las piezas del cierre pueden ser de diversos materiales, según
su aplicación. Pueden ser de acero inoxidable, bronce, latón o monel. Los asientos del cierre suelen
ser de bronce o fundición, aunque también hay cerámicos, de carburo de silicio, de tungsteno u otros
materiales. La cara del cierre suele ser de bronce, aunque también existen de grafito o un material
plástico. Los muelles suelen ser de acero inoxidable o monel.
• Piezas de estanqueidad con el eje y con la carcasa. Estas son piezas de materiales similares a la goma,
elásticos e impermeables, tales como el neopreno, teflón o el viton®.
• Número específico de revoluciones.
• Determinar el número específico de revoluciones de las siguientes bombas:
ns = 3,65n
Weise: n = 1450 rpm.
Q = 500 m3/h ns = 306 rpm
H = 12 m
Emica: n = 1450 rpm.
Q = 1080 m3/h ns = 276 rpm
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H = 23 m
Halberg: n = 2900 rpm.
Q = 50 m3/h ns = 66 rpm
H = 50 m
Clasificarlas según el ns, indicando el tipo de rodete.
Weise : Rodete semiaxial o de flujo mixto.
Emica: Rodete radial con una parte semiaxial.
Halberg: Rodete marcadamente radial.
• Instalación de las bombas.
• Analizar la instalación de la bomba Weise y justificar la forma en que está hecha:
En la instalación de la bomba Weise nos llama la atención la existencia de un estrechamiento de la tubería a la
entrada, un reductor. Esto se hace para mejorar la aspiración de la bomba y evitar la cavitación
• Analizar el catálogo de bombas sumergibles:
• ¿Por qué se emplean tantos rodetes con un tamaño tan pequeño?. ¿Qué otras opciones para extracción
de agua de un pozo se nos ocurren?.
Se emplean tantos rodetes con un tamaño tan pequeño porque lo que nos interesa a la hora de extraer agua de
un pozo es conseguir que la bomba nos dé altura efectiva alta más que caudal. Poniendo varios rodetes en
serie conseguimos multiplicar la altura deseada. Además con rodetes pequeños conseguimos una bomba de
pequeña sección provocando un ahorro importante a la hora de instalar la bomba.
• ¿ Qué otras opciones se te ocurren para la extracción de agua de un pozo?
En la instalación de la bomba Weisse tanto el motor como la bomba se encuentran situados fuera del pozo.
Otra opción sería colocar la bomba dentro del pozo, sumergida, y el motor fuera. El eje tendría unos apoyos y
cojinetes para poder transmitir el movimiento. Por último, también podría montarse un grupo sumergible
motor−bomba y poner los dos en el pozo.
• ¿Cómo debe ser el motor eléctrico?
El motor debe estar muy bien protegido contra la humedad, e incluso si lo colocáramos por debajo del nivel
del agua, ser completamente estanco. Además nos interesa que tuviera gran velocidad de giro, pues
aumentando las revoluciones podríamos disminuir el tamaño y número de rodetes para unas mismas
prestaciones de caudal y altura efectiva.
• ¿Dónde está la válvula de retención?
La válvula de retención impide el retroceso del fluido cuando la bomba se para, sobre todo cuando la presión
es muy alta o la tubería es muy larga. Se coloca a continuación de la válvula de compuerta de impulsión
ambas a la salida de la bomba.
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• Estudio de una red de suministro de agua mediante el simulador EPANET.
Usando el programa de ordenador EPANET simularemos el funcionamiento de una red de distribución
durante 48 horas.
La red en cuestión se halla en la primera página del anexo, y la instalación consta de dos depósitos, una
bomba y una red de tuberías. Nuestra misión consiste en analizar la utilidad del depósito situado en el nodo
11, de manera que éste se llene en las horas de menor demanda en los restantes nodos, y se vacía en las horas
punta.
Tendremos que ver si es mejor colocar una sola bomba o colocar dos en serie o en paralelo.
Primero estudiamos la demanda en el nodo11, es decir el llenado y vaciado del tanque.
Hacemos correr el programa con los datos originales, suponiendo una sola bomba. Extraemos una gráfica de
la demanda en el nodo 11. (Página 2 del Anexo.) La gráfica nos muestra que el funcionamiento del depósito
no es el deseado. En el segundo día el depósito esta cerrado durante casi diez horas. Probablemente este así,
porque durante todo el día ha estado cediendo agua y sólo durante 4 o 5 horas se ha llenado , y además
lentamente. Eso hace suponer que el segundo día el tanque estuviera vacío durante casi 10 horas, y cuando ha
tenido la oportunidad de llenarse, ha sido poco tiempo y lentamente. Si hubiéramos hecho una simulación del
tercer día probablemente la gráfica sería semejante a la del segundo, no a la del primero, de forma que el
tanque al final lo que haría sería estar cerrado todos los días 10 horas. Un desperdicio. No nos interesa esta
configuración.
Ahora simularemos el funcionamiento de la red colocando dos bombas en serie. Simplemente tenemos que
doblar las alturas en los datos de entrada. Observamos la demanda en el nodo del depósito y extraemos la
gráfica (Pág. 3 del Anexo). Ahora observamos que tenemos el caso contrario. El depósito se llena
completamente en las dos primeras horas y permanece cerrado el resto de los dos días. El depósito es
innecesario completamente si colocamos las dos bombas en serie.
Por último introducimos los datos para dos bombas en paralelo. La misma altura que una sola bomba pero el
doble de caudal. La gráfica (pág. 4 del anexo) de demanda del tanque parece más satisfactoria. También
permanece cerrada durante algún tiempo pero no tanto como en el primer caso y, además, la curva de
demanda es idéntica los dos días. Eso quiere decir que el depósito entra en un régimen periódico de llenado y
vaciado, en el que el tiempo que el tanque está cerrado es mínimo. Hasta ahora parece que la configuración
más apropiada es ésta.
Estudiamos ahora las pérdidas de altura en las tuberías haciendo una comparativa entre las configuraciones de
1 bomba, y dos bombas en paralelo. Poniendo dos bombas en paralelo las pérdidas aumentan ligeramente pero
son más constantes mientras que con una sola bomba son más bajas pero tienen un máximo superior. En
principio, basándonos en este criterio parecería que poner una bomba sería mejor.
El estudio de la concentración de cloro es similar para las tres configuraciones. La configuración de cloro va
aumentando progresivamente en todos los nodos y tuberías, antes cuanto más cerca estén del nodo de la
bomba.
A pesar de las pérdidas, pensamos que para el aprovechamiento del depósito la mejor configuración es la de
dos bombas en paralelo, ya que las pérdidas tampoco aumentan tanto, y en cambio la diferencia del
rendimiento del depósito sí. Claro que si colocáramos dos bombas en serie podríamos prescindir del depósito
completamente.
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