Bombas Centrífugas: Introducción, Funcionamiento y Fenómenos Hidráulicos

BOMBAS CENTRIFUGAS
BOMBAS CENTRIFUGAS
Tabla de contenido
Introducción a las máquinas hidráulicas ............................................................................. 2
Clasificación de las máquinas de fluidos.............................................................................. 5
Bombas Centrifugas .............................................................................................................. 7
Ventajas de las bombas centrífugas ...................................................................................... 8
Tipos de bombas centrifugas ................................................................................................. 9
¿Cómo funcionan las bombas centrífugas? ....................................................................... 13
Fenómenos a tener en cuenta en instalaciones hidráulicas: el golpe de ariete y la
cavitación ............................................................................................................................. 13
Golpe de ariete en bombas centrífugas ............................................................................... 13
¿Cómo reducir el golpe de ariete? ............................................................................................14
Cavitación de las bombas centrífugas ......................................................................................14
Tipos de impulsores ............................................................................................................. 18
Bombas verticales ................................................................................................................ 18
Bibliografia .......................................................................................................................... 24
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BOMBAS CENTRIFUGAS
Introducción a las máquinas hidráulicas
Con carácter general, puede decirse que una máquina de fluido es un sistema
mecánico que intercambia energía mecánica con el fluido que está contenido o que
circula a través de él. En este texto, se tratan las máquinas hidráulicas, que pueden
considerarse máquinas de fluidos en las que los efectos de compresibilidad del
fluido son despreciables (en la Sección 1.2 se tratará esto con mayor detalle).
Las máquinas de fluidos, y particularmente las máquinas hidráulicas, han sido
utilizadas desde tiempos históricos. La bomba es uno de los ingenios más antiguos
que se conocen para intercambiar energía mecánica con un fluido. La noria y el
tornillo de Arquímedes, por ejemplo, se emplean desde varios siglos antes de
Jesucristo.
Figura 1. Tornillo de arquimides
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En concreto, la rueda hidráulica de paletas, auténtica precursora de las actuales
turbomáquinas hidráulicas, se desarrolló en Egipto, Mesopotamia y China al menos
mil años antes de la era cristiana. Se conoce también que en la Persia y China
antiguas, se desarrollaron molinos eólicos para aprovechar la fuerza del viento. Al
parecer, las panémonas chinas (construidas con madera y tela) pudieron ser los
primeros ingenios eólicos, antecesores de los molinos persas. Posteriormente, se
emplearon con profusión en el mundo islámico a partir del siglo VII. Ya en épocas
más modernas, en el Renacimiento, puede atribuirse a Leonardo da Vinci (14521519) la invención de la primera bomba centrífuga. Sin embargo, fue en el siglo
XVIII cuando el estudio de las máquinas hidráulicas, y en particular de las
turbomáquinas, adquirió categoría de ciencia o rama de la Ingeniería, a raíz de la
publicación en 1754 de los estudios de Leonhard Euler (1707-1783) sobre esta
materia. Como se verá más adelante, se debe a Euler la ecuación de
comportamiento más importante en turbomáquinas hidráulicas.
Rueda hidraulica de paletas
Por supuesto, las máquinas de fluidos constituyeron uno de los motores de la
Revolución Industrial. Las contribuciones de ingenieros tales como Burdin,
Fourneyron, Sablukow, Pelton, Francis o Kaplan, sobre todo a lo largo de los siglos
XIX y XX, fueron decisivas para la fabricación de máquinas hidráulicas de elevado
rendimiento. Algunos de ellos han dado sus nombres a distintos tipos de turbinas
hidráulicas, tales como Pelton, Kaplan o Francis. Cabe señalar la primera patente
de una bomba centrífuga multietapa similar a las actuales, debida a Osborne
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BOMBAS CENTRIFUGAS
Reynolds (1842-1912). En la actualidad, los procesos de mejora y
perfeccionamiento de nuevos modelos son incesantes.
El estudio de la materia de interés debe partir del conocimiento de las ecuaciones
generales de conservación de la Mecánica de Fluidos, de modo que puede
considerarse a las máquinas hidráulicas como un aspecto particular de esta ciencia.
Aunque en el texto se comienza presentando a las máquinas hidráulicas
directamente, se explicarán aquellas
El flujo del fluido a través de una máquina hidráulica puede ser laminar (en cuyo
caso las partículas fluidas siguen trayectorias ordenadas, y pueden determinarse en
algunos casos soluciones analíticas), o turbulento (en cuyo caso las trayectorias
fluidas son aparentemente desordenadas, con un fuerte incremento de los
fenómenos de transporte y difusión de las propiedades fluidas, no pudiendo
encontrarse una solución analítica).
El número de Reynolds es el parámetro adimensional que relaciona los efectos
convectivos y difusivos, de modo que por encima de un cierto valor crítico, puede
decirse que el flujo pasa de laminar a turbulento. En las máquinas hidráulicas,
particularmente en aquellas en las que el intercambio de energía tiene lugar en un
elemento giratorio llamado rodete (turbomáquinas), el flujo es en general a altos
números de Reynolds.
Hasta el momento, todo lo comentado se refiere principalmente al tipo de máquina
hidráulica llamada turbomáquina, cuyas características comienzan a estudiarse en
la siguiente sección. En este texto, el estudio de las máquinas hidráulicas se
realizará siguiendo un esquema similar al expuesto en esta introducción.
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Clasificación de las máquinas de fluidos
Las máquinas de fluidos pueden clasificarse siguiendo distintos criterios. Se han
escogido los tres normalmente más utilizados: según el sentido de la transmisión de
la energía entre el fluido y la máquina, según la compresibilidad del fluido de trabajo,
y según el principio de funcionamiento.
SEGÚN EL SENTIDO DE LA TRANSMISIÓN DE LA ENERGÍA, pueden distinguirse los
siguientes tipos:
• Máquinas generadoras. Comunican energía mecánica al fluido, como
ocurre con las bombas, los compresores, los ventiladores y las hélices1. La
energía mecánica que consume una máquina generadora debe ser
suministrada por un motor.
• Máquinas motoras. Extraen energía mecánica del fluido, como ocurre con
las turbinas hidráulicas, las turbinas de vapor, las turbinas de gas y las
aeroturbinas.
• Máquinas reversibles. Su diseño les permite funcionar alternativamente
como máquinas generadoras o motoras, como por ejemplo los grupos
turbina-bomba de las centrales de acumulación por bombeo.
• Máquinas transmisoras. Transmiten la energía entre dos sistemas
mecánicos o dos fluidos, combinando una máquina motora y otra
generadora. Pueden citarse los acoplamientos fluidos, los convertidores de
par, las transmisiones hidráulicas y neumáticas, o los turbocompresores. La
función de estas máquinas puede ser la transmisión o el cambio de un par, o
el cambio de una velocidad de giro, evitando la transmisión de vibraciones y
otros problemas de las conexiones mecánicas. El esquema de
funcionamiento de estas máquinas puede ser: eje-bomba-fluido-turbina-eje
(véase la Figura 1.1) o fluido-turbina-eje-bomba-fluido.
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SEGÚN EL PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE LA MÁQUINA, pueden distinguirse los
siguientes tipos:
• Máquinas rotodinámicas, o turbomáquinas, en las que se produce un intercambio
de cantidad de movimiento entre el fluido y la máquina a través de una pieza
giratoria, llamada rotor o rodete (véase la Figura 1.2). El fluido circula de forma
continua a través de los canales que forman los álabes del rotor. Las fuerzas son
sobre todo de dirección tangencial, por lo que hay un cambio en el momento cinético
del fluido cuando atraviesa el rotor, y por ello se transmite un par entre el rotor y el
fluido, y un intercambio de energía mecánica.
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Figura 1.2: Esquema de una bomba centrífuga. El distribuidor puede consistir
únicamente en un tubo de entrada, o disponer de álabes guía que conducen el
flujo hacia el rodete. En la salida se dispone a menudo de una corona de álabes
fijos denominada difusor. Sus álabes pueden ser orientables, aunque esto es muy
poco frecuente en bombas. Por su forma característica, la voluta también recibe la
denominación de caracol.
Una bomba es una turbo máquina generadora para líquidos incompresibles.
Las bombas aumentan la energía del fluido al realizar trabajo sobre él.
La bomba se usa para transformar la energía mecánica en energía hidráulica (se le
transfiere energía mecánica a un fluido).
La bombas se emplean para bombear toda clase de líquidos, (agua, aceites de
lubricación, combustibles, líquidos alimenticios, cerveza, etc.), incluyendo líquidos
espesos con sólidos en suspensión, como melazas, fangos, desperdicios, etc.
Un sistema de bombeo puede definirse como la adición de energía a un fluido para
moverse o trasladarse de un punto a otro.
Notar: Si se trata de Flujos compresibles se denominan compresores. Las bombas
a tratar son las centrífugas y las de flujo axial.
Bombas Centrifugas
Las bombas centrifugas son un tipo de bomba hidráulica que transforma energía
mecánica en energía cinética de presión a un fluido. Las bombas
centrífugas aumentan la velocidad de los fluidos para que estos puedan
desplazarse grandes distancias.
La bomba centrífuga, debido a sus características, conforman la clase de bombas
hidráulicas de más aplicación dentro de la industria ya que son las más
utilizadas para bombear líquidos en general y permiten movilizar grandes
cantidades de agua.
Hay muchos sectores industriales que necesitan usar bombas centrífugas en sus
procesos mecánicos. Algunos de los sectores que más utilizan bombas
centrífugas son la industria química, el sector de la automoción, la industria
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cosmética para el desarrollo de cremas o la industria alimentaria para la elaboración
de todo tipo productos alimenticios.
Bomba Centrifuga
Ventajas de las bombas centrífugas
Algunas ventajas de estas bombas centrífugas son:
•
•
•
•
•
•
•
•
No tienen órganos articulados y los mecanismos de acoplamiento son muy
sencillos.
Para una operación definida, el gasto es constante y no se requiere
dispositivo regulador.
Se adaptan con facilidad a muchas circunstancias.
El peso es muy pequeño y dimensiones reducidas.
El mantenimiento y pieza de recambio reducidos.
Coste ajustado.
La incorporación de variadores de velocidad permite mayor eficiencia.
Los sistemas de bombeo completos son suministrados según las
necesidades.
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Tipos de bombas centrifugas
Las bombas centrífugas se pueden clasificar según distintos parámetros:
Por la dirección del flujo. Según la dirección en la que el fluido atraviese la bomba
centrífuga, pueden ser:
•
Radial: En este caso el flujo circula de forma paralela al eje de rotación. Son
bombas muy eficientes y versátiles y son las bombas centrífugas más
comunes.
•
Axial: En este caso el flujo circula de forma paralela al eje de rotación. Son
bombas muy eficientes a la hora de elevar grandes caudales a poca altura.
Mixto: Combina las bombas axiales con las bombas radiales.
•
Por la posición del eje de rotación:
•
Horizontales El eje de rotación se encuentra en posición horizontal.
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•
Verticales El eje de rotación se encuentra en posición vertical.
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BOMBAS CENTRIFUGAS
•
Inclinados El eje de rotación está inclinado
Otras clasificaciones:
•
•
Por el diseño de la coraza (forma) en: voluta y las de turbina.
Por la forma de succión en: sencilla y doble.
Partes de una bomba centrífuga
Los elementos constructivos que conforman una bomba centrífuga son:
•
Carcasa: Parte que protege a todos los mecanismos internos que permiten
el accionar de la bomba. Son elaboradas con variados materiales según su
finalidad, como es en base a hierro fundido si se usará par bombear agua
potable, o de acero inoxidable o de bronce si se pretende bombear un líquido
que es muy corrosivo
•
Entrada y Salida: conductos por donde circula el agua. El de entrada se
conoce como tubería de aspiración y el de salida como tubería de impulsión.
•
Impulsor o rodete. Dispositivos usados para impulsar el agua contenida en
la carcasa. Están formados 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.
•
Difusor: el difusor junto con el rodete, están encerrados en una cámara,
llamada carcasa o cuerpo de bomba. El difusor está formado por unos álabes
fijos divergentes, que al incrementarse la sección de la carcasa, la velocidad
del agua irá disminuyendo lo que contribuye a transformar la energía cinética
en energía de presión, mejorando el rendimiento de la bomba.
•
Eje: Elemento que sostiene el impulsor para que gire sobre este con la fuerza
del motor. Según la posición del eje en bombas de eje horizontal y bombas
de eje vertical.
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•
Cojinetes o rodamientos: Piezas que sostienen adecuadamente el eje del
impulsor
•
Motor: componente fundamental de la bomba centrífuga que permite mover
el eje y a su vez el impulsor para conseguir el movimiento del agua. Según
su potencia, podrá movilizar más agua en menos tiempo.
•
Panel de control: dispositivo que permite el accionamiento de la bomba.
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¿Cómo funcionan las bombas centrífugas?
Para hacer funcionar una bomba centrífuga existen los siguientes pasos: primero,
el fluido entra por el centro del rodete o impulsor de la máquina. Éste dispone de
una paleta curva, denominada álabe, que sirve para conducir el fluido.
Después, debido a la fuerza centrífuga que produce la bomba, el fluido es impulsado
hacia el exterior, donde es recogido por la carcasa o cuerpo de la bomba.
Finalmente, gracias a la estructura de la maquinaria, el fluido es conducido hacia
las tuberías de salida o hacia el siguiente rodete.
Fenómenos a tener en cuenta en instalaciones hidráulicas: el golpe
de ariete y la cavitación
Como consecuencia del funcionamiento, las bombas centrífugas son susceptibles
de desgaste, reducción de bombeo, vibración y ruido anormal. Debemos prestar
especial atención a dos fenómenos: la cavitación y la posibilidad del golpe de
ariete, los cuales pueden ocasionar graves daños a las estructuras y material de la
central y ser causantes de averías en tuberías e instalaciones hidráulicas.
Golpe de ariete en bombas centrífugas
El golpe de ariete se produce al cerrar o abrir una válvula y al poner en marcha o
parar una máquina hidráulica, o también al disminuir bruscamente el caudal. Al
cerrarse por completo una válvula se origina una onda de presión que se propaga
con una cierta velocidad (el líquido no es estrictamente un fluido incompresible).
Esta onda origina una sobrepresión que se desplaza por la tubería, causando dos
efectos:
•
•
Comprime ligeramente el fluido.
Dilata ligeramente la tubería.
La sobrepresión que origina el golpe de ariete no puede producirse en el arranque
de una bomba porque la presión producida por la bomba no puede exceder el valor
máximo que indica su curva característica, curva H-Q. En la parada de una bomba
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se ha de tener precaución de cerrar antes la válvula de impulsión. Si esto se hace
a mano, el cierre es lento, la columna de líquido que llena la tubería se decelera
gradualmente, y el golpe de ariete no se produce.
El golpe de ariete puede producirse:
•
•
Si se para el motor de la bomba sin cerrar previamente la válvula de
impulsión.
Si hay un corte imprevisto de la corriente, en el funcionamiento de la bomba.
¿Cómo reducir el golpe de ariete?
•
•
•
•
•
•
Cerrar lentamente la válvula de impulsión.
Escoger el diámetro de la tubería de impulsión grande, para que la velocidad
en la tubería sea pequeña.
Instalación bombas centrífugas con un volante de inercia que en caso de
corte de la corriente reduzca lentamente la velocidad del motor, y por
consiguiente la velocidad del agua en la tubería.
Depósitos de expansión
Instalación de válvulas de retención con by-pass diferencial.
Válvulas de retención anti ariete. Manual para el diseño de una red hidráulica
de climatización
Cavitación de las bombas centrífugas
Durante la entrada del fluido en el rodete de una bomba, se produce una aceleración
que, cuando la presión es suficientemente baja, genera la formación de burbujas de
vapor.
Esto tiene dos efectos sobre el funcionamiento, en primer lugar,
la cavitación erosiona el rodete, y con el tiempo lleva a su destrucción. En segundo
lugar, cuando la cavitación es fuerte disminuye la altura de elevación.
La cavitación es un fenómeno indeseable y evitable que se produce a la entrada
de la bomba y que provocará el fallo prematur0 de la misma.
Para evitar la cavitación, hace falta mantener una presión suficiente, por encima
de la presión de vapor, en la entrada de la bomba. El valor necesario es calculado
por el fabricante como NPSHr (Net Positive Suction Head required). Desde el punto
de vista de la utilización, hay que asegurar que el NPSHd (disponible) en el sistema
sea superior al NPSHr .
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En una instalación hidráulica cada elemento que la conforma tiene unas
determinadas características que es preciso conocer para un correcto
funcionamiento de la instalación. En Seguas, estudiamos y diseñamos la red
hidraúlica adaptada en cada instalación, seleccionamos la curva de la bomba
centrífuga más adecuada para cada caso y circuito, calculando el caudal necesario
y la pérdida de carga resultante.
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Tipos de impulsores
Bombas verticales
•
Carcasa. Por lo general, las carcasas son fabricadas en fierro fundido para
agua potable, pero tienen limitaciones con líquidos agresivos (químicos,
aguas residuales, agua de mar). Otro material empleado es el bronce.
También se usa el acero inoxidable si el líquido es altamente corrosivo.
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•
Flecha o eje impulsor. La flecha de una bomba centrifuga tiene como
función transmitir el torque que recibe del motor impulsor durante la
operación de bombeo. En pequeñas bombas monoblock, el eje del motor
eléctrico se extiende hasta la bomba, descansando sobre los rodamientos
del motor. Fabricado en acero inoxidable.
•
Impulsor o rodete. Para el bombeo de agua potable en pequeños, medianos
y grandes caudales, se usan rodetes centrífugos de álabes radiales y
semiaxiales. Fabricados en fierro, bronce, acero inoxidable, plásticos.
•
Tazones. Los impulsores se arman por separado, dentro de cajas que
presentan exteriormente formas cilíndricas, pero que interiormente tienen
perfiles especiales, técnicamente diseñados, de modo que ofrezcan
superficies bien pulidas e hidráulicamente delineadas a fin de reducir al
mínimo el rozamiento que deben presentar al paso del agua. A estas cajas
se les denomina tazones.
Además de soportar a las chumaceras intermedias del eje y al conjunto de los otros
componentes de la bomba, la principal función del tazón es la de desviar y orientar
el flujo de agua hacia arriba, transformando la velocidad de ésta en presión.
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Bibliografia
Máquinas Hidráulicas -Teoremas y Problemas. Blas Zamora Parra y Antonio
Viedma Robles Crai UPCT ediciones
MANTENIMIENTO DE BOMBAS CENTRIFUGAS – Serie de Mantenimiento
Mecánico de Tel-A- Train
MECANICA DE LOS FLUIDOS – Turbomaquinas .
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