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Bombas Tecnología parte 2 - Monografía



 
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EXTREMOS DE LA BOMBA



En todas las bombas de vapor de acción directa se usan los extremos de doble acción del fluido. En la figura 14.1.11 se ilustra un cilindro típico del fluido de pistón, casquete y placa de válvulas. Este estilo se emplea para presiones hasta de 250 a 350 lb/pulg2 (1.7 o 2.4 MPa); para presiones más altas, por lo común, se prefieren cilindros del fluido de vaso lateral.


NECESIDADES DE POTENCIA



El consumo de vapor de las bombas de acción directa variará desde 200 lb (90 kg) de vapor por hp. hora de agua (0.75 kWh) en bombas pequeñas con cargas ligeras, hasta tan poco como 50 lb (23 kg) de vapor por hp . hora de agua (0.75 kWh) para bombas grandes que trabajen con una presión de vapor de 350 a 400 Ib/pulg2 (2.4 a 2.8 MPa). Para bombas que funcionan con una presión de escape mayor que la atmosférica, el consumo de vapor aumenta en proporción a p/(P - b), en donde p = presión inicial del vapor en la admisión del cilindro de vapor, Ib/pulg2 man (kPa) y b = presión en el escape, lb/pulg2 man (kPa). Para vapor sobrecalentado, dedúzcase 1% por cada 10°F (5.6 °C) de sobrecalentarniento. El rendimiento de una bomba a vapor, a menudo, se expresa como servicio en pie lb (1) de trabajo efectuado por 1000 lb (450 kg) de vapor seco.

VÁLVULAS PARA BOMBAS



Válvulas de disco

Para presiones de 6000 lb/pulg2 (41 200 kPa), se emplean generalmente válvulas de disco sobre asientos rectificados, como se ilustra en las figuras . Los asientos son metálicos, con un suave ajuste cónico en el piso de las válvulas. Las válvulas de ala de cara cónica y las de bola se emplean para presiones de 10 000 y 30 000 lb/pulg2 (69 000 Y 280000 kPa) respectivamente, ya que se pueden rectificar para ser herméticas a la presión con más facilidad que las válvulas planas. En las figuras se muestra este tipo como se aplica a un cilindro de acero forjado. Las válvulas de bola y las de inserto de elastómero se emplean para liquidos viscosos y pastas aguadas. En la figura se ilustra una válvula del tipo de doble puerto o del tipo anular. Al cerrarse una válvula de puerto sencillo debe desplazar una cantidad de fluido proporcional al cuadrado del diámetro de la misma a través del área de salida, que es proporcional a la primera potencia del diámetro. A fin de obtener una mayor área de salida, con el pequeño escape permisible a altas velocidades de la bomba, y reducir la cantidad de fluido que la válvula debe desplazar cuando cierra, se utiliza la válvula de doble puerto o del tubo anular, excepto para capacidades muy pequeñas. El flujo desde el asiento anular va tanto radial mente hacia afuera alrededor de la válvula como radialmente hacia dentro y a través del agujero central en ella.
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Válvula con inserto de elastómero

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válvula de doble puerto

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Bomba de piston sumergida

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Válvula de disco de acero inoxidable

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Válvula de ala de cara conica

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Válvula de bola o esfera

Velocidad a través de los asientos de válvulas.

A las velocidades convencionales de las bombas, la velocidad de flujo para agua fría a través del asiento levantado de la válvula de admisión suele ser de 3 a 8 pie/s (0.91 a 2 m/s). Para líquidos viscosos, la velocidad puede ser de 1.5 pie/s (0.46 mis) o menos; para bombas de pastas aguadas, es de 6 a 10 pie/s (2.83 a 3.05 m/s). La velocidad a través del puerto de salida, entre la válvula levantada y su asiento, es mucho más alta y depende de la suma de la carga del resorte y del peso de la válvula.

El área requerida de contacto del asiento de la válvula con una válvula simple de disco es pA/b, en donde p = presión sobre la parte posterior de la válvula, lb/pulg2 (kN/m2); A = área de la válvula sobre la cual está actuando p, pulg2 (mm2), y b = presión de apoyo de la válvula sobre el asiento, lb/pulg2 (kPa). Las presiones unitarias aparecen en la tabla.

Materiales para las bombas

Los esfuerzos permisibles en las bombas reciprocantes son menores que en la mayor parte de las máquinas, debido a los choques y al golpe de ariete. Se pueden emplear los siguientes esfuerzos de tracción:
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Los materiales necesarios para las piezas de las bombas varían según el líquido que se maneja. Los aceros de aleación resistentes a la corrosión para bombas se clasifican en diversos tipos de 4 a 10 . Las Hydraulic Institute Standards contienen una larga lista de materiales permisibles, de la cual se ha extractado la tabla.

Las bombas con componentes normalizados tienen émbolos revestidos, válvulas de plástico o de acero, asientos, vástagos y resortes de acero inoxidable para las válvulas. Las bombas con componentes de bronce sólo difieren en que tienen bielas y pistones de este metal. Las bombas hechas totalmente de hierro, por supuesto, no tienen ninguna pieza de bronce. Hay que consultar al Institute Standards donde aparece una selección más completa de materiales.

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Materiales permisibles para bombas



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NOTA: Las letras indican los materiales. como sigue: A, todo bronce; B. equipado con bronce: C. todo hierro. Los numeros, distintos de los que indican los aceros inoxidables, designan los siguientes materiales: 1, hierro gris; 2, bronce de estaño; 3, acero al carbono: 11. una serie de aleaciones a base de niquel; 12, hierro fundido al alto silicio; 13. hierro fundido austenitico; 14, metal Monel

BOMBAS DE VOLUMEN CONTROLADO



La bomba de volumen controlado

, llamada también bomba dosificadora o proporcionadora, se emplea para desplazar con precisión un volumen predeterminado de líquido en un tiempo específico. Esas bombas pueden producir presiones hasta de 30 000 lb/pulg2 (206 MPa), dentro de +-1 % de su capacidad nominal. El émbolo o el pistón pueden hacer contacto directo con el fluido. En la bomba de volumen controlado del tipo de diafragma, el cual puede ser plano o tubular, está en contacto directo con el fluido. El o los diafragmas pueden tener impulsión mecánica o hidráulica.

Los diafragmas de accionamiento mecánico se suelen emplear para presiones hasta de 250 lb/pulg2 (1.7 MPa) y capacidades de 25 gal/h (94 L/h). Una bomba con una relación de reducción de 10:1 se puede ajustar con exactitud entre 10 y 100% de su capacidad nominal.

El mecanismo de impulsión tiene la capacidad para cambiar el desplazamiento. Éste se cambia con un ajuste a mano o en forma automática, con una “señal” eléctrica, neumática o hidráulica.

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Diseño del extremo de liquido con diafragma de doble disco

BOMBAS ROTATIVAS


Las bombas rotativas

son de desplazamiento positivo, y por lo común sin válvulas; son sencillas, compactas, ligeras de peso y de bajo costo inicial. Se construyen en capacidades desde una fracción de galón por minuto (m3/min) (por ejemplo, en los quemadores para calefacción y los refrigeradores domésticos alimentados con petróleo) hasta 5000 gal/min (19.0 m3/min) y más como en transportes marítimos de carga. Aunque se emplean para presiones hasta de 5000 lb/pulg2 (34.5 MPa), su aplicación particular es para presiones de 25 a 500 lb/pulg2 (170 a 3500 kPa) con eficiencia mecánica de 60 a 85%.

En las bombas rotativas se requiere la conservación de tolerancias muy precisas entre las superficies de fricción para que la eficiencia volumétrica sea continua. Su aplicación principal es bombear petróleo y sus derivados y otros líquidos que tienen poder lubricante y alta viscosidad. También se emplean para líquidos de altas viscosidades hasta de 2 000 000 SSU (44 x 10-4 m/s).

Por el diámetro de la descarga de una bomba rotativa se designa su tamaño nominal, pero no su desplazamiento. El Hydraulic Institute clasifica las bombas rotativas en los siguientes grupos: 1) de paletas 2) de pistón, 3) de elementos flexibles, 4) de lóbulos, 5) de engranes, 6) de pistón circunferencial y 7) de tornillo.

Las bombas rotativas

hasta de 100 lb/pulg2 (690 kPa), se pueden considerar de baja presión; las de 100 a 500 lb/pulg2 (690 a 3430 kPa), de presión moderada y las de más de 500 lb/pulg2 (3430 kPa), de alta presión; las bombas fraccionarias hasta 50 gal/min (0.2 m3/min) son de volumen pequeño, de 50 a 500 gal/min (0.2 a 1.9 m3/min) de volumen moderado y de más de 500 gal/min (1.9 m3/min) de gran volumen.

ROTOR SENCILLO



Bombas de paletas

Las fugas en este tipo de bombas ocurren sobre las puntas y los costados de las paletas. Estas fugas ocurren cuando las paletas están debajo de los dos estribos. Debido a que no se puede lograr que las puntas de las paletas ajusten en la cavidad del alojamiento en todas las posiciones, las paletas tienen contacto lineal y poca resistencia a las fugas. El desgaste también puede ser serio a velocidades altas, salvo que las paletas estén sujetas en contra de la fuerza centrífuga. Si se aumenta el número de paletas, hay una reducción considerable de las fugas.

En la figura se ilustra una bomba de paletas guladas típica. Un solo rotor gira dentro de una carcasa. El elemento de bombeo consta de paletas múltiples que se deslizan en ranuras en el rotor. El rotor y la carcasa son excéntricos. La fuerza centrífuga o la presión mantienen el extremo externo de las paletas en contacto con la cavidad en la carcasa. Las paletas son de acero endurecido, de bronce o no metálicas. Este tipo es usual para capacidades baja y moderada y para presiones bajas. Cuando la velocidad es alta o el líquido que se bombea tiene poco valor lubricante, ocurre desgaste rápido en las puntas de las paletas y en la carcasa. En algunas construcciones, las paletas tienen articulaciones en un extremo y funcionan en ranuras en la placa lateral.

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Bomba de paletas corredizas

Bombas de pistón excéntrico

Hay muchas bombas de este tipo en servicio. La que se ilustra en la figura es de árbol sencillo con cuerpo cilíndrico y con un excéntrico oscilante y una abrazadera. El contacto entre la abrazadera y el cuerpo se aproxima a un contacto casi en una sola línea. Conforme avanza el desgaste, las fugas se vuelven excesivas. Este tipo es útil para capacidades pequeñas y medianas, bajas presiones y para velocidades limitadas. Se ilustra una construcción con camisa; casi todos los tipos de bombas rotativas pueden tener camisas para mover fluidos viscosos, que se deben calentar para bombearlos, o para enfriamiento de agua.
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Bomba rotativa, tipo de piston excentrico.

Bombas de émbolos radiales y platos oscilantes

La rotación del cuerpo que lleva los émbolos conecta cada uno de ellos con el puerto de succión correspondiente durante la carrera de succión del émbolo y con el puerto de succión en su carrera de descarga. Estos diseños se pueden adaptar para capacidad variable., esto se hace para variar la excentricidad entre el cuerpo que lleva el émbolo y el anillo que impulsa los émbolos;, se varía el ángulo entre el árbol propulsor y cuerpo que lleva el émbolo. Las bombas reales son complicadas.

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Bomba de embolo radial

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Bomba de plato oscilante

En una bomba de elemento flexible,

las acciones de sellamiento y de bombeo dependen de la elasticidad de los elementos flexibles, que pueden ser un tubo o paletas.
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Bomba con tubo flexible

En las bombas de un solo tornillo,

el fluido se bombea en sentido axial entre las roscas engranadas internas del estator  y del tornillo.
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Bomba de un solo tornillo

El tipo lobular es una de las primeras construcciones que se emplearon para bombas y ventiladores rotativos. Son adecuadas para capacidades medianas y grandes y presiones bajas. Al igual que en la bomba del tipo de pistón oscilante, hay contacto lineal entre el impulsor y el cuerpo, y las fugas son excesivas a presiones altas. Los lóbulos no son de accionamiento por sí mismos; por tanto, estas bombas se deben construir con engranes piloto externos, que puedan transmitir la mitad de la potencia utilizada. desde el árbol propulsor hasta el árbol impulsado.

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Bomba de tres lobulos

Las bombas de engranes

son del tipo de dos árboles y de muy diversas construcciones. Se utilizan para casi todas las capacidades y presiones. En muchos tipos, los engranes del rotor son automáticos y no se necesita un engrane piloto. La forma más sencilla emplea engranes de dientes rectos. El gran número de dientes en contacto con la carcasa minimiza las fugas alrededor de la periferia. La utilidad de los engranes de dientes rectos está limitada porque atrapan líquido en el lado de descarga en el punto donde se acoplan entre sí los engranes, con lo cual resulta una operación ruidosa y baja eficiencia mecánica, en particular a altas velocidades de rotación. Se pueden proveer cavidades para descarga en las placas laterales para reducir los efectos del atrapamiento de líquido. En otras bombas de este tipo, los engranes son helicoidales sencillos o helicoidales dobles de dientes con ángulos de 15 a 30° (0.26 a 0.52 rad) o más. Cuando se emplean los engranes helicoidales sencillos con altas presiones, se tiene como resultado un considerable empuje en los extremos de los engranes sobre las placas laterales de la bomba. La construcción helicoidal o de engrane bihelicoidal elimina en gran parte el efecto del atrapamiento, pero ocurren pérdidas por fugas entre los dientes en el punto de acoplamiento de ellos, salvo que estén cortados sin ninguna holgura en la raíz.
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Bomba de engranes externos

Bombas de engranes internos



Diferencia de un diente.-

En las bombas de este tipo, un impulsor montado en relación excéntrica con el cuerpo acciona un engrane interno que gira en el cuerpo o en los cojinetes montados en las placas del extremo. El flujo es prácticamente continuo y sin inversiones. Se puede usar con altas velocidades de rotación. En estas bombas, las fugas ocurren alrededor de la periferia de la corona, sobre las puntas de los dientes de los engranes cuando empiezan a acoplar y por la Ifnea de contacto cuando están acoplados por completo. Este tipo es adaptable en particular para altas presiones y altas velocidades, por ejemplo para aceites con valor lubricante y de considerable viscosidad.
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Bomba de engranes internos con diferencia de un diente

Diferencia de dos dientes.-

En esta construcción, se utiliza un estribo o apoyo en una de las placas laterales para llenar el espacio abierto entre el engrane externo y el interno. Con esta construcción se reducen las fugas, pero se requiere el empleo de un engrane interno volado, lo cual restringe la aplicación de las bombas para capacidades y presiones pequeñas y medianas.
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Bomba de engranes internos con diferencia de 2 dientes.

Bombas de pistón circunferencial.

El fluido se bombea entre los espacios de las superficies del pistón; no hay contacto real entre las superficies del pistón.
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Bomba de pistones circunferenciales

En las bombas de tornillo,

un solo impulsor helicoidal, largo, de diámetro pequeño y forma especial, acciona uno o más tornillos locos contenidos en ella, de manera que el líquido bombeado es desplazado axialmente. El contacto de superficie múltiple, en vez de los contactos lineales entre los tornillos y el cuerpo, minimiza las fugas. Esta construccion permite la operación a muy alta velocidad.
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Bomba de tornillo

BOMBAS CENTRíFUGAS Y AXIALES



NOMENCLATURA Y DISEÑO MECÁNICO



Las bombas incluidas en esta subsección se dividen en tres clases generales: 1) centrífugas o de flujo radial; 2) flujo mixto; 3) de flujo axlal o bombas de hélice. Los elementos esenciales de una bomba centrífuga son: 1) el elemento rotatorio que consiste en el árbol y el impulsor; 2) el elemento estacionario que consiste en la carcasa, los prensaestopas y los cojinetes (Fig. 14.2.1). Otras piezas como los anillos desgastables y camisas (manguitos) del árbol, se agregan por lo general para mejorar la operación y hacer más económicas las bombas, según lo aconsejen los servicios en que se emplean. Los nombres recomendados por el Hydraulic Institute para las piezas aparecen en la tabla.

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Bomba horizontal , de una etapa, de doble succion, de voluta.

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En una bomba centrífuga,

el líquido es forzado por la presión atmosférica u otra hacia un grupo de paletas en rotación que viene a ser un impulsor que descarga el líquido a una presión más alta y a mayor velocidad en su periferia. Luego, la mayor parte de la energía de velocidad se convierte en energía de presión por medio de una voluta o con un grupo de paletas de difusión estacionarias que rodean la periferia del impulsor. Las bombas con carcasa de voluta se llaman bombas de voluta; las que tienen paletas difusoras se llaman bombas de difusor; a éstas, alguna vez se les llamó bombas de turbina, pero este término se ha aplicado, realmente de modo más selectivo, a las bombas de difusor, centrífugas. para pozo profundo. verticales, llamadas ahora bombas verticales de turbina.

Las bombas centrífugas se dividen en otras categorías, de las cuales varias están relacionadas con el impulsor. En primer lugar, los impulsores se clasifican de acuerdo a la dirección principal del flujo con respecto al eje de rotación. Las bombas centrífugas pueden tener 1) impulsores de flujo radial 2) impulsores de fiuJo axial  Y 3) impulsores de flujo mixto, que combinan los principios de los flujos radial y axial.

Los impulsores se clasifican, además, de acuerdo con la disposición del flujo en 1) de succión sencilla, con una sola entrada en un lado y 2) de succión doble. en que el agua fluye en forma simétrica hacia el impulsor desde ambos lados. También se los especifica por su construcción mecánica en 1) cerrados, con protección o paredes laterales que cubren los conductos para agua; 2) abiertos, sin protección y 3) semiabiertos o semicerrados.

Si la bomba es del tipo en la cual la carga o elevación se desarrolla con un impulsor sencillo. la bomba se llama de una etapa; cuando se emplean dos o más impulsores que funcionan en serie, la bomba se llama de etapas múltiples. El diseño mecánico de la carcasa añade otra clasificación dividida en sentido axial o dividida en sentido radial. El eje de rotación determina si la bomba es de árbol horizontal, vertical o. a veces, inclinado. Por lo mismo, se les llama bombas horizontales o verticales.

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.

Algunas bombas operan con el líquido que se les hace llegar y se descarga por medio de tuberías. Otras bombas. por lo general las verticales, están sumergidas en el suministro para succión. Por tanto, las bombas verticales, a veces, se llaman de pozo seco o húmedo. Si las de pozo húmedo son de flujo axial, de flujo mixto o de turbina vertical, el líquido se descarga por el tubo de bajada o columna hacia un punto de descarga encima o debajo del piso de sus tentación. En consecuencia, a estas bombas se las llama de descarga por encima o por debajo del piso.
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Bomba de tipo de difusor

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Tazon de bomba de difusor, vertical, para pozo humedo

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Bomba vertical de succion por el extremo con carcasa

Carcasas



La presión que actúa contra el impulsor en un diseño de carcasa de voluta sencilla, es casi uniforme cuando se hace operar la bomba a su capacidad prevista de diseño o aproximada a ella. Con otras capacidades, las presiones alrededor del impulsor no son uniformes, lo cual produce una reacción (o empuje) radial que puede aumentar en forma considerable la deflexión del árbol de la bomba. Cuando resulta impráctico contrarrestar este empuje radial con el empleo de un árbol y cojinetes más pesados, se puede emplear un diseño de voluta doble o gemela.

Las bombas de una etapa de succión por el extremo tienen carcasa sólida de una sola pieza. Por lo menos un lado de la carcasa debe tener una abertura con tapa para poder ensamblar el impulsor en la bomba. Si la tapa está en el lado de succión, se convierte en la pared lateral de la carcasa y contiene la abertura de succión. Esta es la llamada tapa de succión o cabeza de succión de la carcasa. Otros diseños se hacen con tapas del prensaestopas (estopero) Y otros más tienen tapas de succión en la carcasa y tapas de succión en la caja del prensaestopas .

En la bomba de impulsor abierto, que es de bajo precio, el impulsor gira dentro de la holgura reducida de la carcasa de la bomba .Si el servicio a que se destina es más severo, se monta una placa lateral dentro de la carcasa para proporcionar una guía desmontable de la holgura reducida al líquido que fluye por el impulsor abierto.

La tobera de descarga de las bombas horizontales de una etapa, de succión por el extremo, suele estar en posición vertical en la parte superior .Sin embargo, se pueden obtener otras posiciones de la tobera, corno horizontal en la parte superior, horizontal en la parte inferior o de descarga vertical en la parte inferior. Casi todas las bombas de carcasa divida axialmente de doble succión, tienen una tobera en el lado de descarga y una tobera de succión en la parte lateral o en la parte inferior. Las bombas de una etapa con succión en la parte inferior rara vez se fabrican con toberas de descarga de menos de 10 pulg de diámetro.

Las carcasas divididas axialmente y las divididas radialmente, se emplean en las bombas de etapas múltiples. Para decidir cuál de los dos tipos seleccionar, se debe tener en cuenta la presión de descarga y el límite aproximado entre las dos es de 1300 a 2000 lb/pulg2 (90 a 140 kglcm2). Las carcasas divididas radialmente se suelen diseñar corno de carcasa doble; las piezas de trabajo de la bomba están alojadas en la carcasa interna que, luego, se inserta en la segunda carcasa, externa. El espacio entre las dos carcasas se mantiene a presión de descarga de la última etapa de la bomba.

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Bomba de succion por el extremo, con cabezas de succion Y de estopero, desmontables

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Bomba de succion por el extremo con cabeza de estopero desmontabble

Impulsores y anillos desgastables



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. Esta última relación se tratará más adelante, al comentar la velocidad específica.

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

Los anillos desgastables proporcionan 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 las 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 tapa 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 les llama de construcción de doble anillo.
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Bombas de etapas multiples, con impulsores de succion sencilla que miran en un sentido y con equilibrador hidraulco

Hay diversos tipos de diseño de anillos de desgaste y la selección del más adecuado depende del líquido que se maneje, 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 centrífugas utilizan la construcción de anillo que han encontrado adecuado para servicio en cada bomba determinada. Las construcciones más comunes de anillos de desgaste son tipo plano y tipo en L

Empuje axial en bombas de una etapa y de etapas múltiples



El empuje hidráulico axial es la suma de las fuerzas desequilibradas del impulsor que actúan en dirección axial. En teoría, un impulsor de doble succión está en equilibrio hidráulico, con las presiones sobre un lado iguales y contrabalanceadas a las del lado opuesto. En la práctica, puede haber cierto desequilibrio, y aun las bombas de doble succión están equipadas con cojinetes de empuje.
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Bomba de etapas multiples con doble carcasa                     Bomba de cuatro etapas con impulsores opuestos

El impulsor de flujo radial, de succión sencilla, está sujeto a empuje axial porque una parte de la pared delantera está expuesta a la presión de succión, con una superficie más grande en la pared posterior sujeta a la presión de descarga. Además, un impulsor de suspensión superior y de succión sencilla con un solo prensaestopas (estopero) está sujeto a una fuerza axial equivalente al producto del área del árbol a través del estopero y la diferencia entre las presiones de succión y de descarga. Esta fuerza actúa hacia la succión del impulsor cuando la presión de succión es menor que la atmosférica y en dirección opuesta cuando es mayor.

Para eliminar el empuje axial de un impulsor de succión sencilla se pueden instalar anillos desgastables delantero y posterior en una bomba. En una cámara que hay en el lado interno del anillo posterior de desgaste, se mantiene una presión aproximadamente igual que la presión de succión por medio de los llamados agujeros de equilibrio de un lado a otro del impulsor. Las fugas por el anillo posterior de desgaste se devuelven al área de succión por esos agujeros. En las bombas grandes, en lugar de los agujeros se suele emplear una conexión por un tubo.

Casi todas las bombas de etapas múltiples se construyen con impulsores de succión sencilla. Para equilibrar el empuje axial de estos impulsores se emplean dos disposiciones: 1) todos los impulsores miran en el mismo sentido y están montados en el orden ascendente de las etapas. El empuje axial se equilibra con un dispositivo de equilibrio hidráulico. Se utiliza un número par de impulsores de succión sencilla; la mitad mira en sentido opuesto a la segunda mitad. A este montaje de impulsores de succión sencilla, espalda con espalda, se le suele llamar Impulsores opuestos.

Los dispositivos de equilibrio hidráulico pueden tener la forma de 1) un tambor de equilibrio, 2) un disco de equilibrio o 3) una combinación de éstos. El tambor de equilibrio se ilustra en la figura. La cámara de equilibrio en la parte posterior del impulsor de la última etapa, está separada del interior de la bomba por un tambor montado en el árbol. El tambor está separado por una pequeña holgura radial de la sección estacionaria del equilibrador, llamada cabeza del tambor de equilibrio, que está fija en la carcasa de la bomba. La cámara de equilibro está conectada con la succión de la bomba o con el recipiente del cual toma su succión la bomba. Las fuerzas que actúan sobre el tambor de equilibrio son: 1) hacia el extremo de descarga: la presión de descarga multiplicada por el área delantera de equilibrio (área B) del tambor; 2) hacia el extremo de succión: la contrapresión en la cámara de equilibrio multiplicada por el área posterior de equilibrio (área C) del tambor. La primera fuerza es mayor que la segunda y, por ello, contrarresta el empuje axial ejercido sobre los impulsores de succión sencilla. El diámetro del tambor se puede seleccionar para equilibrar por completo el empuje axial o para equilibrar de 90 y 95% de este empuje, si es que se desea una ligera carga de empuje en una dirección específica sobre el cojinete de empuje.

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Tambor de equilibrio

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Disco equilibrador sencillo

La operación del disco de equilibrio sencillo se ilustra en la figura .El disco rotatorio está separado del disco de equilibrio por una pequeña holgura axial. Las fugas por ese espacio fluyen hacia la cámara de equilibrio y. desde allí, a la succión de la bomba o al recipiente para succión. La parte posterior del disco de equilibrio está sujeta a la contrapresión de la cámara de equilibrio, mientras que en la cara del disco existe un rango de presiones. Éstas varían desde la presión de descarga en su diámetro más pequeño, hasta la contrapresión en su periferia. Los diámetros interno y externo del disco se seleccionan de modo que la diferencia entre la fuerza total que actúa en la cara del disco y la que actúa en su cara posterior, equilibrará el empuje axial del impulsor. Si el empuje axial de los impulsores llegara a exceder el empuje que actúa sobre el disco durante la operación, este último se moverá hacia la cabeza del disco y reducirá la holgura axial. La cantidad de fugas por ese espacio se reduce, de modo que las pérdidas por fricción en la línea de retorno de las fugas también se reducen, lo cual disminuye la contrapresión en la cámara de equilibrio. Esto aumenta en forma automática la diferencia de presión que actúa en el disco y lo aleja de su propia cabeza, con lo cual se aumenta la holgura. Ahora, la presión aumenta en la cámara de equilibrio y el disco se mueve otra vez hacia su cabeza hasta que se restaura el equilibrio. Para asegurar una operación correcta del disco de equilibrio, el cambio en la contrapresión debe ser de una magnitud apreciable. Para 10grarlo, se coloca un orificio de restricción en la línea conducto de retorno de la fuga.

La combinación de disco y tambor es el dispositivo de equilibrio hidráulico que más se utiliza. Incorpora porciones que giran dentro de los holguras radiales de las porciones estacionarias y una cara de disco que gira dentro de una holgura axial de otra porción de la parte estacionaria. La holgura radial permanece constante, sin que importe cualquier desplazamiento axial del rotor dentro de la carcasa. Pero ese desplazamiento cambia la holgura axial dentro del equilibrador. Estos cambios producen cambios en las fugas que, a su vez, cambian la caída de presión en las holguras radiales y con ello aumentan o disminuyen el valor promedio de la presión que actúa contra la cara del disco. Estos cambios en la presión intermedia en la cara del disco actúan para mover el equilibrador en la dirección requerida para restaurar el equilibrio y el balance axial.


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 crítica 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. En las bombas de etapas múltiples que funcionan a 3600 r/min o más se emplean árboles de igual rigidez (con la misma finalidad de evitar el contacto con los anillos de desgaste). Sin embargo, su velocidad crítica correspondiente es alrededor de 25 a 40% menor que su velocidad de operación. Este margen es suficiente para evitar cualquier riesgo en la operación causado por efecto de la velocidad crítica.

Los árboles de las bombas suelen estar protegidos contra la corrosión, erosión y desgaste, en los estoperos y en los sellos contra fugas y los conductos para agua, con manguitos renovables. La función más común del manguito es proteger el árbol contra el desgaste en un estopero. Los manguitos para otras funciones tienen nombres específicos que indican su finalidad. Por ejemplo, un manguito para árbol, que se emplea entre dos impulsores de etapas múltiples junto con un buje o casquillo interetapas para formar un sello contra fuga entre ambos, se llama manguito interetapas o de distancia.

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 puede introducir agua o otro fluido sellador a presión en el espacio formado por la jaula de sello, con lo cual el fluido sellador fluye en ambas direcciones axiales. Esto es útil para bombas que manejan líquidos inflamables o sustancias químicas activas y peligrosas, porque evita la derrama del líquido bombeado.

Cuando se emplea una bomba para manejar agua fría, limpia, los sellos del prensaestopas suelen estar conectados con la descarga de la bomba o, en las bombas de etapas múltiples, con una etapa intermedia. 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 Iodos a, o con arena o gránulos; 5) en todas las bombas para pozo caliente; 6) cuando no se permite que el líquido bombeado se fugue a la atmósfera. Cuando el agua para los sellos se toma de la descarga de la bomba, se suele hacer una conexión externa a la jaula para los sellos, con un tubo de pequeño diámetro o se hace una conexión con los conductos internos dentro de la propia bomba.

Las altas temperaturas o presiones complican el problema de la conservación de las empaquetaduras del prensaestopas. Las bombas para estos servicios difíciles suelen tener prensaestopas enfriados por agua que circula por camisas o chaquetas. Si la presión antes del prensaestopas hace impráctico colocarle un empaque adecuado en el estopero, se puede instalar un sello reductor de presión o de laberinto antes del estopero; las fugas por el sello de laberinto retornan a algún punto de presión más baja en el ciclo de bombeo.

En forma básica la empaquetadura del prensaestopas (estopero) reduce las presiones y tiene suficiente plasticidad para ajustada para la operación correcta. Los tipos más comunes son la empaquetadura de asbesto y la metálica; esta última está compuesta de hilos u hojas metálicas flexibles con un lubricante de grafito y de petróleo con un núcleo de asbesto o de plástico. Otros tipos de empaquetaduras pueden ser de cáñamo, cordoncillo, trenzada, de lona, dril, etc. La empaquetadura se surte en rollos continuos de sección transversal cuadrada o como anillos preformados, moldeados en un troquel.

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Bomba de succion por el extremo de una etapa con dobles sellos mecanicos.





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