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.

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 

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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 nivelEspecial 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   graves   daños.

Pérdidas de carga

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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 específicoCada 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 Carcasa 31 Cubierta de cojinete (interno)1A Carcasa (mitad inferior) 32 Cuña del impulsor1B Carcasa (mitad superior) 33 Cubierta de cojinete (externo)2 Impulsor 35 Tapa de cojinete (interno)6 Árbol de la bomba 37 Tapa de cojinete (externo)7 Anillo de la carcasa 42 Acoplamiento (mitad en el impulsor)13 Empaquetadura 44 Acoplamiento (mitad en la bomba)14 Manguito del árbol 46 Cuña del acoplamiento16 Cojinete (interno) 48 Buje del acoplamiento17 Collarín del estopero 50 Contratuerca del acoplamiento18 Cojinete (externo) 52 Pasador del acoplamiento20 Tuerca de manguito de árbol. 123 Tapa de extremo de cojinete22 Contratuerca del cojinete 125 Aceitera o grasera29 Anillo de cierre hidráulico 127 Tubo de sello

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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Según  la  manera  de efectuar la conversión de energía.

Voluta

Difusor

SimpleDoble

De una pieza

PartidaSegún la  construcción Por un plano horizontal

Por un plano verticalPor un plano inclinado

De un pasoDe varios pasos

Según  sus  características de succión

LateralSuperiorInferior

Según  el  número  de pasos

SimpleDobleSucción por un extremo

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

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.

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.

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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:

Tipo de succión

Forma de las aspas

Dirección del flujo

Construcción mecánica 

Velocidad Específica 

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 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.

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Simple SucciónDoble Succión 

Aspas curvas radialesAspas tipo Francis Aspas para flujo mixtoAspas tipo propela

RadialMixto Axial 

AbiertoSemiabiertosCerrado

BajaMedia Alta

Impulsor axial Impulsor de doble flujo Impulsor tipointascable

Impulsor mixto

    

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.

Flecha

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Impulsores abiertos Impulsores cerrados

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

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

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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.

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 

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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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Libros:

Viejo ZubicarayBOMBAS: Teoría, diseño y aplicaciones.Editorial LimusaMéxico, 1997

Theodore Baumeister, Eugene A. Avallone, Theodore Baumeister IIIMarks Manual del Ingeniero Mecánico.Octava Edición Editorial McGraw HillMéxico, 1984

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