UNIDAD 4

SISTEMAS COMPLEJOS DE TUBERÍAS

Capítulo 3

CONCEPTO ELEMENTAL DE BOMBA Y TURBINA

DEFINICIÓN Y CLASIFICACIÓN DE BOMBAS

Se denomina bomba hidráulica a aquella máquina en la cual se produce una transformación de

la energía mecánica en energía hidráulica (velocidad y presión) comunicada al fluido que

circula por ella.

Atendiendo al principio de funcionamiento, pueden clasificarse en los siguientes grupos:

Bombas de desplazamiento positivo o volumétricas:

En ellas se cede energía de presión al fluido, mediante volúmenes confinados. Se produce un

llenado y vaciado periódico de una serie de cámaras, produciéndose el trasiego de cantidades

discretas de fluido desde la aspiración hasta la impulsión. Pueden a su vez subdividirse en

alternativas y rotativas. Dentro del primer grupo se encuentran las bombas de pistones y

émbolos; al segundo pertenecen las bombas de engranajes, tornillo, lóbulos, paletas, etc

(fig.4.24).

Turbobombas:

La turbobomba es aquella máquina hidráulica que cede energía al fluido mediante la variación

del momento cinético producido en el impulsor o rodete. Dependiendo de la dirección del flujo

a la salida del rodete, pueden clasificarse en:

Bomba de engranajes Bomba de tornillo

Bomba de pistón Bomba de paletas

Descarga Succión

e

T T

D

Fig.. 4.24

- Bombas de flujo radial o centrífugas: El flujo a la salida del rodete, tiene dirección

perpendicular al eje (flujo radial). Se caracterizan por una baja relación caudal-altura

impulsado.

- Bombas de flujo axial: La dirección del flujo a la salida, es paralela al eje. Estas

bombas impulsan grandes caudales a no demasiada altura, por lo que se caracterizan

por una elevada relación caudal-altura.

- Bombas de flujo mixto o helicocentrífugas: El flujo es intermedio entre radial y axial.

Presentan carácterísticas intermedias a las bombas de flujo radial y flujo axial en la

relación altura-caudal bombeado.

La forma del rodete y de la carcasa son variables, según el tipo de bomba centrífuga. En las

bombas de flujo radial el líquido entra axialmente en el rodete por la brida de aspiración y se

descarga radialmente hacia la carcasa. En las bombas de flujo mixto el líquido entra axialmente

en el rodete y se descarga en una dirección entre la radial y la axial. En las bombas de flujo

axial, el líquido entra y sale del rodete axialmente (fig. 4.25).

Flujo radial Flujo mixto Flujo axial

Fig. 4.25

ELEMENTOS CONSTITUTIVOS DE LAS BOMBAS CENTRÍFUGAS

Una bomba centrífuga se compone de dos elementos principales:

- Un rodete o impulsor, constituido por álabes que producen un cambio en el momento

cinético del fluido, de modo que su velocidad y presión a la salida son superiores a las

de la entrada.

- Voluta, encargada de conducir al fluido desde la salida del rodete, hasta la brida de

descarga. Está formada por un conducto cuya sección aumenta gradualmente hasta

alcanzar la salida de la bomba. En ella, parte de la energía de velocidad se transforma

en energía de presión, reduciéndose las pérdidas por fricción. Es frecuente la

existencia a la salida del rodete, de un difusor constituido por álabes fijos y cuya

misión es la de contribuir a esta transformación de energía cinética en energía de

presión (fig. 4.26).

Otros elementos existentes en la mayoría de los modelos de bombas, se muestran en la siguiente

vista seccional de una bomba de aspiración axial con impulsor en voladizo (fig. 4.27)

(“overhung”):

Fig.4.26

Fig.4.27

El sellado del eje constituye un elemento de gran importancia en el funcionamiento de una

bomba, pues evita de forma completa o parcial, la evolución del fluido bombeado al exterior.

Existen dos tipos fundamentales de dispositivos para sellar el eje de una bomba: el sellado o

cierre por empaquetadura, consistente en un prensaestopas que ajustado adecuadamente, limita

el caudal de fluido que sale al exterior a una pequeña cantidad, que resulta por otra parte

necesaria, pues de lo contrario no habría refrigeración de la estopa, se quemaría y resultaría

inservible. La figura 4.28 representa la vista seccional de una bomba con cierre por

empaquetadura:

Fig. 4.28

Prensaestopas Estopa

La otra posibilidad la constituye el cierre mecánico, que se compone de dos elementos uno fijo a

la carcasa que recibe el nombre de asiento y otro móvil que gira con el eje de la bomba y que se

denomina cara. Por medio de un resorte y la propia presión del fluido bombeado, la cara desliza

sobre el asiento de forma que, a diferencia del cierre por empaquetadura, no existe ningún

escape de fluido al exterior. El inconveniente de este tipo de cierres es que cuando se estropean

inutilizan la bomba, lo que obliga a contar con el consiguiente repuesto, más aún en las

estaciones de bombeo destinadas a operar ininterrumpidamente. . En el caso de cierre por

empaquetadura, si la fuga de fluido aumenta eventualmente, bastará con actuar sobre el

prensaestopas, lo que permitirá a la maquina seguir funcionando (fig. 4.29).

Fig. 4.29

TIPOLOGÍA DE BOMBAS PARA IMPULSIÓN DE AGUAS

Entre la tipología de bombas comúnmente empleadas para la impulsión de aguas se encuentran:

Bombas centrífugas con impulsor en voladizo

Se caracterizan por tener los cojinetes a un lado del impulsor de manera que éste queda en

voladizo. La aspiración se produce en dirección axial, esto es, en la dirección del eje, mientras

que la brida de descarga se sitúa por encima de la voluta (fig.4.30). Las de menor tamaño

pueden compartir eje con el motor, formando un conjunto único monobloc. Por el contrario, en

las de tamaño medio y grande, la bomba y el motor son independientes. Ambos se unen por

medio de un acoplamiento, lo que permite que bomba y motor puedan ser seleccionados inde-

pendientemente uno de otro.

La disposición puede ser horizontal o vertical. La opción vertical presenta la ventaja de ocupar

menos espacio que la horizontal (fig.4.31).

Fig.4.30

Fig.4.31

Bombas de doble aspiración y cámara partida

En las bombas de cámara partida, el cuerpo de la bomba se encuentra dividido por un plano

horizontal a la altura del eje. Ello supone una indudable ventaja en el mantenimiento y

reparación, pues esta disposición constructiva permite acceder a los elementos internos de la

bomba (eje, impulsor, cojinetes, etc.) sin tener que desacoplarla del motor; bastará con levantar

la tapa superior del cuerpo de la bomba (fig. 4.32 y 4.33).

Fig. 4.32

Incorporan un rodete de doble aspiración, lo que permite compensar los esfuerzos axiales de un

lado con los del lado opuesto, de modo que el conjunto rotórico se encuentra compensado. Debe

prestarse especial atención a la disposición física de la tubería en la aspiración de la bomba, a

fin de asegurar una simetría de flujo que permita una aspiración equilibrada por ambos lados del

rodete y la consiguiente compensación de esfuerzos. De este modo deberá evitarse la presencia

de codos o bifurcaciones excesivamente cerca de la brida de aspiración de la bomba.

Fig. 4.33 Bombas verticales de flujo axial Las bombas de flujo axial se emplean para bombear grandes caudales a poca altura. Se

componen de una campana de aspiración en la parte inferior de la bomba, seguida de un cuerpo

donde se encuentra el rodete, un elemento difusor, columna de impulsión y codo de descarga. El

impulsor se acciona mediante un eje interior a la columna de impulsión y soportado por

cojinetes radiales lubricados y refrigerados por el propio fluido bombeado. El motor para

accionamiento se sitúa en la parte superior (fig. 4.34).

El impulsor de estas bombas se encuentra permanentemente cebado por estar sumergido por

debajo de la SLL. Las dos tipologías anteriores cumplirán esta característica únicamente cuando

trabajen en carga, requiriendo una válvula de pie que mantenga a la bomba cebada cuando ésta

trabaje en condiciones de aspiración.

Motor

Descarga

Columna

Cuerpo de descarga

Aspiración

Fig. 4.34

Bombas sumergibles

Como su nombre indica, motor y bomba se encuentran bajo la superficie libre del liquido SLL

(fig.4.35). Suponen una solución para el bombeo en el caso de instalaciones con poco NPSH

disponible o alturas de aspiración excesivamente elevadas.

Fig. 4.35

RENDIMIENTO Y POTENCIA DE UNA BOMBA

Rendimiento de una bomba El rendimiento de una bomba 1 es la relación entre la potencia teórica (potencia útil) que la

bomba transmite al fluido, W y la potencia realmente absorbida por la bomba We, medida en su

eje y que le es proporcionada por el motor:

e1 W

Wabsorbidapotencia

)útilpotencia(teóricapotencia

El rendimiento de una bomba resulta del producto del rendimiento mecánico, hidráulico y

volumétrico:

- El rendimiento mecánico es la relación entre la potencia transmitida al eje y la

potencia que recibe el impulsor. Es consecuencia de las pérdidas mecánicas que se

producen por el rozamiento entre eje y empaquetadura, fricción en los cojinetes y el

rozamiento entre la superficie del impulsor y el fluido.

- El rendimiento hidráulico se define como la relación entre la potencia real y teórica

que el impulsor de la bomba transmite a la corriente fluida. Es debido a las pérdidas

hidráulicas por rozamiento del fluido y pérdidas por la turbulencia producida al

entrar el fluido al impulsor.

- El rendimiento volumétrico es el cociente entre el caudal que sale por la bomba y el

caudal que circula por su impulsor o rodete. Ambos no coinciden debido a la

recirculación que se produce en el interior de la bomba, bien por la holgura entre

carcasa e impulsor o por la existencia de orificios de equilibrado de presión en el

propio impulsor. También se incluyen en estas pérdidas, el fluido que circula al

exterior a través de la empaquetadura. Por último, en función del fluido a bombear,

determinados cierres mecánicos pueden requerir una recirculación desde la brida de

descarga de la bomba hasta la caras del cierre, originándose una pérdida

volumétrica.

Para una bomba dada y un punto de funcionamiento determinado el rendimiento puede

obtenerse de las curvas características proporcionadas por el fabricante en función del caudal y

la altura.

En general el rendimiento depende del tipo de bomba (flujo radial, mixto o axial) así como del

tamaño de la misma (para dos bombas hidráulicamente semejantes, la más pequeña tiene peor

rendimiento que la mayor). Para el diseño, un valor aproximado frecuente puede establecerse

entre 0,7 y 0,8.

Potencia absorbida por una bomba La potencia absorbida por una bomba viene dada por la expresión:

1

m33

η

[m]/s].H].Q[m[N/mγ[watios]W

Si consideramos el rendimiento del motor 2, tendremos la potencia absorbida por el motor:

21

m33

T .ηη

[m]/s].H].Q[mN/m[γ[watios]W

Si expresamos en el sistema técnico, todavía de uso frecuente:

21

m33

T .ηη.75

[m]/s].H].Q[m[kp/mγ[CV]W

donde 2 es el rendimiento del motor. Los rendimientos de los distintos tipos de motores, según

la tabla 4.1, es la siguiente:

Tabla 4.1

Motor Tipo de transmisión Rendimiento 2

Corriente alterna Directa y eje horizontal 0,83-0,89

Corriente alterna Directa y eje vertical 0,79-0,85

Diesel Directa y eje horizontal 0,34-0,35

Gasolina Directa y eje horizontal 0,35-0,40

como valor medio en cálculos aproximados puede tomarse el de 7,02 .

La potencia efectiva para el motor se deduce de la teórica mediante un incremento determinado

por la experiencia. El producto 21. = 7,05,0

η.75

[m]/s].H].Q[m[kp/mγW[CV] m

33

de operar en el sistema técnico, recuérdese que 1CV = 0,736 kw.

Problema

4.8. Determinar la potencia de una bomba, que ha de elevar un caudal de 144 m3/h. Las características del sistema son las siguientes:

- Altura de aspiración: 3,75 m

- Longitud de la tubería de aspiración: 17,25 m

- Accesorios en la aspiración: alcachofa y tres codos a 90º

- Altura de impulsión: 150 m

- Longitud de impulsión: 180 m

- Accesorios en la impulsión: válvula de regulación y cuatro codos normales a 90º

- Altitud del lugar : 700 m

- Temperatura del agua: 15ºC

Solución:

- Cálculo de la tubería de aspiración:

Tanteamos con una velocidad de 0,8 m/s para obtener el diámetro:

m 252,00,8

0,0404

V

Q 4 D

elegimos un diámetro de 250 mm, corresponde a una velocidad real para el diámetro seleccionado de :

s/m81,0250,0.

040,0.4

D.

Q.4V

22

- Pérdidas de carga:

La pérdida de carga en el recorrido de aspiración para L = 17, 25 m, la calculamos por Chèzy-Kutter,

tubería de fundición nueva m = 0,20.

m059,0250,0.55,55

25,17.040,0.64

D.C.

L.Q.64h

;s/m55,55250,020,0.2

250,0.100

Dm.2

D.100C

522

2

522

2

sr

2/1

la pérdida de carga en los codos la calculamos para un = 0,132:

m10.41,4 81,9·2

81,0.132,0

g2

V.132,0 h 3

22

c

Para tres codos:

m013,010·31,4.3 3

pérdida en la alcachofa, consultando cualquier ábaco para el particular, obtenemos 0,2 m para la

velocidad de 0,8 m/s.

Hay que tener en cuenta la altitud del lugar y la temperatura del agua para la aspiración.

Para 700m 0,870 m

Para 15ºC 0,173 m

La altura manométrica de aspiración Hs, valdrá:

m06,5 173,0870,0200,0013,0059,075,3 sH

- Cálculo de la tubería de impulsión:

Fijamos la misma velocidad que en la aspiración 0,81 m/s, por tanto el diámetro sigue siendo 250 mm, si

bien llevará una reducción a la salida de la bomba para poder acoplar la salida al diámetro elegido (tendrá

una pérdida, pero no la evaluamos).

La pérdida de carga para una conducción de L = 180 m, siguiendo el mismo procedimiento que en la

aspiración:

m62,0250,0.55,55

180.040,0.64

D.C.

L.Q.64h

522

2

522

2

r

Pérdida de carga en los cuatro codos:

m017,081,9·2

81,0.132,0·4'h

2

c

Pérdida en la válvula para = 0,07:

m10.3,281,9·2

8,0.07,0h 3

2

v

la pérdida de carga a la salida, suponiendo bordes redondeados, = 0,06:

m10·96,181,9·2

8,0·06,0 h 3

2

S

altura manométrica de impulsión:

m 64,150002,0 0,0020,017 62,0150 Hd

La altura manométrica total de aspiración e impulsión, valdrá:

m156m7,15564,15006,5HH H dsm

Potencia de la bomba:

kw5,87736,0·7,0·75

156·040,0·10 736,0·

75

HQW

3m