El flujo de un líquido ideal va de acuerdo con el bien conocido principio de Bernoulli:
+ Z = constante en donde: = velocidad del líquido
aceleración debida la gravedad = presión
= densidad relativa Z = carga estática
Si se aplica la ecuación de Bernoulli un vórtice del líquido, éste, que se conoce como vórtice potencial, tie- ne una velocidad de rotación que varía inversamente con el radio R del vórtice o sea:
(K) = constante
Esta ecuación repercute mucho en los efectos del dise- ño del sumidero sobre el rendimiento de la bomba. Indi- ca que la velocidad aumenta hacia el centro del vórtice y tiende a volverse infinita cuando el radio se aproxima a cero, Por tanto, debido principio de Bernoulli, la pre-
sión absoluta cerca del centro del vórtice potencial se vuel- ve mucho más baja que la presión atmosférica.
Cuando esa zona de baja presión está en contacto di- recto con la atmósfera y el cuerpo del líquido se mueve en el sentido del eje del vórtice, entrará el aire en él. Se- gún sean la forma y tamaño del sumidero, es posible que este aire llegue al ojo del impulsor y produzca problemas.
Si no se deja entrar aire la zona de baja presión del vórtice, entonces se producen, ya sea, un núcleo de baja presión de líquido que gira como remolino “sólido” o una cavidad llena de vapor. Esto ocurre cuando’el cen- tro del vórtice entra al tubo de succión.
En la figura 4 se ilustra en forma esquemática cómo influyen estas relaciones en el rendimiento cuando el lí- quido pasa desde un canal estrecho hasta un sumidero ancho. Por baja que sea la velocidad de entrada, puede producir uno o más vórtices y la velocidad del líquido en ellos aumentará hacia sus centros y producirá zonas de baja presión. Si el tubo de succión de una bomba se instala en uno de los centros y es lo bastante grande para cubrir la zona de baja presión se producirá y las zonas de entrarán a la bomba.
Cuando llegan una zona de alta presión en la bom- ba, se aplastarán con gran fuerza y muchas veces ocasio- narán serios daños. Además, reducen la superficie del conducto en la entrada a los álabes del impulsor y entor- pecerán 0 interrumpirán por completo el flujo.
Por otra parte, si el tubo de succión es más pequeño que la zona de baja presión del vórtice o si está descen- trado del mismo, se formará un embudo de aire cerca
130 BOMBAS
Fig. 6 Las entradas múltiples deben estar separadas
de la entrada de la bomba por el cual entrará el aire a la bomba.
En consecuencia, el sumidero debe ser de tamaño su- ficiente para que la bomba o bombas queden lejos del centro de cualquier vórtice que se pueda producir. El Hydraulic Institute ha preparado una gráfica compues- ta con las dimensiones mínimas sugeridas para el sumi- dero (Fig. 5). Las dimensiones a las cuales se aplican las curvas A, B, S y Y aparecen en la figura 4.
La figura 4 en combinación con el principio de Ber- noulli y el vórtice potencial produce una serie de linea- mientos importantes para el diseño del sumidero. Dado que la presión en un vórtice aumenta con la distancia des- de su centro, la presión más alta en el sumidero estará cerca de sus paredes. Además, las paredes están a la má- xima distancia de la zona de baja presión en la cual es posible que aparezca un embudo de aire. La curva del Hydraulic Institute para la distancia B desde el tubo de succión hasta la pared del sumidero (Fig. 4) indica que el tubo se debe colocar lo más cerca posible de la pared.
Si la velocidad del líquido en el canal de entrada es y R, es la distancia entre el canal y el centro del vórti-
ce, entonces y que son la velocidad y radio a cuales la presión del vórtice cae abajo de la atmosférica se expresan con:
0 con
Por tanto, el tamaño del radio de la zona. de baja pre- sión es directamente proporcional a la velocidad de entrada y el peligro de que llegue un embudo de aire a la bomba aumenta en proporción con esa velocidad.
El Hydraulic Institute recomienda que se debe
mantener lo más baja que sea posible, de preferencia me- nor a 1 .O Aunque se sabe que las bombas funcionan bien con velocidades de entrada hasta de 2.0 los su- mideros o tanques en ese caso son tan grandes que la en- trada de la bomba puede estar lejos del vórtice.
La figura 4 indica que se puede evitar un vórtice si la anchura W del canal de entrada es igual a la anchura del
sumidero. Se puede lograr el mismo efecto con una ma- lla para tener una distribución uniforme de velocidad a través del sumidero. Se recomiendan esas mallas en los buenos diseños de sumideros.
Fig. 7 Las entradas múltiples deben tener placas desviadoras
Cuando no se puede utilizar la malla, entonces se ha- ce una entrada o aproximación cónica, que se indica con línea discontinua en la figura 4. El ángulo del cono no debe ser menor de Además, se debe utilizar un en- derezador de flujo en la entrada a la sección cónica, por ejemplo, una rejilla de barras y se debe mantener cierta distancia Y mínima entre la malla y la entrada de suc- ción.
Cuando se van a instalar dos o más entradas de bom- ba en un sumidero deben estar paralelas entre sí a lo lar- go de una línea perpendicular con el sentido de aproxi- mación (Fig. 6) y no deben estar en serie porque el líquido desprende vórtices cuando pasa por un objeto cilíndrico como el tubo de succión y esos vórtices pueden avanzar hacia una entrada de corriente abajo.
Aunque las entradas de la bomba estén paralelas pue- den ocurrir interacciones dañinas entre las bombas con- tiguas, en particular cuando la velocidad del líquido de entrada no está distribuida con uniformidad en toda la anchura del sumidero. En consecuencia, es aconsejable instalar divisiones o placas desviadoras entre las bombas contiguas (Fig. 7) pero las placas desviadoras no deben tocar nunca las paredes de extremo (Fig. 8).
Cuando aparecen embudos de aire en las cercanías de las entradas a las bombas en un sumidero existente, una corrección eficaz es cubrir la superficie del agua con un material que como troncos de madera, que rompe- rán los embudos y evitarán que se formen otros. Cuan- do el núcleo del vórtice se encuentra dentro del tubo de succión, el material flotante es inútil y la única correc- ción, a veces, al diseño del sumidero consiste en placas desviadoras o mallas para enderezar la circulación. Un
Fig. 8 Las placas desviadoras no deben tocar las paredes
DIAGNOSTICO DE PROBLEMAS DE LAS BOMBAS PARTE II 131
Fig. 9 Las placas verticales sumergidas pueden
enderezar el flujo
sistema que ha dado resultados ha sido pasar el líqui- Cuando se utilizan placas desviadoras sumergidas, las do encima y debajo de placas desviadoras sumergidas (Fig. 9).
velocidades del líquido encima y debajo de ellas deben ser las menores posibles y nunca se debe colocar una placa de modo que forme una cascada, que podría arrastrar burbujas de aire. Por la misma razón, ningún canal de entrada debe estar más arriba del mínimo nivel posible del sumidero.
El tendido de la tubería de succión de la bomba puede ocasionar un problema similar a los causados por mal di- seño del sumidero. Siempre que la tubería tiene codos
Capacidad
Fig. 11 Obstrucción o garganta reducida
y todos están en el mismo sentido, pueden inducir un vór- tice en el líquido que entra al impulsor.
Interpretación de los resultados de las pruebas
Aunque las muchas causas probables de cualquier ti- po de mal funcionamiento dificultan y requieren mucho tiempo para el diagnóstico, a menudo se puede reducir su número con un estudio cuidadoso de las curvas de ren- dimiento de la bomba. A continuación se describen e ilus- tran algunas curvas típicas de mal funcionamiento y sus causas.
La carga cae con rapidez con un aumento en el caudal pero la
carga de corte casi no cambia (Fig. ll). Esta curva indica una superficie reducida de la garganta de la voluta o una su- perficie reducida entre los álabes del difusor. Además, una obstrucción en algún lugar entre la salida del impul- sor y el punto de toma de lecturas de presión puede pro-
La bomba produce carga baja consume menos potencia en toda su gama de funcionamiento, pero no varía su eficiencia
ducir esa misma curva.
(Fig. 10). La causa más común es deformación del cuer- po del impulsor. Otras dos posibilidades son: velocidad de rotación menor a la especificada o impulsor de tama- ño menor al requerido.
El gasto durante la prueba es menor que el nominal en una can- tidad constante con cualquier carga (Fig. 12). En una bom- ba con impulsor cerrado esta curva se produce por fugas
c o n s t a n t e Capacidad
Fig. 10 Impulsor de diámetro muy pequeño
Capacidad
132 B O M B A S
Capacidad Capacidad
Fig. 13 Fugas excesivas por anillos de desgaste Fig. 15 Carga neta positiva de succión insuficiente
intensas pero no excesivas por los anillos de desgaste. Esta curva suele indicar que los anillos están gastados y se de- ben reemplazar. Cuando se utiliza esta curva con bom- ba de impulsor semiabierto, indicará placa de desgaste o impulsor gastados.
La carga, capacidad, eficiencia y caballaje son en toda la curva (Fig. 13). Las holguras excesivas en los anillos de desgaste o entre los álabes del impulsor y las placas de desgaste (en los impulsores semiabiertos) suelen pro- ducir este tipo de curva. Si la falla está en las placas de desgaste, quizá se hayan desintegrado. Este tipo de cur- va también ocurre cuando un mecánico olvida instalar un anillo o placa de desgaste después de inspeccionar o reparar la bomba.
Carga y eficiencia reducidas sin cambio en el (Fig. 14). Suele ser por conductos para agua que están ásperos por herrumbre, incrustaciones, etc., en el impul- sor 0 en la carcasa.
Curva de carga y capacidad correcta pero la eficiencia aumenta el consumo de caballaje. Suele ser por pérdidas me- cánicas a consecuencia de empaquetaduras o sello mecá- nico apretados, presión hidráulica excesiva contra un sello o empaquetadura, cojinetes deficientes, piezas desalinea- das, desalineación entre la bomba y el propulsor, eje do- blado, funcionamiento cerca de la velocidad crítica, de- formación de la carcasa por esfuerzos producidos por la tubería o la placa de base.
La curva se interrumpe antes de lo especificado (Fig. 15). Se
debe a carga neta positiva de succión NPSH insuficiente.
Prototipo
p r o b a d a
C a r g a
Capacidad
Fig. 16 Rotación inversa del impulsor
La carga de presión producida la bomba se incrementa cuan- do aumenta el gasto (Fig. 16). Ocurre cuando el impulsor tiene álabes hacia el frente (que ya son muy raros) o si está montado invertido en el eje. También ocurre a ve- ces cuando la bomba gira en sentido inverso.
Durante una prueba de NPSH, la línea de carga y la NPSH
se detiene en forma abrupta en vez de seguir hasta el punto de corte (Fig. 17). Durante esta prueba, se mantiene constante el gasto y se reduce la NPSH en forma gradual hasta que se interrumpe la carga,, para indicar la NPSH mínima re- querida. En algunas circunstancias, puede ser imposible mantener el gasto constante requerido. Esto ocurre a
Carga neta positiva de succión
Fig. 17 en la tubería de descarga
DE PROBLEMAS DE LAS BOMBAS CENTRÍFUGAS: PARTE II 133
R e a l
Carga neta positiva de succión
Fig. 18 Entrada de aire durante la prueba de NPSH
ces en un cuadro cerrado para prueba, lo cual indica que ha empezado la cavitación corriente abajo de los instru- mentos de medición, para cortar el flujo conforme se re- duce la La única corrección es instalar un tubo de descarga más grande.
La carga empieza a caer en forma gradual cuando se reduce
NPSH en vez de caer en forma abrupta (Fig. 18). En muchos casos, esta curva indica entradas de aire al sistema. Ade- más, ocurren siempre que la bomba funciona con un cau- dal o flujo mayor que el de diseño.
Los requisitos de NPSH son más altos con todos los caudales (Fig. Siempre que la diferencia entre la NPSH re-
querida y la nominal es constante, indica fugas por ani- llos selladores gastados, etc. Siempre que varía la dife- rencia, indica conductos para agua ásperos o con salientes.