Propósitos del Módulo _____________________________________________ 2 SECCIÓN 1 - COMPONENTES DE LA BOMBA CENTRÍFUGA
Introducción _____________________________________________________ 3 Bomba Centrífuga_________________________________________________ 4 Carcaza _________________________________________________________ 4 Boquilla de admisión ______________________________________________ 5 Impulsor ________________________________________________________ 5 Voluta __________________________________________________________ 6 Boquilla de Descarga ______________________________________________ 7 Anillos de Desgaste _______________________________________________ 8 Armadura del Eje _________________________________________________ 9 Rodamientos _____________________________________________________ 9 Sellos Mecánicos _________________________________________________ 11 Tubería Auxiliar __________________________________________________ 11 Resumen de Flujo Típico ___________________________________________ 13 Repaso 1 ________________________________________________________ 14
SECCIÓN 2 - BOMBAS CENTRÍFUGAS
Introducción _____________________________________________________ 17 Bombas de una y múltiples etapas ____________________________________ 18 Bomba Centrífuga Vertical __________________________________________ 19 Empuje Axial ____________________________________________________ 20 Impulsor de Succión Doble _________________________________________ 22 Impulsores Sucesivos ______________________________________________ 23 Empuje radial ____________________________________________________ 23 Voluta Doble _____________________________________________________ 24 Repaso 2 ________________________________________________________ 25
SECCIÓN 3 - CONSIDERACIONES DE OPERACIÓN
Introducción _____________________________________________________ 27 Potencia al Freno _________________________________________________ 28 Fuerza Hidráulica _________________________________________________ 28 Eficiencia _______________________________________________________ 28 Tasa de Flujo Contínuo Mínima ______________________________________ 28 Velocidad Específica_______________________________________________ 28 Cavitación _______________________________________________________ 29 Cabeza de Succión Positivo Neto (NPSH) ______________________________ 30 Prevención de la cavitación _________________________________________ 30 Pérdidas de la Bomba ______________________________________________ 31 Repaso 3 ________________________________________________________ 35 RESUMEN ________________________________________________________ 37 GLOSARIO _______________________________________________________ 39 RESPUESTAS ______________________________________________________ 42
APÉNDICE A - FUERZA CENTRÍPETA Y
aplicar inmediatamente.
La información contenida en los módulos es teórica. El fundamento de la información básica facilita el entendimiento de la tecnología y sus aplicaciones en el contexto de un sistema de oleoducto. Todos los esfuerzos se han encaminado para que reflejen los principios científicos puros en el programa de entrenamiento.
Sin embargo en algunos casos la teoría riñe con la realidad de la operación diaria. La utilidad para los operadores de oleoductos es nuestra prioridad mas importante durante el desarrollo de los temas en el Programa de Entrenamiento para el Funcionamiento de Oleoductos.
OPERACION DE BOMBAS
Equipos para Oleoductos
© 1995 IPL Servicios de Tecnología y Consultoría Reproducción Prohibida (Diciembre, 1995) IPL TECHNOLOGY & CONSULTING SERVICES INC. 7th Floor IPL Tower
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Fax +1-403-420-8411
1. Trate de que cada periodo de estudio sea corto pero productivo (de 10 a 45 minutos). Si usted ha establecido que estudiará durante los cinco dias de la semana un total de dos horas por día, separe los tiempos de estudio con periodos de descanso de dos a cinco minutos entre cada sesion. Recuerde que generalmente una semana de auto estudio reemplaza 10 de horas de asistencia a clases. Por ejemplo si usted tiene un periodo de tres semanas de autoestudio, deberá contabilizar treinta horas de estudio si quiere mantener el ritmo de la mayoría de los programas de aprendizaje. 2. Cuando usted esté estudiando establezca conexiones entre
capítulos y tareas. Entre más relaciones logre hacer le será más fácil recordar la información.
3. Hay cuestionarios de autoevaluación al final de cada sección del módulo. Habitualmente el responder a estos cuestionarios incrementará su habilidad para recordar la información. 4. Cuando esté leyendo una sección o un módulo, primero de un
vistazo rápido a toda el material antes de comenzar la lectura detallada. Lea la introducción, conclusiones y preguntas al final de cada sección. A continuación como una tarea separada estudie los encabezados, gráficos, figuras y títulos. Despues de esta excelente técnica de revision previa, usted estará familiarizado con la forma como está organizado el contenido. Después de la lectura rápida continue con la lectura detallada. Su lectura detallada, refuerza lo que ya usted ha estudiado y además le clarifica el tema. Mientras usted este realizando esta lectura deténgase al final de cada sub-sección y pregúntese “¿Que es lo que he acabado de leer?” 5. Otra técnica de estudio útil es escribir sus propias preguntas
basadas en sus notas de estudio y/o en los titulos y subtitulos de los módulos.
7. Revise. Revise. Revise, El revisar el material aumentará enormemente su capacidad de recordar.
8. El uso de tarjetas para notas, le ayudará a identificar rápidamente áreas en las cuales usted necesita repasar antes de un exámen. Comience por ordenar a conciencia las tarjetas después de cada sesión de lectura. Cuando aparezca una nueva palabra, escríbala en una cara de la tarjeta y en el reverso escriba la definición. Esto es aplicable para todos los módulos. Por ejemplo, simbolos químicos/que representan; estación terminal/definción; una sigla(acronismo)/que significa. Una vez haya compilado sus tarjetas y se este preaparando para una prueba, ordénelas con el lado que contiene las palabras hacia arriba; pase una tras otra para verificar si usted sabe que hay en el reverso. Se ha preguntado usted por qué gastar tiempo innecesario en significados o conceptos? Porque las tarjetas que no pudo identificar, le indican las áreas en las cuales necesita reforzar su estudio.
9. Adicionalmente estos módulos tienen identificados métodos de enseñanza específica para ayudar a la comprensión del tema y su revisión. Los términos (palabras, definiciones), que aparecen en negrilla están en el glosario. Para relacionar la información de los términos y su significado, los números de las páginas aparecen en las definiciones del glosario con el objeto de identificar donde apareció el término por primera vez en el téxto. Las definiciones que en el glosario no tienen ningún número de página es impor-tante de igual manera entenderlas, pero están completamente explicadas en otro módulo.
Las bombas son el mecanismo clave de control de las tuberías, dando la fuerza necesaria para mover líquidos a través de la tubería. Los operadores trabajan con las bombas diariamente, encendiendo o apagando las unidades de bombas como es requerido, para mantener el movimiento de los líquidos a través de la tubería a una tasa de flujo y presión correcta. Las unidades de bombas son encendidas y
paradas remotamente desde el centro de control. Bombas y motores costosos son complejos, y la disminución del rendimiento por una bomba dañada puede causar consecuencias financieras serias. Los operadores de las tuberías necesitan una comprensión completa de como las bombas trabajan para que ellos sepan los efectos de sus decisiones sobre el equipamiento. La comprensión de las bombas ayuda a los operadores a identificar las fallas de las bombas y a tomar acciones apropiadas.
Figura 1
Bomba de la Tubería Principal
Las Bombas son la clave del mecanismo de control en la tubería,
proveyendo la fuerza necesaria para mover líquidos a través de la tubería.
Este módulo describe los principios básicos de las bombas
centrífugas, y examina las bombas de la tubería principal en algunos detalles. Este módulo también provee la información necesaria para
los módulos - LEYES DEAFINIDAD, CURVAS DE BOMBAS YCURVAS
DESISTEMA.
Sección 1 examina los componentes más importantes de la bomba centrífuga.
Sección 2 examina los rasgos distintivos de las bombas usadas en un sistema de tubería típico.
Sección 3 examina las consideraciones de operación para el operador cuando se utilicen bombas centrífugas.
Es esencial de que Ud. comprenda los conceptos de fuerza
centrífuga y aceleración rotacional que se cumplen en cada bomba
centrífuga antes de que comience a este módulo. Si Ud. no es familiar con estos términos deberá remitirse al Apéndice A al final de este módulo para una revisión breve.
Este módulo presenta información en los siguientes aspectos.
• Describe la operación de la bomba en un sistema de tubería típico.
• Explica la relación entre los principios de funcionamiento de la bomba
y el papel de los operadores en el funcionamiento de la bomba.
Todos los módulos en la fase Introducción al Comportamiento de Fluidos.
PROPOSITOS DEL
MODULO
Existen dos clases fundamentales de bombas, agrupadas de acuerdo a como ellas transfieren energía al líquido:
• bombas de desplazamiento positivo, y
• bombas centrífugas.
Las bombas de desplazamiento positivo usan pistón, engranajes o unidad recíproca, para forzar el líquido a través de la tubería. Estas bombas mueven el líquido en ondas, y no pueden proveer una tasa de flujo estable sin pulsación. Su uso es muy limitado a aplicaciones específicas.
El término fuerza centrífuga se refiere a la fuerza de inercia que
causa que un cuerpo en rotación se mueva en sentido contrario al eje de su rotación. Las bombas centrífugas usan un objeto rotatorio
estable para proveer la energía constante necesaria para mover el líquido a través de la tubería a una tasa de flujo estable.
Después de esta sección, Ud. será capaz de completar los siguientes objetivos.
• Reconocer el término de fuerza centrífuga.
• Identificar cada uno de los mayores componentes de las
bombas y expresar su objetivo.
OBJETIVOS
SECCIÓN 1
COMPONENTES DE LA BOMBA CENTRÍFUGA
Una bomba centrífuga es un artefacto mecánico que utiliza la fuerza centrífuga y el aumento del diámetro del canal de flujo para convertir energía mecánica en presión o cabeza. El líquido entrando en la
tubería es acelerado a través de la fuerza centrífuga. El incremento de la velocidad del líquido es después convertida por la bomba en presión o cabeza. El líquido abandona la tubería con presión y velocidad sufi-ciente para viajar a través de la tubería y mantener el flujo.
Los mayores componentes de cualquier bomba centrífuga son:
• carcaza
• boquilla de admisión (también llamada boquilla de succión)
• impulsor
• voluta
• boquilla de descarga
• anillos de desgaste
• armadura del eje
• rodamientos
• sellos mecánicos, y
• tubería auxiliar.
Cada uno es descrito en detalle.
La carcaza es una cámara sellada la cual contiene la armadura completa de la bomba. La carcaza suministra líquido al impulsor,
recolecta el líquido del impulsor y lo descarga al exterior de la bomba. La carcaza es sellada de tal forma que el líquido no puede escaparse si no es a través de la boquilla de descarga. La bomba de la línea principal está compuesta por la parte inferior de la carcaza y superior divididas a través de la línea central horizontal. Este tipo de diseño provee un acceso más fácil a los componentes de la bomba dentro de la carcaza, como el eje y el impulsador, para que sean reparados rápidamente o cambiados. La reparación rápida o el cambio de los componentes de la bomba minimizan la pérdida de rendimiento de la bomba que puede ser causado por su tiempo de no-operación.
La carcaza está compuesta de:
• la boquilla de admisión • la válvula, y • la boquilla de descarga.
BOMBA
CENTRÍFUGA
CARCAZA
Figura 2
Carcaza de la Bomba Centrífuga
La carcaza de la bomba centrífuga consiste de la boquilla de entrada, boquilla de descarga, y la voluta. La carcaza está dividida en la parte inferior y superior, así puede ser desarmada cuando sea necesario para remover el impulsor o el eje. Las dos mitades son unidas con tornillos y selladas de tal manera de que el líquido sólo pueda salir por la boquilla de descarga.
La boquilla de admisión (también llamada boquilla de succión) es el compartimiento donde el líquido entra a la bomba. La tubería que
transporta el líquido es acoplada a la bomba utilizando bridas de alta presión. El líquido que entra a la bomba ha recibido presión o cabeza de la corriente de la tubería, por parte de la bomba de la tubería principal de otras estaciones de bombas, bombas reforzadoras en el patio de tanques.
Una vez que el líquido ha entrado a la bomba a través de la boquilla de admisión, éste viaja hasta el impulsor. El impulsor es un objeto rotatorio que utiliza fuerza centrífuga para incrementar la velocidad del líquido entrando a la bomba. El impulsor y el eje sobre el cual es montada la mayor parte móvil en la bomba centrífuga, es llamada el
elemento de rotación.
El impulsor consiste de un juego de cuchillas acopladas al eje rotatorio. La base de las aspas, donde estas están acopladas al eje, es llamada el ojo del impulsor. El líquido entra al ojo del impulsor.
Las aspas rotatorias del impulsor causan que el líquido gire. Cuando el líquido gira, la fuerza centrífuga lo empuja hacia fuera, más y más lejos del ojo del impulsor.
Boquilla de Succión
Boquilla de Descarga
Voluta
Parte superior de la carcaza
Parte inferior de la carcaza
IMPULSOR
BOQUILLA DE
ADMISIÓN
Las aspas del impulsor mantienen el líquido girando alrededor del ojo del impulsor a un número constante de rotaciones por segundo. Entre más lejos esté una sustancia de su punto de rotación, la sustancia se mueve más rápido si el número de rotaciones por segundo se mantiene constante. Esto significa que cuando el líquido se mueve hacia fuera desde el ojo del impulsor, su velocidad aumenta.
Figura 3 Un Impulsor
El impulsor consiste de un conjunto de aspas o cuchillas montadas sobre el eje de la bomba. Cuando el eje gira, las aspas adjuntas al eje del impulsor también giran causando que el líquido en la bomba gira alrededor del ojo del impulsor. El líquido continúa moviéndose hacia fuera desde el ojo del impulsor debido a la fuerza centrífuga.
La voluta es una parte de la carcaza en forma de trompa (cuerno) especial de la la cual convierte la velocidad del líquido en presión.
La voluta es un pasaje de forma de trompa que comienza en el punto estrecho del pasaje llamado el labio de la voluta. El aumenta gradual-mente cuando gira 360º al rededor del impulsor, después es agitado hasta el orificio final de descarga. Después de ser acelerado por el impulsor, el líquido viaja a través de la voluta donde la velocidad del líquido es transformada en presión.
Si se le aplicara una fuerza constante al líquido para moverlo a través de la tubería:
• cuando el diámetro de la tubería aumenta, la velocidad del flujo del
líquido disminuye y la presión del líquido aumenta.
• cuando el diámetro de la tubería disminuye, la velocidad del flujo
del líquido disminuye, la velocidad del flujo del líquido aumenta y
Ojo
Aspas del impulsor Cubierta
Eje
Figura 4 Una Voluta
El diámetro de la voluta incrementa gradualmente hacia la boquilla de descarga. El líquido entra a la voluta a alta velocidad y baja presión. El líquido sale de la voluta y entra a la tubería a baja velocidad y presión más alta.
El área de corte transversal de la voluta aumenta gradualmente, así la velocidad del líquido moviéndose a través de la voluta disminuye, mientras la presión del líquido moviéndose a través de la voluta aumenta. EL líquido entra a la voluta con alta velocidad y presión baja, y sale de la voluta con velocidad más baja (aproximadamente
6.6 ft/s (2.0 m/s)) y a presión más alta.
La boquilla de descarga es el compartimiento a través del cual el líquido sale de la bomba. Una vez que el líquido haya viajado la
distancia de la voluta, el alcanza la boquilla de descarga. Un tubo acoplado a la boquilla de descarga por un flanche de alta presión transporta el líquido corriente abajo.
Hemos estudiado la trayectoria del líquido a través de la carcaza de la bomba, y examinado como el impulsor y la voluta funcionan conjun-tamente para añadir presión al líquido. Ahora analizaremos las mayores partes restantes de la bomba.
Dirección de Rotación
La Voluta Incrementa en Área de Corte Transversal
en dirección a la Descarga
Impulsor
Carcaza de la Voluta
Sección de Menor Velocidad y Presión más Alta DESCARGA Sección de Mayor Velocidad y Presión más Baja
BOQUILLA DE
DESCARGA
Anillos de desgaste son anillos amovibles de protección en el ojo del
eje y la carcaza adyacente que reduce el escape desde la descarga del impulsor de regreso al ojo. Los anillos de desgaste disminuyen el
escape del líquido de regreso a la boquilla de admisión. Los anillos de desgaste mantienen una separación mínima alrededor del impulsor, así el líquido saliendo de las aspas del impulsor se mueve solamente en dirección de la descarga de la voluta. Cuando los anillos se desgastan y la separación entre la cubierta del impulsor y la entrada de la bomba aumenta, el líquido se escapa de regreso hacia la boquilla de admisión, reduciendo la eficiencia de la bomba. Cuando la erosión y la fricción de la materia sólida rompe los anillos de desgaste, los anillos son removidos en vez del impulsor completo o la carcaza.
Figura 5
Anillos de desgaste
Los anillos de desgaste reducen la separación entre el pasaje de ingreso de la carcaza y el pasaje de descarga de la carcaza. Cuando los anillos de desgaste se han gastado demasiado, son remplazados, de esta forma el impulsor no será reemplazado. (Esta ilustración es de una bomba con una sola entrada de succión. Esta no es una bomba típica de la tubería principal, pero es incluída aquí porque ésta muestra claramente la ubicación de los anillos de desgaste).
Caja de Embalaje Embalaje
Eje
Manga del Eje Aspa
Carcaza
Ojo del Eje Anillo de Degaste del Impulsor Carcaza del Anillo de Degaste
Impulsor Descarga
Succión
ANILLOS DE
DESGASTE
La armadura del eje es la unión física entre el motor y el impulsor.
El eje de la bomba es acoplado al eje del motor eléctrico a través de un acoplador de tal manera que la potencia es transferida del motor a través del eje al impulsor. Cuando el motor es encendido, el eje del motor gira, y también lo hace el eje de la bomba conectado a él. El eje rotante de la bomba causa que las aspas del impulsor acopladas a el giren, las cuales aceleran el líquido y lo hacen entrar a la voluta.
Figura 6
Armadura del Eje
El eje de la bomba es conectado por un acople al eje del motor. La potencia es transmitida del motor a través del eje al impulsor de la bomba.
Un rodamiento es un soporte el cual mantiene el eje rotante de la bomba alineado correctamente con las partes estacionarias de la bomba. Los rodamientos ayudan al eje rotante de la bomba a evitar
el movimiento axial ( de punta a punta) o radial ( de lado a lado) para que el eje y el impulsor roten en una posición fija y permanezcan alineados con los componentes estacionarios de la bomba.
Los rodamientos en cada punta del eje horizontal son designados por su locación como exterior e interior. Los rodamientos interiores están ubicados entre la carcaza y el acople del eje del motor. El rodamiento exterior esta ubicado en la parte contraria de la carcaza, también llamada punta muerta, con el rodamiento de empuje ubicado en la parte exterior del eje. La temperatura del rodamiento debe mantenerse dentro de los límites.
Eje de la Bomba Acople Motor Bomba
ARMADURA
DEL EJE
RODAMIENTOS
Figura 7
Bala y Rodamiento de la Manga, Punta de empuje
Los rodamientos evitan el movimiento axial (de punta a punta) o radial ( de lado a lado) del eje rotante de la bomba y del impulsor, para que el eje y el impulsor giren en una posición fija y se mantengan alineados con los componentes estacionarios de la bomba.
Las bombas de las líneas principales son equipadas con dos rodamientos radiales de la manga, cada uno en un cojinete de
rodamiento, el cual actúa como el sistema de soporte para los
rodamientos. Un rodamiento radial de la manga se encuentra cerca de la punta de cada eje. Los dos rodamientos de la manga (también llamados cojinetes) mantienen el elemento de rotación a cerrados márgines de los elementos estacionarios y reciben toda la carga radial durante la operación. El cojinete del rodamiento exterior tiene también un rodamiento de bolas doble llamado rodamiento de
empuje. El rodamiento de empuje se encarga de todas las cargas
axiales de empuje que no han sido contrabalanceadas en el impulsor. La bomba tiene un sistema de lubricación para reducir la fricción entre el rodamiento y el eje. Se hace circular aceite lubricante dentro del rodamiento, después es purgado de regreso al fondo del
rodamiento de apoyo. La lubricación de los rodamientos es sumin-istrada por los anillos de aceite, girando aproximadamente a 1/3 de la velocidad del eje. El aceite de lubricación es recogido por los anillos de aceite y suministrado a los rodamientos. Es enfriado en el fondo del rodamiento de apoyo por un intercambiador de calor o una chaqueta de enfriamiento de rodamiento. El líquido fluye desde la
boquilla de descarga a través de la chaqueta de enfriamiento, enfriando el aceite el cual es regresado a la bomba a través de la
Figura 8
Rodamiento y Chaqueta de Enfriamiento
El aceite lubricante fluye a cada rodamiento y es después enfriado en el rodamiento de apoyo. El intercambiador de calor o chaqueta de enfriamiento usa el líquido de la boquilla de descarga para enfriar el aceite de lubricación. El líquido usado para enfriar el aceite de lubri-cación es después recirculado a través de la bomba.
Los sellos mecánicos consisten de un rodamiento fijo en la carcaza y un anillo rotante acoplado al eje, sostenido firmemente por resortes.
El sello del eje rota en contra del sello de la carcaza, a la ves que ambos sellos son mantenidos juntos por resortes. Los sellos mecánicos evitan que el líquido escape fuera de la bomba en cada extremo de la carcaza donde el eje entra y sale.
Figura 9
Sellos Mecánicos
Los sellos mecánicos son ubicados en cada extremo de la bomba, donde el eje entra y sale de la carcaza.
Todas las bombas tienen una tubería de pequeño calibre. La tubería auxiliar consiste en una serie de pequeñas tuberias de diferente
calibre La tubería auxiliar es esencial para la operación de la bomba de la línea principal.
El enfriamiento del rodamiento es obtenido haciendo pasar un pequeño flujo de líquido desde la descarga de la bomba a través de los pasajes de enfriamiento en el rodamiento de apoyo y regresando este a la succión de la bomba.
Resorte
Retenedor Anillo de Acople
Disco Sello del anillo de aceite
Anillo de aceite
Anillo de Resorte
Manga del eje Sello Primario del Anillo
Rodamiento y Chaqueta de Enfriamiento Succión Descarga Eje
SELLOS
MECÁNICOS
TUBERIA AUXILIAR
Rodamiento de apoyo (caja de barrida) drains carry liquid leaking
from the mechanical seals to the sump.
El respiradero de la carcaza permite que el aire o el vapor sean expulsados de la bomba y permita que el contenido de la bomba bloqueada sea purgado para mantención.
La carcaza de purga, en el punto más bajo de la carcaza de la bomba, permite que la carcaza de la bomba sea purgada con objetivos de mantenimiento. Este líquido es después purgado al tanque de desagüe (patio de tanques) y dispuesto, dependiendo de la presión de vapor del líquido.
Los sellos de escape de purga transportan cualquier líquido desde los sellos mecánicos hasta la bomba.
Las Líneas de desagüe envían un flujo de producto líquido desde la carcaza de la bomba, a través del cojinete del sello mécanico y de vuelta a la carcaza de la bomba, para mantener los sellos fríos y libres de la acumulación de sólidos.
Figura 10 Tubería Auxiliar
Una pequeña tubería de diferente calibraje necesaria para la operación correcta de una bomba de la tubería principal.
Succión
Descarga Sello de Purga
NPS 3/4 Respiradero con conexión de acople Rodamiento de Apoyo NPS 3/4 Acoplador de conexión rápida Rodamiento de Enfriamiento Drenaje de la Carcaza NPS 2 drenaje inclinad Interruptor del nivel del líquido
y la cámara montada con protección de inundamiento más baja que la parte superior del rodamiento de apoyo
Compuerta de Válvula con Abertura de Diámetro de
9 (3/8) en la Disco Drenaje
La tubería auxiliar incluye:
• rodamiento de enfriamiento
• rodamiento de apoyo de escape
• respiradero de la carcaza
• drenaje de la carcaza, y
• líneas de desagüe.
La figura 10 muestra algunas de las conexiones a la bomba.
Todos los tubos de desagüe que puedan contener hidrocarburos tienen que ir al patio de tanques.
Para resumir, estudiemos el flujo del líquido a través de una bomba típica. El líquido entra al ojo del impulsor. El impulsor rotante hace que el líquido gire. A la vez que el líquido gira, la fuerza centrífuga empuja al líquido hacia fuera, siempre desde el ojo del impulsor. A medida que el líquido viaja a través hacia fuera en dirección de la punta de las aspas del impulsor, se mueve más y más rápido debido al principio de la aceleración rotacional.
Figura 11
La Voluta y El Impulsor trabajan juntos para convertir Velocidad en Cabeza
La fuerza centrífuga finalmente empuja el líquido hacia fuera desde la punta de las aspas del impulsor, y el líquido entra a la voluta a
veloci-dades tan altas como 230 ft/s (70 m/s). A medida que el líquido viaja a
través de la voluta, el incremento en el diámetro de la voluta provoca que el líquido pierda velocidad y gane presión. El líquido abandona la
voluta a baja velocidad, aproximadamente a 6.6 ft/s (2.0 m/s), y alta
presión. Esto es la operación básica de todas las bombas centrífugas.
Camino Absoluto del Líquido Dirección de Rotación La Voluta Incrementa el Área de la Sección Transversal en Dirección de la Descarga Impulsor Carcaza de la Voluta Labio de la voluta
Sección de Velocidad Mínim y Presión Máxima
RESUMEN DE
FLUJO TIPICO
1. Una bomba centrífuga es un aparato el cual utiliza fuerza centrífuga para convertir ________.
a) energía mecánica en presión o cabeza b) energía mecánica en energía eléctrica c) presión o cabeza en energía mecánica d) presión o cabeza en energía eléctrica
2. Cuando el diámetro de la tubería aumenta _______________.
a) ambas la velocidad del líquido y la presión aumentan b) ambas la velocidad del líquido y la presión disminuyen c) la velocidad del líquido aumenta mientras que la presión
disminuye
d) la velocidad del líquido disminuye mientras la presión aumenta
3. El aparato que usa fuerza centrífuga para incrementar la velocidad del líquido es llamado _________.
a) boquilla de descarga b) voluta
c) impulsor
d) boquilla de admisión
4. Para aumentar la velocidad del líquido, la bomba centrífuga utiliza ambas ________.
a) fuerza centrífuga y aceleración rotacional b) aceleración rotacional y explosión c) explosión y fuerza centrífuga d) explosión y presión
5. El aparato que convierte la velocidad del líquido en presión o cabeza es llamado _______. a) boquilla de descarga b) voluta c) impulsor d) boquilla de admisión
REPASO 1
6. La bomba centrífuga convierte la velocidad del líquido en presión o cabeza utilizando __________.
a) una disminución del diámetro a través del cual el líquido fluye b) un aumento del diámetro a través del cual el líquido fluye c) una disminución de la fuerza centrífuga
d) un aumento de la fuerza centrífuga
7. ¿Qué es lo que mejor describe el flujo del líquido a través de una bomba centrífuga?
a) el líquido entra al impulsor, donde la velocidad aumenta, luego entra a la voluta, donde su velocidad disminuye y la presión aumenta.
b) el líquido entra a la voluta, gana presión, luego entra al impulsor, donde pierde presión y gana velocidad.
c) el líquido entra al impulsor, gana velocidad, luego entra a la voluta, donde aún gana más velocidad.
d) el líquido entra al impulsor, gana presión, luego entra la voluta, donde aún gana más presión.
8. La cámara sellada la cual contiene toda la armadura de la bomba es llamada ________.
a) voluta b) impulsor
c) armadura del eje d) carcaza
9. Las cubiertas protectoras amovibles que reducen el espacio entre el impulsor y la carcaza son llamadas ____________.
a) reductores de empuje b) anillos de escape c) anillos de desgaste d) acoplamiento
10. La armadura de ____________ transfiere energía mecánica del motor al impulsor.
a) el impulsor b) la voluta c) admisión d) el eje
11. Los sellos mecánicos evitan que el líquido ____________.
a) se escape fuera de la bomba por donde el eje entra y sale de la carcaza
b) regrese de la boquilla de succión
c) recircule en los extremos de las aspas del impulsor d) regrese al impulsor desde la voluta
12. Los apoyos de montaje fijos que permiten que el eje rote son llamados ___________.
a) sellos mecánicos b) carcaza
c) cojinetes de rodamientos d) armaduras del eje
13. La tubería auxiliar de pequeño calibre está conectada a las bombas de la línea principal para _____________.
a) enfriamiento de rodamiento
b) drenaje de lubricación del rodamiento c) drenaje de la carcaza
d) sello de drenaje
e) todas la respuestas anteriores
Existen algunas variedades de diseño usadas comúnmente para clasi-ficar bombas centrífugas:
• el número de etapas en la bomba
• eje horizontal o vertical
• impulsor de succión sencilla o doble
• volute sencilla o doble.
Esta sección describe la teoría de diseño y sus aplicaciones de bombas centrífugas de una y varias etapas.
Después de esta sección, Ud. será capaz de completar los siguiente objetivos:
• Conocer las diferencias entre bombas de una etapa y bombas de
varias etapas.
• Reconocer las consecuencias del empuje axial sobre la fuerza
centrífuga.
• Relacionar el empuje axial con la succión doble del impulsor.
• Reconocer los efectos del empuje radial sobre la bomba centrífuga.
• Relacionar el empuje radial con la carcaza de voluta doble.
SECCIÓN 2
BOMBAS CENTRÍFUGAS
INTRODUCCIÓN
Una bomba de una etapa tiene un impulsor y una etapa de presuri-zación. Esto significa que el impulsor sencillo de la bomba y la voluta
incrementan la presurización del líquido que entra a la bomba a una cantidad fija única. La bomba centrífuga que hemos discutido hasta ahora en este módulo es una bomba de una etapa. Algunas bombas de la tubería principal, sin embargo son bombas de múltiples etapas.
Figura 12
Bomba de una etapa
Una bomba de múltiples etapas es una bomba que tiene dos o más impulsores montados sobre el mismo eje, y un número igual de etapas de presurización de líquidos. Por ejemplo, una bomba de seis etapas
tiene seis impulsores y seis etapas de presurización consecutivas. Las bombas de múltiples etapas son usadas a veces porque estas proveen un cabeza diferencial mucho más alto que el de las bombas de una etapa y pueden ser entubadas en paralelo con un banco de varias unidades para incrementar el flujo a través de la estación. La cabeza diferencial es el incremento en la presión del líquido entre las
boquillas de succión y de descarga de la bomba. Por ejemplo, una
bomba de una etapa puede recibir líquido a 50 psi en la válvula de admisión, y descargar el líquido a 150 psi. La cabeza diferencial de una bomba es 100 psi. En una bomba de múltiples etapas, sin embargo, la bomba puede recibir las mismas 50 psi en la boquilla de succión, pero descargar el líquido a 250 psi. En este caso la bomba de múltiples etapas tiene una cabeza diferencial de 200 psi. Esto significa que la bomba de múltiples etapas puede producir una presión de descarga del líquido mucho mayor sin el aumento de la cabeza de succión positivo neto. La cabeza de succión positivo neto es analizado en detalles en la Sección 3 de este módulo.
Succión Parte superior de la carcaza Impulsor Eje Rodamiento de apoyo Cojinetes de rodamiento Cámara de Succión Sello Mecánico Anillos de desgaste Descarga Parte inferior de la carcaza Rodamiento de Empuje Cojinetes de rodamiento
BOMBAS DE UNA
Y MULTIPLES
ETAPAS
Figura 13
Bomba de múltiple etapas
Las bombas que hemos examinado hasta ahora en este módulo son bombas centrífugas horizontales. Esto significa que el eje del impulsor trabaja horizontalmente a través de la carcaza. Sin
embargo, existe un segundo tipo de bomba llamada bomba centrífuga vertical. En la bomba centrífuga vertical, la unidad rotante de la
bomba es montada en posición vertical. Una aplicación común de la
bomba vertical sería una bomba reforzadora para suministrar el cabeza de succión positivo neto a bombas de la tubería principal en los patios de tanques. Recuerde que el líquido tiene que ser empujado hacia la boquilla de llegada de la bomba de la tubería principal. En la mayoría de los casos, las bombas de la tubería principal suplementan la corriente necesaria para forzar el líquido hacia la boquilla de llegada de la bomba. En el patio de tanques, sin embargo, el líquido entrando a las bombas de la tubería principal no se le ha ejercido ninguna fuerza desde la corriente de las bombas de la tubería principal. Dependiendo de los requerimientos hidráulicos de las bombas de la tubería principal, las bombas reforzadoras
pudieran proveer un mínimo de 50 psi (345 kPa)de presión de
succión a la tubería principal.
En la mayoría de las aplicaciones de las bombas reforzadoras para operaciones de tuberías son vertical tipo barril de múltiples etapas. Algunas bombas reforzadoras pueden tener hasta seis etapas dependi-endo de los requerimientos hidráulicos y aplicación. En las bombas verticales de tipo barril, el líquido entra a través de la boquilla de
admisión y comienza a llenar el barril de succión o bote. El líquido
desde el fondo del barril de succión viaja a través de la campana de succión hasta el ojo del impulsor. El impulsor incrementa la
velocidad del líquido, y hace que el líquido se mueva hacia la voluta. La voluta se abre hacia arriba cuando este se mueve alrededor del impulsor. El líquido presurizado luego sale de la bomba a través de la boquilla de descarga.
---Empaque del Sello
Rodamiento de Ayopo
Rodamiento de Ayopo
Sello de la Línea de Purga Empaque del Sello
Rodamiento de Ayopo
BOMBA
CENTRÍFUGA
VERTICAL
BOMBAS VERTICALES
TIPO BARRIL
Figura 14
Bomba Tipo Barril y el Impulsor
El líquido entra a través de la boquilla de llegada y viaja hacia abajo hasta el fondo de la bomba. El líquido es luego halado hacia el ojo del impulsor del primer impulsor. El líquido sale del primer impulsor y se mueve hacia arriba hasta el segundo impulsor. El segundo impulsor añade más presión al líquido , y el líquido sale a través de la boquilla de descarga.
Un beneficio significante de las bombas tipo barril es que la boquilla de succión del impulsor de la primera etapa puede ser instalado bien por debajo de la tierra, a la vez que las conexiones de tuberías a las boquillas de succión y descarga están ubicadas en la superficie. Cuando se bombee de tanques de almacenaje, el cabeza de succión positivo neto de la bomba puede ser suministrado por niveles muy bajos del líquido en los tanques.
En adición a la bomba vertical tipo barril de aceleración, bombas verticales de aceleración en línea son otro tipo de bombas
reforzadoras usadas para operaciones de tuberías. Las bombas verti-cales en línea son bombas vertiverti-cales de una etapa con motores
montados encima de ellas, y boquillas de succión y descarga
montados de tal forma que las cajas de las bombas pueden ser conec-tadas convenientemente y soportada por la tubería. El diseño del
impulsor tiene que ser tal, que el cabeza de succión positivo neto no sea mayor que 10 - 15 ft.
El empuje axial es la fuerza ejercida a través del largo del eje de la bomba y es causado por fuerzas desiguales de succión y descarga actuando en el impulsor. Las presiones generadas por una bomba
centrífuga ejerce fuerzas tanto en las partes estacionarias o rotantes. Cuando una cuchilla del impulsor rota, esta crea una presión de succión cerca del eje y una presión de descarga en la punta de la cuchilla. La presión de succión y descarga no son uniformes, como es demostrado en la Figura 15. Motor Sello Mecánico Succión Descarga Impulsor Eje de la Bomba Rodamiento Acople
EMPUJE AXIAL
BOMBAS VERTICALES
EN LÍNEA
Figura 15 Empuje Axial
El empuje axial es la fuerza ejercida a lo largo del eje de la bomba y es causado por las fuerzas desiguales de succión y descarga actuando en el impulsor. El empuje axial es la suma de las fuerzas desiguales del impulsor que actúan en dirección axial.
El empuje axial puede ser parcialmente o completamente balanceado por lo siguiente:
• impulsores de succión doble, y
• orden sucesiva del impulsor para bombas de múltiples etapas.
Un impulsor de succión doble controla el empuje axial, pero no puede eliminar completamente el problema. Muchos factores adicionales, como el flujo no uniforme hacia el impulsor, descentre mínimo del impulsor, o el monte disparejo de los anillos de desgaste pueden causar empuje axial. Sin embargo, el empuje restante es opuesto por los rodamientos de la bomba.
Figura 16
Impulsor de Doble Succión
El impulsor de doble succión consiste efectivamente de dos aspas de un impulsor sencillo de succión montadas sucesivamente.
Preci ón de Descarga Preci ón de Descarga Preci ón de Succi ón
Impulsor de Succión Sencillo
Preci ón de Descarga Preci ón de Descarga Preci ón de Succi ón Preci ón de Succi ón
Impulsor de succión Doble
Bache Exterior o Anillo de Bache Ojo de Succión Punta de Succión Bache Cubierta Bache Diámetro Eye Diameter Impeller Diameter
Punta Del Aspa de Descarga
El impulsor de succión doble es equivalente a dos impulsores sencillos de succión montados sucesivamente (Figura 16). Las
presiones de succión y descarga alrededor de un impulsor doble de succión son simétricas, y así no existe empuje axial. Un impulsor de doble succión es, en efecto dos impulsores sencillos de succión en una fundición única, ordenados sucesivamente. La entrada del impulsor delante de las aspas es llamada el ojo de succión. El “hub” es la parte central del impulsor la cual recibe el eje de la bomba.
En las bombas de múltiples etapas, los impulsores de succión sencilla son instalados opuestos unos a los otros para reducir el empuje axial. En una bomba de seis etapas, por ejemplo, tres impulsores están ubicados con sus ojos de succión mirando a la izquierda y tres mirando a la derecha. El empuje axial producido por los impulsores que miran a la derecha es contrarrestado por un empuje axial que es igual y contrario producido por los impulsores que miran a la izquierda, como se muestra en la Figura 17.
Figura 17
Impulsores Opuestos en una Bomba de Múltiples Etapas
En las bombas de múltiples etapas, una cantidad par de impulsores de succión sencilla son montados contrarios unos a los otros para reducir el empuje axial. El empuje axial producido por los impulsores que miran hacia la derecha es opuesto por el eje axial producido por los impulsores que miran a la izquierda. Las líneas muestran la trayectoria del flujo cuando el líquido es transferido de impulsor a impulsor.
1 2 3 6 5 4 Succión de la Bomba Descarga de la Bomba
IMPULSORES
SUCESIVOS
IMPULSOR DE
SUCCIÓN DOBLE
El empuje radial es la presión desigual en la voluta. Cuando una
bomba de voluta simple está trabajando a óptima eficiencia, las presiones del líquido en la voluta en contra del impulsor son mini-mizadas. Entre más capacidad de la bomba es reducida, más desiguales serán estas presiones.
A la vez que el líquido sale de la cuchilla del impulsor y entra a la voluta, este ejerce poca presión. El líquido se mueve despacio cuando este se mueve a través de la voluta, y crea más presión. El resultado es un presión desigual alrededor del impulsor.
Figura 18 Empuje Radial
El cambio de la forma de la voluta causa que la presión en la voluta sea desigual.
Esta presión desigual puede causar desgaste acelerado y daños al eje, rodamientos, y las aspas del impulsor. Para contrarrestar el empuje radial, la aplicación de un voluta doble pudiera ser utilizada.
Una voluta doble consiste de dos volutas, a 180º opuestas una a la otra alrededor de impulsor sencillo, que se junta a la boquilla común de descarga. La voluta doble es también llamada voluta melliza o
voluta dual. La voluta doble crea una presión balanceada alrededor del impulsor, como se muestra en la Figura 19. La presión es no balanceada a través de cada voluta, pero los desequilibrios de presión de ambas volutas juntas son aproximadamente igual y contrarios. Las presiones balanceadas hacen que el empuje radial sea mínimo. El resultado es menor desgaste en los rodamientos y el eje.
Figura 19 Voluta Doble
Una voluta doble consiste de dos volutas opuestas una a la otra alrededor de una carcaza sencilla. Las presiones balanceadas evitan que el impulsor y el eje se muevan radialmente. El resultado es menor desgaste en los rodamientos.
Succión
Descarga
Pared de la Voluta Doble
1. El término empuje axial se refiere a la fuerza __________.
a) ejercida en la dirección de rotación del eje b) ejercida a lo largo del eje de la bomba
c) conduciendo el líquido lejos de un punto fijo de rotación d) o presión añadida al líquido en la bomba
2. Un impulsor de doble succión es __________.
a) dos impulsores montados sucesivamente en el eje para balancear las presiones de succión y descarga
b) un impulsor pequeño en la boquilla de llegada para incre-mentar la succión
c) una serie de dos o más impulsores que aumentan la presión del líquido en etapas
d) un impulsor grande que imparte el doble de velocidad al líquido como un impulsor normal
3. Una voluta doble es __________.
a) una serie de dos o más volutas separadas que aumentan la presión en etapas en la bomba de múltiples etapas
b) dos volutas opuestas una a la otra en una carcaza sencilla de la bomba para reducir empuje radial
c) una voluta que permite que el líquido fluya en dos direc-ciones
d) una gran voluta que produce dos veces más presión que una voluta de medida normal
4. Refiriéndose a las bombas, una “etapa” es definida como __________.
a) dos impulsores sencillos montados sucesivamente
b) un incremento en presión debido a la acción del impulsor y la voluta
c) el eje rotante montado en posición vertical d) la fuerza medida a lo largo del eje de la bomba
5. Una bomba con dos o más impulsores montados en el mismo eje horizontal, con una cantidad igual de cámaras de presurización es llamada __________.
a) bomba tipo barril profundo b) bomba doble
c) bomba de múltiples etapas d) bomba diferencial
6. El incremento de la presión del líquido entre las boquillas de succión y descarga de la bomba es llamado _____________.
a) presión de descarga
b) cabeza de succión positiva neta requerida c) presión de succión
d) cabeza diferencial
7. Dependiendo de los requerimientos hidráulicos, algunas bombas reforzadoras tuvieran que proveer un mínimo de ___________.
a) 29 psi (200 kPa)
b) 37 psi (255 kPa)
c) 45 psi (310 kPa)
d) 50 psi (345 kPa)
8. El problema resuelto cuando se montan impulsores de las bomba sucesivamente es llamado ___________.
a) empuje axial b) empuje radial c) recirculación d) cavitación
Surgen situaciones en la operación de las bombas centrífugas las cuales pueden ser extremadamente dañinas para las bombas. La sección 3 examina las consideraciones de operación para el operador, tales como:
• potencia al freno
• fuerza hidáulica
• eficiencia
• tasa de flujo contínua mínima
• velocidad específica
• cavitación
• cabeza de succión positiva neta (NPSH)
• pérdidas de la bomba, y
• los efectos de la descarga contra una válvula cerrada.
Después de esta sección, Ud. será capaz de completar los siguientes objetivos.
• Reconocer y aplicar las definiciones de los términos potencia al
freno, fuerza hidráulica, eficiencia, velocidad específica, tasa de flujo continuo mínimo, cavitación, cabeza de succión positiva neta (NPSH).
• Reconocer el efecto de la cavitación sobre los componentesde la
bomba.
• Reconocer la causa de las pérdidas de la bomba y como ellas éstas
son reducidas
• Reconocer los efectos de la descarga contra una válvula cerrada
SECCIÓN 3
CONSIDERACIONES DE OPERACIÓN
INTRODUCCIÓN
Potencia al freno es la fuerza requerida por la bomba en un conjunto particular de condiciones de operación. Potencia al freno es la fuerza que el motor tiene que suministrar a la bomba para que su operación sea efectiva.
Fuerza hidráulica es la fuerza impartida al líquido en un conjunto partic-ular de condiciones de operación. Es la cantidad de energía cinética (velocidad) y energía potencial (cabeza) que la bomba transfiere al líquido para contrarrestar la elevación y pérdidas por fricción del líquido en la tubería. La fuerza hidráulica puede ser considerada como la fuerza requerida por la bomba cuando esta opera a 100% de eficiencia.
La eficiencia de la bomba es la fuerza hidráulica dividida por la potencia al freno. Las bombas en el sistema de tubería están diseñadas para que la mejor eficiencia de la bomba ocurra a la capacidad tasada de la tubería. La capacidad tasada es derivada del pronóstico anual de rendimientos de la tubería esperados sobre el presente y próximos años. El deseo de obtención eficiencias picos o cerca de picos no puede ser sobreenfatizado porque esto afecta grandemente el consumo de energía y el costo de la tubería, el cual es una porción muy significante de los gastos de operaciones de la tubería.
Cada bomba centrífuga puede requerir que el líquido viaje a través de ella a una tasa de flujo continuo mínimo. La operación de la bomba centrífuga a la tasa de flujo más baja que su flujo continuo mínimo resultará en una excesiva vibración, cavitación, acumulación de calor, ruido, y consecuentemente causará daños a los componentes de la bomba.
La velocidad específica es el valor que indica las características del funcionamiento general de una bomba centrífuga y el estado general del impulsor. Es expresada como un valor sin unidad. La velocidad
específica afecta las siguientes características de la bomba:
• velocidad de la bomba
• tasa de flujo a la eficiencia máxima de la bomba, y
• cabeza diferencial por etapa de la bomba.
POTENCIA AL
FRENO
TASA DE FLUJO
CONTÍNUO
MÍNIMA
FUERZA
HIDRAÚLICA
EFICIENCIA
VELOCIDAD
ESPECÍFICA
Las bombas de la tubería principal con velocidades específicas altas tienden a producir cargas radiales y recirculación interna, cuando están operando a su máximo punto de eficiencia. Esto provoca una vibración excesiva, especialmente a tasas de flujo bajas, las cuales son descubiertas durante el curso de operaciones de la tubería.
Cavitación es la formación, luego el colapso o la explosión, de
pequeñas burbujas en el líquido. La cavitación tiene lugar cuando la
presión en la tubería baja por debajo de la presión de vapor del líquido trasladado. Las burbujas de vapor forman y fluyen junto con el líquido. Las burbujas se desbaratan rápidamente (explosión) cuando estas encuentran una presión más alta que la presión de vapor. Cuando las burbujas implosionan, una honda de choque emana de cada burbuja la cual puede alcanzar presiones de hasta 101 596 psi
(700 000 kPa). Si las burbujas explotan dentro de la bomba, o cerca de borde sólido, como la pared de la tubería, una pequeña, tiene lugar una explosión muy concentrada. La cavitación puede causar:
• ruidos audibles o chisporroteos que pueden escalar a vibraciones
dañinas
• erosión y hoyos de superficies metálicas, y
• deterioración del funcionamiento de la bomba.
La principal causa de la cavitación en una bomba centrífuga es la reducción en el cabeza de succión. El impulsor rotante de una bomba centrífuga traslada el líquido hacia la tubería de descarga y puede experimentar una presión muy baja en la boquilla de succión. Si el cabeza de succión positivo neto requerido por la bomba no es mantenido, el líquido en el ojo del impulsor puede experimentar una presión más baja que su presión de vapor. Cuando la presión baja por debajo de la presión de vapor del líquido bombeado, entonces ocurre la cavitación.
Líquidos con presiones de vapor altas no pueden ser “chupados” o “halados” hacia el impulsor de la bomba centrífuga. En cambio, los líquidos tienen que ser empujados hacia el impulsor por una presión positiva o cabeza.
Cabeza de succión positiva neta (NPSH) es la presión que empuja
el líquido hacia la boquilla de succión de la bomba centrífuga. La
entrada de la bomba tiene que permitir el flujo parejo del líquido al entrar a la bomba a un presión alta suficiente para evitar la creación de las burbujas de vapor en el líquido. Los operadores deben mantener la presión de succión en la entrada de la bomba bien por encima de la presión a la cual la vaporización ocurriría a la temperatura de operación del líquido.
La cavitación puede ser prevenida manteniendo siempre la presión mínima de succión por encima del cabeza de succión positiva neta (NPSH) requerido por la bomba. El fabricante de la bomba provee el NPSH requerido por cada bomba. La cavitación puede ser corregida incrementando el NPSH disponible en el área afectada, por una fuente de contracorriente, o regulando la presión utilizando una válvula de control de presión (PCV). En el tanque, las bombas reforzadoras proveen el NPSH requerido para las unidades de la tubería principal. El NPSH requerido por la bomba aumenta cuando el flujo a través de la bomba aumenta.
Figura 20
Cavitación en el Impulsor
Si la presión baja por debajo de la presión del vapor del líquido, burbujas de vapor son formadas (A). A medida que la mezcla del líquido y las burbujas continúan a través de la bomba, la presión aumenta y las burbujas explotan (B). Los efectos de la cavitación incluyen ruido y vibración, daño a la bomba como corrosión del impulsor, y decadencia del funcionamiento de la bomba. – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – Flujo del Líquido A B A B Impulsor Eje
CABEZA DE
SUCCIÓN
POSITIVA NETA
(NPSH)
PREVENCIÓN DE
LA CAVITACIÓN
Las pérdidas en las bombas centrífugas pueden causar un decrec-imiento considerable en la eficiencia de operación de la unidad, causando que el funcionamiento actual de la bomba sea diferente de aquél pronosticado por las curvas de la bomba del fabricante. Si el NPSH está al nivel requerido y la bomba sigue en estado de cavitación, o tiene problema manteniendo una eficiencia aceptable, aquí tenemos algunas de las causas. Las pérdidas de las bombas pueden ser categorizadas en:
• recirculación en el impulsor (pérdidas hidráulicas)
• recirculación en los anillos de desgaste (pérdidas por fugas)
• pérdidas por fricción,
• pérdidas mecánicas.
Recirculación en la bomba centrífuga es el recíproco de la tasa de
flujo en el impulsor. Cuando la recirculación ocurre, la bomba
generalmente refleja una o más de las siguientes características:
• cavitación en la parte superior (lejos del ojo) de la cuchilla del
impulsor
• movimiento axial del eje con o sin daño al rodamiento de empuje
• fallos del eje en la punta exterior para succión doble y bombas de
múltiples etapas
• rompimiento o fallo de las cubiertas del impulsor en la descarga
del impulsor
• daño de cavitación al labio de la voluta de la carcaza.
Cuando la recirculación tiene lugar en el ojo del impulsor (recircu-lación de succión) la bomba general mente refleja una o más de lo siguiente:
• daño de cavitación a la parte de presión de las aspas en la entrada
• ruido casual de chisporroteo en la succión en contraste con el
chis-porroteo estable asociado con un NPSH inadecuado, y
• surgencia en la succión.
Cuando el flujo es reducido por debajo de la mejor zona de eficiencia de la bomba centrífuga, puede ocurrir recirculación interna en ambas las áreas de succión y la descarga y puede dañar el impulsor. La recirculación interna causa un decrecimiento significante de las presiones las cuales a la vez conducen a una severa cavitación.
RECIRCULACIÓN
PÉRDIDAS DE
BOMBA
La recirculación puede ser causada también por el desgaste de los anillos de desgaste los cuales no mantienen los márgines cerrados donde la entrada de succión de la carcaza rodea el impulsor. Sin este margen cerrado, la presión producida por el impulsor escapa de regreso al área de menor presión en la parte de ingreso. Los anillos de desgaste en ambos la carcaza y la culata del impulsor ayudan a mantener y renovar estos márgines cerrados. Sin embargo, si los anillos se desgastan mucho, estos márgines cerrados no son mantenidos y se producirá recirculación.
Pérdidas por escape pueden ocurrir también
• entre dos etapas adyacentes en un bomba de múltiple etapas, y
• a través de varios bujes de purga.
Figura 21
Recirculación en las Puntas de Entrada y Descarga de las Aspas del Impulsor
Recirculación de succión puede causar daño de cavitación al impulsor. Recirculación de descarga puede causar daño de cavitación al impulsor, quebrando la cubierta del impulsor, fallos del eje, movimiento axial del eje, y daños del rodamiento.
Las pérdidas hidráulicas son causadas por fricción entre el líquido y las superficies de la bomba. Esto es conocido como fricción “skin” y aumenta cuando la superficie del impulsor y la carcaza es áspera. La fricción “skin” es igual que el flujo de pérdidas hidráulicas a través de la tubería, y depende de la asperedad o allanamiento de las superficies internas de la bomba, y la viscosidad del líquido. Las corrientes desiguales llamadas corrientes de choque y remolino causan cambios en la dirección del flujo en la entrada y salida del impulsor.
Figura 22
Pérdidas de La Bomba
En una bomba de succión doble de una etapa, hay pérdidas
adicionales en el pasaje de entrada (ingreso). Estas pérdidas pueden ser reducidas a través del pulimento del acabado del impulsor y las superficies internas de la carcaza de la voluta.
La fricción de disco del impulsor es el resultado de las superficies externas del impulsor rotante estando en fricción con el líquido que lo rodea. Las cubiertas del impulsor están sacando líquido alrededor
de ellas por causa de la viscosidad. La fricción de disco del impulsor es generalmente una pérdida mayor que el escape. Merece la pena notar que una de las mayores razones en el aumento de la potencia de tiro de la bomba asociada con el bombeo de petróleo de mayor peso y altura en viscosidad es la presión de disco añadida. El aumento en la velocidad de la bomba, y el diámetro de la bomba, o la disminución de la separación entre el impulsor y la carcaza, incrementa las
pérdidas de fricción de disco. El pulimento de las superficies internas de la carcaza de la bomba y las superficies externas del impulsor disminuye esta pérdida.
Retorno de Escape
Recirculación de Succión Recirculación en el Margen de la Pared Voluta
Margen del Labio
Recirculación de Descarga Anillo de desgaste de la Carcaza Anillo de Desgaste del Impulsor
Ojo del Impulsor
Impulsor (Doble Succión)
PÉRDIDAS DE
Las pérdidas por fricción en los rodamientos y las cajas de relleno y otros puntos racionales de contacto son consideradas pérdidas mecánicas. En una bomba mantenida correctamente estas pérdidas son menores. La tirantez mecánica del sello y rodamiento, desajuste del eje, materias extrañas en los rodamientos, o el uso pobre o incorrecto de aceite de lubricación todos contribuyen a la fricción que causa pérdidas mecánicas.
En una bomba centrífuga es posible que se bombee líquido contra una válvula cerrada, el traslado de energía del líquido causa sobrecalen-tamiento severo en la bomba. El tiempo antes que la bomba se apague depende del tipo y el volumen del líquido bombeado contra la válvula cerrada.
PÉRDIDAS MECÁNICAS
DESCARGA CONTRA
UNA VÁLVULA
CERRADA
1. El término cavitación se refiere a _____________.
a) la formación, explosión, de pequeñas burbujas en el líquido b) la formación de sedimento en el interior de la carcaza de la
bomba
c) al movimiento de punta a punta del eje de la bomba d) al movimiento de punta a punta del aspa del impulsor
2. Cavitación en la bomba es causada por ___________.
a) cabeza de succión positiva neta muy alta b) cabeza de succión positiva neta muy baja
c) la presencia de sedimento en el líquido bombeado d) el recalentamiento de los rodamientos de la bomba
3. La presión que fuerza al líquido hacia la boquilla de succión es llamada _________.
a) fuerza centrífuga b) empuje axial
c) cabeza de descarga positiva neta d) cabeza de succión positiva neta
4. Para prevenir la cavitación en las fuerzas centrífugas Ud. deberá siempre mantener el cabeza de succión positiva neta ____________.
a) por debajo de la cantidad necesaria por la bomba b) por encima de la cantidad necesaria por la bomba c) al mismo nivel para cada bomba
d) igual a la presión de descarga de la bomba
5. El recíproco del flujo del líquido en el impulsor es llamado _________.
a) cavitación
b) cabeza de succión positiva neta c) recirculación
d) movimiento centrífugo
6. De la lista siguiente, seleccione dos causas comunes de recirculación.
1) Los anillos de desgaste en el impulsor y la carcaza se desgastan demasiado.
2) La cabeza de succión positiva neta es muy baja
3) El flujo es reducido por debajo de la zona de mejor eficiencia de la bomba.
5) El impulsor rota demasiado rápido
a) 2 y 1 b) 1 y 5 c) 1 y 4
d) 3 y 5
SECCIÓN 1 - COMPONENTES DE LA BOMBA
CENTRÍFUGA
• Una bomba centrífuga es un aparato mecánico el cual utiliza
fuerza centrífuga para convertir energía mecánica en presión o cabeza.
• El impulsor es un componente de la bomba que utiliza fuerza
centrífuga para aumentar la velocidad del líquido entrando a la bomba. El impulsor aumenta la velocidad del líquido a través de la rotación del líquido alrededor de su eje. A medida que el líquido rota, éste se mueve en sentido contrario desde su eje e incrementa su velocidad.
• La voluta es una carcaza especial alrededor del impulsor que
convierte la velocidad del líquido en presión. A medida que el área de sección transversal de la voluta aumenta, la velocidad del líquido rotando a través de la voluta decrece, a medida que la presión del líquido aumenta.
• La carcaza es un cámara sellada que encierra todo el montaje de la
bomba.
• Los anillos de desgaste son anillos protectores removibles en el
impulsor y la carcaza que reduce el espacio entre la carcaza y la cubierta del impulsor.
• El montaje del eje es la conexión física entre el motor eléctrico y
el impulsor.
• Los sellos mecánicos consisten de un anillo de sello fijo en la
carcaza y un anillo rotante acoplado al eje. Estos sellos son mantenidos juntos a través de resortes.
• El rodamiento es mantenido en un cojinete de apoyo y le permite
al eje rotar. Los rodamientos evitan que el eje rotante de la bomba y el impulsor sean afectados por movimiento axial (de punta a punta) o radial (de lado a lado), para que el eje y el impulsor roten en una posición central fija.
• El líquido entra al ojo del impulsor a baja velocidad y baja presión.
Cuando el impulsor rota el líquido, fuerza centrífuga y aceleración centrífuga aumentan la velocidad del líquido. El líquido después viaja a la voluta, donde el incremento del diámetro de la voluta hace variar la velocidad del líquido en presión.
SECCIÓN 2 - BOMBAS CENTRÍFUGAS
• El empuje axial es la fuerza ejercida a lo largo del eje de la bomba
y es causado por las fuerzas desiguales de succión y presión de descarga sobre el impulsor. El empuje axial puede dañar los rodamientos y posiblemente el impulsor.
• El impulsor de doble succión es equivalente a dos impulsores de
succión sencilla montados sucesivamente en un eje.
• El empuje radial es la presión desigual en la voluta.
• La voluta doble consiste de dos volutas a 180º opuestas una a la
otra (alrededor de un impulsor), que se unen a una boquilla de descarga común.
• Una bomba de etapas múltiples es una bomba que tiene más de un
impulsor montado en el mismo eje dentro de la misma carcaza.
SECCIÓN 3 - CONSIDERACIONES DE OPERACIÓN
• Cavitación es la formación, luego la explosión, de pequeñas
burbujas en el líquido.
• La cabeza de succión positiva neta (NPSH) es la presión que
empuja el líquido a la boquilla de succión de una bomba centrífuga. Los operadores tienen que mantener el NPSH por encima de la presión de vapor del líquido para evitar la cavitación.
aceleración racional
variación de la velocidad cuando un objeto rota alrededor de un punto de rotación fijo se mueve hacia o en sentido contrario del punto fijo. (p. 47)
anillos de desgaste
anillos de protección removibles en el impulsor y en el bloque que reducen el espacio entre la boquilla de succión y el impulsor. (p. 8) bomba centrífuga vertical
la unidad rotante de la bomba es montada en posición vertical. (p. 19) bomba centrífuga
artefacto mecánico que utiliza la fuerza centrífuga para convertir la energía mecánica en presión o cabeza. (p. 4)
bomba de múltiples etapas
es una bomba que tiene dos o más impulsores montados sobre el mismo eje, y un número igual de etapas de presurización de líquidos. (p. 18)
bombas de tipo barril vertical
bomba reforzadora donde el líquido entra a través de una válvula de llegada y comienza a llenar la sección de barril o bote. (p. 19) bomba de una etapa
tiene un impulsor y una etapa de presión. (p. 18) bomba vertical en línea
son bombas verticales de una etapa con motores montados encima, y las boquillas de succión y descarga conectadas de tal forma que los bloques de la bomba pueden ser convenientemente conectados y soportados por la tubería. (p. 20)
boquilla de descarga
es la salida por donde el líquido abandona la bomba (p. 7) boquilla de llegada
también llamada boquilla de succión, es la entrada por donde el líquido entra a la bomba. (p. 5)
cabeza de succión positiva neta (NPSH)
la presión que fuerza al líquido hacia la boquilla de succión de una bomba centrífuga. (p. 30)
cabeza diferencial
es el incremento en la presión del líquido entre las boquillas de succión y descarga de la bomba. (p. 18)
carcaza
cámara sellada que encierra el montaje completo de la bomba. (p. 4) cavitación
la formación, luego la explosión, de pequeñas burbujas en el líquido. ( p. 29)
chaqueta de enfriamiento
utiliza el líquido de la boquilla de descarga para enfriar el aceite de lubricación de rodamiento. (p. 10)
empuje axial
fuerza ejercida a lo largo del eje de la bomba. (p. 20) empuje radial
carga lateral sobre el impulsor y el eje como resultado de desigual presión en la voluta. (p. 23)
ensamblaje del eje
conexión física entre el motor y el impulsor (p. 9) fuerza centrífuga
se refiere a la fuerza de inercia la cual provoca que un objeto rotando se mueva en sentido contrario desde su eje de rotación. (p. 3 y 43) fuerza centrípeta
atrae o repele a un objeto hacia el centro de una senda de rotación. (p. 44)
impulsor
consiste de un conjunto de aspas acopladas a un eje de rotación. La base de las aspas, donde están acopladas al eje, es llamada el ojo del impulsor. El líquido entra por el ojo del impulsor. (p. 5)
impulsor de doble succión
dos impulsores de succión sencilla montados sucesivamente como una unidad. (p. 21)
impulsor de fricción de disco
es el resultado de las superficies del impulsor rotante estando en fricción con el líquido que lo rodea. (p. 33)
inercia
fuerza la cual evita que un objeto inmóvil se mueva y que un objeto en movimiento cambie su velocidad y dirección. ( P. 43)
recirculación
recíproco parcial del flujo del líquido en el impulsor. (p. 31) rodamiento
cojinete fijo de soporte que le permite al eje rotar. (p. 9) sellos mecánicos
anillo hermético fijo en la carcaza de la bomba y un segundo anillo rotante acoplado al eje, soportado firmemente mediante resortes, de tal forma que el líquido no puede migrar a través del eje y escapar (p.11) tubería auxiliar
consiste de una serie de una pequeña tubería auxiliar de perforación que es esencial para la operación de la bomba de la tubería principal. (p. 12)
velocidad específica
es el valor que indica las características generales del funcionamiento de una bomba centrífuga. (p. 28)
voluta
bloque especial alrededor del impulsor el cual convierte la velocidad del líquido en presión (p. 6)
voluta doble
dos volutas opuestas una a la otra alrededor de un impulsor sencillo, que se unen en una boquilla de descarga común. (p. 24)
RESPUESTAS
REPASO 1
REPASO 2
REPASO 3
1. a 1. b 1. a 2. d 2. a 2. b 3. c 3. b 3. d 4. a 4. b 4. b 5. b 5. c 5. c 6. b 6. d 6. c 7. a 7. d 8. d 8. a 9. c 10. d 11. a 12. c 13. eEl término fuerza centrífuga se refiere a la fuerza de inercia la cual causa que un objeto en rotación se mueve hacia su centro de rotación. Primeramente analizaremos la inercia para ver como la
fuerza centrífuga trabaja. Isaac Newton descubrió la siguiente propiedad física: un cuerpo en movimiento se mueve en forma
rectilínea al menos que una fuerza provoque que el cuerpo cambie de dirección.
Imagine por ejemplo, una pelota rodando por la acera y acercándose a una esquina. Cuando la pelota alcanza la esquina, ésta no girará automáticamente alrededor de la esquina. Una fuerza tendrá que ser aplicada a la pelota para que cambie de dirección y se mueva alrededor de la esquina. Si ninguna fuerza es aplicada la pelota seguirá moviéndose en línea recta y no girará alrededor de la esquina.
La fuerza que mantiene la pelota moviéndose en línea recta es llamada inercia.
Figura A-1
Inercia en una Pelota en movimiento
Cuando un objeto en movimiento como la pelota, esta continua moviéndose en línea recta al menos una fuerza actúa sobre ella. La fuerza que mantiene la pelota moviéndose en línea recta es llamada inercia. Cuando una fuerza como una pateada es aplicada, la pelota cambia de dirección. Fuerza Aplicada Dirección de la Pelota si No Fuerza es Aplicada
