CONOCER PARA INICIARSE EN EL
MUNDO DE LAS BOMBAS
CENTRIFUGAS
RECOPILADO POR:
JOSE MIGUEL ACOSTA PEREZ
(Agosto 2011)
LO QUE USTED NECESITA CONOCER PARA
INICIARSE EN EL MUNDO DE LAS BOMBAS
CENTRIFUGAS
RECOPILADO POR:
JOSE MIGUEL ACOSTA PEREZ
Registrado en el Esc. Dereitos AutoraisMinc FBN Biblioteca Nacional Rio de Janeiro-Brasil
DEDICADO A ANGEL Y AURORA POR SUS 60 AÑOS TRABAJANDO POR
HACER REALIDAD SUS SUEÑOS Y ESPERANZAS
PALABRAS INICIALES
Finalmente logre actualizar este libro, el cual está estructurado para “Iniciar en el mundo de las bombas centrífugas” aplicadas fundamentalmente en la Industria Petrolera a los profesionales interesados en la materia, pero que sin embargo no están especializados en equipos dinámicos. Fue pensado para orientar en el tema de las bombas centrífugas a ingenieros de producción, de petróleo, de procesos, de infraestructura, de mantenimiento y otros profesionales no especializados en equipos dinámicos. El libro fue escrito en un lenguaje simple y sin grandes complicaciones numéricas para simplificar la comprensión y no asustar a los interesados. Al mismo tiempo lo considero una herramienta de referencia válida porque comprende una amplia revisión bibliográfica complementada con vivencias profesionales, tanto así que Yo mismo lo tengo siempre conmigo y lo utilizo con frecuencia. Algunos usuarios lo encuentran simple y coloquial, mas no está dirigido a profesionales como Daniel González, Juan Márquez o Juan Bordón mis compañeros de siempre en los equipos rotativos o a gigantes en el tema de bombas aplicadas a la Industria Petrolera como lo son Jesús Peña en España o Achilles Silva Júnior aquí en el Brasil.
En esta actualización se profundizó en tomar los puntos relevantes de las dos normas más usadas en la industria Petrolera para fabricar las bombas centrífugas la norma API 610/ISO 13709 “Centrifugal
Pumps for Petroleum, Petrochemical and Natural Gas Industries, en este caso la 11ava edición del
2010 y la norma ASME B73.1 “Specification for Horizontal End Suction Centrifugal Pumps For
Chemical Process” 2001. Se realizaron comparaciones para destacar las diferencias de cada una de
estas normas, así como las ventajas y desventajas de aplicar una u otra especificación.
La compilación de los temas de cavitación y de lubricación fue bastante trabajada con la intención de mejorar la comprensión del contenido, así como los temas de flujo mínimo y de aplicación de las leyes de afinidad para ajustar el diámetro de los impulsores. De hecho existe bastante información sobre esos temas pero está dispersa y contenida en material bibliográfico específico no siempre disponible y accesible. En referencia a los sellos mecánicos recopile algunos autores que analizaron la norma
API 682/ISO 21049 “Pumps-Shaft Sealing Systems for Centrifugal and Rotary Pumps” 3ra Edición,
como es el caso de Michael HUEBNER.
El libro quiero que lo puedan tener en su “Tablet” o “pendrive”, siempre a mano para consultarlo cuando lo necesiten, por esta razón lo presento en PDF para facilitar ese cometido.
Finalmente espero que este libro les sea útil y de provecho en su trabajo.
José Miguel Acosta Pérez
Rio de Janeiro, 25 de Agosto del 2011PROLOGO
En las operaciones de nuestra Industria Petrolera, el camino del propio Crudo se hace desde su inicio hasta que llega al consumidor final basado en sistemas de bombeo. Por este motivo, a los que nos ha correspondido lidiar con las operaciones, sentimos a los sistemas de bombeo como parte de nosotros mismos.
Este libro es una condensación de fundamentos teóricos y el reflejo de experiencias de gran aceptación. Los criterios aplicados al seleccionar el material del libro son sencillos: satisfacer las necesidades del mayor número posible de personas que intervienen en la selección, operación y mantenimiento de estos sistemas.
El material incluido fue preparado por una persona que conoce perfectamente las necesidades y es una autoridad en este campo. En el libro se da un repaso sobre la especialidad y se demuestra cómo se aplican las soluciones a los problemas prácticos, subrayando el empleo de procedimientos simplificados combinando la teoría con la práctica.
Merece destacar lo siguiente: 1. Ayuda de tablas y diagramas 2. Referencias cruzadas
3. Se recurre a abundantes ilustraciones
4. Referencias a otros libros para que el lector profundice.
Estoy seguro que José Miguel Acosta logrará capturar en este compendio sobre el tema, la atención de una gran cantidad de estudiosos (entre los que me incluyo), sobre el funcionamiento de los sistemas de bombeo. Bienvenida la idea y ojalá que la iniciativa vaya más allá del bombeo de fluidos líquidos, pues necesitamos también para los gases, especialmente el gas natural, que también es fundamental en nuestra industria y para la humanidad.
Estoy seguro que a través de las comunidades del conocimiento en PDVSA, daremos respuesta oportuna para que nuestras operaciones sean cada día más efectivas y seguras.
INDICE
PALABRAS INICIALES ... iv
PROLOGO ... v
INDICE ... vi
1.- INTRODUCCION ... 1
1.1.- ¿QUE ES UNA BOMBA? ... 3
1.2.- ¿QUÉ SON LAS BOMBAS CENTRÍFUGAS? ... 3
2.- PARTES DE UNA BOMBA CENTRÍFUGA ... 5
2.1.- IMPULSORES ... 5
2.1.1.- IMPULSORES ABIERTOS ... 6
2.1.2.- IMPULSORES SEMI-ABIERTOS ... 7
2.1.3.- IMPULSORES CERRADOS ... 8
2.2.- EJE ... 8
2.2.1.- DEFLEXION DE LOS EJES ... 9
2.2.2.- DINAMICA DE ROTORES ... 11
2.3.- CARCASA ... 12
2.3.1.- CARCASA INTERNA ... 12
2.3.1.1.- Voluta ... 12
2.3.1.2.- Fuerzas Radiales en Bombas Centrifugas ... 14
2.3.1.3.- Difusor ... 15
2.3.2.- INTERACCIÓN CARCASA – IMPULSOR ... 16
2.3.2.1.- Paso de Alabe ... 17
2.3.3.1.- Montaje en el Pie ... 17
2.3.3.2.- Montaje Central ... 18
2.3.3.3.- Montaje en Línea ... 18
2.3.3.4.- Montaje de Bombas Verticales ... 18
2.3.4.- INTERACCIÓN CARCASA - BASE DE SOPORTE. ... 19
2.3.4.1.- Bases Pre-Grauteadas ... 20
2.4.- ANILLOS DE DESGASTE ... 21
2.5.- COJINETES ... 23
2.6.- SELLOS MECÁNICOS ... 23
3.- COMO LAS BOMBAS CENTRÍFUGAS TRANSMITEN LA ENERGIA A
LOS FLUIDOS. ... 24
3.1.- CABEZAL TOTAL DE UNA BOMBA CENTRÍFUGA. ... 24
3.2.-SISTEMAS ASOCIADOS A LAS BOMBAS Y SUS
CARACTE-RÍSTICAS ... 27
3.3.- POTENCIA Y EFICIENCIA EN LAS BOMBAS CENTRÍFUGAS ... 28
4.- CURVAS DE RENDIMIENTO DE LAS BOMBAS CENTRIFUGAS. ... 30
4.1.- FORMA DE LA CURVA DE RENDIMIENTO ... 30
4.2.- DISEÑO HIDRÁULICO DE LAS BOMBAS CENTRÍFUGAS ... 32
4.2.1.- VELOCIDAD ESPECÍFICA ... 32
4.2.2.- VELOCIDAD ESPECÍFICA DE SUCCIÓN ... 34
5.- CEBADO DE LAS BOMBAS CENTRIFUGAS ... 36
5.1.- CEBADO MANUAL CON VÁLVULA DE PIE ... 36
5.2.- CEBADO CON TANQUE DE CÁMARA SIMPLE ... 37
5.3.- CEBADO POR SUCCIÓN POSITIVA ... 38
5.4.- CEBADO CON EYECTORES ... 38
6.- CARACTERÍSTICAS DE SUCCION DE UNA BOMBA CENTRIFUGA ... 40
6.1.- COMO SE DETERMINA EL NPSHA ... 40
6.1.1.- COLADORES DE SUCCION ... 41
6.2.- COMO SE DETERMINA EL NPSHR ... 42
6.3.- COMO MEJORAR EL NPSHA DE UN SISTEMA DE BOMBEO ... 44
6.3.1.- MEJORAR EL NPSHA EN EL SISTEMA. ... 44
6.3.1.1.- Subir el nivel del Líquido ... 44
6.3.1.2.- Bajar el Nivel de la Bomba ... 44
6.3.1.3.- Reducir la Fricción en las Tuberías ... 45
6.3.1.4.- Usar una Bomba de Refuerzo ... 45
6.3.1.5.- Enfriar el Líquido Bombeado ... 45
6.3.1.6.- Incrementar la Presión de Succión ... 45
6.3.2.- REDUCIR EL NPSHR POR LA BOMBA... 45
6.3.2.1.- Reducir la Velocidad de la Bomba ... 45
6.3.2.2.- Usar un Impulsor Doble Succión ... 45
6.3.2.3.- Incrementar el Diámetro del Ojo del Impulsor ... 46
6.3.2.4.- Incrementar el Tamaño de la Bomba ... 46
6.3.2.5.- Usar Bombas en Paralelo ... 46
6.3.2.6.- Usar Inductores ... 46
6.4.- FENÓMENO DE CAVITACIÓN ... 47
6.4.1.- CUANDO OCURRE LA CAVITACION? ... 49
6.4.2.- DAÑOS PRODUCIDOS POR LA CAVITACIÓN. ... 50
7.- OPERACION CON LIQUIDOS VISCOSOS ... 52
8.- FLUJO MINIMO ... 55
8.1.- FLUJO MÍNIMO TÉRMICO ... 56
8.2.1.- SISTEMAS DE RECIRCULACION ... 59
9.- LEYES DE AFINIDAD ... 61
9.1.- APLICACIÓN DE LAS LEYES DE AFINIDAD ... 63
9.2.- AJUSTES EN LOS IMPULSORES LUEGO DEL CORTE ... 64
10.-
OPERACION CON MAS DE UNA BOMBA ... 66
10.1.- BOMBAS OPERANDO EN PARALELO ... 66
10.2.- BOMBAS OPERANDO EN SERIE ... 68
PARTES Y SISTEMAS ACCESORIOS PARA LAS BOMBAS CENTRÍFUGAS ... 70
11.- COJINETES ... 71
11.1.- COJINETES RADIALES ... 71
11.1.1.- COJINETES RADIALES DE ELEMENTOS RODANTES ... 72
11.1.2.- COJINETES RADIALES PLANOS ... 74
11.2.- COJINETES DE EMPUJE ... 75
11.2.1.- COJINETES AXIALES DE ELEMENTOS RODANTES ... 76
11.2.1.1.- Precarga del Cojinete ... 77
11.2.2.- COJINETES AXIALES PLANOS ... 79
12.- LUBRICACIÓN ... 81
12.1.- TIPOS DE LUBRICACIÓN ... 81
12.1.1.- LUBRICACION HIDRODINAMICA ... 81
12.1.2.- LUBRICACION HIDROSTATICA ... 82
12.1.3.- LUBRICACION ELASTOHIDRODINAMICA ... 82
12.2.- LUBRICACION CON GRASA... 82
12.2.1.- ACEITE BASE ... 83
12.2.3.- CLASIFICACIÓN DE LAS GRASAS ... 84
12.2.4.-CARACTERISTICAS DE LA LUBRICACIÓN CON
GRASA ... 85
12.2.5.- METODOS DE APLICACIÓN DE LA GRASA ... 86
12.3.- LUBRICACION CON ACEITE ... 87
12.3.1.-PORQUE SE DEGRADAN LOS ACEITES
LUBRICAN-TES MINERALES ... 88
12.3.2.- ACEITES SINTETICOS ... 89
12.3.3.- ADITIVOS PARA ACEITES LUBRICATES ... 91
12.3.4.- LUBRICACION POR BAÑO DE ACEITE ... 91
12.3.5.- LUBRICACIÓN POR ANILLO DE ACEITE ... 93
12.3.6.- SISTEMA DE LUBRICACIÓN FORZADA ... 93
12.3.7.- LUBRICACIÓN POR NEBLINA ... 95
12.3.7.1.- Lubricación por Neblina Pura o “Pure Mist” ... 97
12.3.7.2.- Lubricación por Neblina por Purga o
“Purge Mist” ... 99
13.- ACOPLAMIENTOS ... 100
13.1.- ACOPLAMIENTOS DE ENGRANAJES ... 103
13.2.- ACOPLAMIENTOS DE REJILLA DE AGARRE CONTINUO... 103
13.3.- ACOPLAMIENTOS ELASTOMÉRICOS ... 104
13.4.- ACOPLAMIENTO FLEXIBLE DE LAMINAS METÁLICAS ... 105
14.- SELLADO DEL EJE ... 106
14.1.- CAJA DE EMPAQUETADURAS O CAJA DE SELLOS ... 106
14.2.- EMPAQUETADURAS ... 106
14.3.- SELLOS MECÁNICOS ... 108
14.3.1.- PARTES DE LOS SELLOS MECÁNICOS ... 109
14.3.1.1.- Cara Rotativa ... 109
14.3.1.3.- Sello Secundario ... 110
14.3.1.4.- Elemento de Arrastre o Conducción ... 110
14.3.1.5.- Elementos de Fijación ... 111
14.3.1.6.- Buje de Restricción ... 111
14.3.2.- ARREGLOS DE SELLOS MECANICOS ... 111
14.3.2.1.- Sello Mecánico Simple ... 111
14.3.2.2.- Sello Mecánico Doble ... 111
14.3.2.3.- Sello Mecánico en Línea ... 112
14.3.3.- ELEMENTOS RESALTANTES DEL API 682 ... 112
14.3.3.1.-Categoría de los sellos ... 113
14.3.3.2.- Tipos de sellos ... 113
14.3.3.3.- Arreglo de sellos ... 114
14.3.3.4.- Otros aspectos relevantes ... 114
14.3.4.-PLANES DE LUBRICACIÓN DE LOS SELLOS
MECÁ-NICOS ... 115
15.- MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN ... 119
15.1.- MATERIALES DE ACUERDO CON EL ASME B73.1 ... 119
15.2.- MATERIALES DE ACUERDO CON EL API 610 ... 119
15.3.-OTRAS CONSIDERACIONES EN LO REFERENTE A
MATERIA-LES DE FABRICACION ... 120
16.- INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL... 122
16.1.- CONTROL POR ESTRANGULAMIENTO ... 122
16.2.- CONTROL POR RECIRCULACION ... 123
16.3.- CONTROL POR CONTROL DE VELOCIDAD... 123
16.4.- OTRAS CONSIDERACIONES PARA EL CONTROL ... 124
18.-
VIBRACIÓN MECÁNICA EN BOMBAS CENTRÍFUGAS ... 129
18.1.-COMO ES MEDIDA LA VIBRACION Y COMO ES INTERPRETADA ... 130
18.2.- QUE DICEN EL ASME B73.1 Y EL API 610 SOBRE VIBRACION ... 132
18.3.- CAUSAS DE LAS VIBRACIONES EN LAS BOMBAS
CENTRÍFU-GAS ... 133
19.-
PRINCIPALES TIPOS DE BOMBAS CENTRIFUGAS ... 135
19.1.- BOMBAS DE SUCCIÓN FRONTAL ... 135
19.2.- BOMBAS VERTICALES EN LÍNEA ... 136
19.3.- BOMBAS HORIZONTALES MULTIETAPAS ... 137
19.3.1.-BOMBA
MUTIETAPAS,
AXIALMENTE
PARTIDA,
ENTRE COJINETES (BB3) ... 137
19.3.2.-BOMBA MUTIETAPAS DE DOBLE CARCASA RADIAL-
MENTE PARTIDA ENTRE COJINETES (BB5) ... 138
19.4.- BOMBAS DOBLE SUCCIÓN AXIALMENTE PARTIDA ENTRE
COJINETES ... 138
19.5.- BOMBAS VERTICALES TIPO TURBINA ... 139
20.-
CARACTERISTICAS GENERALES ... 142
EL AUTOR ... 143
LISTA DE FIGURAS
Figura N° 1-1.- Dispositivo antiguo para captar agua de un río. 01
Figura N° 1-2.- Diagrama de una bomba de cadena. 01
Figura N° 1-3.- Diagrama del Tornillo de Arquímedes. 02
Figura N° 1-4.- Diagrama de la bomba de Newcomen. 02
Figura N° 1-5.- Diagrama en corte de la bomba de Worthington. 03
Figura N° 1-6.- Diagrama de una bomba centrífuga típica, de uso general. 04
Figura N° 2-1.- Partes de una bomba centrífuga. 05
Figura N° 2-2.- Diagrama en corte de un impulsor cerrado. 05
Figura N° 2-3.- Diagrama de un impulsor de doble succión. 06
Figura N° 2-4.- Diagrama de un impulsor abierto. 06
Figura N° 2-5.- Diagrama de un impulsor semi-abierto. 07
Figura N° 2-6.- Diagrama agujeros de balance en impulsores semi-abiertos. 07
Figura N° 2-7.- Diagrama mostrando los POV (Pump Out Vanes). 07
Figura N° 2-8.- Fotografía de un impulsor cerrado. 08
Figura N° 2-9.- Diagrama del rotor de una bomba de succión frontal, mostrando el sello y
los cojinetes.
09
Figura N° 2-10.- Gráfica de deflexión vs el % del BEP. 10
Figura N° 2-11.- Gráfica de deflexión vs el Índice de Rigidez (L3/D4) en una bomba de
succión frontal típica.
10
Figura N° 2-12.- Diagrama del rotor de una bomba con impulsor entre cojinetes mostrando
las dimensiones L, D y X.
11
Figura N° 2-13.- Cuerpo de una carcasa tipo voluta simple. 12
Figura N° 2-14.- Diagrama de una bomba con carcasa tipo voluta simple. 13
Figura N° 2-15.- Diagrama de una bomba con carcasa, tipo doble voluta. 13
Figura N° 2-16.- Carcasa con doble voluta mostrando la vena de separación. 13
Figura N° 2-17.- Diagrama de una bomba con carcasa concéntrica. 14
Figura N° 2-18.- Fuerza radial vs % de la capacidad normal. 14
Figura N° 2-19.- Diagrama de una bomba con carcasa tipo difusor. 15
Figura N° 2-21.- Dimensiones “A” y “B” para bombas centrífugas. 16
Figura N° 2-22.- Bomba horizontal fijada en el pie, ASME B73.1. 18
Figura N° 2-23.- Bomba Horizontal fijada en el centro tipo API 610. 18
Figura N° 2-24.- Bomba vertical en línea. 18
Figura N° 2-25.- Diagrama de una Bomba vertical tipo Turbina. 19
Figura N° 2-26.- Bomba ANSI B73.1 instalada sobre una base típica para esta bomba. 19
Figura N° 2-27.- Bomba de Montaje Central sobre una base API 610. 20
Figura N° 2-28.- Diagrama de bombas sin anillos y con anillos de desgaste. 21
Figura N° 2-29.- Diagrama de bomba indicando fugas de fluidos de la zona de alta presión
para la zona de baja presión.
22
Figura N° 2-30.- Anillo de desgaste instalado en el ojo del impulsor. 22
Figura N° 2-31.- Diagrama de anillos de desgaste planos. 23
Figura N° 2-32.- Diagrama de anillos de desgaste tipo L. 23
Figura N° 3-1.- Sistema de bombeo mostrando el recipiente de salida (punto 1) y el de
llegada (punto 2).
25
Figura N° 3-2.- Sistema de bombeo, con recipientes de succión y descarga al mismo
nivel.
27
Figura N° 3-3.- Curva del sistema mostrando la perdida por Fricción. 27
Figura N° 3-4.- Sistema de bombeo que incluye el Cabezal Estático. 28
Figura N° 3-5.- Diagrama del sistema mostrando un recipiente presurizado. 28
Figura N° 3-6.- Puntos donde se concentran cada una de las pérdidas en una
bomba centrífuga.
29
Figura N° 3-7.- Efectos de las pérdidas en función de la Velocidad Específica (NS). 29
Figura N° 3-8.- Efectos de las pérdidas en función de las holguras de rodaje. 29
Figura N° 4-1.- Esquema de un impulsor mostrando donde es medido el ángulo 2. 30
Figura N° 4-2.- Esquemático de las curvas de rendimiento en función del ángulo 2. 30
Figura N° 4-3.- Curva de rendimiento de una bomba comercial. 31
Figura N° 4-4.- Curva de rendimiento individual de una bomba centrífuga comercial. 32
Figura N° 4-5.- Perfil de los impulsores vs la Velocidad Específica (NS). 33
Figura N° 4-6.- Curvas de comportamiento en función de la Velocidad Específica (NS). 33
Figura N° 5-1.- Cebado manual de una bomba centrífuga. 36
Figura N° 5-2.- Succión de una bomba centrífuga con válvula de pie. 37
Figura N° 5.3.- Diagrama de una válvula de pie, con los principales componentes. 37
Figura N° 5.4.- Tanque de cebado de cámara simple. 37
Figura N° 5-5.- Cebado por succión positiva. 38
Figura N° 5-6.- Esquema en corte de un eyector. 38
Figura N° 5-7.- Esquema de un sistema de bombeo con cebado por eyectores. 38
Figura N° 6-1.- Filtro temporal tipo cono truncado. 41
Figura N° 6-2.- Filtro en Y, en corte. 42
Figura N° 6-3.- Circuito presurizado para evaluación del NPSHR por las bombas. 43
Figura N° 6-4.- Curvas de Cabezal vs NPSH mostrando la caída del 3% en Cabezal. 43
Figura N° 6-5.- Bomba con inductor. 46
Figura N° 6-6.- Diagrama de inductor. 47
Figura N° 6-7.- Diagrama indicando el rango de operación de un inductor típico 47
Figura N° 6-8.- Diagrama de impulsor mostrando la dinámica de la formación de las
burbujas y el colapso final.
47
Figura N° 6-9.- Diagrama que muestra la distribución de presiones a la succión de una
bomba.
48
Figura N° 6-10.- Diagrama de impulsor mostrando las áreas afectadas por la cavitación. 48
Figura N° 6-11.- Ciclo de formación de una burbuja de gas relacionada con la cavitación. 49
Figura N° 6-12.- Foto de burbuja en proceso de colapso, con la cavidad central en
forma-ción.
49
Figura N° 6-13.- Foto de daños producidos por cavitación un alabe de una bomba
centrí-fuga.
50
Figura N° 7-1.- Diagrama de diámetro de boquilla de descarga vs.Viscosidad máxima del
líquido bombeado.
52
Figura N° 7-2.- Diagrama para la corrección de la curva de rendimiento de una bomba
centrífuga por los efectos de viscosidad.
54
Figura N° 8-1.- Diagrama de cómo afectan a las bombas centrífugas el operar a flujos
reducidos
55
Figura N° 8-2.- En la figura se observan dos impulsores afectados por recirculación a la
succión y a la descarga
56
Figura N° 8-4.- Nomograma del incremento de temperatura en función de la Eficiencia y del Cabezal de Descarga (H).
57
Figura N° 8-5.- Gráfica para la determinación del Flujo Mínimo en bombas centrifugas
con NS entre 500 y 2.500.
58
Figura N° 8-6.- Gráfica para la determinación del Flujo Mínimo en bombas centrífugas
con Velocidad Específica NS entre 2.500 y 10.000.
58
Figura N° 8-7.- Esquema de un Sistema de recirculación con “Bypass”. 60
Figura N° 8-8.- Esquema de un Sistema de recirculación con válvula “Yarway”. 60
Figura N° 9-1.- Gráfica para la corrección de los diámetros a partir de las leyes de
afini-dad.
63
Figura N° 9-2.- Diagrama mostrando el corte oblicuo de un impulsor. 64
Figura N° 9-3.- Diagrama mostrando un ejemplo de “overfilling” 64
Figura N° 9-4.- Diagrama mostrando un ejemplo de “underfilling”. 65
Figura N° 10-1.- Diagrama de un sistema de bombeo operando en paralelo. 66
Figura N° 10-2.- Arreglo en paralelo presentando la curva de pérdidas del sistema. 67
Figura N° 10-3.- Curvas de bombas en paralelo, aplicadas en sistemas con curvas de
pérdidas distintas
68
Figura N° 10-4.- Diagrama de un sistema de bombeo operando en serie. 68
Figura N° 10-5.- Curvas de un sistema de bombeo operando en serie. 68
Figura N° 11.1.- Fotografía de un cojinete radial de bolas. 72
Figura N° 11-2.- Diagrama de arreglo de cojinetes en bomba de succión frontal. 72
Figura N° 11-3.- Arreglo de cojinetes en bomba axialmente partida entre cojinetes. 72
Figura N° 11-4.- Corte de un cojinete de bolas tipo “Conrad”. 73
Figura N° 11-5.- Diagrama que muestra cómo se forma una cuña de lubricante en un
cojinete hidrodinámico.
75
Figura N° 11-6.- Cojinete plano. 75
Figura N° 11-7.- Corte de un cojinete de bolas de contacto angular. 76
Figura N° 11-8.- Diagrama de un arreglo de cojinetes Duplex Espalda con Espalda
(Back to Back).
78
Figura N° 11-9.- Cojinetes Duplex Espalda con Espalda mostrando ángulo de contacto. 78
Figura N° 11-11.- Diagrama de un arreglo de cojinetes en Línea (Tandem). 79
Figura N° 11-12.- Diagrama de un cojinete plano de empuje axial. 79
Figura N° 12-1.- Diagrama de un cojinete hidrodinámico. 82
Figura N° 12-2.- Lubricación Elastohidrodinámica, mostrando el área de contacto. 82
Figura N° 12-3.- Diagrama de un cojinete lubricado con grasa. 83
Figura N° 12-4.- Diagrama de una cajera de cojinetes siendo lubricada con grasa. 86
Figura N° 12-5.- Dispensador automático de grasa y su corte. 87
Figura N° 12-6.- Cojinete sellado con tapas plásticas (2RS). 87
Figura N° 12-7.- Corte de una cajera de cojinetes mostrando una estopera para sellado. 89
Figura N° 12-8.- Diagrama de un cojinete lubricado por baño de aceite. 91
Figura N° 12-9.- Diagrama de los indicadores de nivel tipos ojos de buey. 92
Figura N° 12-10.- Diagrama del nivel de aceite correcto en una bomba con baño de aceite. 92
Figura N° 12-11.- Diagrama de un cojinete lubricado anillo de aceite. 93
Figura N° 12-12.- Diagrama del arreglo típico de una cajera de cojinetes para lubricación
forzada.
94
Figura N° 12-13.- Diagrama de un sistema de lubricación forzado. 95
Figura N° 12-14.- Consola de generación de Neblina para lubricación. 96
Figura N° 12-15.- Diagrama de tuberías para un sistema de transporte de Neblina. 96
Figura N° 12-16.- Diagrama mostrando el flujo de Neblina en una cajera de cojinetes. 97
Figura N° 12-17.- Diagrama de bomba con Lubricación por Neblina Pura. 98
Figura N° 12-18.- Diagrama de bomba centrífuga lubricada con Neblina Pura 98
Figura N° 12-19.- Bomba almacenada mostrando un sistema de protección con Niebla
Pura.
98
Figura N° 12-20.- Diagrama de bomba equipada con un sistema de Lubricación por
Nebli-na de Purga.
99
Figura N° 13-1.- Fotografía de un acoplamiento mostrando sus partes. 101
Figura N° 13-2.- Cuadro comparativo entre los diferentes diseños de acoplamientos. 101
Figura N° 13-3.- Diagrama que referencial que define los límites de rendimiento para los
diseños comerciales de acoplamientos.
102
Figura N° 13-4.- Diagrama en corte de acoplamiento metálico de engranajes. 103
Figura N° 13-6.- Diagrama en corte de un acoplamiento elastomérico tipo neumático. 104
Figura N° 13-7.- Diagrama en corte de un acoplamiento elastomérico. 104
Figura N° 13-8.- Un paquete de láminas para un acoplamiento de láminas flexibles. 105
Figura N° 13-9.- Diagrama de un acoplamiento de láminas flexibles. 105
Figura N° 14-1.- Fotografía de un rollo de empaquetadura. 106
Figura N° 14-2.- Empaquetadura, ya moldeadas listas para ser instaladas en una bomba 107
Figura N° 14-3.- Diagrama en corte de una caja de empaquetaduras. 107
Figura N° 14-4.- Foto mostrando el corte de una de una caja de empaqueta-duras. 107
Figura N° 14-5.- Diagrama de un sello mecánico simple de resorte. 108
Figura N° 14-6.- Fotografía de un sello mecánico de cartucho. 109
Figura N° 14-7.- Diagrama de un sello mecánico en corte, indicando las partes 109
Figura N° 14-8.- Cara de un sello mecánico midiendo la plenitud en bandas de luz. 110
Figura N° 14-9.- Diagrama de un sello mecánico simple. 111
Figura N° 14-10.- Diagrama de un sello mecánico doble. 112
Figura N° 14-11.- Diagrama de un sello mecánico en línea. 112
Figura N° 14-12.- Sello mecánico tipo A. 114
Figura N° 14-13.- Sello mecánico tipo B. 114
Figura N° 14-14.- Sello mecánico tipo C. 114
Figura N° 14-15.- Plan 02 de lubricación para cara de sellos mecánicos. 116
Figura N° 14-16.- Plan 11 de lubricación para cara de sellos mecánicos. 116
Figura N° 14-17.- Plan 31 de lubricación para cara de sellos mecánicos. 116
Figura N° 14-18.- Plan 32 de lubricación para cara de sellos mecánicos. 117
Figura N° 14-19.- Plan 52 de lubricación para cara de sellos mecánicos. 117
Figura N° 14-20.- Plan 54 de lubricación para cara de sellos mecánicos. 118
Figura N° 14-21.- Plan 72 de lubricación para cara de sellos mecánicos. 118
Figura N° 16-1.- Control por estrangulamiento a la descarga. 122
Figura N° 16-2.- Control por recirculación. 123
Figura N° 16-3.- Control por variación de velocidad. 124
Figura N° 17-2.- Tabla mostrando las velocidades del motor en RPM, para las diferentes frecuencias y de acuerdo al N° de polos.
126
Figura N° 18-1.- Registro de vibración en función del tiempo. 129
Figura N° 18-2.- Orbita generada al combinar las lecturas de vibración. 129
Figura N° 18-3.- Espectro de vibración en función de la frecuencia. 130
Figura N° 18-4.- Diferentes medidas de desplazamiento en vibraciones mecánicas. 130
Figura N° 18-5.- Diagrama de un transductor de desplazamiento. 131
Figura N° 18-6.- Diagrama en corte de un velocímetro. 131
Figura N° 18-7.- Diagrama en corte de un acelerómetro. 131
Figura N° 18-8.- Espectro mostrando vibración por desbalance. 133
Figura N° 18-9.- Espectro mostrando el paso de alabe a una frecuencia Zx. 134
Figura N° 18-10.- Espectro mostrando el comportamiento por cavitación. 134
Figura N° 19-1.- Diagrama de una bomba de succión frontal API 610, en su base, tipo OH2 135
Figura N° 19-2.- Diagrama en corte de una bomba de succión frontal tipo OH1. 136
Figura N° 19-3.- Diagrama de una bomba vertical en línea, tipo OH4. 136
Figura N° 19-4.- Diagrama en corte de una bomba en línea, tipo OH4. 136
Figura N° 19-5.- Diagrama de una bomba multietapas axialmente partida, tipo BB3. 137
Figura N° 19-6.- Diagrama de una bomba multietapas axialmente partida en corte. 137
Figura N° 19-7.- Diagrama de bomba multietapas, radialmente partida tipo barril. 138
Figura N° 19-8.- Diagrama en corte de bomba multietapas radialmente partida tipo barril
del tipo BB5
138
Figura N° 19-9.- Diagrama de una bomba axialmente partida, entre cojinetes, del tipo
BB1
139
Figura N° 19-10.- Diagrama en corte de una bomba doble succión axialmente partida entre
cojinetes, del tipo BB1 API.
139
Figura N° 19-11.- Fotografía de una bomba vertical tipo turbina 140
LISTA DE ECUACIONES
Ecuación N° 2-1.- Diámetro mínimo del eje para soportar el torque del eje. 8
Ecuación N° 2-2.- “Stress”. 9
Ecuación N° 2-3.- Índice de Rigidez. 10
Ecuación N° 2-4.- Esfuerzo Radial en una bomba centrífuga. 14
Ecuación N° 2-5.- Constante K. 14
Ecuación N° 3-1.- Cabezal Total (H). 24
Ecuación N° 3-2.-
H
H
2
1
25Ecuación N° 3-3.- Cabezal Total indicando punto 1 y punto 2. 25
Ecuación N° 3-4.- Cabezal de Fricción 26
Ecuación N° 3-5.- Velocidad Tangencial de la bomba. 26
Ecuación N° 3-6.- Cabezal de Velocidad. 26
Ecuación N° 3-7.- Potencia al eje. 28
Ecuación N° 4-1.- Velocidad Específica. 33
Ecuación N° 4-2.- Velocidad Específica de Succión. 34
Ecuación N° 6-1.- NPSHA disponible. 40
Ecuación N° 8-1.- Flujo Mínimo Térmico. 56
Ecuación N° 8-2.- Flujo Mínimo por incremento de Temperatura. 57
Ecuación N° 9-1.- Leyes de Afinidad para distintas velocidades, Caudales con distintas
velo-cidaddes.
61
Ecuación N° 9-2.- Leyes de Afinidad para distintas velocidades, Cabezales con distintas
velocidades.
61
Ecuación N° 9-3.- Leyes de Afinidad para distintas velocidades, Potencias con distintas
velocidades.
61
Ecuación N° 9-4.- Leyes de Afinidad para distintos diámetros, caudales con distintos
diámetros.
61
Ecuación N° 9-5.- Leyes de Afinidad para distintos diámetros, cabezales con distintos
diámetros.
61
Ecuación N° 9-6.- Leyes de Afinidad para distintos diámetros, potencias con distintos
diámetros.
Ecuación N° 11-1.- Factor de Velocidad. 71
Ecuación N° 11-2.- Densidad de la Energía. 71
LISTA DE TABLAS
Tabla 12-1.- Muestra la comparación entre los costos de las diferentes composiciones
de grasas industriales.
85
Tabla 12-2.- Muestra la comparación entre los costos entre el aceite mineral y los
diferentes aceites sintéticos
1.- INTRODUCCION
La necesidad de transporte de fluidos de un lugar a otro ha llevado al ser humano a idear sistemas que le permitan lograr este objetivo. Un hombre transportando dos cubos de agua puede ejercer la función de un sistema de transporte de fluidos, solo que puede resultar limitado en el caudal que se puede transportar cuando se requiere mover grandes cantidades de fluidos.
En la antigüedad esa necesidad y la inexistencia de medios eficientes para transportar grandes caudales de agua motivaron a las principales civilizaciones a desarrollar su potencial en torno a grandes ríos que les proveían agua y medios de comunicación. Ejemplos de ello son el antiguo Egipto en las márgenes del Nilo, Mesopotamia en torno a los ríos Éufrates y Tigris, los semitas alrededor del río Jordán, los indianos entorno a los ríos Indo y Ganges, etc. En la figura N° 1-1 se muestra un dispositivo antiguo usado por los egipcios para captar agua de un río.
Figura N° 1-1.- Dispositivo antiguo para captar agua
de un río.
Fuente: Egypt's Nile Valley Basin Irrigation,Sandra Postel en
www.waterhistory.org / histories /nile
Esta motivación no alcanzó solamente a las civilizaciones del mundo conocido también movió a los principales pueblos del nuevo mundo, como los Aztecas y los Mayas, a prosperar en la proximidad de grandes lagos o a construir grandes cisternas para almacenar y colectar agua de lluvia.
Los primeros esfuerzos para mover agua de forma masiva se enfocaron en los sistemas de irrigación, donde se tomaba agua de los ríos y mediante gravedad y por medio de canales se distribuía agua a los cultivos. El flujo y las variaciones estacionales era controlando con compuestas y diques.
Un dispositivo ampliamente usado, en la antigüedad para llevar agua a los sistemas de irrigación son las llamadas bombas de cadenas. Las bombas de cadenas son dispositivos que poseen una serie de recipientes que pueden ser jarras, cucharones u otros elementos que están unidos mediante cuerdas o cadenas que se sumergen en los pozos o cisternas y mantienen el flujo continuo desde un pozo. Ellas pueden ser accionadas tanto por humanos como por animales, adicionalmente incorporan otros mecanismos auxiliares como pueden ser engranajes, pivotes y pedales para complementar el accionamiento. Estas bombas aparecieron en Egipto, Babilonia y China entre los años 700 y 300 A.C. aunque con diferentes diseños y conceptos la esencia era la misma.
De hecho en “La Sagrada Biblia” se hace referencia a lo que parece ser una bomba de cadena asociada a un pozo; Eclesiásticos 12:6
“Antes que la cadena de plata se quiebre, y se rompa el cuenco de oro, y el cántaro se quiebre junto a la fuente, y la rueda sea rota sobre el
pozo”. De este párrafo es posible asumir que se
refiere a la rueda de un sistema de elevación de agua para el pozo. La figura N° 1-2 muestra el diagrama de uno de los modelos de bomba de cadena usada en China.
Figura N° 1-2.- Diagrama de una bomba de cadena. Fuente: http://en.wikipedia.org/wiki/File:Tiangong_ Kaiwu_Chain_ Pumps2.jpg.
En Egipto, en los siglos V y VI de nuestra era, se usaban en bombas de cadenas accionadas por animales que eran capaces de elevar agua desde pozos con 100 metros de profundidad.
En el siglo III A.C, en tiempos de Aristóteles, existían bombas de estructuras primitivas, como lo es el Tornillo de Arquímedes, inventado por
muestra el diagrama de un Tornillo de Arquímedes.
Figura N° 1-3.- Diagrama del Tornillo de Arquímedes.
Fuente: Chambers's Encyclopedia (Philadelphia: J. B. Lippincott Company,
1875), en www.wikipedia.org/wiki/ Archimedes'_screw
Los romanos en el siglo IV D.C. usaban los
Tornillos de Arquímedes en sus sistemas de
suministro de agua, acueductos, sistemas de irrigación y de drenaje. El Tornillo de Arquímedes es una de las más antiguas máquinas que en la actualidad se continúa usando siguiendo el diseño básico de este inventor.
El Tornillo de Arquímedes es un espiral sobre un eje que es accionado por una manivela y está contenido en un cilindro. Al dar giro a la manivela el movimiento del espiral hace subir el agua de un nivel a otro, en la antigüedad todo el conjunto estaba fabricado con madera.
Cuando Cesar Augusto era emperador en el siglo I
D.C. se empleaba un tipo de bomba de émbolo tal
como la describe un reconocido arquitecto romano de la época, llamado Vitruvio, en un tratado denominado “La Arquitectura”.
En la Arquitectura, Vitruvio describe una serie de máquinas y métodos constructivos, este libro es uno de los pocos documentos de ingeniería de esta época que sobrevivió y que fue utilizado como base para escribir otros libros sobre la materia, principalmente en la Edad Media.
En Alejandría, Egipto, en la misma época (siglo I,
A.C.) se fabricó una bomba de embolo, hecha de
bronce, que fue usada principalmente para combatir incendios.
Algunos inventores dejaron evidencias en el siglo
XV de la existencia de máquinas o estructuras que
aprovechan la fuerza centrífuga para elevar el
agua. En una mina portuguesa de cobre del siglo
XV fue encontrada una rueda de madera con 10
alabes o paletas, que hasta el presente nadie ha podido determinar o entender cómo funcionaba. Un ingeniero Inglés de apellido Newcomen creó, en 1712, una bomba de émbolo para elevar agua desde una mina, la cual era accionada por un cilindro a vapor. La figura N° 1-4 muestra el diagrama de la bomba de Newcomen.
Figura N° 1-4.- Diagrama de la bomba de
Newcomen.
Fuente: Industrial Revolution - Pictures From The Industrial Revolution, Por
Mary Bellis , en www.inventorsabout.com /od/indrevolution /ss/ Industrial_Revo
La apariencia y el concepto técnico de la estructura de la bomba Newcomen son similares a un balancín de los utilizados en los pozos de producción de petróleo, pero fabricado en madera. El sistema funciona de la siguiente forma: como el dispositivo cuenta con una caldera la cual es calentada para generar vapor, el vapor luego es expandido para mover el pistón de un cilindro que está ubicado en uno de los extremos del balancín. El movimiento de este pistón origina el movimiento del otro extremo del balancín, mediante un pivote central, creando un vacío que hace que el agua se desplace del fondo de la mina hacia la superficie, adicionalmente el sistema posee un conjunto de válvulas que cierran y abren permitiendo la acción de bombeo.
En el año 1876, el ingeniero norteamericano
Worthington creó una bomba de desplazamiento
positivo accionada por vapor, que revoluciono los conceptos de la época. La figura N° 1-5 muestra un diagrama de la bomba ideada por Worthington, en un dibujo de la época en que fue patentada.
Figura N° 1-5.- Diagrama en corte de la bomba de
Worthington.
Fuente: A history of the growth of the steam-engine. By Robert H. Thurston, A.
M., C. E., en www.history. rochester.edu/ steam /thurston/1878.
En este diseño los émbolos usados para mover el fluido (la bomba) y los émbolos para accionar la bomba (el motor de vapor) estaban en un eje o cigüeñal común. Cuando los cilindros de vapor actúan por la de expansión del vapor, mueven los cilindros de la bomba generando la acción de bombeo.
1.1.- ¿QUE ES UNA BOMBA?
Las bombas son máquinas usadas para mover fluidos a través de tuberías, mediante diferentes transformaciones de energía.
Existen muchos tipos de bombas y diferentes maneras de clasificarlas. La clasificación más difundida es la que reúne a dos grupos principales de bombas: las bombas dinámicas y las bombas de desplazamiento positivo.
En las bombas dinámicas la energía es continuamente suministrada al fluido el cual incrementa su velocidad, luego esa velocidad es reducida en la voluta o difusor de la bomba, produciendo un incremento de presión. La máxima exponente de este tipo de bomba es la bomba centrífuga, cuyos diferentes diseños son usadas extensivamente en la Industria Petrolera.
En las bombas de desplazamiento positivo la energía es periódicamente suministrada al fluido por la aplicación de una fuerza directa sobre un volumen de líquido, el cual incrementa su presión al valor requerido para moverse en la tubería de descarga. Las bombas de desplazamiento positivo más usadas en la Industria Petrolera son las bombas reciprocantes y las bombas de tornillos.
Este libro está concebido para describir los
elementos fundamentales de las bombas
centrífugas aplicadas en la Industria Petrolera.
1.2.- ¿QUÉ SON LAS BOMBAS
CENTRÍFUGAS?
Las bombas centrífugas son el diseño más utilizado y difundido de las bombas dinámicas. Este tipo de bomba comprende una extensa familia de diseños, donde la generación de presión se realiza por la conversión de Cabezal de Velocidad en Cabezal
Estático.
En las bombas centrífugas el movimiento de rotación de uno o más impulsores entrega energía al fluido que se desea bombear, el cual incrementa su velocidad. La velocidad que suministra el impulsor al fluido es convertida en Cabezal Estático aprovechable o presión en la sección de difusión de la carcasa (sea voluta o difusor, dependiendo del diseño de la bomba).
Existen dibujos de Leonardo De Vinci del siglo XV, donde disertaba sobre la posibilidad de usar la fuerza centrífuga del agua para elevarla, mediante la aceleración en un canal curvilíneo.
Otros inventores Europeos usaron este principio diseñaron algunas estructuras que utilizaban la fuerza centrífuga del agua para elevar líquidos, entre estos se destaca el científico y físico francés
Denis Papin, quien en 1689 hizo grandes
contribuciones al desarrollo del movimiento de fluidos con elementos centrífugos.
Desde la primera mitad del siglo XIX se produjo un desarrollo acelerado de las bombas centrífugas con el inicio de las operaciones de producción de la empresa “Massachusets Pump Factory”. La empresaabrió las puertas en 1818, en la ciudad de Boston-USA, producían bombas centrífugas en escala comercial, con diseños rudimentarios usando impulsores abiertos de alabes rectos (diseñados basándose en las teorías del físico Denis Papin) y carcasas de sección rectangular a manera de voluta.La figura N° 1-6 muestra el diagrama de una
bomba centrífuga típica, de uso general, donde se observa la carcasa en forma de espiral.
La bomba centrífuga clásica de una rueda estructurada tal cual la conocemos en la actualidad fue desarrollada por el inventor norteamericano
William Andrews en 1839, cuando introdujo la
carcasa tipo voluta en forma de espiral. En 1846, mejoró el rendimiento de sus bombas al usar en uno de sus diseños un impulsor completamente cerrado.
Figura N° 1-6.- Diagrama de una bomba centrífuga
típica, de uso general.
Fuente: ANDRIZ Group em www.andritz.com/
Durante su vida W. Andrews recibió un total de 35 patentes, por diferentes inventos incluyendo patentes de bombas centrífugas. Otro inventor W.
H. Jonson construyó en 1846 la primera bomba
centrífuga multietapas, específicamente de tres etapas.
El desarrollo amplio de las bombas centrífugas fue impulsado por la introducción del motor eléctrico de corriente alterna desarrollado a finales del siglo XIX, debido a la iniciativa de varios inventores pero el diseño del alemán
Dobrowolsky de la firma AEG fue el primer
diseño eficiente de motor eléctrico. El presentó en 1889 un patente para un motor eléctrico trifásico con jaula de ardilla de 80 Watts que tenía una Eficiencia aproximada del 80%.
Con el motor eléctrico fue posible desarrollar velocidades lo suficientemente altas en equipos relativamente compactos, lo que permitió desde este momento movilizar caudales importantes de agua con presiones medias y altas, usando equipos significativamente más compactos y económicos que los equipos antecesores.
2.- PARTES DE UNA BOMBA
CENTRÍFUGA
Los componentes básicos de una bomba centrífuga son la carcasa, el impulsor o impulsores en las bombas multietapas, el eje, los anillos de desgaste, los cojinetes, y los sellos mecánicos. Estos componentes están indicados en la figura N° 2-1 que presenta el diagrama de una bomba centrífuga seccionada indicando las partes principales.
Figura N° 2-1.- Partes de una bomba centrífuga. Fuente: Flowserve Corporation, en www.flowserve.com/Products /Pumps.
A continuación se realizará una descripción de los diferentes componentes de las bombas centrífugas.
2.1.- IMPULSORES
Los impulsores son el corazón de la bomba, ya que son los elementos por medio de los cuales se transmite la energía al fluido. Las primeras contribuciones importantes y sistemáticas en el campo de la transmisión de la energía mediante elementos centrífugos fueron desarrolladas por físicos Franceses del siglo XVI y XVII entre los cuales se incluye a Papin. En 1838 A. Combs publicó un trabajo sobre el estudio del efecto de la curvatura de los alabes de los impulsores en la
Eficiencia de las bombas centrífugas.
En el Palacio de Cristal, en Londres, en el año 1851 durante la Exposición Mundial Appold’s logró 68% de Eficiencia en una bomba centrífuga equipada con un impulsor abierto de alabes curvados (tres veces más eficiente que cualquier bomba de la época). Un diagrama en corte de un impulsor es presentado en la figura N° 2-2.
Figura N° 2-2.- Diagrama en corte de un impulsor cerrado.
Fuente: Manual Básico de Bombas, por José Acosta, 1995.
Los impulsores están compuestos por un cubo que lo une al eje y por los alabes que son los elementos que imparten velocidad o energía cinética al líquido que se bombea.
Dependiendo del diseño los impulsores también poseen un disco posterior que refuerza los alabes, que sirve para separar el área de succión del área de descarga y un protector en la parte frontal que se denomina gualdera. Un área importante para el desempeño del impulsor es la zona del ojo del impulsor, que es por donde el fluido entra a la bomba.
Los materiales de fabricación pueden ser diversos dependiendo de la aplicación para la cual fueron diseñados, variando desde fundición de hierro, acero al carbono, acero inoxidable, bronce, latón, aluminio y hasta los termoplásticos.
En los primeros desarrollos de bombas centrífugas los impulsores eran abiertos y de alabes rectos. Al final de los siglos XIX y principios del siglo XX se inició el desarrollo intensivo de la hidráulica de los impulsores, con los estudios de Combs sobre hidráulica y de Appold sobre el efecto de la curva del alabe en la Eficiencia de las bombas centrífugas.
El número de alabes usado en cada impulsor de las bombas comerciales, por lo general, está entre dos y siete dependiendo de la aplicación. Por ejemplo en impulsores para el manejo de sólidos, donde es necesario que los sólidos pasen por el cuerpo de la bomba sin atascarse, se utilizan solamente de dos a tres alabes por impulsor.
Cuando se requiere mayor Eficiencia y flujo más uniforme y estable desde el punto de vista hidráulico, se utilizan de cinco a siete alabes por
impulsor. Los impulsores se pueden fabricar con
succión simple o doble succión. En la figura N° 2-3, se observa el diagrama de un impulsor de doble succión.
Figura N° 2-3.- Diagrama de un impulsor de doble
succión.
Fuente: www.adrecotech.co.uk/7.html
El impulsor de succión simple es el que comúnmente vemos instalado en las bombas de procesos. En los impulsores de doble succión el fluido entra, uniformemente, por los dos ojos independientes de la succión y descargan en una sección de la carcasa que es común.
Los impulsores doble succión son utilizados ampliamente en bombas de alto volumen como es el caso de las torres de enfriamiento y en sistemas con bajo Cabezal de Succión disponible.
Existen diferentes diseños, definiciones y configuraciones para clasificar los impulsores, como por ejemplo por el flujo que circula en ellos, impulsores de flujo radial, impulsores de flujo mixto e impulsores de flujo axial. La clasificación más utilizada es la comercial que utiliza el punto de vista mecánico, que fundamentalmente consta de tres (3) diseños básicos de impulsores, los impulsores abiertos, los semi-abiertos y los cerrados.
En Europa predomina el uso de los impulsores cerrados, llegando a porcentajes por arriba del 80%, sumando las diferentes aplicaciones, impulsado principalmente por la mejor Eficiencia y por el menor consumo de energía relativo.
En América, por razones de economía en la implantación de los proyectos o en la inversión inicial, el uso de los impulsores semi-abiertos está más difundido que los impulsores cerrados en las
plantas de procesos con excepción de las refinerías, donde por requerimientos de la norma API 610/ISO
13709 “Centrifugal Pumps for Petroleum,
Petrochemical and Natural Gas Industries” se
aplican los impulsores cerrados.
A continuación se describen brevemente las principales características de estos tres tipos de impulsores comerciales.
2.1.1.- IMPULSORES ABIERTOS
En los impulsores abiertos los alabes están libres, extendiéndose desde el cubo que los soportan, la
figura N° 2-4 muestra un impulsor abierto.
Figura N° 2-4.- Diagrama de un impulsor abierto.
Fuente: www.keystec.com/Air_Whip.html
Estos impulsores son usados para el movimiento de fluidos en bombas de bajo costo, pero fundamentalmente para manejar mezclas de sólidos y líquidos, debido a que se disminuye la posibilidad de que los elementos sólidos se atasquen en los pasajes formados por los alabes. También su uso está generalizado en bombas pequeñas donde la
Eficiencia no es el elemento determinante para la
selección, en este tipo de bomba los impulsores permiten un aprovechamiento máximo a un mínimo costo. Otra aplicación para este tipo de impulsor está en las bombas de flujo axial, donde son diseñados para mover grandes volúmenes de fluido. Por no tener los alabes ningún tipo de cubierta las áreas de succión y de descarga se encuentran en contacto permanente, por lo que no se requiere ningún elemento adicional para equilibrar las fuerzas axiales. Al no poseer disco posterior no existen superficies que pudiesen reaccionar con la presión hidráulica para generar las fuerzas axiales. La desventaja básica del impulsor abierto es que genera una Eficiencia global menor en la bomba.
En bombas centrífugas más elaboradas se evita el uso de impulsores abiertos debido a que los alabes están expuestos a mayor esfuerzo
hidráulico y su Eficiencia resulta baja
comparada con otros diseños, al menos 5% por debajo de una bomba con impulsor semi-abierto con las mismas características.
2.1.2.- IMPULSORES SEMI-ABIERTOS
En los impulsores semi-abiertos los alabes están soportadas por un plato posterior, pero están libres en la parte frontal. La figura N° 2-5 muestra el diagrama de un impulsor semi-abierto para una bomba de procesos tipo ASME B73.1 “Specificationfor Horizontal End Suction Centrifugal Pumps For Chemical Process”.
Figura N° 2-5.- Diagrama de un impulsor
semi-abierto.
Fuente: ecom.coastal.com/.../Centrifugal-training.aspx
Son usados en las bombas de procesos de aplicación general y en servicios donde se
requiere el manejo de sólidos. En bombas de
baja y media energía son más eficientes que otros diseños de impulsores debido a que la eliminación de la tapa frontal o gualdera reduce la fricción contra la voluta, por esta razón mantienen un equilibrio entre el costo y el rendimiento.
En los impulsores semi-abiertos para lograr equilibrar las fuerzas axiales, por lo general se perforan agujeros en el impulsor, lo cual comunica la zona de succión con la zona de descarga generando el balance de las presiones. Estos agujeros afectan en algo la Eficiencia del sistema, pero sin llegar a tener un impacto importante. En equipos de mayor energía, como es el caso de las bombas centrífugas multietapas se utilizan otros
dispositivos para lograr el balance de fuerzas axiales como es el caso de los pistones para el balance axial.
La figura N° 2-6 muestra el diagrama de un
impulsor semi-abierto con agujeros para equilibrar el empuje axial.
Figura N° 2-6.- Diagrama agujeros de balance en
impulsores semi-abiertos.
Fuente: Rukmani Engineering Works
Otro dispositivo utilizado para el balanceo axial de este tipo de impulsores son los alabes posteriores en el impulsor o POV (Pump Out Vanes), aplicado principalmente en bombas que manejan productos con contaminantes o partículas sólidas, ya que la fuerza centrífuga generada por estos alabes mantiene los contaminantes fuera de la zona de los anillos de desgaste. La figura N° 2-7 muestra los
POV.
Figura N° 2-7.- Diagrama mostrando los POV (Pump Out Vanes).
Fuente: takangming.en.alibaba.com/productshowimg/331656978-210381299
La utilización principal de este tipo de accesorio es básicamente para disminuir la presión en la caja de sellos, sin embargo al mismo tiempo al incrementar la velocidad del fluido en parte trasera del impulsor causa una disminución de los efectos de la presión hidráulica acumulada resultando en la reducción de las fuerzas axiales que soportan los cojinetes de empuje axial.
La Eficiencia y efectividad de estos alabes va a depender de las holguras entre el impulsor y la carcasa en esta área. Este tipo de solución no es aceptada por el API 610 en la sección 6.7 “Wear
rings and running clearances”.
2.1.3.- IMPULSORES CERRADOS
En los impulsores cerrados los alabes están cubiertos con un plato frontal y uno plato posterior.
Este impulsor resulta ser más conveniente para bombas que desarrollan altas presiones, ya que las tapas ayudan a separar el área de succión del área de descarga, permiten mayor control de la dirección del fluido bombeado, disminuyen el deslizamiento de fluido entre la zona de alta presión y la zona de baja presión y mejoran la
Eficiencia general de la bomba. La figura N° 2-8
muestra la fotografía de un impulsor cerrado.
Figura N° 2-8.- Fotografía de un impulsor cerrado. Fuente: Runkmani Engineering works
El Standard API 610 / ISO 13079 en 11ava edición
indica que todos los impulsores de las bombas fabricadas bajo esta norma tienen que ser del tipo cerrado, semi-abierto o abierto. Destacando que con los impulsores del tipo cerrado se logra menos sensibilidad a la posición axial, por lo cual son preferibles para ser aplicado en bombas centrífugas con eje largo donde el desplazamiento axial debido a la expansión/contracción térmica o debido al empuje axial puede ser sustancial.
La misma norma destaca que los impulsores semi-abiertos pueden ofrecer alta Eficiencia que otros impulsores, ya que se elimina la fricción de disco de una de las caras. En las bombas verticales es posible ajustarlas holguras de rodaje actuando en el acoplamiento o en el tope de la bomba, sin desmontar la bomba. Los impulsores abiertos los indica para las bombas axiales tipo pópela de alto flujo y bajo cabezal de descarga y en las bombas de sumidero.
Los impulsores cerrados son usados en bombas multietapas y de alta energía donde se requiere mayor control del flujo. Por su
complejidad en cuanto a configuración resultan más costosos en su fabricación que los impulsores abiertos y semi-abiertos.
En definitiva el diseño apropiado de impulsor depende de las características constructivas de la bomba, de la industria donde se aplicará, de la complejidad del servicio y del trabajo específico que desarrollará la bomba centrífuga que lo contendrá.
2.2.- EJE
El eje es el componente que conecta el elemento motor con el impulsor, y por medio de éste es transmitida la energía desde el motor o elemento accionador a la bomba.
El eje debe ser dimensionado de forma que sea capaz de transmitir el máximo torque requerido en cualquier condición especificada para la operación de la bomba, lo cual incluye los torques transitorios de la fase de arranque, los cambios de las condiciones del proceso y los cambios de velocidad en las aplicaciones donde las bombas están movidas por accionadores de velocidad variable. Una buena aproximación del diámetro mínimo que debe tener el eje de una bomba centrífuga para soportar el torque máximo al que será sometido es presentada en la ecuación N° 2-1:
RPM
Stress
BHP
D
*
000
.
321
*
3
[2-1]
D: Diámetro del eje, en Pulgadas.
BHP: Potencia, en HP.
RPM: Velocidad de la bomba, en rev/min.
El “Stress” está representado en la ecuación N°
Seguridad
de
Factor
Strength"
Yield
"
Stress
[2-2]
Factor de Seguridad: Tomar el valor de 14,2 (este
es el valor más utilizado), es relativamente alto debido a que en los arranques los motores pueden desarrollar torques entre 8 y 13 veces el torque nominal.
“Yield Strength” (Resistencia a la Fluencia) Es la
resistencia a la fluencia del material utilizado en la fabricación del eje. A continuación los módulos de resistencia a la fluencia típicos de una colección de materiales usados con frecuencia en la fabricación de ejes para bombas.
Acero 1040 76.000 psi.
Acero 4140 95.000 psi.
Acero 4340 101.000 psi.
Nitronic 40 (Duplex) 132.000 psi.
Acero inoxidable 410 130.000 psi.
Acero inoxidable 316 40.000 psi.
En situaciones operacionales se ha observado reducción del diámetro del eje de bombas centrífugas (perdida de material) debido a roce o contacto del eje en rotación con guarda acoples, tapas protectoras mal colocadas, etc.
Esta ecuación permite evaluar si el diámetro remanente del eje es capaz de soportar la carga hasta que se disponga de un eje nuevo. Es buena práctica, en esos casos, eliminar las
rebabas y resaltes (material indeseable
resultado del contacto) que posee ángulos cortantes y concentradores de esfuerzos, para evitar aceleración de la falla e intentar la extensión de la vida del eje, hasta disponer del reemplazo.
2.2.1.- DEFLEXION DE LOS EJES
Los principales elementos que influyen en la deflexión de los ejes de las bombas de succión frontal son el diámetro D y la distancia L entre el cojinete y el centro del impulsor. La magnitud L es
la longitud entre el centro del impulsor y el primer cojinete, en pulgadas (mm, en sistema internacional) y la magnitud D es el diámetro del eje, en pulgadas (mm, en sistema internacional). El diámetro D del eje no solamente debe ser capaz de resistir el torque de la bomba, sino que también debe proporcionar al eje la suficiente rigidez para evitar deflexiones excesivas que produzcan daños en los sellos mecánicos, en
los bujes inter-etapas, en los anillos de desgaste y en los cojinetes. La figura N° 2-9, muestra
cuales son las medidas L y D.
Figura N° 2-9.- Diagrama del rotor de una bomba
de succión frontal, mostrando el sello y los cojinetes.
Fuente: Dibujado por el autor.
La deflexión en los ejes no debe ser mayor a la
holgura mínima de rodaje de la bomba para evitar el
atascamiento o daños en los componentes. El
máximo doblez o “run out” permitido en el eje
de la bomba no debe exceder 50μm (0,002 pulgadas). De hecho en el API 610 / ISO 13709
11va edición, en la sección 6.9 “Dynamics”, 6.9.1
“General”, indica que para obtener un rendimiento
adecuado de los sellos mecánicos la rigidez del eje debe limitar la deflexión, a 50μm (0,002 pulgadas)
en la cara primaria del sello mecánico en la
condición más severa condición dinámica, en el rango aceptable de operación y con el máximo diámetro del impulsor. Es conocido y ampliamente difundido en
la literatura que una pequeña deflexión de 50m o
75m (0,002 o 0,003 pulgadas) causa desgaste
irregular en las caras de los sellos y reduce la vida de los cojinetes.
En la figura N° 2-10 podemos observar una gráfica que representa el factor de deflexión del eje de una bomba de succión frontal típica en función de la ubicación del punto de operación de la bomba, basado en un % del Punto de Mejor Eficiencia o
BEP.
Por diseño la menor deflexión se consigue en el
Punto de Mejor Eficiencia (Conocido por sus
siglas en inglés BEP, “Best Efficiency Point”). El
BEP es el caudal y la presión de diseño de una
determinadabomba centrifuga, en este punto de
operación fueron optimizado los ángulos de los alabes y los canales hidráulicos del equipo.
