Turbo maquinas hidráulicas: Bombas roto dinámicas.

1.- Definición y clasificación de las bombas.

Bomba es una máquina que absorbe energía mecánica y restituye al líquido que la atraviesa energía hidráulica. Se utiliza para impulsar toda clase de líquidos. Se clasifican en:

1) Bombas roto dinámicas: Todas y solo la bombas que son turbo maquinas pertenecen a este grupo. Estas son siempre rotativas. Su funcionamiento se basa en la ecuación de Euler, y su órgano trasmisor de energía se llama rodete.

2) Bombas de desplazamiento positivo: a este grupo pertenecen no solo las bombas alternativas, sino también las rotativas roto estáticas porque son rotativas, pero en ellas la dinámica de la corriente no juega un papel esencial en la transmisión de la energía. Su funcionamiento se basa en el principio de desplazamiento positivo.

2.- Clasificación de las bombas roto dinámicas.

-Según la dirección del flujo.

-Según la posición del eje.

-Según la presión engendrada.

Según el número de flujos en la bomba.

-según el número de rodetes.

3.- Elementos Constitutivos.

-Rodete: Que gira solidaria al eje de la máquina y consta de un cierto numero de alabes que imparten energía al fluido en forma de energía cinética y energía de presión.

-Corona directriz: Recoge el líquido del rodete y trasforma la energía cinética comunicada por el rodete en energía de presión.

-Caja espiral: Transforma también la energía dinámica en energía de presión y recoge además con pérdidas mínimas de energía el fluido que sale del rodete, conduciéndolo hasta la tubería de salida o tubería impulsor.

-Tubo difusor troncocónico: Realiza una tercera etapa de difusión o sea de transformación de energía dinámica en energía de presión.

4.- Sección de entrada e y de salida s

Norma: La sección de entrada de la bombas se toma antes de la brida de conexión del tubo de aspiración. La sección de salida se toma después de la brida de conexión del tubo impulsor.

5.- Tipos de construcción.

1) Bomba de carcasa seccionada. Esta bomba está dividida por un plano axila horizontal, la tubería de salida y entrada, así como el conducto de conexión entre primero y segundo escalonamiento se encuentran en la parte inferior de la carcasa.

2) Bomba monobloc.

3) Bomba de doble aspiración. Esta bomba es semi-axial o de fluido mixto y resulta adecuada para grandes caudales.

4) Bomba axial. Suministra un caudal de unos 6000 l/s. El rodete tiene forma de hélice y es adecuada para grandes caudales y pequeñas alturas de elevación.

5) Bombas de pozo profundo. Son análogas a las anteriores y se instalan en el interior del pozo, y a veces sumergidas.

6.- El rodete.

Los rodetes se clasifican en cuatro tipos.

a) Rodete cerrado de simple aspiración: la cara anterior y posterior forman una caja: entre ambas caras se fija los alabes.

b) Rodete cerrado de doble aspiración.

c) Rodete de simple aspiración: si la cara anterior, los alabes se fijan solo en la cara posterior.

d) Rodete de doble aspiración sin cara anterior ni posterior: los alabes se fijan en el núcleo o cubo de rodete.

El rodete de una bomba roto-dinámica se ha de proyectar de manera que la Q y H requeridas se obtengan el óptimo rendimiento. Los Q y H necesarios varían entre amplios límites, y dentro de ellos puede requerir cualquier combinación Q y H con diferentes valores de n, buscando siempre el óptimo rendimiento. La consecuencia de esto es la siguiente:

El rodete de las bombas roto-dinámicas va cambiando insensiblemente de forma para adaptarse a las diferentes condiciones de servicio.

La clasificación más precisa de las bombas roto-dinámicas es una clasificación numérica, asignada a toda la familia de bombas geométricamente semejantes un número, el numero especifico de revoluciones.

7.- El sistema difusor.

Esto se divide en 3 elementos:

-Corona directriz.

-Caja espiral.

-Cono difusor.

El papel de estos 3 elementos es el mismo: transformar la elegía dinámica que da el rodete en energía de presión con el mínimo posible de pérdidas.

8.- Cebado de la bomba.

Las bombas roto-dinámicas no son autocebantes. En efecto, las bombas roto-dinámicas funcionando a una n determinada, proporcionan una altura H máxima, que con frecuencia no siempre coincide con el punto para el cual Q=0. Esta altura según la ecuación de Euler, no dependen de la densidad del fluido.

9.- Instalacion de una bomba

- La alcachofa y válvula de pie. La primera evita la entrada de suciedades que pueden obstruir la bomba, y la segunda hace posible el cebado de la bomba. Ambos elementos originan una importante pérdida de carga.

- Las 2 válvulas de compuerta en la aspiración y en el impulsor: a veces no se instala la primera, pero de la segunda no se prescinde nunca por qué sirve para regular el caudal de la bomba.

- La válvula de retención en el impulsor: impide el retroceso del fluido, cuando la bomba se para.

- El reductor en la aspiración. Para mejorar la aspiración de la bomba y evitar la cavitación se aumenta a veces el diámetro de la tubería de aspiración.

La altura teórica que da la bomba se expresa con la siguiente ecuación:

Donde 1 y 2 se refieren a la netrda y sakida del rodate, Hu es la altura que el rodete imparte al fluido.

Segunda expresión de la altura útil y de la energía útil

Escribamos la ecuación de Bernoulli entre las Secciones A y Z (recuérdese que al deducir la primera expresión de la altura manométrica escribimos la misma ecuación; pero entre las secciones E y S):

Donde Hr-ext: pérdidas exteriores a la bomba.

En el caso PA = Pz = 0; pero si el depósito de aspiración o impulsión no están a la presión atmosférica, esto no se cumple. Si, como sucede de ordinario, las áreas del pozo de aspiración y del depósito de

impulsión son suficientemente grandes para que puedan despreciarse, tendremos:

Y

Por otra parte

donde pérdida total exterior a la bomba;

- pérdida en la aspiración (o sea entre los puntos A y E);

- pérdida en la tubería de impulsión;

pérdida secundaria en el desagüe en el depósito.

Finalmente:

SEGUNDA EXPRESION DE LA ENERGÍA UTIL

PÉRDIDAS, POTENCIAS Y RENDIMIENTOS

Pérdidas

Todas las pérdidas en la bombapueden clasificar en tres grupos: — Pérdidas hidráulicas. — Pérdidas volumétricas. — Pérdidas mecánicas.

Pérdidas hidráulicas

Las pérdidas hidráulicas disminuyen la energía específica útil que la bomba comunica al fluido y consiguientemente la altura útil. Son de dos clases: pérdidas de superficie y pérdidas de forma: las pérdidas de superficie se producen por el rozamiento del fluido con las paredes de la bomba (rodete, corona directriz...) o de las partículas del fluido entre si; las pérdidas de forma se producen por el desprendimiento de la capa límite en los cambios de dirección y en toda forma difícil al flujo, en particular a la entrada del rodete si la tangente del álabe no coincide con la dirección de la velocidad relativa a la entrada, o a la salida del rodete si la tangente del álabe de la corona directriz no coincide exactamente con la velocidad absoluta a la salida. Las pérdidas hidráulicas se originan, pues:

- Entre el punto E y la entrada del rodete. - En el rodete.

- En la corona directriz, si existe- - En la caja espiral. - Desde la salida de la caja espiral hasta la salida de la bomba, o punto S.

Pérdidas volumétricas

Estas pérdidas, que se denominan también pérdidas intersticiales, son pérdidas de caudal y se dividen en dos clases: pérdidas exteriores q y pérdidas interiores

Las pérdidas volumétricas exteriores q constituyen una salpicadura de fluido al exterior, que se escapa por el juego entre la carcasa y el eje de la bomba, que la atraviesa. Para reducirlas se utiliza la caja de empaquetadura, que se llena de estopa o material de cierre, provista de su correspondiente tapa o prensaestopas con pernos, que permiten comprimiendo el prensaestopas contra el eje de la máquina mejorar el cierre. Esta presión, sin embargo, no puede ser excesiva para no aumentar las pérdidas mecánicas. Como material de cierre se utiliza mucho el amianto grafitado.

Si la máquina ha de bombear líquidos calientes, o las presiones son grandes. o los líquidos corrosivos, radiactivos, etc., existen multitud de soluciones a base de anillos de cierre, resortes, etc., que reducen las pérdidas q a un mínimo y hasta a 0, si es necesario. El cierre de la bomba evidentemente se encarece. En los prensaestopas se originan pérdidas mecánicas que elevan su temperatura, por lo cual en algunas máquinas, sobre todo en las de gran potencia, se prevé una refrigeración de los mismos.

Las pérdidas volumétricas interiores, q1, son las más importantes y reducen mucho el rendimiento volumétrico de algunas bombas; aunque q se haya reducido prácticamente a 0 por un prensaestopas de alta calidad.

La explicación de estas pérdidas es la siguiente: a la salida del rodete de una bomba o de un ventilador hay más presión que a la entrada. Luego parte del fluido en vez de seguir a la caja espiral retrocederá, por el conducto que forma el juego del rodete con la carcasa, a la entrada del rodete. para volver a ser impulsado por la bomba. Este caudal, llamado caudal de cortocircuito, absorbe energía del rodete

Pérdidas mecánicas

Las pérdidas mecánicas incluyen las pérdidas por:

-rozamiento del prensaestopas con el eje de la máquina; -rozamiento del eje con los cojinetes; -accionamiento de auxiliares (bomba de engranajes para lubricación, cuentarrevoluciones, etc.); - rozamiento de disco. Se llama así el rozamiento de la pared exterior del rodete con la atmósfera de fluido que le rodea. Es decir, el rodete de una bomba en esquema, es un disco o mejor una caja en cuyo interior circula el fluido; pero en el exterior, o sea en el juego entre el rodete y la carcasa, inevitablemente penetra también el fluido: el disco no gira, pues, en el vacío, sino en una atmósfera viscosa donde se produce un rozamiento que incluimos en las pérdidas mecánicas y se denomina pérdida por rozamiento de disco.

Potencias y rendimientos

En el gráfico de potencias de la Fig. Se utiliza la nomenclatura siguiente:

Pa —potencia de accionamiento = potencia absorbida = potencia al freno = potencia en el eje. Los cuatro nombres se utilizan en la práctica. Así, en un grupo moto-bomba (motor eléctrico-bomba) P no es la potencia absorbida de la red, sino la potencia libre en el eje (potencia absorbida de la red multiplicada por el rendimiento del motor eléctrico). P —potencia interna: potencia suministrada al rodete, igual a la potencia de accionamiento menos las pérdidas mecánicas. P —potencia útil: incremento de potencia que experimenta el fluido en la bomba. En el mismo gráfico se representan además los equivalentes en potencia de las pérdidas siguientes: Phr — pérdidas hidráulicas: Phr1 — pérdidas por rozamiento de superficie; phr2— pérdidas por rozamiento de forma.

Prv — pérdidas volumétricas: Prv1 — pérdidas por caudal al exterior; Prv2 — pérdidas por cortocircuito. Prm —pérdidas mecánicas: Prm1 — pérdidas por rozamiento en el prensaestopas; Prm2 — pérdidas por rozamiento en los cojinetes y accionamiento de auxiliares; Prm3 — pérdidas por rozamiento de disco. Potencia de accionamiento, Pa Es la potencia en el eje de la bomba o potencia mecánica que la bomba absorbe. Esta potencia según la mecánica tiene la siguiente expresión:

Potencia interna, Pi

Es la potencia total transmitida al fluido, o sea la potencia de accionamiento, descontando las pérdidas mecánicas:

Luego:

Potencia útil, P

Es la potencia de accionamiento descontando todas las pérdidas de la bomba o equivalentemente la potencia interna descontando todas y sólo las pérdidas internas (hidráulicas y volumétricas). Luego:

La potencia útil por otra parte será la invertida en impulsar el caudal útil Q a la altura útil H. Luego

Rendimiento hidráulico, nh

Tiene en cuenta todas y sólo las pérdidas de altura total

Rendimiento volumétrico,

Tiene en cuenta todas y sólo las pérdidas volumétricas, y su valor es:

donde Q — caudal útil o caudal efectivo impulsado por la bomba;

Q + q + q caudal teórico o caudal bombeado por el rodete (véase Fig. 19-20).

Rendimiento interno, ni

Tiene en cuenta todas y sólo las pérdidas internas, o sea las hidráulicas y volumétricas y engloba ambos rendimientos hidráulico y volumétrico

Finalmente

Rendimiento mecánico, nm

Tiene en cuenta todas y sólo las pérdidas mecánicas, y su valor es:

Rendimiento total, ntot

Tiene en cuenta todas las pérdidas en la bomba, y su valor (véase la Fig. 19-25) es:

Relación entre los rendimientos

Es útil ahora expresar la potencia de accionamiento en función de Q y de H

Asimismo la potencia interna en función de los rendimientos hidráulico y volumétrico se expresa, como ya hemos visto, así:

CAVITACION Y GOLPE DE ARIETE DE UNA BOMBA

Cavitación

En la técnica son innumerables los problemas hidrodinámicos relacionados con la cavitación. Hasta en la circulación sanguínea se puede producir la cavitación, la cual puede conducir a enfermedades del corazón y de las arterias. La cavitación en las bombas (y en las turbinas) produce dos efectos perjudiciales: disminución del rendimiento y erosión. La aparición de la cavitación en las bombas está íntimamente relacionada a) con el tipo de bomba (en general el peligro de cavitación es tanto mayor cuanto mayor es el número específico de revoluciones, ns que se deducirá con la instalación de la bomba (la altura de suspensión de la bomba. Hs, o cota del eje de la bomba sobre el nivel del líquido en el depósito de aspiración, debe ser escogida cuidadosamente para evitar la cavitación); c) con las condiciones de servicio de la bomba (el caudal de la bomba nunca debe exceder el máximo permisible para que no se produzca la cavitación).

El NPSH necesario y la altura de suspensión o aspiración, Hs, de una bomba Refiriéndonos a la Fig. A es el nivel del líquido en el depósito de aspiración, en el cual puede reinar la presión atmosférica, una sobrepresión o una depresión y E la entrada de la bomba. Se llama (véase figura) altura de suspensión o altura de aspiración al valor Hs = Ze — Za (cota de la entrada de la bomba sobre el nivel del depósito de aspiración). H > 0 si el eje de la bomba está más elevado que el nivel del líquido (bomba en aspiración, caso de la figura); Hs < 0 si la entrada de la bomba está más baja que dicho nivel (bomba en carga). En todas las fórmulas de esta sección todas las presiones se tomarán absolutas. La altura total a la entrada de la bomba referida a la cota Ze será:

En el interior de la bomba hasta que el líquido llegue al rodete que le comunica un incremento de altura, He disminuirá a causa de las pérdidas; si además la corriente se acelera localmente y/o aumenta la altura geodésica, la presión PE disminuirá. Como esta presión debe mantenerse igual o mayor que la presión de saturación del liquido a la temperatura de bombeo para que no se produzca la cavitación, la altura total en la aspiración disponible Hed será:

Por otra parte aplicando la ecuación generalizada de Bernoulli entre A y E, despreciando como siempre, la energía cinética en el pozo de aspiración, se tiene:

Para evitar la cavitación se ha de verificar que:

donde Ah es un parámetro de excepcional importancia en el estudio de la cavitación de las turbomáquinas hidráulicas que se denomina caída de altura de presión en el interior de la bomba. La cavitación se iniciará, pues, siempre que la He alcance el valor mínimo:

que es la altura de aspiración necesaria y se denomina también el NPSH. Se tienen las dos expresiones siguientes:

Ah varía con el punto de funcionamiento de la bomba. Generalmente interesa el Ah correspondiente al caudal nominal de la bomba, o caudal para el cual la bomba funciona con ntot max Aunque la evaluación teórica de Ah es hoy por hoy imposible, Ah puede calcularse experimentalmente.

En la Fig. se aduce el esquema simplificado de una instalación que permite evaluar todos los términos del segundo miembro y calcular Ah =Hed min En 3 se instala la bomba que se desea experimentar. El banco debe estar instrumentado con todos los aparatos necesarios para calcular en cualquier punto de funcionamiento, Q, H, n, Pa, de donde se calcula alguno de los cuales se ha incluido en el esquema: el Venturi 2 para medir el caudal y los manómetros para

medir ps y pe y calcular H. El ensayo se repite para una serie de puntos de funcionamiento caracterizados por un caudal Q y un número de revoluciones n.

En la Fig.se aduce el resultado de uno de estos ensayos (ensayo elemental) de cavitación: en el ensayo elemental se fija Q, H y se varía Hed, variando la presión en el depósito pa mediante una bomba de vacío. Al disminuir Ed mediante la disminución de pa no varía H porque la presión en todo el sistema disminuye en el mismo incremento, ya que se trata de un sistema cerrado y el caudal Q no varía, ya que no varía la posición de la válvula de impulsión 1 ni el número de revoluciones n. Sin embargo, para un cierto valor de Hed se produce el ruido y trepidación, signo del comienzo de la cavitación pero aún Q, H y ntot se mantienen prácticamente constantes. Si se sigue disminuyendo Hed aumenta el ruido Q, H y ntot disminuyen y una disminución ulterior de Hed conduce a la interrupción total de la corriente. Cuando la cavitación está plenamente desarrollada el ruido se hace menos intenso. A fin de convenir en algo que determine exactamente la cavitación, se ha establecido que Hed min será aquel para el cual el caudal Q disminuye en un 1% de su valor inicial. Recordemos:

En la Fig. puede verse un banco de cavitación moderno de baja presión de la firma Escher-Wyss cuya descripción se encuentra al pie de la figura. Dicho banco está destinado a ensayos de cavitación con modelos de turbinas hidráulicas y bombas/turbinas reversibles para las modernas instalaciones de acumulación por bombeo.

Coeficiente de cavitación, σ

Los ensayos de cavitación tanto de las bombas como de las turbinas hidráulicas se llevan a cabo en modelos a escala reducida. La semejanza dinámica en estos ensayos queda garantizada si se hace en el modelo y en el prototipo igual el coeficiente de cavitación σ, o coeficiente de Thoma, que se define así:

Se ha comprobado experimentalmente que Ah en las bombas geométricamente semejantes es proporcional a H, lo cual equivale a decir que el coeficiente a es el mismo para toda la serie de bombas geométricamente Semejantes entre sí. El Ah depende de la forma geométrica de la bomba, sobre todo de la forma de la boca de entrada del rodete y de la curvatura del álabe. Como vamos a ver a continuación en la instalación de una bomba, a fin de determinar la altura es preciso conocer Ah. El valor de Ah, o equivalentemente el valor de σ, suele ser suministrado por el constructor de la bomba, que a su vez lo ha obtenido experimentalmente mediante un ensayo de cavitación análogo al anteriormente descrito. Por otra parte, Stepanoff sugiere el empleo de la siguiente fórmula para una estimación aproximada de σ:

donde ns — número específico de revoluciones, que viene dado por la ecuación:

donde n, Q y H son las características nominales de la bomba (o características para ntot máximo) expresadas en rpm, m3/s y m, respectivamente.

Altura de aspiración máxima de la bomba

El valor que hace mínimo el segundo miembro de la Ec. (19-31) para unos mismos valores de pa, ps y Hra-e es el que hace máximo a Hs. Despejando, pues, este valor máximo se tiene:

donde pa - presión absoluta en el nivel superior del depósito de aspiración; ps - presión de saturación del vapor del líquido bombeado para la temperatura de bombeoHra-e - pérdida de carga en la tubería de aspiración; Ah - caída de altura de presión en el interior de la bomba, cuyo valor suministra el fabricante

De la Ec. se deduce que la altura de aspiración máxima, Hs5, o distancia en vertical desde el nivel del depósito al eje de la bomba, será tanto menor o equivalentemente el peligro de cavitación será tanto mayor cuanto:

— la presión barométrica sea menor en el lugar de la instalación, si el depósito de aspiración está abierto a la atmósfera; — la presión en el depósito de aspiración sea menor, si éste no está abierto a la atmósfera; — la temperatura del líquido bombeado sea menor. Los liquidos calientes exigen una altura de aspiración más pequeña (peligro de cavitación en las bombas de alimentación de calderas de las centrales termoeléctricas con precalentamiento del agua de alimentación). — las pérdidas en la tubería de aspiración, Hra - e sean mayores. Por tanto, si hay peligro de cavitación se realizará la tubería de aspiración con diámetro grande, sin incluir más de un codo y si esto no basta no se instalará alcachofa, ni válvula de pie: el cebado se hará en este último caso con bomba de vacío o con eyector

Golpe de ariete

La sobrepresión que origina el golpe de ariete no puede producirse en el arranque de una bomba porque la presión producida por la bomba no puede exceder el valor máximo que indica su curva característica, curva H — Q. En la parada de una bomba se ha de tener la precaución de cerrar antes la válvula de impulsión. Si esto se hace a mano, el cierre es lento, la columna de líquido que llena la tubería se decelera gradualmente, y el golpe de ariete no se produce.

El golpe de ariete puede producirse

— si se para el motor de la bomba sin cerrar previamente la válvula de impulsión; — si hay un corte imprevisto de corriente, en el funcionamiento de la bomba.

Los medios empleados para reducir el golpe de ariete son:

-cerrar lentamente la válvula de impulsión; -escoger el diámetro de la tubería de impulsión grande, para que la velocidad en la tubería sea pequeña; -instalar la bomba con un volante que en caso de corte de la corriente reduzca lentamente la velocidad del motor y por consiguiente la velocidad del agua en la tubería; -inyectar aire con un compresor para producir un muelle elástico durante la sobrepresión

ALGUNAS TENDENCIAS ACTUALES EN LA CONSTRUCCION DE LAS BOMBAS ROTODINAMICAS

Materiales plásticos. Un mismo diseño se realiza frecuentemente con gran variedad de materiales, según el líquido bombeado y según las condiciones de servicio. En los últimos años se han introducido más y más los materiales plásticos de tres maneras distintas:

a) gran variedad de capas protectoras sobre el material metálico básico; b) piezas de plástico especiales en una bomba básicamente de metal (polivinidoruro, polipropileno y gran variedad de plásticos con nombres comerciales: Teflon, Nylon, Hypalon, Kynar, Nordel, Viton, etc.; c) bombas totalmente de plástico (para bombeo, por ejemplo de HF, HCI, H2S04, FeCl3 y H3P04 a elevadas temperaturas) (8).