Es necesario que al hacer el diseño de la flecha de una bomba centrifuga los cálculos se hagan bajo el supuesto de que la flecha de una bomba centrifuga está trabajando bajo condiciones extremas. Si analizamos el funcionamiento de una flecha notaremos que tiene que resistir el esfuerzo que debe recibir al arrancar la bomba, la cual va a pasar desde velocidad cero rpm a 2000rpm en cuestión de un segundo, arrastrando simultaneamente todo el peso del líquido que está tratando de impulsar a la línea de bombeo. Otro aspecto que debe considerarse es la temperatura del líquido que se impulsa que también afectará la flexibilidad de la flecha de una bomba centrifuga.

Específicamente, en el caso de una flecha de una bomba centrifuga los factores que intervienen en su funcionamiento son:

a)los torques
b)el peso de las partes (impulsores, conos, etc)
c)todas las fuerzas hidráulicas, tanto radiales como axiales.
d)la desviación máxima permisible
e)la distancia entre apoyos o de extremo volante
f)la localización de las cargas
g)la velocidad crítica del diseño resultante

Como sabemos, todos los objetos elásticos poseen un periodo de oscilación característico. Una vez alcanzado ese periodo el objeto oscilará libremente. En el caso de que un eje de bomba gire a una velocidad que coincida con su frecuencia natural, cualquier pequeña vibración se amplificará hasta provocar inestabilidad en la máquina hasta destruirla. La velocidad a la cual la flecha alcanza su frecuencia natural la denominaremos velocidad crítica. La velocidad critica es un excelente indicador para seleccionar el diámetro de la flecha de una bomba centrifuga.

Vea también:

Impulsores para bombas centrifugas
INICIO

Los elementos principales de toda bomba centrifuga son:
1) Un elemento estático conformado por chumaceras, estopero y cubierta.
2) Un elemento dinámico-giratorio comformado por un impulsor y una flecha.

En los últimos años, gracias a las facilidades que se han venido dando en el suministro de la energía elétrica, el uso de la bombas se ha extendido de gran manera.

Dado que la mayoría de las bombas son impulsadas con motores eléctricos, esta mejora en el flujo de la eléctricidadha permitido que los diseñadores y fabricantes de motores eléctricos puedan proveer motores poderosos y confiables.

Existen bombas capaces de alcanzar de forma estable velocidades tan altas como 10.000 rpm y de bombear contra alturas mayores de 100 metros impulsando hasta dos millones de litros por minuto.

Las bombas centrifugas tienen cientos de aplicaciones Estos dispositivos son empleados en usos que van desde el simple desagüe de sotanos hasta la alimentación de aguas blancas para una ciudad entera.

La mayoria de las bombas centrifugas verticales de foso seco básicamente son diseños horizontales con pequeñas modificaciones (generalmente en los cojinetes) para adaptarlas al impulsor de flecha vertical. Lo contrario es cierto en bombas centrifugas pequeñas y de tamaño mediano para servicio de aguas de albañal; un diseño que sea puramente vertical es el más popular para ese servicio. En su mayor parte estas bombas centrifugas de alcantarillado tienen boquillas de succión de codo porque su abastecimiento de succión generalmente se toma de un pozo lleno adyacente al foso en el que está instalada la bomba centrifuga. El codo de succión por lo general contiene un agujero para mano con tapa removible que permite un acceso fácil al impulsor.

Si se quiere desarmar una de estas bombas centrifugas, se debe desatornillar la cabeza del estopero de la cubierta después de que la flecha intermedia o el motor y el soporte del motor se han quitado. El conjunto del rotor se saca hacia arriba, completo con la cabeza del estopero, la caja del cojinete y todo lo demás. Este conjunto de rotor se puede entonces desarmar completamente en un lugar apropiado.

Las instalaciones de flecha vertical de bombas centrifugas de admisión sencilla con un codo de succión se suministran frecuentemente con una base de pedestal de codo. Estas se pueden atornillar a zapatas de cimiento y aun empotrarse en cemento. El arreglo de empotramiento no es muy conveniente a menos que se tenga la completa seguridad de que el pedestal o el codo nunca serán movidos o de que el espacio lechado es bastante regular y que la lechada se separará de la bomba centrifuga sin dificultad excesiva.

Las bombas centrifugas verticales de admisión sencilla con succión en el fondo se usan con frecuencia en grandes aplicaciones de aguas de albañal, suministro de agua o circulación a condensadores. Estas bombas centrifugas están provistas con patas de aletas que se atornillan en zapatas empotradas en pedestales de concreto o pilares. En ocasiones las patas de aletas pueden empotrarse directamente en los pedestales. Estos deben estar arreglados convenientemente para proporcionar acceso adecuado a cualquier registro para mano en la bomba centrifuga y para permitir holgura para la boquilla de succión de codo si se usan éstos.

Vea también:

Bombas centrifugas verticales de foso seco
INICIO

Si el impulsor de una bomba centrifuga vertical de foso seco puede localizarse inmediatamente arriba de la bomba centrifuga, con frecuencia está soportada por la bomba centrifuga misma. Las flechas de la bomba centrifuga y del impulsor pueden conectarse con un acoplamiento flexible que requiere que cada uno tenga su cojinete de empuje propio. Si la flecha de la bomba centrifuga está acoplada rígidamente a la flecha del impulsor o es una extensión de ella, se usa un cojinete de empuje común, normalmente en el impulsor.

Aunque los motores impulsores están montados frecuente y precisamente arriba de la cubierta de la bomba centrifuga, una razón importante para el uso del diseño de la flecha vertical es la posibilidad de localizar los motores a una elevación suficiente arriba de las bombas centrifugas para evitar que se inunden artificialmente. La bomba centrifuga y su impulsor pueden estar separados por una transmisión de longitud apreciable que puede requerir cojinetes fijos entre las dos unidades. Es de estrema importancia que estos cojinetes fijos se encuentren rígidamente soportados y mantenerse en estricto alineamiento. El soporte por lo general se proporciona con vigas de acero estructural horizontales conectadas a la estructura de la pared, a pesar de que en ocasiones se utiliza un soporte vertical similar. Para que pueda ocurrir la correcta operación de la transmisión vertical, la desviación de los cojinetes de guía verticales en cualquier condición de operación debe mantenerse dentro de los límites establecidos por el diseños de los ejes y la velocidad de operación. En unidades pequeñas una canal colocada entre las paredes de la estación da soporte adecuado en todas direcciones. Las unidades más grandes con cargas de reacción mayores en los cojinetes de guía pueden requerir dos canales o vigas con listones de celosía. Algunas instalaciones incluyen vigas de concreto reforzado en la estructura. Naturalmente, si el diseño del edificio requiere la construcción de un piso intermedio, este piso puede usarse para soportar los cojinetes de guía.

La transmisión más común que conecta una bomba centrífuga de tamaño pequeño o mediano con su impulsor utiliza la unión universal y el tubo ranurado. La sección más baja tiene una unión universal en ambos extremos mientras que la sección superior (si se usa más de una) tiene un cojinete de guía que soporta el extremo inferior y una unión universal en el extremo superior. Esa transmisión compensa el desalineamiento angular y como la sección inferior incluye una unión acanalada, también compensa cualquier discrepancia pequeña de longitud. En caso de que la velocidad lo permita es posible obtener secciones de flecha hasta de 3.04 m de longitud o más. Las secciones más largas de 3 m se tuercen fácilmente y por esta razón deben manejarse cuidadosamente. Como este sistema de ejes no transmite el empuje, tanto la bomba centrifuga como el impulsor deben tener un cojinete de empuje.

Aunque un motor eléctrico se puede montar directamente en zapatas empotradas en el suelo, algunas veces es necesaria una plataforma separada para que pueda levantarse el motor para dar acceso al acoplamiento. Ocasionalmente, se colocan vigas removibles directamente a través de una abertura grande en el suelo para servir como montadura del motor. Este método permite fácil acceso a las bombas centrifugas para darles servicio y simplifica el bajarlas a su lugar durante la instalación inicial.

Vea también:

Bombas centrifugas verticales de foso seco
INICIO

Las bombas centrifugas que requieren más torque en su transmisión intermedia del que pueden resistir los tamaños disponibles de transmisión con uniones universales usan transmisión con uniones universales sólida, ya sea con acoplamiento sólidos o flexibles. Si se usan acoplamientos sólidos o rígidos, sólo se necesita un cojinete de empuje (generalmente en el impulsor) y todos los demás son sólo cojinetes de guía. esta transmisión tiene la desventaja de requerir un alineamiento muy preciso de todos los cojinetes, una proeza difícil para transmisiones abiertas que emplean más de tres cojinetes.

Las transmisión intermedia para bombas centrifugas grandes que requiere flechas grandes es, generalmente, de construcción sólida con acoplamientos sólidos de bridas que con frecuencia están forjadas en las secciones de la flecha.

El tamaño de la transmisión para una bomba centrifuga usada para una instalación puede finalmente determinarse por torque que se va a transmitir. Sin embargo, si se desea una determinada distancia entre cojinetes debido a que ya existen los soportes (pisos o vigas), puede ser que se necesite una flecha de mayor tamaño que la requerida por el torque para que la velocidad de operación sea lo suficientemente menor que la velocidad crítica. Por esta razón es lo que con frecuencia se hace es tener la primera velocidad crítica más alta que cualquier velocidad de operación o de desbocamiento de la bomba centrifuga. La velocidad critica de una flecha sólida vertical para bombas centrifugas es una función directa del diámetro e inversa del cuadrado de la separación entre los cojinetes. Así si una flecha va a correr al doble de velocidad de otra, deberá ser de doble tamaño en diámetro para la misma distancia entre cojinetes, o su separación permisible entre ellos se reducirá a 70% de la permitida con la velocidad más baja.

Los cojinetes para bombas centrifugas verticales de foso seco y para usos de guías intermedias son generalmente cojinetes antifricción que están lubricados con grasa para simplificar el problema de retener un lubricante en la caja con una flecha atravesándola verticalmente. Las unidades más grandes para las que no se tienen cojinetes antifricción no son utilizable o convenientes, usan cojinetes con babbitt autolubricables o cojinetes con babbitt aceitados con alimentación forzada con un sistema de lubricación separada.

Vea también:

Bombas centrifugas verticales de foso seco
INICIO

Delta = (300/nc)2

En la cual:

Delta = La desviación en centímetros
nc = velocidad crítica de la transmisión en r.p.m.

Esta velocidad critica es por lo general 125% de la velocidad giratoria de la bomba centrifuga de foso seco o algún valor arriba de la posible velocidad de desbocamiento para compensar el paso en sentido inverso de la bomba centrifuga. Si son vigas o canales las que soportan los cojinetes, el diseño de estos últimos naturalmente depende de la separaciones entre ellos, la fuerza radial, y la desviación permitida. Las instalaciones de bombas centrifugas de foso seco pequeñas con separaciones cortas generalmente requieren una sola canal (a la cual se fijan con suma facilidad los cojinetes montados verticalmente). Las bombas centrifugas más grandes con separación grande, con frecuencia requieren canales bastante separadas o vigas con refuerzo reticular (para las cuales es más conveniente un cojinete montado horizontalmente que descansa directamente en las vigas o en una placa de puente). Estas consideraciones tienden a hacer preferibles los cojinetes montados verticalmente para unidades pequeñas y cojinetes montados horizontalmente para unidades grandes.

Las bombas centrifugas verticales de foso seco son estructuralmente similares a las bombas centrifugas de flechas horizontales. Se debe hacer notar, sin embargo, que muchas de las bombas centrifugas de voluta de un solo paso de admisión sencilla (generalmente de fondo) que se prefieren para bombeo de agua de grandes tormentas, drenaje, irrigación, aguas de albañal, y plantas de suministro de agua no tienen un equivalente comparable entre las unidades de flechas horizontal. La cubierta básica de sección en U de estas bombas centrifugas, que es estructuralmente débil, con frecuencia requiere el uso de costillares fuertes para darles suficiente rigidez. En la práctica comparable de turbinas de agua, un juego de álabes (llamado rueda directriz) se usa entre la cubierta y el rotor para actuar como un puntal. Aunque la rueda directriz no afecta adversamente la operación de una turbina hidráulica, funcionaría básicamente como un difusor en una bomba por las limitaciones hidráulicas inherentes de esa construcción. Algunas bombas centrifugas de altura grande de elevación de este tipo se han hecho con el diseño de doble voluta.

La pared que separa las dos voluta.
La pared que separa las dos volutas de la bomba centrifuga de foso seco trabaja como una costilla de refuerzo de la cubierta haciendo así más fácil el diseño de una cubierta para bombas centrifugas lo bastante fuerte para la presión implicada.

Las bombas centrifugas verticales equipadas con impulsores de admisión sencilla de fondo tienen una junta de escurrimiento entre el anillo de desgaste del cubo del impulsor y la cabeza de succión. Cuando las bombas centrifugas de este tipo manejan agua arenosa, la arenisca se asienta durante los periodos de parada y concentra en esta junta o cerca de ella. Tan pronto como la bomba centrifuga arranca de nuevo, esta concentración de arena se arrastra a través de la junta de escurrimiento causando desgaste. Las bombas centrifugas más grandes pueden recurrir a una construcción de anillo, en la que el anillo estacionario se extiende sobre la cabeza de succión para formar una bolsa para que la arena se deposite en ella y de la que se puede lavar con chorro periódicamente. Este y otros refinamientos son posibles en las bombas centrifugas grandes pero no en las pequeñas.

Vea también:

Bombas centrifugas verticales de foso seco
INICIO

Tipos de cojinetes que se usan
Se han usado todos los tipos de cojinetes en las bombas centrifugas. Aun el mismo diseño básico de bomba se hace con dos o más cojinetes diferentes, requeridos ya sea por las condiciones variables de servicio o por la preferencia del comprador.

Generalmente, se usan dos cojinetes exteriores para la bomba de uso general de doble admisión y un solo paso, uno a cada lado de la cubierta. Estos eran originalmente del tipo de babbit con lubricación de aceite, pero en años más recientes la mayoría de los fabricantes han cambiando a cojinetes resistentes a la fricción que usan lubricación de grasa o aceite.

Algunas de las bombas centrifugas pequeñas y baratas que se usan para bombear líquidos limpios, están provistas con un cojinete de manguito interior. El propio líquido se usa como lubricante, aunque en algunos diseños se usa lubricación separada de grasa con un accesorio alemite.

En las bombas horizontales con cojinetes en cada lado, los cojinetes generalmente se designan por su colocación como cojinetes interior o exterior, siendo los primeros los que están entre la cubierta y el acoplamiento. Las bombas con impulsores volantes tienen ambos cojinetes más cercano al impulsor se llama interior y el más alejado, el exterior. En una bomba provista con cojinetes en ambos lados, el cojinete de empuje generalmente se coloca en el extremo exterior y el cojinete de alineación en el extremo interior.

Los cojinetes están montado en una caja que, por lo general, está soportada por ménsulas fijas a la cubierta de la bomba o formando parte de ella. La caja también desempeña la función de contener el lubricante necesario para la operación apropiada del cojinete. Ocasionalmente, los cojinetes de bombas muy grandes está soportadas por cajas que forman la parte superior de pedestales montados en placas de solera o en la base de la bomba. A éstos se les llam cojinetes de pedestal.

Debido al calor generado por el propio cojinete o al calor en el líquido que se se está bombeando, se deben usar a veces algunos medios, además de la radiación al aire circunvecino, para mantener la temperatura del cojinete dentro de límites apropiados. Si los cojinetes tienen un sistema de lubricación forzada, el enfriamiento generalmente se obtienen circulando aceite por enfriado separado agua a aceite. De otra manera, generalmente se incorpora como parte de la caja una chaqueta por la que se circula un líquido enfriador.

Los cojinetes de las bombas pueden ser rígidos o autoalineantes. Un cojinete autoalineante automáticamente se ajustará a un cambio en la posición angular de la flecha. En cojinetes de babbit o con manguito, el nombre de “autoalineantes” se aplica a los cojinetes que tienen un ajuste esférico de la manga en la caja. Cojinetes resistentes a la fricción, son aquellos cuyos casquillos exteriores están maquinados esféricamente o cuyas cajas permiten un ajuste esférico.

Los cojinetes más comunes resistentes a la fricción, que se usan en bombas centrifugas, son los diversos tipos de cojinetes de balas. Los cojinetes de rodillos se usan menos frecuentemente, aunque el cojinete esférico de rodillos se usa con frecuencia para tamaños grandes de flechas, para los que hay una selección limitada de baleros. Como la mayoría de los baleros son apropiados sólo para cargas radiales, su uso en las bombas centrifugas tiende a limitarse a las aplicaciones en las que no requiere que resistan cargas radiales y de empuje combinadas.

Aunque las bombas de doble admisión están teóricamente en equilibrio hidráulico, este equilibrio raras veces se verifica en la práctica, de modo que hasta estas bombas están provistas de cojinetes de empuje. Una bomba centrifuga, siendo un producto de fundición, está sujeta a pequeñas irregularidades que pueden causar un empuje hidráulico axial, es necesaria alguna forma de cojinete de empuje que sea capaz de resistir el impulso en cualquier dirección para mantener el rotor en su posición correcta.

La capacidad de empuje de un cojinete de bomba de doble admisión, generalmente está bastante excedida del desequilibrio probable causado por las irregularidades. esta provisión se hace por (1) el desgaste desigual de los anillos y de otras partes que puede causar desequilibrio, y (2) el flujo de liquido dentro de los dos ojos de admisión puede ser desigual y causar desequilibrio, debido a un arreglo impropio de la tubería de succión.

Vea también:

Cojinetes para bombas
INICIO

Existen dos tipos de acoplamientos para bombas centrifugas: los acoplamientos flexibles y los acoplamientos rígidos. La función de los acoplamientos es impedir cualquier tipo de movimiento relativo entre las flechas del conjunto en movimiento, ya sea axial o radial, que pudiera dificultar su buen funcionamiento.

Loa acoplamientos rígidos no permite ninguna clase de movimiento relativo axial o radial entre las flechas del impulsor y de la bomba centrifuga. Este tipo de acoplamiento conecta las dos flechas sólidamente de forma que virtualmente las convierte en una sola flecha. En las bombas verticales es muy recomendable utilizar acoplamientos rígidos.

Los acoplamientos flexibles para bombas centrifugas, son dispositivos que son capaces de conectar dos flechas, transmitiendo de esta manera el torque de la flecha del impulsor a la flecha impulsada pero tolerando, hasta cierto punto, cualquier pequeño desalineamiento (angular, paralelo o una combinación de los dos). El desalineamiento entre las flechas es un fenomeno perjudicial que puede dañar significativamente tanto a la bomba centrifuga como al elemento motriz. Así que los acoplamientos flexibles se utilizan como un medio preventivo de último recurso para tratar de solventar aquellos casos en los que, aún después de tratar de alinear la flecha de la bomba centrifuga con la flecha del motor, persiste cierto grado de desalinamiento. Debe quedar claro que el desalineamiento no debe ser tolerado debido a que causa chicoteo en las flechas, aumenta el empuje en los cojinetes de la bomba centrifuga y del elemento impulsor y generalmente resulta en mantenimiento excesivo y fallas potenciales del equipo.

El acoplamiento flexible para bombas centrifugas también debe permitir cierto grado de desplazamiento lateral de las flechas a fin de que sus dos extremos puedan acercarse o separse cuando se encuentren afectados por la influencia de la dilatación térmica, fluctuación hidráulica, o el desplazamiento de los centros magnéticos de los motores eléctricos, y moverse así sin imponer empuje excesivo en los cojinetes.

Desplazamiento limitado del juego en el extremo
En el caso de los motores eléctricos con cojinetes de manga horizontales, estos no suelen estar equipados con cojinetes de empuje sino más bien con caras o bordes de babbit en los cojinetes lineales. El rotor del motor, al cual se le permita flotar, buscará el centro magnético, pero incluso una fuerza muy pequeña podría ocasionar que el rotor se salga de su centro. Este pequeño movimiento algunas veces puede ser más que suficiente para hacer que el collar de la flecha toque los bordes del cojinete, causando calentamiento y dificultades en los cojinetes.

Este efecto suele causar mayores daños en los motores eléctricos de cierto tamaño, generalmente los mayores de 200hp. Como todas las bombas centrifugas horizontales están equipadas con cojinetes de empuje, se ha adoptado la práctica de usar acoplamientos de “juego limitado en el extremo” entre las bombas centrifugas y los motores, cuando se superen los 200hp, con la intención de mantener el rotor del motor dentro de una posición restringida. Los motores se construyen de manera que el espacio libre total (es decir, la holgura) entre los collares de la flecha y los bordes de los cojinetes no sea menos de 1.27 cm. Al mismo tiempo los acoplamientos flexibles están arreglados para restringir el juego lateral del rotor del motor a menos de 0.47 cm. Para mantener el intervalo abierto entre el collar de la flecha y los bordes, se debe seguir uno de los siguientes métodos:

1. Para acoplamientos con ruedas de engrane o rejillas -por un “botón” en el extremo de la flecha de la bomba centrifuga o por una placa con dimensiones previas entre los dos extremos de las flechas.
2. Para acoplamiento de discos flexibles, como el acoplamiento Thomas – por la rigidez de los propios discos flexibles, que tienen caractersiticas inherentes que restringen la fluctuación

El contacto entre los cubos y las cubiertas de los acoplamientos evitan un movimiento excesivo en la dirección opuesta en los acoplamientos de engranes o rejillas. La rigidez de los discos flexibles es la fuerza resistente en ambas direcciones en los acoplamientos Thomas.

Vea también:

Acoplamiento para bombas
INICIO

Acoplamiento de compresión para bombas centrifugas
Un acoplamiento de compresión para bombas centrifugas, en principio, suele ser igual a los acoplamientos rígidos. La parte central del acoplamiento está formada por un manguito ranurado, el cual se taladra para ajustarse a las dos flechas y es cónico en su diámetro exterior del centro a ambos extremos. Las dos mitades del acoplamiento para bomba centrifuga en sí están acabadas con perforaciones para adaptarse a esa conicidad. Cuando se aprietan una a la otra con tornillos, el manguito se comprime contra las dos flechas y la sujeción por fricción transmite el torque sin el uso de cuñas.

Vea también:

Acoplamiento para bombas
INICIO

Algunos quizá esperen que se traten solo los aspectos teóricos para el diseño de las bombas, pero no este mi propósito ya que aunque existen usuarios que tienen interés en diseñar bombas, estos son relativamente pocos. Al contrario, la gente interesada en el tema de las bombas centrifugas suelen ser técnicos o ingenieros que solo necesitan seleccionar o utilizar la bomba en sí, y éstos, generalmente, constituyen la gran mayoría.

He podido observar que otro punto de gran interés reside en el diseño del sistema en el que funcionará la bomba, ya que es motivo de mucha preocupación lograr que el entero sistema funcione de manera que el rendimiento sea máximo, y que, por el contrario, los gastos o pérdidas sean mínimas. Otro factor que la mayoría considera de importancia, es la determinación del número de paradas que deba realizar el sistema ya sea para labores de mantenimiento programado, es decir mantenimiento preventivo, o por motivo del caso en el que haya que aplicar un inesperado mantenimiento correctivo.

Aunque se trata de dirigir la información hacia la parte práctica, también se hacen breves descripciones relativas a las partes que constituyen una bomba centrífuga a fin de poder identificarlas con propiedad al momento de tener que comprar una refracción. En algunos casos, hasta se podría exponer como reparar ciertas piezas, para aquellas personas que puedan disponer de las herramientas necesarias.

A pesar de que se trata de tocar ampliamente todos los temas de aplicación de las bombas centrifugas, es un hecho que es imposible abarcarlos todos. Como sabemos, las bombas centrífugas encuentran usos en el suministro de agua potable, desecho de aguas servidas, en procesos diversos de fabricación, etc, por lo que no sería de extrañar que algunos queden por fuera del material que se presenta inicialmente, por lo que espero ir ampliando la información a medida que el tiempo me lo permita.