BOMBAS VERTICALES II

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Bombas Verticales de Foso Lleno

Las bombas verticales dedicadas ala operación sumergida se fabrican en un gran número de diseños dependiendo principalmente del servicio para el que se destinan. Por lo tanto las bombas centrífugas de foso lleno se pueden clasificar de la siguiente manera:

• 1. Bombas verticales de turbina
• 2. Bombas de hélice o hélice modificada
• 3. Bombas para agua de albañal
• 4. Bombas de voluta
• 5. Bombas de colector

Bombas verticales de turbina

Las bombas verticales de turbina se desarrollaron originalmente para bombear agua de pozos y se les ha llamado "bombas de pozo profundo" y "bombas de agujero". Como se aplicación a otros campos ha aumentado, el nombre de "bombas verticales de turbina" ha sido adoptado por los fabricantes en lo general. (Esta designación no es muy específica porque el término "bomba de turbina" se ha aplicado en el pasado a cualquier bomba que empleara un difusor. Actualmente hay una tendencia a designar las bombas que usan álabes de difusión como "bombas de voluta". Al hacerse más universal esa designación, la aplicación del término "bombas verticales de turbina" a la construcción anteriormente llamada "bombas de pozo de turbina" será más específica).

Los campos de mayor aplicación para la bomba vertical de turbina son los bombeos de pozos para irrigación y otros propósitos agrícolas, para abastecimiento municipal y abastecimiento industriales de agua, proceso, circulación, refrigeración y acondicionamiento de aire. Este tipo de bomba también se ha usado para bombear salmuera, desaguado de minas, represión de campos petroleros y otros trabajos.

Estas bombas se han hecho para capacidades tan bajas como 38 a 52 lt/min y tan altas como 94625 lt/min o más y para alturas de elevación hasta de 305 m. La mayoría de las aplicaciones naturalmente es con las capacidades más pequeñas. La capacidad de las bombas usadas para pozos perforados está naturalmente limitada por el tamaño físico del pozo así como la velocidad con la que se puede sacar sin bajar su nivel a un punto de sumersión insuficiente de la bomba.

Las bombas verticales de turbinas deberán diseñarse con una flecha que pueda fácilmente subirse o bajarse desde arriba para permitir el ajuste apropiado de la posición del impulsor en el tazón. También es necesario un cojinete de empuje adecuado para soportar la transmisión vertical, el impulsor, y el empuje hidráulico desarrollado cuando la bomba está en servicio. Como el mecanismo impulsor también debe tener un cojinete de empuje para soportar su flecha vertical, generalmente se le provee con uno de tamaño adecuado para aguantar también las partes de la bomba. Por estas dos razones, el motor o engrane con flecha hueca es lo más comúnmente usado para impulsar bombas verticales de turbina. Además, estas bombas se hacen algunas veces con sus propios cojinetes de empuje para permitir un impulsor de banda o el impulso por medio de un acoplamiento flexible con un motor de flecha sólida, engrane o turbina. Las bombas con doble impulsor generalmente emplean un engrane de ángulo con un motor eléctrico montado en su parte superior.

El diseño de bombas verticales ilustra cómo una bomba centrífuga puede especializarse para desempeñar una aplicación específica.

El conjunto o sección del tazón consiste de la caja de succión (llamada también cabeza de succión o álabe de entrada), el impulsor o los impulsores, el tazón de descarga, el tazón o los tazones intermedios (si se trata de más de un paso), la caja de descarga, los distintos cojinetes, la flecha, y diversas partes como cuñas, dispositivos fijadores de los impulsores y otras similares. El conjunto de columna de tubería consiste de la propia columna de tubo, la transmisión arriba del conjunto del tazón los cojinetes de la flecha y la cubierta de tubería o retener de los cojinetes. La bomba está suspendida de la cabeza impulsora, que consiste del codo de descarga (para descarga arriba del nivel del suelo), el motor o soporte del impulsor, y ya sea el estopero (en construcción de flecha abierta) o el conjunto para suministrar tensión a la cubierta de tubería e introducir lubricante a ella. La descarga a nivel subterráneo se toma de una te en la columna de tubo y la cabeza impulsora trabaja principalmente como un soporte para el impulsor y para la columna de tubería.

El líquido es guiado al impulsor de la bomba vertical de turbina por la caja o cabeza de succión Esta puede ser una sección cónica para fijarse a una coladera o tubería de succión cónica o puede ser una boca acampanada.

Los impulsores semiabiertos y encerrados se usan comúnmente tanto unos como otros. Para espacios libres apropiados en los distintos pasos. el impulsor semiabierto requiere más cuidado al armar en la flecha del impulsor y un ajuste más preciso en el campo de la posición vertical de la flecha con objeto de obtener la mejor eficiencia. Se prefieren los impulsores encerrados a los semiabiertos, además, porque el desgaste en estos últimos reduce la capacidad, que no puede restaurarse a menos que se instalen nuevos impulsores. El desgaste normal en los impulsores encerrados no afecta los alabes del impulsor y los espacios desgastados pueden restaurarse reponiendo los anillos de desgaste. El empuje producido por los impulsores semiabiertos puede ser hasta 150% mayor que el producido por impulsores encerrados.

Ocasionalmente en las plantas de fuerza el nivel máximo de agua que se puede tener en el pozo caliente del condensador, no dará un adecuado NPSH [net positive suction head (altura neta de succión positiva)] para una bomba horizontal de condensado convencional montada en el piso del sótano, especialmente si la unidad se ha instalado en una planta existente en un espacio original asignado a una bomba de menor tamaño. Construir un foso para una bomba horizontal de condensado convencional o de una bomba vertical de foso seco que proporcione suficiente sumersión, implica un gasto considerable. La bomba vertical de turbina de "bote" para servicio condensado es básicamente una bomba vertical de turbina montada en un tanque (con frecuencia llamado bote) que se entierra en el suelo. La longitud de la bomba tiene que ser tal que se cuente con suficiente NPSH para el diseño del impulsor del primer paso, y el diámetro y la longitud del tanque tiene que permitir el flujo correcto por el espacio entre la bomba y el tanque y además para un giro y flujo dentro de la boca acampanada. La instalación de este diseño en una planta existente es naturalmente mucho menos cara que hacer un foso, porque el tamaño del agujero necesario para instalar el tanque es mucho más pequeño. El mismo diseño básico se ha aplicado también a bombas que manejan líquidos volátiles que están montados en el piso de operación y que no están provistas con suficiente NPSH.

Bombas de hélices

Originalmente el término "bomba vertical de hélice" se aplicó a bombas verticales de difusor de pozo lleno o de turbina con una hélice o impulsores de flujo axial, generalmente, para instalarse en un colector abierto con una colocación relativamente breve. Las cabezas de operación que exceden la capacidad de un impulsor de un solo paso de flujo axial pueden requerir una bomba de dos o más pasos o una bomba de un solo paso con una velocidad específica más baja y un impulsor de flujo mixto. Las alturas de elevación bastante altas requerirán una bomba con impulsores de flujo mixto y dos o más etapas. A falta de un nombre más apropiado, esos diseños de altura de elevación grande se han clasificado por lo general también como bombas de hélice.

Aunque las bombas verticales de turbina y las bombas verticales de hélice modificadas son básicamente iguales desde el punto de vista mecánico, y aun podrían ser de la misma velocidad específica hidráulicamente, un diseño básico de bomba de turbina es el que es apropiado para un gran número de pasos, mientras que una bomba de hélice modificada es un diseño mecánico básicamente indicado para un máximo de dos o tres pasos.

La mayoría de las instalaciones de drenaje de foso lleno, de irrigación de poca altura de elevación, y de agua de tormentas emplean bombas convencionalmente de hélice o de hélice modificada. Estas bombas también se han usado para servicio de circulación condensado, pero un diseño especializado domina este campo. Como las plantas de fuerza de gran tamaño están, por lo general, localizadas en áreas densamente pobladas, con frecuencia tienen que usar agua bastante contaminada (tanto dulce como salda) como medio para enfriar. Esta agua reduce rápidamente la vida del acero utilizado. El hierro fundido, bronce o aun algún metal fundido todavía más resistente a la corrosión deberá, por lo tanto usarse para el conjunto de columna de tubería. Este requerimiento exige una bomba muy pesada si están implicadas capacidades muy grandes. Para evitar la necesidad de levantar esta gran masa para el mantenimiento de las partes giratorias, algunos diseños están construidos de manera que el impulsor, difusor y conjunto de la columna de tubería. Estos diseños por lo común se llaman diseños "desarmables".

Como las bombas verticales de turbina, las de hélice o las de hélice modificadas se han hecho con línea de transmisión abierta y encerradas. Excepto para el servicio de circulación de condensado, la transmisión encerrada -que usa aceite como lubricante pero con un cojinete terminal lubricado con grasa abajo del impulsor- parece ser la preferida. Algunas bombas que manejan agua de circulación de condensadores usan transmisiones encerradas pero con agua como (frecuentemente de otra fuente) lubricante, eliminando así cualquier posibilidad de que el aceite penetre al agua de circulación y cubra los tubos del condensador.

Las bombas de hélice tienen propelas abiertas. Las bombas de hélice modificadas con impulsores de flujo mixto se fabrican tanto con impulsores abiertos como cerrados.

Bombas de agua de albañal

Exceptuando algunas bombas grandes verticales que manejan residuos cloacales diluidos (básicamente agua de lluvia contaminada con aguas negras domésticas), las bombas verticales de agua de albañal de foso lleno, tienen un diseño de voluta de admisión de fondo con impulsores capaces de manejar materiales sólidos y fibrosos con un atascamiento mínimo. Estas bombas generalmente sostenidas de un piso alto por medio de una tubería colgante, con frecuencia usan transmisiones encerradas o cubiertas como las que se usan en las bombas verticales e turbina. Excepto por una entrada acampanada de succión y ciertas diferencias en las construcción de cojinetes y estoperos, son por lo general mecánica e hidráulicamente similares a sus equivalente de foso seco.

Se han usado tres construcciones básicas para esas bombas. Las primera emplea impulsores sin anillos traseros y un cojinete lubricado con agua o grasa con un sello en su extremo más bajo lubricado arriba del impulsor. El extremo superior está conectado para descargar al foso de succión para evitar cualquier presión hidráulica apreciable en el sello del extremo inferior de la cubierta de tubería de la flecha; de lo contrario entraría el agua a la cubierta de tubería. El sello en el extremo inferior del cojinete del impulsor debe ser especialmente efectivo con altas descargas de la bomba; de otra manera escurrirá una gran cantidad de agua por el cojinete, con algo de corte si hay areniscas.

La segunda construcción es similar pero emplea álabes de vaciado o juntas de anillos de desgaste en la parte posterior del impulsor (este último necesita agujeros de balanceo por el cubo del impulsor) para que el cojinete sólo esté sujeto a la presión de succión. La tercera construcción, que se usa principalmente con impulsores que no tienen anillos posteriores o álabes de vaciado, retiene un estopero en alguna forma, con cojinetes arriba y separados de la caja.

Aunque los sellos de las flechas y la empaquetadura usada para sellar el extremo inferior de la cubierta de tubo o el cojinete del fondo están destinadas a excluir tanta agua como sea posible, es de esperarse algún escurrimiento con niveles altos de agua de succión aun cuando el sello sea nuevo. Como algunos de los cojinetes de la flecha pueden tener que operar en agua o mezcla de agua y aceite, el cojinete puede desgastarse relativamente más aprisa que uno lubricado positivamente con aceite o grasa. las bombas de aguas de albañal de foso lleno generalmente estarán limitadas a servicios que requieran operarse durante un periodo muy limitado del día.

Bombas de voluta

Además de las bombas de agua de albañal de foso lleno más comunes, algunos diseños de admisión sencilla con succión, ya sea en el fondo o por la parte superior y los diseños de doble succión que están soportadas en el piso del pozo, se usan algunas veces en este servicio. Excepto en algunas instalaciones de diques secos flotantes, esas bombas tienen muy pocas aplicaciones en la actualidad.

Bombas de colector

El término "bombas de colector" ordinariamente da la idea de una bomba vertical de foso lleno que está suspendida de una placa del piso o de una tapa del colector o soportada por una pata en el fondo de un pozo, que está movida por un motor y controlada automáticamente por un interruptor de flotador, y que se usa para disponer de drenajes a cumulados en un colector. El término no indica una construcción específica porque se usan tanto diseños de voluta como de difusor; éstos pueden ser de uno o varios pasos y tener impulsores abiertos o cerrados de una gran amplitud de velocidad específicas.

Para capacidades muy pequeñas servidas por motores de fracciones de hp, se pueden obtener "achicadores de sótanos". estos son unas bombas pequeñas y por lo general de voluta y un solo paso con impulsores de admisión sencilla (con succión de fondo o por la parte superior) soportadas por una pata en la cubierta; el motor está soportado bien arriba del impulsor por alguna forma de columna que encierra la flecha. Estos achicadores se hacen como unidades completas, incluyendo el flotador, interruptor de flotador, motor, y coladeras.

Las bombas de colector de mayor capacidad pueden ser verticales de hélice o de turbina (de uno o varios pasos) o de aguas de albañal verticales de foso lleno o de voluta. Si pueden arrastrarse al foso materiales sólidos u otros desperdicios, se prefiere la bomba vertical de foso lleno para aguas de albañal con un impulsor inatascable. Las bombas de colector más grandes son generalmente normalizadas pero pueden obtenerse en cualquier longitud, con tapas de varios tamaños (en las que se puede montar un interruptor de flotador), y otros similares. Las unidades dúplex, es decir dos bombas en una tapa común de colector (algunas veces con pozo de visita de acceso al colector) se emplean con frecuencia. Esas unidades pueden operar sus bombas en un orden fijo, o se puede usar un alternador mecánico o eléctrico para igualar su operación.

Aplicación de las bombas verticales de foso lleno

Como todas las bombas, las verticales de foso lleno tienen ventajas y desventajas, las primeras en su mayor parte hidráulicas y las últimas principalmente mecánicas. Si el impulsor (el del primer paso en bombas de varias etapas) está sumergido no hay problema de cebado, y la bomba puede controlarse automáticamente sin miedo de que alguna vez trabaje en seco. Además, la NPSH disponible es mayor (excepto en taques cerrados) y a veces permite una velocidad giratoria más alta para las mismas condiciones de servicio. La única ventaja mecánica es de que el motor o impulsor se puede colocar a cualquier altura que se desee arriba de cualquier nivel de inundación. Las desventajas mecánicas son las siguientes: (1) Posibilidad de pegarse cuando está inactiva, (2) posibilidad de dañarse con objetos flotantes si la unidad está instalada en una zanja abierta o instalación similar, (3) inconveniente de sacarla y desmantelarla para inspección y reparaciones, no importa que tan pequeñas y (4) la vida relativamente corta los cojinetes de la bombas a menos que el agua y el diseño de los cojinetes sea ideal. La bomba vertical de foso lleno es la mejor bomba disponible para algunas aplicaciones, no la ideal pero la más económica para otras instalaciones, una mala selección para otras y todavía la menos deseable para otras más.

Arreglos típicos de bombas verticales

Una bomba es sólo una parte de un sistema de bombeo. El diseño hidráulico del sistema fuera de la bomba afectará la economía total de la instalación y puede fácilmente tener un efecto adverso sobre el funcionamiento de la misma bomba. Las bombas verticales son especialmente susceptibles porque el pequeño espacio de suelo ocupado por cada unidad ofrece la tentación de reducir el tamaño de la estación colocando unidades más cerca unas de otras. Si se reduce el tamaño, el arreglo de la succión puede no permitir el flujo apropiado del agua a la entrada de la succión de la bomba. Como están implicados muchos factores en el diseño de un pozo de succión y la localización de una boca acampanada y no se pueden aplicar con confianza reglas o relaciones sencillas, no se incluyen en este estudio. El tamaño físico de las bombas (ya sea de hélice o de voluta) afecta muy poco el diseño del pozo de succión, la localización de la boba acampanada o de la distancia entre unidades. Estas están generalmente controladas por factores que gobiernan el flujo apropiado del agua a la boca acampanada. Estación de varias unidades con bombas verticales de voluta de foso seco longitudinales en todo el largo de una entrada de succión es el arreglo ideal para una estación de varias unidades con bombas de foso seco. Proporciona un flujo sin restricciones en el lado de la succión de todas las unidades. Las estaciones que usan este arreglo para un grupo de bombas verticales de voluta con frecuencia tienen las bocas acampanadas y codos de succión formados precisamente en la subestructura de concreto. Si se instalan bombas de foso lleno con bocas de campana verticales, se debe proporcionar un espacio libre adecuado en la pared posterior y entre las unidades. La estación de varias unidades con bombas verticales de voluta de foso lleno al extremo del conducto es una situación común en la que la succión está situada al extremo de un conducto cuyo ancho es menos que la longitud del pozo de succión. Sin una sección floreada con paredes divisorias para guiar la distribución del agua que entra a las distintas unidades, el flujo se alteraría mucho y se afectaría adversamente la operación de las bombas.

Un arreglo de bomba vertical de hélice que es con frecuencia molesto (los arreglos de las bombas verticales de voluta con bocas acampanadas de succión). A menos que el ancho del pozo de succión proporcione suficiente área y a a menos que la localización de las bocas acampanadas permitan buen flujo, la demanda de las primeras unidades de la línea alterará el flujo en unidades más alejadas. Con mucha frecuencia las instalaciones de este arreglo general requieren abundantes tabiques de desviación para corregir la distribución. Algunas estaciones están hechas con paredes que forman pozos individuales para cada bomba y un canal para alimentar esos pozos que corre a lo largo de la estación.

Se han desarrollado con los años a lo largo de la estación, dimensiones de los canales de entrada y accesos. Si es posible una entrada dará resultados excelentes. Las dimensiones para el ancho del canal y las distancias se dan en términos del diámetro de las bocas acampanadas de succión. Otro ejemplo de buen diseño de canal y pozo para bombas verticales de turbina, que también indica los espacios libres entre las bocas acampanadas de succión y el fondo del pozo entre la bomba, la pared posterior del pozo y las paredes divisorias.

Si están consideradas líneas largas de descarga, se requieren válvulas en la tubería. Normalmente se usan tanto una válvula de compuerta como una de retención. La válvula de retención acciona para evitar el flujo inverso, mientras que la válvula de compuerta funciona cuando la unidad está fuera de servicio durante un periodo de tiempo largo. En algunas instalaciones, se omite la válvula de compuerta y se usan tablones de cierre o válvulas de esclusas. Una válvula de cono que trabaja tanto como una de retención y de compuerta aparece en otras instalaciones. El alto costo de esta válvula sin embargo, generalmente restringe su uso a instalaciones que requieren un flujo que se inicia y suspende gradualmente para evitar el golpe de ariete. Unas pocas instalaciones con líneas largas descarga para bombas aisladas no tienen más válvula que una de charnela en el extremo de descarga. Si la unidad está parada, el agua en la línea de descarga fluye de regreso a través de la bomba hasta que la tubería queda vacía.

Si el diseño de una instalación o la falla de una válvula de retención o de charnela que no cierren permite el flujo inverso de agua a través de la bomba, la bomba actúa como una turbina hidráulica. El torque desarrollado por la bomba como turbina causará la rotación inversa de impulsores de rotación libre como los motores eléctricos. Por lo general no es suficiente para provocar la rotación insuficiente en máquinas de combustión interna. En los motores la velocidad inversa que se alcanzará dependerá tanto de la carga neta como de la velocidad de descontrol de la bomba menor que la carga estática debido a las pérdidas por fricción. La velocidad de fuga depende de la velocidad de fuga más altas (medidas como porcentaje de la velocidad normal). La velocidad inversa obtenible en una instalación real es generalmente inferior a la velocidad segura de operación de sus partes componentes y no es necesario usar un diseño especial.

El uso de una descarga de sifón elimina la necesidad de válvulas en la línea de descarga. El punto alto del sifón debe estar arriba del nivel alto del agua en la descarga con objeto de romper el sifón y evitar el flujo inverso del agua cuando una bomba que opera con una descarga de sifón se arranca, el procedimiento usual es escapar el aire del sistema con dispositivo cebador hasta que la bomba queda cebada. Entonces puede arrancarse la bomba para ayudar a llenar el sifón la conexión al punto alto del sifón también está provista con una abertura que tienen válvula para que se pueda admitir aire y romper el sifón cuando se desea parar la unidad. es posible controlar la admisión de aire automáticamente, de modo que la válvula funciona si se para la unidad por alguna razón.

Aunque los sifones de ramas cortas son relativamente sencillos y libres de molestias tanto de diseño como de operación, se debe tener más cuidado si tienen ramas largas. Algunos sifones operan correctamente con ramas que exceden 8 m, pero éstos están principalmente limitados a sistemas de circulación en instalaciones de plantas eléctricas. El uso de una descarga de sifón es conveniente en instalaciones de drenaje para bombear sobre un dique porque proporciona menor carga de la que se tendría si el agua se descarga arriba del dique.