Los cojinetes de empuje pueden ser como en el caso de los cojinetes radiales antifricción o rodamientos o del tipo plano o hidrodinámico.

La función principal de estos cojinetes es la de soportar las fuerzas en dirección axial al eje generada durante el proceso de bombeo, básicamente por el cambio de dirección del fluido en el impulsor y la carcasa de la bomba centrífuga que genera un empuje que tiene que ser compensado de alguna forma.

12.2.1.- Cojinetes Axiales de Elementos Rodantes

Las bombas centrífugas horizontales de baja y media energía, como las de succión frontal, usarán cojinetes de empuje del tipo antifricción. En las bombas del tipo OH (de succión frontal) el arreglo de cojinetes de empuje se coloca próximo al acoplamiento, cumpliendo la función de cojinete radial y de empuje. En las bombas del tipo BB (entre cojinetes) el cojinete de empuje se coloca del lado no conducido de la bomba. Los cojinetes antifricción para el manejo de las fuerzas axiales más comúnmente usados son los cojinetes de contacto angular, los cuales son capaces de soportar altas fuerzas radiales combinadas con fuerzas de empuje axial entre 150 y 300% de la carga radial reportada.

La norma API 610/ISO 13709 es exigente en cuanto al dimensionamiento y selección de los cojinetes de empuje. La norma solicita que los cojinetes de empuje sean dimensionados para soportar toda la fuerza axial transmitida cuando se está bombeando el caudal de diseño, incluyendo la presión diferencial máxima. Además, indica que todas las cargas deben ser determinadas holguras de diseño y para las holguras a 2x las holguras de diseño, adicionalmente se debe considerar cualquier reacción producto de la condición de operación extrema.

La figura N° 12-7 muestra el corte de un cojinete de bolas de contacto angular diseñado para soportar altas fuerzas axiales.

Los cojinetes deben tener capacidad para soportar la totalidad de las fuerzas axiales, tanto cuando la bomba gira en la dirección especificada como cuando la dirección de rotación es invertida. Cuando se usan acoplamientos flexibles de elementos metálicos las fuerzas axiales deben ser calculadas incluyendo la máxima deflexión permitida por el fabricante del acoplamiento.

El API 610/ISO 13709 11ava Edición especifica que los cojinetes de bolas para empuje axial deben ser de contacto angular, del tipo “dúplex” (de la serie 7.000 una sola hilera de bolas), con un ángulo de contacto de 40° (0,7 Radianes) equipados con una jaula de latón maquinado (las jaulas no metálicas no son aceptadas). El montaje debe ser en configuración Espalda con Espalda (Back to Back) la necesidad de holguras y de precarga debe ser determinada por el vendedor con la finalidad de lograr cubrir el servicio y cumplir con la vida de los cojinetes establecida enla tabla N° 10 del capítulo 6.10 “Bearing and Bearing Housing”.

En este tipo de rodamiento de contacto angular mientras mayor es el ángulo, mayor es la capacidad para resistir la carga. Los tipos de cojinete axial de acuerdo con el ángulo son el de 20º que es considerado el rodamiento de contacto angular estándar y que no es marcado en las pistas externas del cojinete.

Otros tipos de cojinete de contacto angular son el tipo C con ángulo contacto de 15º, el cojinete tipo AC con ángulo de contacto de 25º, el cojinete tipo A con ángulo de contacto de 30º y finalmente el de mayor capacidad para soportar carga axial el tipo B ángulo de contactocon 40º. Los cojinetes de contacto angular solo pueden soportar carga en una sola dirección, lo cual justifica su utilización en pares.

El uso de cojinetes de doble hilera de bolas de contacto angular no es una buena práctica, debido a que son vulnerables a la aplicación de fuerzas de empuje axial en reversa.

Como se dijo en la sección anterior de cojinetes radiales el ASME B73.1 no establece el tipo o características de los rodamientos a utilizar tanto para el manejo de las fuerzas radiales como las fuerzas axiales, solamente indica que la vida mínima esperada L₁₀ debe ser de al menos 17.500 horas cuando el equipo trabaja en el rango de operación establecido para la bomba. En estas bombas se utilizan cojinetes de rodillos, de doble hilera de contacto angular, que no son comunes en las bombas API 610.

12.2.1.1.- Precarga del Cojinete

La precarga de los cojinetes es el ajuste de las holguras internas de los cojinetes mediante la aplicación de una fuerza. La precarga puede ser radial o axial, los cojinetes de rodillos cilíndricos solo pueden ser precargados radialmente, así como los cojinetes de carga axial y los cojinetes cilíndricos de carga axial solo pueden ser cargados axialmente.

Por lo general la precarga contribuye a:

• Mejorar la distribución de las fuerzas en las pistas del cojinete.
• Mejorando la vida por fatiga en el cojinete.
• Elimina la soltura radial y axial.
• Evita el deslizamiento y movimiento relativo de las bolas.
• Cuando se trabaja a altas velocidades elimina la diferencia en los ángulos de contacto entre las bolas y las pistas tanto interna como externa.
• Reduce el ruido durante la operación.
• Reduce la posibilidad de daños causados por fuerzas generadas en presencia de vibraciones mecánicas.
• Incrementa la vida del cojinete y la capacidad para soportar las fuerzas axiales.
• Incrementa la rigidez del sistema.

Sin embargo, una precarga excesiva o deficiente puede ser catastrófica, ya que aumenta la temperatura sobre las pistas disminuyendo la vida de los cojinetes.

En la práctica los procedimientos más utilizados para aplicar la precarga en los cojinetes son: mediante muelles, mediante ajuste axial o usando cojinetes del tipo Duplex.

a.- Uso de Muelles

Este es un método primario y de bajo costo para el ajuste de la precarga axial, el cojinete puede ser precargado mediante resortes o mediante arandelas de presión, los cuales actúan básicamente sobre las partes fijas del cojinete como es el caso de las pistas externas.

El problema del uso de muelles es que consume espacio para la colocación de los resortes, ellos no pueden ser cargados en sentido contrario porque tienen a perder la precarga, además los muelles tienden a desalinearse y a perder la precarga cuando son sometidos a altas cargas.

Los muelles y las arandelas de presión como medios para aplicar precarga no son recomendados por el API 610/ISO 13709.

b.- Uso de Ajuste Axial

En el ajuste axial los cojinetes se colocan en lados opuestos teniendo las pistas internas y externas excéntricas, que luego son ajustadas mediante tuercas y mantienen la precarga deseada usando arandelas que son ajustadas dimensionalmente de acuerdo con la precarga deseada.

c.- Uso de Cojinetes Duplex

Los cojinetes Duplex son cojinetes de contacto angular fabricados en pares para que ajusten adecuadamente y puedan recibir la precarga definida. La pareja se sincroniza mediante el mecanizado de la superficie de las caras de las pistas del cojinete (las caras a mecanizar dependen del arreglo de cojinete que se va a emplear). Este mecanizado deja una holgura entre las caras que es compensada cuando la pareja de cojinetes es ajustada en el eje y la carcasa de la bomba, y deja la precarga se mantiene mientras se mantenga apretado el conjunto.

Los arreglos para cojinetes Duplex usados por los fabricantes de bombas centrífugas son el arreglo Espalda con Espalda o “Back to Back”, el arreglo Cara con Cara o “Face to Face” y el arreglo en Línea o en “Tandem”. Existen otras combinaciones posibles donde se combinan más de dos cojinetes axiales en una misma bomba para reforzar la capacidad de carga en una dirección y mantener la capacidad en otra dirección, sin embargo, por no ser su uso de amplia difusión en las bombas centrífugas de la Industria Petrolera no se tratarán en este libro.

La figura 12-8 muestra un juego de cojinetes Duplex en configuración Espalda con Espalda (Back to Back).

En la figura 12-8 se puede observar la holgura que tiene la pista interna del cojinete original y que está indicada como holgura para precarga. Cuando se ajusta la tuerca la holgura es eliminada y las bolas quedan cargadas y con el ángulo de ataque deseado.

Con el arreglo Espalda con Espalda (Back to Back) el espacio entre los ángulos es divergente y más extendido, con lo que la rigidez del eje también aumenta y la resistencia a la desalineación se incrementa. Este arreglo de cojinetes de empuje es el mas utilizado en las bombas centrífugas que utilizan cojinetes de empuje Duplex, representando el 90% de las bombas instaladas.

Como se afirmó en el párrafo anterior el API 610/ISO 13709 recomienda el arreglo Espalda con Espalda (Back to Back). La figura N° 12-9 muestra el diagrama de una configuración de cojinetes Duplex en arreglo Espalda con Espalda, mostrando los ángulos de contacto.

Se observa en la figura que cuando los cojinetes se colocan Espalda con Espalda se hacen coincidir los resaltes de la pista externa de los cojinetes. Los ejes que pasan por las bolas divergen indicando que la precarga fue aplicada a los cojinetes.

En el arreglo Cara con Cara (Face to Face) el espacio entre los ángulos de contacto es convergente, orientado al eje central de los cojinetes, haciendo que el espacio, entre estos ángulos, sea relativamente corto comparado con el espacio generado por los cojinetes Duplex Espalda con Espalda.

Este arreglo hace la rigidez del eje relativamente baja, permitiendo mayor desalineación que otros métodos de montaje. El montaje Cara con Cara se usaba comúnmente en bombas multietapas en diseños anteriores a los años 80.

La figura N° 12-10 muestra el diagrama de una configuración de cojinetes Duplex con arreglo Cara con Cara.

Como se puede observar en la figura cuando los cojinetes Duplex se colocan Cara con Cara los resaltes se ubican en lados opuestos de la pista externa de los cojinetes. Los ejes que pasan por las bolas convergen indicando que la precarga fue aplicada a los cojinetes.

En otro arreglo muy usado en las bombas centrífugas es el tipo en Línea (Tandem) que alinea la capacidad de carga de la pareja de cojinetes en una sola dirección no teniendo capacidad para absorber fuerzas axiales en la dirección contraria. Este arreglo ofrece alta capacidad de soportar cargas axiales, pero solo en una dirección.

El arreglo en Línea (Tamdem) es empleado extensamente en bombas verticales, donde los cojinetes de empuje están colocados en unos módulos independientes en el tope del cabezal de la bomba o en los motores eléctricos accionadores.

La figura N° 12-11 muestra el diagrama de una configuración de cojinetes Duplex con arreglo en Línea (Tandem).

Como regla general es conveniente solicitar al fabricante de las bombas que los motores eléctricos para bombas verticales deben tener la capacidad de soportar el doble de las fuerzas axiales estimadas, incluyendo los esfuerzos hidráulicos y el peso del rotor. Las razones para esta solicitud radican en que el cálculo del empuje axial no es muy preciso, el empuje de las bombas verticales aumenta con el incremento de las holguras internas, con la posición de los impulsores y con las variaciones del flujo.

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12.2.2.- Cojinetes Axiales Planos

En las bombas de media y alta energía donde la potencia es alta y en bombas de alta velocidad, el cojinete de empuje es del tipo plano. La figura N° 12-12 muestra el diagrama de un cojinete plano de empuje axial de zapatas pivotantes.

Los cojinetes de empuje plano son capaces de operar soportando altas fuerzas y velocidades. Son hidrostáticos, la lubricación para este tipo de cojinete debe ser lubricación forzada (este tipo de lubricación se tratará en el próximo capítulo).

El cojinete de empuje hidrostático es básicamente un disco rotatorio que se desliza sobre un disco liso o de anillos segmentados, que con el suministro de la lubricación forzada y el movimiento del anillo forman una cuña de lubricación.

El espesor de la película que forma la cuña en cojinetes axiales pequeños es de 5mm (0,0002 pulgadas) y hasta 50mm (0,002 pulgadas) en cojinetes grandes.

El API 610/ISO 13709 recomienda para las bombas que necesitan la instalación de cojinetes de empuje plano que ellos deben ser hechos con estructura o base de acero, con superficie recubierta con “Babditt”, y de segmentos multiples o “multi-pads”. Además, indica que deben ser dimensionados para soportar el mismo empuje axial en ambas direcciones y con dispositivos que permitan la presurización continua de aceite lubricante en cada una de las caras del cojinete. El cojinete debe tener dispositivos que permita la autonivelación para asegurar que cada segmento o “pad” soporte fuerzas de la misma magnitud.

En cuanto a la capacidad de carga el API 610/ISO 13709 manda que el cojinete de empuje axial debe ser dimensionado para la fuerza máxima continua. En estas condiciones de carga y a la velocidad de diseño se deben cumplir con los siguientes parámetros:

• El espesor de la película mínima de aceite lubricante debe ser de al menos 8mm (0,0003 Pulgadas);
• La presión máxima por unidad de área debe ser de 3500 kPa (500 psi).
• La temperatura máxima en la superficie del “Babbitt” no debe superar los 130 °C (265 °F).

En bombas de alta energía y velocidad los fabricantes y los usuarios tienen preferencia por los cojinetes de empuje de almohadillas basculantes o “Tiltin Pad” debido a la robustez de estos diseños de cojinetes y la capacidad de estabilizar la cuña y la película de lubricación mediante la modulación de las almohadillas.

Esta modulación ajusta la conicidad entre las dos superficies tribológicas facilitando el flujo de lubricantes evitando de esta forma la inestabilidad de la película lubricante y por consecuencia evitando vibraciones en el sistema. El principal problema observado en este tipo de cojinete son deficiencia en los acabados, en las holguras y deformaciones en las cajeras que causan inestabilidad en la película de lubricación.

La selección de los materiales de construcción del cojinete tiene una importancia capital en el buen desempeño de los cojinetes de empuje planos. Las zonas de carga de los cojinetes planos son amplias y el eje se sostiene en películas de aceite de no mayores a 50mm (0,002 pulgada).

En la superficie de los cojinetes se usan materiales suaves que el acero de los ejes, lo que permite la deformación del material en las zonas de mayor carga, facilitando el posicionamiento correcto del eje en la zona de carga, como es el caso del “Babbitt”; sin embrago la capacidad de los materiales blandos para soportar las fuerzas a fatiga son mínimas.

Para mejorar la resistencia de los cojinetes planos se utilizan combinaciones de materiales como por ejemplo una superficie de cobre o estaño con espesores de entre 127mm y 508mm (0,005 y 0,020 pulgadas) de espesor sobre una base de acero, fundición de hierro, aluminio, etc.