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.
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.
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 13709Centrifugal 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.
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 fundamen-talmente 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 B73.1Specification for Horizontal End Suction Centrifugal Pumps For Chemical Process”. 

Figura N° 2-5.- Diagrama de un impulsor semi-abierto.
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.- Agujeros de balance en impulsor semi-abierto.
Figura N° 2-6.- Agujeros de balance en impulsor semi-abierto.
Fuente: Rukmani Engineering Works

Otros dispositivos utilizados 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.- POV (Pump Out Vanes) en impulsor.
Figura N° 2-7.- POV (Pump Out Vanes) en impulsor.
Fuente: takangming.en.alibaba.com/productshowimg/331656978-210381299/Impeller.

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 6.7Wear 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.
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.

Acerca del autor de este libro:

José Miguel Acosta Pérez

José Miguel Acosta Pérez, es Ingeniero Mecánico egresado de la Universidad Simón Bolívar (USB) (Venezuela-1982); Especialista en Equipos Rotativos, Universidad Simón Bolívar (USB) (Venezuela-1990), Especialista en Gerencia de Proyectos, Universidad Católica Andrés Bello (UCAB) (Venezuela-2001), Especialista en Equipos para Producción de Petróleo On and Offshore, Universidade de Iguazu (UNIG) (Brasil-2010). 

E-mail de contacto: jose.acosta_pumpbook.com.br

CAPÍTULO 1
INTRODUCCIÓN

1.1.- ¿Qué es una Bomba?
1.2.- ¿Qué son las Bombas Centrífugas?

CAPÍTULO 2
PARTES DE UNA BOMBA CENTRÍFUGA

2.1.- Impulsores
2.2.- Eje
2.3.- Carcasa
2.4.- Anillos de Desgaste
2.5.- Cojinetes
2.6.- Sellos Mecánicos

CAPÍTULO 3
¿CÓMO LAS BOMBAS CENTRÍFUGAS TRANSMITEN LA ENERGÍA A LOS FLUIDOS?

3.1.- Cabezal Total de una Bomba Centrífuga
3.2.- Sistemas Asociados a las Bombas y sus Características
3.3.- Potencia y Eficiencia en las Bombas Centrífugas

CAPÍTULO 4
CURVAS DE RENDIMIENTO DE LAS BOMBAS CENTRÍFUGAS

4.1.- Forma de la Curva de Rendimiento
4.2.- Diseño Hidráulico de las Bombas Centrífugas

CAPÍTULO 5
CEBADO DE LAS BOMBAS CENTRÍFUGAS

5.1.- Cebado Manual con Válvula de Pie
5.2.- Cebado con Tanque de Cámara Simple
5.3.- Cebado por Succión Positiva
5.4.- Cebado con Eyectores
5.5.- Cebado con Bombas de Vacío

CAPÍTULO 6
CARACTERÍSTICAS DE SUCCIÓN DE UNA BOMBA CENTRÍFUGA

6.1.- Como se Determina el NPSHA
6.2.- Como se Determina el NPSHR
6.3.- Como Mejorar el NPSHA de un Sistema de Bombeo
6.4.- Fenómeno de Cavitación

CAPÍTULO 7
OPERACIÓN CON LÍQUIDOS VISCOSOS

CAPÍTULO 8
FLUJO MÍNIMO

8.1.- Flujo Mínimo Térmico
8.2.- Flujo Mínimo Continuo

CAPÍTULO 9
LEYES DE AFINIDAD

9.1.- Aplicación de las Leyes de Afinidad
9.2.- Ajustes en los Impulsores Luego del Corte

CAPÍTULO 10
OPERACIÓN CON MÁS DE UNA BOMBA

10.1.- Bombas Operando en Paralelo
10.2.- Bombas Operando en Serie

CAPÍTULO 11
PARTES Y SISTEMAS ACCESORIOS PARA LAS BOMBAS CENTRÍFUGAS

CAPÍTULO 12
COJINETES

12.1.- Cojinetes Radiales
12.2.- Cojinetes de Empuje

CAPÍTULO 13
LUBRICACIÓN

13.1.- Tipos de Lubricación
13.2.- Lubricación con Grasa
13.3.- Lubricación con Aceite

CAPÍTULO 14
ACOPLAMIENTO

14.1.- Acoplamientos de Engranajes
14.2.- Acoplamientos de Rejilla de Agarre Continuo
14.3.- Acoplamientos Elastoméricos
14.4.- Acoplamiento Flexible de Láminas Metálicas

CAPÍTULO 15
SELLADO DEL EJE

15.1.- Caja de Sellos
15.2.- Empaquetaduras
15.3.- Sellos Mecánicos

CAPÍTULO 16
MATERIALES DE FABRICACIÓN

16.1.- Materiales de Acuerdo con el ASME B73.1
16.2.- Materiales de Acuerdo con el API 610
16.3.- Otras Consideraciones

CAPÍTULO 17
INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL

17.1.- Control por Regulación de Flujo
17.2.- Control por Recirculación
17.3.- Control por Variación de Velocidad
17.4.- Otras Consideraciones para el Control de Flujo

CAPÍTULO 18
MOTORES ELÉCTRICOS

CAPÍTULO 19
VIBRACIÓN MECÁNICA EN BOMBAS CENTRÍFUGAS

19.1.- Como se Miden las Vibraciones y Como son Interpretadas
19.2.- Que Dicen el Asme B73.1 Y el API 610 Sobre Vibración
19.3.- Causas de las Vibraciones en las Bombas Centrífugas

CAPÍTULO 20
PRINCIPALES TIPOS DE BOMBAS CENTRÍFUGAS

20.1.- Bomba de Succión Frontal
20.2.- Bomba Vertical en Línea
20.3.- Bombas Horizontales Multietapas
20.4.- Bomba Doble Succión Axialmente Partida, Entre Cojinetes
20.5.- Bomba Vertical Tipo Turbina

CAPÍTULO 21
CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LAS BOMBAS CENTRÍFUGAS

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