Comprensión de las fuerzas hidráulicas en las bombas
Definición: ¿Qué son las fuerzas hidráulicas?
Fuerzas hidráulicas Son fuerzas ejercidas sobre los componentes de la bomba por el líquido en movimiento, incluyendo cargas inducidas por la presión en los álabes del impulsor, empuje axial debido a diferenciales de presión, fuerzas radiales derivadas de distribuciones de presión asimétricas y fuerzas pulsantes debidas a la turbulencia del flujo y la interacción entre los álabes y la voluta. Estas fuerzas son distintas de las fuerzas mecánicas (de desequilibrar, desalineación) en el sentido de que surgen de los cambios de presión y momento del fluido, creando vibración componentes en frecuencia de paso de la paleta y armónicos relacionados.
Comprender las fuerzas hidráulicas es esencial para la fiabilidad de las bombas porque estas fuerzas crean cargas en los cojinetes, deflexión del eje y vibraciones que varían con las condiciones de funcionamiento (caudal, presión, propiedades del fluido), lo que hace que el comportamiento de la bomba sea diferente al de otras máquinas rotativas donde las fuerzas son principalmente mecánicas.
Tipos de fuerzas hidráulicas
1. Empuje axial (empuje hidráulico)
Fuerza axial neta debida al diferencial de presión a través del impulsor:
- Mecanismo: Presión de descarga en un lado, presión de succión en el otro lado del impulsor.
- Dirección: Normalmente hacia la succión (parte trasera del impulsor)
- Magnitud: Puede costar miles de libras incluso con bombeos moderados.
- Efecto: Las cargas en los cojinetes de empuje pueden causar vibración axial
- Varía con: Caudal, presión, diseño del impulsor
Métodos de equilibrio de empuje
- Orificios de equilibrio: Orificios en la cubierta del impulsor para igualar la presión
- Aletas traseras: Las paletas en la parte posterior bombean fluido para reducir la presión.
- Impulsores de doble succión: Diseño simétrico que cancela el empuje
- Impulsores opuestos: Bombas multietapa con impulsores orientados en direcciones opuestas
2. Fuerzas radiales
Fuerzas laterales derivadas de la distribución asimétrica de la presión:
En el punto de máxima eficiencia (PME)
- La distribución de presión es relativamente simétrica alrededor del impulsor.
- Las fuerzas radiales se equilibran y se cancelan.
- Fuerza radial neta mínima
- condición de vibración más baja
Desactivado BEP (Caudal bajo)
- Distribución asimétrica de la presión en la voluta
- Fuerza radial neta hacia la lengua de la voluta
- La magnitud de la fuerza aumenta a medida que disminuye el flujo.
- Puede ser de 20 a 401 TP3T de peso del impulsor en el momento del apagado.
- Crea una vibración de 1× a partir de la fuerza radial de rotación
Desactivado BEP (Flujo Alto)
- Patrón de asimetría diferente
- Existe fuerza radial, pero generalmente es menor que con bajo flujo.
- La turbulencia del flujo añade componentes de fuerza aleatorias.
3. Pulsaciones por paso de paletas
Pulsos de presión periódicos al pasar las paletas por el tajamar:
- Frecuencia: Número de álabes × RPM / 60
- Mecanismo: Cada álabe que pasa crea un pulso de presión.
- Efectivo: Actúa sobre el impulsor, la voluta y la carcasa.
- Vibración: Dominante en la frecuencia de paso de la paleta
- Magnitud: Depende del espacio libre, el punto de funcionamiento y el diseño.
4. Fuerzas de recirculación
- Fuerzas inestables de baja frecuencia derivadas de inestabilidades del flujo
- Ocurren a caudales muy bajos o muy altos.
- Frecuencias típicamente de 0,2 a 0,8 veces la velocidad de funcionamiento
- Puede generar vibraciones severas de baja frecuencia.
- Indica un funcionamiento lejos del punto de equilibrio.
Efectos en el rendimiento de la bomba
Carga del cojinete
- Las fuerzas radiales hidráulicas se suman a las cargas mecánicas.
- Las fuerzas variables crean una carga cíclica.
- Carga máxima en condiciones de bajo caudal
- La selección de los rodamientos debe tener en cuenta las cargas hidráulicas.
- La vida útil de los rodamientos se reduce por las fuerzas hidráulicas (Vida útil ∝ 1/Carga³)
Deflexión del eje
- Las fuerzas radiales desvían el eje.
- Modifica las holguras de los sellos y los anillos de desgaste
- Puede afectar la eficiencia
- Los casos extremos provocan rozaduras.
Generación de vibraciones
- 1× Componente: A partir de una fuerza radial constante o de variación lenta
- Componente VPF: A partir de pulsaciones de presión
- Baja frecuencia: A partir de la recirculación y las inestabilidades
- Dependiente del punto de funcionamiento: La vibración varía con el caudal.
Estrés mecánico
- Las fuerzas cíclicas generan carga de fatiga.
- Paletas del impulsor sometidas a tensiones diferenciales
- Fatiga del eje por momentos flectores
- Tensión en la carcasa debido a las pulsaciones de presión
Minimización de la fuerza hidráulica
Operar cerca del punto de equilibrio
- Estrategia más eficaz para minimizar las fuerzas hidráulicas
- Opere dentro del rango de flujo BEP de 80-110% cuando sea posible.
- Las fuerzas radiales son mínimas en el punto de máxima eficiencia (BEP).
- Vibración y cargas en los cojinetes minimizadas
Características de diseño
- Bombas difusoras: Distribución de presión más simétrica que la voluta.
- Voluta doble: Dos tajamares separados 180° equilibran las fuerzas radiales
- Aumento de las autorizaciones: Reduce las pulsaciones de presión al pasar por las paletas (pero disminuye la eficiencia).
- Selección del número de paletas: Optimizar para evitar resonancias acústicas
Diseño de sistemas
- Recirculación de caudal mínimo para bombas de carga base
- Bomba del tamaño adecuado para la carga de trabajo real (evitar el sobredimensionamiento).
- Variador de velocidad para mantener el punto de funcionamiento óptimo
- Diseño de entrada que minimiza el pre-remolino y la turbulencia.
Uso diagnóstico
Curvas de rendimiento y fuerzas hidráulicas
- Graficar la vibración frente al caudal
- Vibración mínima, generalmente en o cerca del punto de máxima vibración (BEP).
- El aumento de la vibración a bajo caudal indica altas fuerzas radiales.
- Guías para la selección del rango de funcionamiento
Análisis VPF
- La amplitud de la VPF indica la severidad de la pulsación hidráulica.
- El aumento del VPF sugiere una degradación del aclaramiento o un cambio en el punto de funcionamiento.
- Los armónicos del VPF indican un flujo turbulento y perturbado
Consideraciones de medición
Ubicaciones de medición de vibraciones
- Carcasas de cojinetes: Detectar las fuerzas mecánicas e hidráulicas generales
- Carcasa de la bomba: Más sensible a las pulsaciones hidráulicas
- Tuberías de succión y descarga: Transmisión de pulsaciones de presión
- Múltiples ubicaciones: Distinguir las fuentes hidráulicas de las mecánicas
Medición de pulsaciones de presión
- Transductores de presión en succión y descarga
- Medir directamente las pulsaciones hidráulicas
- Correlacionar con la vibración
- Identificar resonancias acústicas
Las fuerzas hidráulicas son fundamentales para el funcionamiento de las bombas y constituyen una fuente importante de vibración y carga. Comprender cómo varían estas fuerzas con las condiciones de operación, reconocer sus características en los espectros de vibración y diseñar y operar las bombas para minimizar las fuerzas hidráulicas mediante el funcionamiento cercano al punto de máxima eficiencia (BEP) son aspectos esenciales para lograr un rendimiento fiable y una larga vida útil de las bombas en aplicaciones industriales.
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