Comprensión de las fuerzas hidráulicas en las bombas
Fuerzas hidráulicas son las fuerzas que ejerce un líquido en movimiento sobre los componentes de la bomba: cargas provocadas por la presión sobre las paletas del impulsor, empuje axial debido a la diferencia de presión a través del impulsor, fuerzas radiales derivadas de una distribución asimétrica de la presión y fuerzas pulsantes generadas por turbulencia del flujo y la interacción entre las paletas y la voluta. Son fundamentalmente diferentes de las fuerzas mecánicas producidas por desequilibrar o desalineación, ya que se deben a la presión del fluido y a los cambios en el momento, y no a la masa en rotación, y se manifiestan en el espectro como frecuencia de paso de la paleta y sus armónicos asociados. Comprenderlos es fundamental para la fiabilidad de la bomba: las fuerzas hidráulicas generan cargas en los cojinetes, la flexión del eje y vibración que varían en función de las condiciones de funcionamiento —caudal, presión y propiedades del fluido—, lo que hace que una bomba se comporte de manera muy diferente a la maquinaria cuyas fuerzas son puramente mecánicas.
1. Definición: ¿Qué son las fuerzas hidráulicas?
En una bomba ideal, el líquido ejercería una presión uniforme sobre todas las partes del impulsor y la carcasa, y las únicas fuerzas que sufriría el eje serían mecánicas. La realidad es más compleja. La presión es mayor en la descarga que en la aspiración, se distribuye de forma desigual alrededor de la periferia del impulsor y pulsa cada vez que un álabe pasa por la lengüeta de la carcasa. La suma de estos efectos es un conjunto de cargas constantes, que varían lentamente y pulsan rápidamente, que actúan sobre el rotor y la estructura. Es fundamental señalar que su magnitud depende de cuando la bomba funciona dentro de su curva — un hecho que proporciona al ingeniero de diagnóstico una herramienta muy útil, ya que al modificar el caudal se modifican las fuerzas.
2. Tipos de fuerzas hidráulicas
2.1 Empuje axial (empuje hidráulico)
La fuerza axial neta derivada de la diferencia de presión a ambos lados del impulsor:
- Mecanismo: La presión de descarga actúa sobre un lado del impulsor, y la presión de aspiración sobre el otro.
- Dirección: normalmente hacia la succión (la parte trasera del impulsor).
- Magnitud: puede alcanzar miles de libras de fuerza incluso en bombas de tamaño moderado.
- Efecto: loads the cojinete de empuje and can cause vibración axial.
- Varía con: caudal, presión y diseño del impulsor.
Métodos de compensación de empuje
- Balance holes: orificios en la cubierta del impulsor que igualan la presión a lo largo de la misma.
- Back vanes: las paletas de la cubierta trasera que impulsan el fluido hacia fuera para reducir la presión en la parte posterior.
- Impulsores de doble aspiración: un diseño simétrico en el que los dos lados se contrarrestan mutuamente.
- Impulsores opuestos: Bombas multietapa con impulsores orientados en direcciones opuestas.
2.2 Fuerzas radiales
Fuerzas laterales generadas por una distribución asimétrica de la presión alrededor del impulsor:
En el punto de máxima eficiencia (BEP)
- La distribución de la presión es relativamente simétrica alrededor del impulsor.
- Las fuerzas radiales se equilibran y se anulan en gran medida.
- La fuerza radial neta es mínima.
- Este es el estado de menor vibración.
Fuera de BEP — caudal bajo
- La distribución de la presión en la voluta se vuelve asimétrica.
- Se genera una fuerza radial neta dirigida hacia la lengüeta de la voluta (punta de la voluta).
- Su magnitud aumenta a medida que disminuye el caudal.
- Puede alcanzar entre el 20 % y el 40 % del peso del impulsor en el momento del cierre.
- La fuerza radial rotatoria se manifiesta en forma de una vibración.
Fuera de BEP — alto caudal
- Se desarrolla un patrón de asimetría diferente.
- Existe una fuerza radial, pero suele ser menor que con un caudal bajo.
- La turbulencia del flujo añade componentes de fuerza aleatorios.
2.3 Pulsaciones por paso de las paletas
Los impulsos de presión periódicos que se generan cada vez que una pala pasa por delante del deflector:
- Frecuencia: número de álabes × RPM / 60.
- Mecanismo: Cada pala que pasa por la lengüeta genera 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 de la distancia al agua del pico de proa, del punto de funcionamiento y del diseño.
2.4 Fuerzas de recirculación
- Fuerzas inestables de baja frecuencia derivadas de inestabilidades del flujo
- Se producen a caudales muy bajos —y, en ocasiones, muy altos—.
- Las frecuencias suelen ser de 0,2 a 0,8 veces la velocidad de carrera, en el subsincrónico band.
- Puede generar fuertes vibraciones de baja frecuencia.
- Una clara señal de que el funcionamiento se aleja del punto de equilibrio (BEP); véase recirculación.
3. Efectos sobre el rendimiento de la bomba
Carga sobre los cojinetes
- Las fuerzas radiales hidráulicas se suman a las cargas mecánicas que soportan los cojinetes.
- Las fuerzas variables provocan una carga cíclica.
- La carga es mayor cuando el caudal es bajo.
- La selección de los rodamientos debe tener en cuenta el componente hidráulico.
- La vida útil de los rodamientos disminuye drásticamente con la carga (la vida útil es proporcional a 1/carga³), por lo que una modesta Cálculo de la vida útil de los rodamientos L10 puede demostrar en qué medida una fuerza radial de bajo caudal reduce la vida útil.
Deformación del eje
- Las fuerzas radiales provocan la deformación del eje.
- Esto modifica las holguras de las juntas y el ajuste de los anillos de desgaste.
- Puede reducir la eficiencia.
- En casos extremos, esto conduce a un frotar.
Generación de vibraciones
- 1× component: debido a la fuerza radial constante o que varía lentamente.
- Componente VPF: debido a las pulsaciones de presión.
- Low-frequency: debido a la recirculación y otras inestabilidades.
- Depende del punto de funcionamiento: Todo cambia en función del caudal.
Tensión mecánica
- Las fuerzas cíclicas imponen fatiga loading.
- Las paletas del impulsor están sometidas a tensiones debido a las diferencias de presión.
- El eje sufre fatiga debido a los momentos flectores.
- La carcasa se ve sometida a tensiones debido a las pulsaciones de presión.
4. Minimización de las fuerzas hidráulicas
Funcionar cerca del punto de equilibrio
- La estrategia más eficaz para minimizar las fuerzas hidráulicas.
- Intente operar, siempre que sea posible, entre el 80 % y el 110 % del caudal del punto de equilibrio (BEP).
- Las fuerzas radiales alcanzan su valor mínimo en el punto de rendimiento óptimo.
- Las vibraciones y las cargas sobre los cojinetes se reducen al mínimo de forma conjunta.
Características de diseño
- Bombas de difusor: una distribución de la presión más simétrica que la de una sola voluta.
- Doble voluta: dos deflectores situados a 180° entre sí que equilibran las fuerzas radiales.
- Mayor distancia al suelo: reducir los pulsos de presión en el paso de las paletas (a costa de una cierta pérdida de eficiencia).
- Selección del número de álabes: elegido para evitar resonancias acústicas.
System design
- Proporcionar protección contra el recirculación por caudal mínimo para las bombas de carga base.
- Elija una bomba del tamaño adecuado para el servicio real y evite elegir una de mayor tamaño.
- Utilice un variador de velocidad para mantener el punto de funcionamiento óptimo.
- Diseña la entrada de manera que se reduzcan al mínimo el remolino previo y la turbulencia.
5. Uso diagnóstico
Curvas de rendimiento y fuerzas hidráulicas
- Representa gráficamente la vibración en función del caudal.
- Por lo general, la vibración mínima se produce en el punto de rendimiento óptimo (BEP) o cerca de él.
- Un aumento de la vibración a bajo caudal indica la presencia de fuerzas radiales elevadas.
- El gráfico ayuda a definir un rango de funcionamiento razonable.
VPF analysis
- La amplitud del VPF indica la intensidad de la pulsación hidráulica.
- Un aumento del VPF puede indicar un empeoramiento de los márgenes de seguridad o un cambio en el punto de funcionamiento.
- VPF armonía indican un flujo turbulento y alterado.
Distinguir estas características hidráulicas de las puramente mecánicas es la clave del diagnóstico de las bombas, y es ahí donde un analizador portátil demuestra su utilidad sobre el terreno. El Balanset-1A capta la espectro de vibración en las carcasas de los cojinetes y analiza los componentes de 1×, VPF y baja frecuencia, de modo que un ingeniero pueda decidir si un valor elevado requiere equilibrado de campo (una solución mecánica) o un cambio del punto de funcionamiento (una solución hidráulica), y cuando el diagnóstico apunte a un desequilibrio, equilibrar el rotor y comprobar el resultado en el acto.
6. Consideraciones relativas a la medición
Puntos de medición de vibraciones
- Cajas de rodamientos: detectar las fuerzas mecánicas e hidráulicas combinadas.
- Pump casing: más sensible a las pulsaciones hidráulicas.
- Tuberías de aspiración y descarga: transmitir las pulsaciones de presión.
- Varias ubicaciones: Compararlas ayuda a distinguir las fuentes hidráulicas de las mecánicas.
Medición de la pulsación de la presión
- Instale transductores de presión en la succión y en el impulsor.
- Estos dispositivos miden directamente las pulsaciones hidráulicas.
- Relaciona los datos de pulsación con la vibración.
- Utiliza la combinación para identificar las resonancias acústicas.
Las fuerzas hidráulicas son fundamentales para el funcionamiento de una bomba y constituyen una de las principales fuentes de vibración y carga. Comprender cómo varían esas fuerzas en función de las condiciones de funcionamiento, reconocer sus características en el espectro de vibraciones, y diseñar y operar las bombas para mantener bajas esas fuerzas —principalmente funcionando cerca del punto de máximo rendimiento (BEP)— es esencial para lograr un rendimiento fiable y duradero de las bombas en el ámbito industrial. Para obtener más información sobre los fallos provocados por estas fuerzas, véase defectos de las bombas centrífugas y defectos del impulsor.
