monografia bombas hidraulicas

INSTITUTO

BOMBAS HIDRAULICAS

CURSO : FIOL

ALUMNO : JOSUÉ MELVIN CRUZ SALINAS

DOCENTE : CARLOS VALDERRAMA

CICLO : IV

Trujillo – Perú2012

ITM – INSTITUTO TECNOLÓGICO DE MAQUINARIA PESADA

DEDICATORIA

A Dios por darme la vida y por permitir culminar con éxito este trabajo.

A mis padres por su continuo apoyo en nuestros estudios

A mis profesores por sus sabias enseñanzas y por sus grandísimos consejos que me servirán de mucho en mi futuro profesional.

2


AGRADECIMIENTO

A mis compañeros por sus grandes muestras de solidaridad

A mis profesores por sus sabias enseñanzas que me servirán de mucho en nuestro futuro

3


ÍNDICE

PORTADA

DEDICATORIA........................................................................................................ 2

AGRADECIMIENTO................................................................................................. 3

ÍNDICE................................................................................................................... 4

ÍNDICE DE FIGURAS............................................................................................... 5

RESUMEN.............................................................................................................. 7

ABSTRACT.............................................................................................................. 9

PRESENTACIÓN......................................................................................................11

INTRODUCCIÓN..................................................................................................... 12

CAPITULO I: GENERALIDADES................................................................................ 13

1.1. ¿Qué es una bomba hidráulica?........................................................................ 13

1.2. Historia de la bomba hidráulica......................................................................... 14

1.3. Funciones de la bomba hidráulica..................................................................... 14

1.3.1. Bombas no regulables............................................................................ 15

1.3.2. Bombas regulables................................................................................. 16

CAPITULO II: PRINCIPIO DE LA BOMBA HIDRÁULICA.............................................. 18

CAPÍTULO III: CARACTERÍSTICAS DE LAS BOMBAS HIDRAULICAS............................ 20

3.1. Caudal ............................................................................................................ 20

3.2. Presión de trabajo............................................................................................. 21

3.3. Vida.................................................................................................................... 21

CAPÍTULO IV: CLASIFICACIÒN DE LAS BOMBAS HIDRÁULICAS................................ 22

4.1. Bombas de volumen fijo o bombas de desplazamiento fijo........................... 23

4.2. Bombas de engranes o piñones.................................................................... 23

4.2.1. Bombas de engranes de baja presión.................................................... 24

4


4.2.2. Bombas de engranes de alta presión..................................................... 24

4.2.3. Bombas de engranes de 1500 lb/plg2. (tándem)................................... 25

4.2.4. Bomba de engranes de 2000 lb/plg2..................................................... 26

4.2.5. Bomba de engranes de 2000 lb/plg2 – serie 37-x.................................. 27

4.3. Bombas de paletas....................................................................................... 28

4.3.1. Bombas de paletas desequilibradas o de eje excéntrico........................ 28

4.3.2. Bombas de paletas equilibradas de 1000 lb/plg2 de presión. (vickers). . 29

4.3.3. Bombas de paletas equilibradas de 2000 lb/plg2 de presión. (denison) 30

4.4. Bombas de pistón......................................................................................... 31

4.4.1. Bomba de pistón radial.......................................................................... 32

4.4.2. Bombas de pistón axial.......................................................................... 32

4.4.3. Bombas de pistón de barril angular.(vickers)......................................... 32

4.4.4. Bomba de pistón de placa de empuje angular.(denison)....................... 33

4.5. Bomba diseño Dynex......................................................................................... 33

4.6. Bombas de volumen variable............................................................................ 34

CAPÍTULO V: APLICACIONES DE LAS BOMBAS HIDRAULICAS.................................. 36

CAPÍTULO VI: RENDIMIENTOS DE LA BOMBA......................................................... 37

6.1. Rendimiento volumétrico.................................................................................. 37

6.2. Rendimiento mecánico...................................................................................... 37

6.3. Rendimiento total o global................................................................................ 38

CAPÍTULO VII: IMPORTANCIA DE LAS BOMBAS HIDRAULICAS................................ 39

CONCLUSION......................................................................................................... 40

BIBLIOGRAFIA........................................................................................................ 41

5


ÍNDICE DE FIGURAS

FIGURA 1: BOMBA DE ENGRANES SIMPLE........................................................ 23

FIGURA 2: BOMBA DE ENGRANES EN TÁNDEM COMMERCIAL SERIE D............. 26

FIGURA 3: BOMBA COMMERCIAL EN TÁNDEM DE LA SERIE H.......................... 27

FIGURA 4: BOMBA COMMERCIAL EN TÁNDEM DE LA SERIE 37-X...................... 28

FIGURA 5: BOMBA DE PALETAS DESEQUILIBRADAS......................................... 29

FIGURA 6: BOMBA DE PALETAS VICKERS.......................................................... 30

FIGURA 7: BOMBA DE PALETAS DENISON......................................................... 31

FIGURA 8: BOMBA VICKERS DE PISTÓN DE DESPLAZAMIENTO FIJO.................. 33

FIGURA 9: BOMBA DE PISTÓN AXIAL DYNEX.................................................... 34

6


RESUMEN

El campo de las bombas ha sido, por diversas razones, un tema esquivo para muchos

ingenieros. Existe una abundante información acerca de este tema, tal vez dispersa o

quizás tratadas con una metodología no adaptada a estudios de formación en

pregrado. El objetivo de esta obra ha sido la compilación, adaptación y aplicación de

los principios teóricos fundamentales que rigen el comportamiento de las máquinas

hidráulicas, en general, con énfasis sobre las bombas hidráulicas rotodinámicas,

particularmente en un tipo de éstas: las bombas centrífugas. Ubicadas las máquinas

hidráulicas dentro del gran contexto de las máquinas, se estudian sus características

importantes y se clasifican, para, luego, poner el acento en el tema central y

específico: Bombas Rotodinámicas (Centrífugas). Con este interés particular, las

Bombas Rotodinámicas se definen y clasifican ampliamente, se analizan sus elementos

constitutivos y su instalación, y se deduce la ecuación fundamental (ecuación de Euler),

la cual constituye su principio de funcionamiento. Posteriormente, como en cualquier

otro mecanismo de conversión de energía mecánica, se estudian las pérdidas

inherentes a su funcionamiento, las potencias y los rendimientos de este tipo de

máquinas hidráulicas. Al objeto de conocer su desempeño en su real aplicación, es por

lo que se realizan ensayos en bancos de pruebas de bombas, sobre modelos de

bombas comerciales que construyen los fabricantes de éstas. La forma de hacerlo en el

laboratorio y la manera de tratar y cristalizar sus resultados, por medio de curvas

características, se abordan también con suficiente claridad en este trabajo. Para

destacar en esta obra, la manera analítica de obtener, por medio de un ajuste lineal

por cuadrados mínimos, las ecuaciones de las curvas características H vs. Q y η vs. Q, a

partir de tres, cinco o más puntos (Hi , Qi), extraídos de curvas suministradas por

fabricantes. Tales ecuaciones se requieren en la implementación de modelos y

programas computacionales, de obligada y vastísima aplicación en materia de diseño

óptimo de sistemas de abastecimiento y redes distribución de agua. Particular énfasis

se hace sobre el fenómeno de cavitación en bombas rotodinámicas, sus efectos

adversos y la forma de prevenirlo. Contemplando la posibilidad de cambiar el rotor de

7


una bomba o de hacerlo girar a distintas velocidades, se deducen las leyes de similitud

en bombas, las que, a su vez, sirven para predecir el comportamiento de prototipos de

las mismas, cuando operan en diferentes escenarios de trabajo. Considerados temas

de gran utilidad práctica, es por lo que en este libro, también, se han abordado

adecuadamente los siguientes tópicos: funcionamiento de las bombas, asociación de

bombas en serie y en paralelo, cebado de las bombas, selección e instalación de

bombas, y recomendaciones para el buen funcionamiento de las instalaciones.

8


ABSTRACT

The field of pumps has been, for various reasons, an elusive issue for many engineers.

There is a wealth of information about this topic, or maybe perhaps dispersed dealt

with a methodology adapted to no training in undergraduate studies. The objective of

this work was the compilation, adaptation and application of fundamental theoretical

principles that govern the behavior of hydraulic machines in general, with emphasis on

rotodynamic hydraulic pumps, particularly in a type of these: centrifugal pumps.

Hydraulic machines located within the larger context of the machines, their important

characteristics are studied and classified, for, then, to stress the central and specific

topic rotodynamic Pumps (Centrifugal). With this particular interest rotodynamic

pumps are widely defined and classified, its components and their installation are

discussed, and the fundamental equation (Euler equation) is derived, which is its

principle of operation. Subsequently, as in any other mechanism for converting

mechanical energy, inherent in its operating losses, the powers and the performance

of this type of hydraulic machines are studied. In order to know its performance in

actual application, so tests are conducted on test pumps, commercial pumps on

models that build these manufacturers. How to do this in the lab and how to treat and

crystallize their results, through curves, are also addressed with sufficient clarity in this

paper. To stand out in this work, to obtain analytically by means of a linear least

squares fit, the equations of the characteristic curves vs H. Q and η vs. Q, from three,

five or more points (Hi, Qi), extracted curves supplied by manufacturers. Such

equations are required in the implementation of models and computer programs a

must and vast application in optimal design of water supply systems and water

distribution networks. Particular emphasis is placed on the phenomenon of cavitation

in pumps rotodynamic, adverse effects and how to prevent it. Contemplating changing

the rotor of a pump or spin it at different speeds, the laws of similarity pumps are

deducted, which, in turn, serve to predict the behavior of these prototypes, when they

operate in different scenarios working. Considered issues of great practical utility, so in

this book, too, have adequately addressed the following topics: pump operation,

9


association pumps in series and parallel, priming pumps, selection and installation of

pumps, and recommendations for the proper functioning of the facility.

10


PRESENTACIÓN

Señor miembro del Jurado:

Tengo el honor de presentar ante Ud. mi investigación monográfica titulada

“Bombas Hidráulicas” con la finalidad de obtener el Título de Técnico de

Mantenimiento de Maquinaria Pesada, a su vez siendo este trabajo requisito

indispensable para el proceso de Titulación.

Josué Melvin Cruz Salinas

11


INTRODUCCIÓN

Las bombas hidráulicas son uno de los elementos hidráulicos más importantes que

actúan en un sistema hidráulico, sobre todo un sistema hidráulico de aviación, pues de

ellas depende el funcionamiento de los trenes de aterrizaje, el movimiento de algunas

superficies de control ya sean primarias o secundarias y n sinnúmero de elementos en

el interior de las aeronaves. En los grandes aviones existen dos y hasta tres sistemas

hidráulicos independientes, cuyas bombas se accionan mediante combinación de

medios impulsores. De esta forma la fiabilidad o seguridad de los sistemas hidráulicos

es excepcionalmente alta, pues resulta muy improbable un fallo total. Por ejemplo, el

Airbus A320 cuenta con tres sistemas hidráulicos independientes que se denominan

sistema amarillo, sistema azul y sistema verde; donde cada uno de ellos actúa sobre

diferentes mecanismos.

La presión hidráulica nominal de los sistemas hidráulicos de aeronaves de altas

prestaciones es de 3000 psi, no obstante también se emplean presiones menores.

Existen sistemas en los cuales cabe distinguir dos tipos de presiones nominales,

llamadas presiones de máxima y presión de vuelo en crucero. Las primeras se emplean

en caso de prestaciones máximas del sistema, como decolaje y aterrizaje y las

segundas como su nombre lo indica en condiciones de vuelo estabilizado cuando los

requisitos del sistema hidráulico son mínimos o esporádicos.

Así pues, es nuestro objetivo analizar el comportamiento y características de las

bombas que dan funcionamiento a dichos sistemas, para poder tener una herramienta

clara y precisa que nos permita determinar un fallo o un mal funcionamiento de la

bomba, de la misma manera tener unos parámetros de selección para poder hacer una

adecuación correcta y obtener el optimo funcionamiento de nuestro sistema

hidráulico.

CAPITULO I

12


GENERALIDADES

1.1. ¿QUÉ ES UNA BOMBA HIDRAULICA?

Una bomba hidráulica es una máquina generadora que transforma la energía

(generalmente energía mecánica) con la que es accionada en energía hidráulica

del fluido incompresible que mueve. El fluido incompresible puede ser líquido o

una mezcla de líquidos y sólidos como puede ser el hormigón antes de fraguar o

la pasta de papel. Al incrementar la energía del fluido, se aumenta su presión, su

velocidad o su altura, todas ellas relacionadas según el principio de Bernoulli. En

general, una bomba se utiliza para incrementar la presión de un líquido

añadiendo energía al sistema hidráulico, para mover el fluido de una zona de

menor presión o altitud a otra de mayor presión o altitud.

Existe una ambigüedad en la utilización del término bomba, ya que

generalmente es utilizado para referirse a las máquinas de fluido que transfieren

energía, o bombean fluidos incompresibles, y por lo tanto no alteran la densidad

de su fluido de trabajo, a diferencia de otras máquinas como lo son los

compresores, cuyo campo de aplicación es la neumática y no la hidráulica. Pero

también es común encontrar el término bomba para referirse a máquinas que

bombean otro tipo de fluidos, así como lo son las bombas de vacío o las bombas

de aire.

Una máquina es un transformador de energía.

Una máquina absorbe energía de una clase y restituye energía de otra clase (un

motor eléctrico, por ejemplo, absorbe energía eléctrica y restituye energía

mecánica) o de la misma clase pero transformada (una grúa o un torno, por

ejemplo, absorben y restituyen energía mecánica).

Las máquinas hidráulicas pertenecen a un grupo muy importante de máquinas

que se llaman máquinas de fluido. En la mayoría de las máquinas intervienen uno

o varios fluidos, como son refrigerantes, lubricantes, etc, aunque esto no es

suficiente para incluir dicha máquina en el grupo de máquinas de fluido.

13


Máquinas de fluido son aquellas máquinas en las que el fluido, o bien

proporciona la energía que absorbe la máquina (por ejemplo, el agua que se

suministra a una turbina posee una energía preferentemente de presión

proveniente de la energía geodésica que poseía en el embalse y que a su vez la

turbina transforma en energía mecánica) o bien aquellas en las que el fluido es el

receptor de energía, al que la máquina restituye la energía mecánica absorbida.

En toda máquina de fluido hay un intercambio entre energía de fluido y energía

mecánica (por ejemplo, el agua sale de una bomba con más presión que la que

tenía a la entrada de la misma, porque la bomba ha restituido al agua la energía

absorbida en el eje).

Las máquinas de fluido revisten infinidad de formas y encuentran un sinfín de

aplicaciones.

1.2. HISTORIA DE LA BOMBA HIDRAULICA

La primera bomba conocida fue descrita por Arquímedes y se conoce como

tornillo de Arquímedes, descrito por Arquímedes en el siglo III a. C., aunque este

sistema había sido utilizado anteriormente por Senaquerib, rey de Asiria en el

siglo VII a. C.1

En el siglo XII, Al-Jazari describió e ilustró diferentes tipos de bombas, incluyendo

bombas reversibles, bombas de doble acción, bombas de vacío, bombas de agua

y bombas de desplazamiento positivo.

1.3. FUNCIONES DE LA BOMBA HIDRAULICA

La bomba hidráulica convierte la energía mecánica en energía hidráulica. Es un

dispositivo que toma energía de una fuente (por ejemplo, un motor, un motor

eléctrico, etc.) y la convierte a una forma de energía hidráulica. La bomba toma

aceite de un depósito de almacenamiento (por ejemplo, un tanque) y lo envía

como un flujo al sistema hidráulico.

14


Todas las bombas producen flujo de aceite de igual forma. Se crea un vacío a la

entrada de la bomba. La presión atmosférica, más alta, empuja el aceite a través

del conducto de entrada a las cámaras de entrada de la bomba. Los engranajes

de la bomba llevan el aceite a la cámara de salida de la bomba. El volumen de la

cámara disminuye a medida que se acerca a la salida. Esta reducción del tamaño

de la cámara empuja el aceite a la salida.

La bomba sólo produce flujo (por ejemplo, galones por minuto, litros por minuto,

centímetros cúbicos por revolución, etc.), que luego es usado por el sistema

hidráulico. La bomba NO produce “presión”. La presión se produce por acción de

la resistencia al flujo. La resistencia puede producirse a medida que el flujo pasa

por las mangueras, orificios, conexiones, cilindros, motores o cualquier elemento

del sistema que impida el paso libre del flujo al tanque. Hay dos tipos de bombas:

regulables y no regulables.

1.3.1. BOMBAS NO REGULABLES

Las bombas no regulables tienen mayor espacio libre entre las piezas

fijas y en movimiento que el espacio libre existente en las bombas

regulables. El mayor espacio libre permite el empuje de más aceite

entre las piezas a medida que la presión de salida (resistencia al flujo)

aumenta. Las bombas no regulables son menos eficientes que las

regulables, debido a que el flujo de salida de la bomba disminuye

considerablemente a medida que aumenta la presión de salida. Las

bombas no regulables generalmente son del tipo de rodete centrífugo o

del tipo de hélice axial. Las bombas no regulables se usan en

aplicaciones de presión baja, como bombas de agua para automóviles o

bombas de carga para bombas de pistones de sistemas hidráulicos de

presión alta.

BOMBA DE RODETE CENTRÍFUGA

15


La bomba de rodete centrífuga consiste de dos piezas básicas: el

rodete, montado en un eje de salida y la caja. El rodete tiene en la

parte posterior un disco sólido con hojas curvadas, moldeadas en el

lado de la entrada. El aceite entra por el centro de la caja, cerca del

eje de entrada, y fluye al rodete.

Las hojas curvadas del rodete impulsan el aceite hacia afuera contra

la caja. La caja está diseñada de tal modo que dirige el aceite al

orificio de salida.

1.3.2. BOMBAS REGULABLES

Hay tres tipos básicos de bombas regulables: de engranajes, de paletas y

de pistones. Las bombas regulables tienen un espacio libre mucho más

pequeño entre los componentes que las bombas no regulables. Esto

reduce las fugas y produce una mayor eficiencia cuando se usan en

sistemas hidráulicos de presión alta. En una bomba regulable el flujo de

salida prácticamente es el mismo por cada revolución de la bomba. Las

bombas regulables se clasifican de acuerdo con el control del flujo de

salida y el diseño de la bomba.

La capacidad nominal de las bombas regulables se expresa de dos

formas.

Una forma es por la presión de operación máxima del sistema con la

cual la bomba se diseña (por ejemplo, 21.000 kPa o 3.000 lb/pulg2). La

otra forma es la salida específica suministrada, expresada bien sea en

revoluciones o en la relación entre la velocidad y la presión específica.

La capacidad nominal de las bombas se expresa ya sea en l/min-rpm-

kPa o gal EE.UU./min-rpm-lb/pulg 2 (por ejemplo, 380 l/min-2.000

rpm-690 kPa o 100 gal EE.UU./min-2.000 rpm-100 lb/pulg2 ).

Cuando la salida de la bomba se da en revoluciones, el flujo nominal

puede calcularse fácilmente multiplicando el flujo por la velocidad en

rpm (por ejemplo, 2.000 rpm) y dividiendo por una constante.

16


CAPITULO II

PRINCIPIO DE LA BOMBA HIDRÁULICA

Una máquina hidráulica es aquella en la que el fluido que intercambia su energía no

varía sensiblemente su densidad en su paso a través de la máquina, por lo cual se

considera que su densidad se mantiene constante.

Las máquinas de fluido se clasifican en máquinas hidráulicas y máquinas térmicas, así

mismo las máquinas hidráulicas se dividen en turbo máquinas y máquinas de

desplazamiento positivo.

Dentro de la clasificación de las máquinas térmicas se encuentran las máquinas de

combustión interna y los compresores para aire comprimido, dado que se tiene

variación de la densidad y el intercambio de temperatura.

En las máquinas de desplazamiento positivo, también llamadas máquinas

volumétricas, el órgano intercambiador de energía cede energía al fluido o el fluido a él

en forma de energía de presión creada por la variación de volumen. Los cambios en la

dirección y el valor absoluto de la velocidad del fluido no juegan papel esencial alguno.

En las turbo máquinas, denominadas también máquinas de corriente, los cambios en la

dirección y el valor absoluto de la velocidad del fluido juegan un papel esencial.

Al grupo de máquinas de desplazamiento positivo pertenece la clase importante de las

máquinas alternativas o de émbolo; pero estas no son ni mucho menos las únicas. Así

como en las turbo máquinas el órgano transmisor de energía (rodete) se mueve

siempre con movimiento rotativo, en las máquinas de desplazamiento positivo el

órgano transmisor de energía puede moverse tanto con movimiento alternativo como

con movimiento rotativo.

Las máquinas de desplazamiento positivo, comprenden el grupo compuesto por

motores y bombas rotativos, a saber, cilindros hidráulicos y neumáticos, grupo muy

numeroso y variadísimo, que constituye hoy en día una industria floreciente.

17


Una bomba hidráulica es un dispositivo mecánico el cual convierte la energía mecánica

que absorbe, en energía hidráulica, restituyendo así al líquido que la atraviesa la fuerza

necesaria para desplazarse, transmitiendo así la potencia.

Cuando una bomba hidráulica opera, realiza dos funciones. Primero, su acción

mecánica crea un vacío en la entrada de la bomba el cual permite la succión para

forzar el líquido desde el depósito en la línea de entrada hasta la bomba. En segundo

lugar su acción mecánica envía este líquido a la salida de la bomba aumentando el

volumen y crea la fuerza dentro del sistema hidráulico.

Una bomba hidráulica produce el desplazamiento o flujo de líquido: ésta no genera

presión. Esta produce el flujo necesario para el desarrollo de la presión la cual es una

función de la resistencia para el flujo del fluido en el sistema. Por ejemplo, la presión

del fluido en la salida de la bomba es cero para una bomba no conectada a un sistema,

la presión se elevará sólo hasta el nivel necesario para superar la resistencia de la

carga.

Una bomba hidráulica es una máquina de desplazamiento positivo, es decir que

desplaza (envía) la misma cantidad de líquido a cada ciclo giratorio del elemento que

bombea. El constante envío durante cada ciclo es posible debido a la tolerancia de

cercanía entre el elemento de bombeo (como pueden ser un par de engranes) en una

bomba y la carcasa de la bomba. Esto es, la cantidad del líquido que escurre a lo largo

del elemento de bombeo en una bomba de desplazamiento positivo es mínimo e

insignificante comparado a la entrega máxima posible en teoría. La entrega por ciclo

permanece casi constante, independientemente de los cambios en la presión contra la

cual está trabajando la bomba.

Las bombas de desplazamiento positivo, pueden ser ya sea de desplazamiento fijo o

variable. La salida de una bomba de desplazamiento positivo fijo permanece constante

durante cada ciclo de bombeo y a una velocidad de bombeo dada. La salida de una

bomba de desplazamiento variable puede ser cambiada alterando la geometría de la

cámara de desplazamiento.

18


CAPÍTULO III

CARACTERÍSTICAS DE LAS BOMBAS HIDRAULICAS

3.1. CAUDAL

El caudal de una bomba esta determinado por la siguiente relación:

CAUDAL = CILINDRADA * VELOCIDAD

El caudal así obtenido es llamado caudal teórico, que es simplemente superior al

caudal real en función del rendimiento volumétrico de la bomba, es decir de las

fugas internas de la misma.

Se define el rendimiento volumétrico como la relación entre el caudal real y el

caudal teórico:

Este rendimiento volumétrico oscila entre el 80 y el 99% según el tipo de bomba,

su construcción y sus tolerancias internas, y según las condiciones especificas de

velocidad, presión, viscosidad del fluido, temperatura, etc.

El rendimiento total de una bomba es el producto de sus rendimientos

volumétrico y mecánico:

El rendimiento total de una bomba nueva puede oscilar entre el 50 y el 90%,

valores que disminuirán con el uso y el desgaste de los elementos de

estanqueidad interna propia de la bomba.

19


3.2. PRESIÓN DE TRABAJO

Todos los fabricantes otorgan a sus bombas un valor denominado presión

máxima de trabajo, algunos incluyen las presiones de rotura o la presión máxima

intermitente, y otros adjuntan la gráfica de presión/vida de sus bombas. Estos

valores los determina el fabricante en función de una duración razonable de la

bomba trabajando en condiciones determinadas.

El valor de la presión máxima de trabajo suele calcularse para una vida de 10000

horas; en algunos casos se especifican también las presiones máximas

intermitentes o puntales.

3.4. VIDA

La vida de una bomba viene determinada por el tiempo de trabajo desde el

momento en que se instala hasta el momento en que su rendimiento

volumétrico haya disminuido hasta un valor inaceptable, sin embargo este punto

varia mucho en función de la aplicación. Así por ejemplo hay instalaciones donde

el rendimiento no puede ser inferior al 90%, mientras que otras se aprovecha la

bomba incluso cuando su rendimiento es inferior al 50%. La vida de una bomba

también varia considerablemente en función del nivel de contaminación del

fluido con el que se esta trabajando.

20


CAPÍTULO IV

CLASIFICACIÒN DE LAS BOMBAS HIDRÁULICAS

La ciencia de la hidráulica se ha considerado desde los primeros días de la civilización

humana. A pesar de su antigüedad, la hidráulica se constituye en una de las ramas de

la ingeniería civil con mayor influencia en el desarrollo de las sociedades, porque a

diario su utilización es vital para vencer distintos obstáculos o para desarrollar

diferentes actividades, sin importar que todavía presenta algún grado de

incertidumbre.

Algunas de las actividades en las cuales se utiliza la hidráulica son por ejemplo la

irrigación de cultivos y el suministro de agua para las comunidades en donde se hace

indispensable el uso de algunos dispositivos, en los que se encuentra la bomba

hidráulica.

La definición de una bomba hidráulica que generalmente se encuentra en los textos es

la siguiente: "Una bomba hidráulica es un medio para convertir energía mecánica en

energía fluida o hidráulica". Es decir las bombas añaden energía al agua.

Cuando se pretende desarrollar una clasificación de los diferentes tipos de bombas

hidráulicas se debe tener claridad en algunos términos para así poder evaluar los

méritos de un tipo de bomba sobre otro. Dichos términos son:

Amplitud de presión: Se constituyen en los límites máximos de presión con los

cuales una bomba puede funcionar adecuadamente. Las unidades son Lb/plg2.

Volumen: La cantidad de fluido que una bomba es capaz de entregar a la presión de

operación. Las unidades son gal/min.

Amplitud de la velocidad: Se constituyen en los límites máximo y mínimo en los

cuales las condiciones a la entrada y soporte de la carga permitirán a la bomba

funcionar satisfactoriamente. Las unidades son r.p.m.

Eficiencia mecánica: Se puede determinar mediante la relación entre el caballaje

teórico a la entrada, necesario para un volumen específico en una presión especifica

21


y el caballaje real a la entrada necesario para el volumen especifico a la presión

especifica.

Eficiencia volumétrica: Se puede determinar mediante la relación entre el volumen

teórico de salida a 0 lb/plg2 y el volumen real a cualquier presión asignada.

Eficiencia total: Se puede determinar mediante el producto entre la eficiencia

mecánica y al eficiencia volumétrica.

Para que la clasificación de los diferentes tipos de bombas sea más amena se

presenta a continuación una tabla donde se muestran los criterios de clasificación

de cada una de estas.

Las bombas se clasifican de la siguiente manera:

4.1. BOMBAS DE VOLUMEN FIJO O BOMBAS DE DESPLAZAMIENTO FIJO.

Estas bombas se caracterizan porque entregan un producto fijo a velocidad

constante. Este tipo de bomba se usa más comúnmente en los circuitos

industriales básicos de aplicación mecánica de la hidráulica.

Fig. 1 Bomba de engranes Simple.

4.2. BOMBAS DE ENGRANES O PIÑONES.

La bomba de engranes se denomina también "caballo de carga" y se puede

asegurar que es una de las más utilizadas. La capacidad puede ser grande o

pequeña y su costo variará con su capacidad de presión y volumen. Además la

22


simplicidad de su construcción permite esta ventaja de precio. Las bombas de

engranes exhiben buenas capacidades de vacío a la entrada y para las situaciones

normales también son autocebantes; otra característica importante es la

cantidad relativamente pequeña de pulsación en el volumen producido. En este

tipo de bombas de engrane, el engranado de cada combinación de engranes o

dientes producirán una unidad o pulso de presión.

4.2.1. BOMBAS DE ENGRANES DE BAJA PRESIÓN.

Su funcionamiento es a grandes rasgos el siguiente: La flecha impulsora

gira, los dos piñones como están engranados, girarán en direcciones

opuestas. La rotación es hacia el orificio de entrada desde el punto de

engrane. Conforme los dientes de los dos piñones se separan, se

formará una cavidad y se producirá un vacío en el orificio de entrada.

Este vacío permitirá a la presión atmosférica forzar el fluido al lado de

entrada de la bomba. El fluido será confinado en el espacio entre los

dientes del engrane. La rotación continuada de los engranes permitirá

que el fluido llegue hasta la salida.

Una desventaja de este tipo de bombas son los escapes o perdidas

internas en la bomba producidas en la acción o esfuerzo para bombear

un fluido a presión. El desgaste de este tipo de bombas generalmente es

causado por operar a presiones arriba de la presión prevista en el

diseño, aunque también puede ser usado por cojinetes inadecuados.

4.2.2. BOMBAS DE ENGRANES DE ALTA PRESIÓN.

Los factores que mejoran la capacidad de una bomba para desarrollar

un vacío alto en la admisión, también producirán incrementos muy

favorables en la eficiencia volumétrica y total de la bomba.

La capacidad relativamente alta de vacío en la admisión de las bombas

de engrane, las ha hecho más adaptables a los problemas que se

presentan en el equipo móvil y para minería.

4.2.3. BOMBAS DE ENGRANES DE 1500 LB/PLG2. (TÁNDEM)

23


También se les conoce como bombas de la serie "Commercial D". En

este tipo de bombas se incorporan engranes dentados rectificados con

acabados lisos y con tolerancias muy cerradas. Estos engranes tienen el

contorno de los dientes diseñado para mejorar la eficiencia de la bomba

y disminuir el nivel de ruido en la operación.

Un mejoramiento adicional se ha logrado machihembrando los engranes

con respecto al diámetro y espesor.

La aplicación de esta clase de controles de producción, permite el

ensamblado de todas las piezas operativas de la bomba con ajustes

apretados y produce también los incrementos convenientes de

eficiencia.

La bomba de la serie D tiene bajas perdidas por escape. La reducción

complementaria de escape interior en las caras de los engranes es

producida por un dispositivo desarrollado por la compañía Commercial

llamado placas de empuje de presión embolsada.

La presión embolsada proporcionada por los cierres de bolso permite

que floten las placas de empuje y mantengan un contacto uniforme con

las caras de los engranes. Esta acción es controlada por la presión de

bombeo sobre una zona muy pequeña y está indicada para aumentar el

esfuerzo de cierre conforme se aumenta la presión de la bomba.

El diseño de esta bomba ofrece una ventaja adicional al proporcionar la

facilidad de que el volumen producido pueda ser alterado al cambiar el

tamaño de los engranes, además mediante la adición de un cojinete

central portador y un ensamblado de caja y engranes para cada unidad,

hasta seis unidades de bombeo pueden construirse para funcionar con

una sola flecha de

impulso.

24


Fig. 2 Bomba de engranes en

Tándem Commercial Serie D.

4.2.4. BOMBA DE ENGRANES DE 2000 LB/PLG2.

La bomba Commercial de la serie H esta indicada para tener un valor de

presión máximo de 2000 lb/plg2, y para la mayoría de las bombas de la

serie H es una versión mejorada y más pesada que la unidad de serie D.

Los fundamentos de operación son casi idénticos, pero ninguna de las

partes son intercambiables entre estos dos tipos de diseños.

El funcionamiento con las cargas mayores a presión de 2000 lb/plg2, ha

exigido el uso de cajas mucho más gruesas y resistentes. El cojinete

impulsor principal TIMKEN es el único ofrecido en este tipo de bombas.

Los tamaños de engranes y cojinetes han sido aumentados hasta el

máximo que el espacio permite, y dichos engranes han sido modificados

de la forma de engranes rectos de la serie D a engranes helicoidales.

En este tipo de bombas se da la misma atención al acabado y a las

tolerancias de tamaños y también se utiliza el diseño de abolsado de la

presión, funcionando aún la placa de empuje más pesada como espiga y

control de escapes o fugas terminales.

Una buena práctica de diseño seria sustituir una unidad de la serie D

requerida para trabajar a 1500 lb/plg2 por una unidad de la serie H y en

esta forma se conseguiría tener un sistema más seguro.

25


Fig. 3 Bomba Commercial en

Tándem de la Serie H.

4.2.5. Bomba de engranes de 2000 lb/plg2 – Serie 37-X.

Los cambios de diseño en el modelo 37-X confirman la existencia de la

zona crítica analizada en relación con los diseños de la serie D y serie H.

Cojinetes verdaderamente masivos de trabajo pesado y del tipo de

baleros de corona han sustituido a los cojinetes de aguja marcados

como inadecuados. Para tener espacio para estos cojinetes agrandados

se ha utilizado un concepto enteramente nuevo sobre el diseño de los

engranes para bombas. Los nuevos engranes tienen dientes rectos de

tipo involuta. Dichos diente son más pocas en número, cortados más

profundamente y más fuertes, entregando más descarga por pulgada de

anchura del engrane que los diseños ordinarios o convencionales. Se

señala que la bomba 37-X puede constituir un avance importante en el

diseño de bombas de engranes. Durante muchos años la debilidad de

los cojinetes de las bombas de engranes y las fallas han constituido una

plaga a los usuarios de esas unidades. Deberían realizarse reducciones

de vital necesidad en los costos de bombeo hidráulico mediante un

decisivo mejoramiento de la duración de los cojinetes de las bombas.

26


Fig. 4 Bomba Commercial en Tándem

de la Serie 37-X.

4.3. BOMBAS DE PALETAS.

4.3.1. BOMBAS DE PALETAS DESEQUILIBRADAS O DE EJE EXCÉNTRICO.

Con este diseño un rotor ranurado es girado por la flecha impulsora. Las

paletas planas rectangulares se mueven acercándose o alejándose de las

ranuras del rotor y siguen a la forma de la carcasa o caja de la bomba. El

rotor esta colocado excéntrico con respecto al eje de la caja de la

bomba.

La rotación en el sentido de las manecillas del reloj del rotor en virtud

de la mayor área que hay entre dicho rotor y la cavidad de la caja,

producirá un vacío en la admisión y la entrada del aceite en los

volúmenes formados entre las paletas.

27


La bomba mostrará desgaste interior de la caja y en las aristas de las

paletas, causado por el deslizamiento de contacto entre las dos

superficies.

Este tipo de bomba tendrá la misma situación en lo que se refiere a la

carga sobre los cojinetes que el caso de las bombas de engranes.

Fig. 5 Bomba de Paletas

desequilibradas.

4.3.2. BOMBAS DE PALETAS EQUILIBRADAS DE 1000 LB/PLG2 DE PRESIÓN.

(VICKERS)

La compañía Vickers Incorporated ha sido acreditada por haber

desarrollado el diseño de bomba de paletas equilibrada.

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El balance hidráulico logrado en este diseño, permite a los cojinetes de

las flechas dedicarse a la carga de impulsión de la bomba. La carga

hidráulica o de presión esta equilibrada y queda completamente

contenida dentro de la unidad de cartucho de la bomba. La unidad de

cartucho esta compuesta por, dos bujes, un rotor, doce paletas, un

anillo de leva y una espiga de localización.

El sentido de la operación de esta bomba puede alterarse para ajustarlo

a la necesidad que se tenga. Al sustituir el anillo de levas con uno más

grande o uno más pequeño, se pueden tener diversos volúmenes de

rendimiento o salida de la bomba, pero en ciertas conversiones, el rotor,

las paletas y el cabezal también deben cambiarse para acomodar el

nuevo anillo.

Procurando incorporar un cabezal modificado o corregido y una flecha

impulsora, podemos construir una bomba Vickers en Tándem.

El tipo de diseño de esta bomba ha gozado de amplia utilización y

aceptación en la industria de las máquinas – herramientas y en otras

aplicaciones similares de tipo estacionario.

Fig. 6 Bomba de Paletas Vickers.

29


4.3.3. BOMBAS DE PALETAS EQUILIBRADAS DE 2000 LB/PLG2 DE PRESIÓN.

(DENISON)

Las bombas de paletas Denison emplean la misma condición de

equilibrio descrita en el análisis de las bombas de paletas Vickers

mediante la incorporación de dos orificios de admisión o entrada y de

dos orificios de salida con una separación de 180° .

Una diferencia en estos dos diseños consiste en que el valor de la

presión máxima sube hasta 2000 lb/plg2 por medio de una construcción

más pesada y de la alteración de los diseños de paletas y del rotor para

asegurar un contacto adecuado de las paletas en todo tiempo. Esta

condición de contacto constante de las paletas con el anillo de levas,

permitirá a la unidad funcionar como bomba o como motor sin

alteración mecánica.

El balance hidráulico de la caja de bombeo y en este caso la carga

equilibrada de las paletas, permite a estas bombas funcionar durante

periodos más prolongados con condiciones máximas de presión.

Las bombas de paletas equilibradas pueden ofrecer el sistema hidráulico

más económico utilizable para situaciones en donde el buen diseño no

sufre limitaciones por falta de espacio y falta de control operativo y de

comprensión de las características de funcionamiento.

30


Fig. 7 Bomba de Paletas Denison.

4.4. BOMBAS DE PISTÓN

Las bombas de pistón generalmente son consideradas como las bombas que

verdaderamente tienen un alto rendimiento en las aplicaciones mecánicas de la

hidráulica. Algunas bombas de engranes y de paletas funcionarán con valores de

presión cercanos a los 2000 lb/plg2, pero sin embargo, se les consideraran que

trabajan con mucho esfuerzo. En cambio las bombas de pistón, en general,

descansan a las 2000 lb/plg2 y en muchos casos tienen capacidades de 3000

lb/plg2 y con frecuencia funcionan bien con valores hasta de 5000lb/plg2.

4.4.1. BOMBA DE PISTÓN RADIAL.

La bomba de pistón radial, aloja los pistones deslizantes dentro de un

bloque del cilindro que gira alrededor de un perno o clavija estacionaria

o flecha portadora.

En las bombas de pistón radial se logra una eficiencia volumétrica alta

debido a los ajustes estrechos de los pistones a los cilindros y por el

cierre adecuado entre el bloque del cilindro y el perno o clavija

alrededor del cual gira.

4.4.2. BOMBAS DE PISTÓN AXIAL.

Las bombas de pistón axial son las bombas más comunes que se

encuentran. Las bombas de pistón axial derivan su nombre del hecho

que los pistones se mueven dentro y fuera sobre un plano paralelo al eje

de la flecha impulsora.

31


4.4.3. BOMBAS DE PISTÓN DE BARRIL ANGULAR.(VICKERS)

Las varillas del pistón van conectadas al pistón con una junta socket de

bola y también el bloque del cilindro o barril va conectado a la flecha de

impulsión por una junta combinada universal de velocidad constante de

tipo Williams.

Las cargas para impulsión de la bomba y las cargas de empuje por la

acción del bombeo van soportadas por tres cojinetes de bolas de hilera

simple y un cojinete de bolas de hilera doble.

El arranque inicial de este tipo de bombas no debe intentarse hasta que

su caja se haya llenado de aceite, esto se denomina "cebado". Pero la

bomba no se ceba para poder bombear sino para asegurar la lubricación

de los cojinetes y de las superficies de desgaste.

Este diseño de bomba ha dado un excelente servicio a la industria

aeronáutica.

Fig. 8 Bomba Vickers de Pistón de

desplazamiento Fijo.

4.4.4. BOMBA DE PISTÓN DE PLACA DE EMPUJE ANGULAR.(DENISON)

32


El diseño de este tipo de bombas incorpora zapatas de pistón que se

deslizan sobre la placa de empuje angular o de leva.

Esta bomba debe llenarse con aceite antes de arrancarla.

La contaminación causará raspaduras y pérdida ligera de eficiencia. La

falta de lubricación causará desgaste.

4.5. BOMBA DISEÑO DYNEX.

La placa de empuje angular se llama placa excéntrica, dicha placa va acuñada a la

flecha impulsora y esta soportada por cuatro hileras de cojinetes de bolas. Las

principales cargas de empuje de bombeo están a cargo de cojinetes colocados a

cada lado de la placa excéntrica.

Este diseño de bomba ha tenido una utilización considerable en el equipo móvil.

La compañía fabricante Dynex señala que esta bomba ha mostrado una mayor

compatibilidad con respecto al polvo que las bombas normales de pistón. Las

bombas Dynex son indicadas como de mejor capacidad para resistir la

contaminación del aceite y las ondas de presión mientras trabajan a niveles bajos

de ruido y con velocidades altas.

Fig. 9 Bomba de Pistón axial Dynex.

33


4.6. BOMBAS DE VOLUMEN VARIABLE.

La acción de bombeo de las bombas de volumen variable es a grandes rasgos

similar a la acción de bombeo de las bombas de volumen fijo.

Los volúmenes variables para bombas de engranes únicamente son utilizables

si se varía la velocidad de impulsión de la bomba. El factor de escape uniforme

prohibe la eficiencia constante con velocidad variable y elimina a las bombas

de engranes para uso potencial de volumen variable.

Las bombas de paletas pueden adaptarse para producir volúmenes variables,

pero las restricciones de la conversión generalmente lo limitan. Una bomba

de paletas de volumen variable no puede ofrecer una carga hidráulica

balanceada en la caja interna de bombeo. Los volúmenes variables pueden

conseguirse con bombas de paletas si se cambia la excentricidad del anillo de

desgaste, en relación al rotor y las paletas.

Las bombas de pistón son las mejores adaptadas para diseños de volumen

variable, y las bombas axiales de pistón generalmente son consideradas como

las más eficientes de todas las bombas, y son por sí solas las mejores para

cualquier condición de volumen variable. Las bombas radiales de pistón son

también utilizables para producir volúmenes variables.

34


CAPÍTULO V

APLICACIONES DE LAS BOMBAS HIDRAULICAS

En la industria en general se utilizan diversos tipos de bombas hidráulicas, como por

ejemplo en la extracción de agua de los pozos, para la utilización como insumo en la

industria de bebidas gaseosas; en la industria de petróleo para bombear fluidos

dispersos cuya finalidad es remover los productos sólidos en la perforación de pozos

petroleros; en la movilización de minerales bajo la forma de pulpa, para la flotación

selectiva de minerales; en la industria cervecera para transferir el mosto del filtro-

prensa al caldero desacarificación; en las refinerías de petróleo para mover los

diversos fluidos de las columnas de fraccionamiento, craqueo, etc.; en las plantas de

producción de vapor para mover el agua debidamente ablandada a la alimentación del

caldero; podríamos mencionar muchos más pues las aplicaciones de las bombas

hidráulicas son múltiples. De la amplia gama de bombas hidráulicas utilizadas para

transferir fluidos y en especial líquidos, las más utilizadas son las bombas centrífugas,

por su facilidad de adecuarse a la naturaleza de los fluidos a manipular, es decir, su

composición, corrosividad, viscosidad; adecuando las partes expuestas para

contrarrestar estos inconvenientes, a través de utilización de materiales como: vidrio,

acero inoxidable, hule, grafito, cloruro de polivinilo (PVC), porcelana, fibra de vidrio y

otros.

35


CAPÍTULO VI

RENDIMIENTOS DE LA BOMBA

La operación y eficiencia de la bomba hidráulica, en su función básica de obtener una

presión determinada, a un número también determinado de revoluciones por minuto

se define mediante tres rendimientos a saber: rendimiento volumétrico, rendimiento

mecánico y rendimiento total.

6.1. RENDIMIENTO VOLUMÉTRICO

El rendimiento volumétrico de la bomba es el cociente que se obtiene al dividir el

caudal de liquido que comprime la bomba y el que teóricamente debería

comprimir, conforme a su geometría y a sus dimensiones. Dicho en otros

términos el rendimiento volumétrico expresa las fugas de liquido que hay en la

bomba durante el proceso de compresión, fugas que se deben a las holguras

existentes en el interior de los componentes de la bomba.

El rendimiento volumétrico es un factor de la bomba muy importante, pues a

partir de él se puede analizar la capacidad de diseño y el estado de desgaste en

que se encuentra una bomba, así si el rendimiento volumétrico disminuye con

una alta tasa de cambio, el desgaste de sus elementos ya es demasiado.

El rendimiento volumétrico se ve afectado también por la presión del fluido

hidráulico que se transporta y también por la temperatura del mismo.

6.2. RENDIMIENTO MECÁNICO

El rendimiento mecánico mide las perdidas de energía mecánica que se

producen en la bomba, debidas al rozamiento y a la fricción de los mecanismos

internos. Es esencial evitar la fricción y el rozamiento en el interior de la bomba,

de tal manera que la energía que se comunica al eje de la bomba se invierta, en

el mayor grado posible en aumentar la presión del liquido y no en vencer

rozamientos y fricciones excesivas entre las partes mecánicas de la bomba.

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En términos generales se puede afirmar que una bomba de bajo rendimiento

mecánico es una bomba de desgaste acelerado, principalmente debido al

rozamiento que sufre las partes en movimiento.

6.3. RENDIMIENTO TOTAL O GLOBAL

El rendimiento total o global es el producto de los rendimientos volumétrico y

mecánico. Se llama total porque mide la eficiencia general de la bomba en su

función de bombear liquido a presión, con el aporte mínimo de energía al eje de

la bomba. Esta consideración, de aporte mínimo de energía a los mecanismos del

avión, es general y muy importante en la ingeniería aeronáutica, debido a que

toda la energía se obtiene de los motores.

Así pues el rendimiento total se expresa como el consumo de energía necesario

para producir la presión hidráulica nominal del sistema.

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CAPÍTULO VII

IMPORTANCIA DE LAS BOMBAS HIDRAULICAS

Predecir el funcionamiento de la bomba en la instalación hidráulica a un

determinado número de revoluciones.

Permite encontrar el punto óptimo de funcionamiento de la bomba.

Escoger la bomba adecuada para la instalación hidráulica en estudio.

Definir parámetros hidráulicos para evitar el problema de la Cavitación.

Evaluar las características de las bombas con diferentes diámetros de impulsores

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CONCLUSION

La industria actual, para ser atractiva al mercado, debe considerar el empleo de

diferentes técnicas de mantenimiento y de diagnóstico para seguir líneas de

producción competitivas.

El uso de las tecnologías predictivas y por sobre todo la consulta de los manuales,

resultan ser las herramientas más eficaces en el momento de poder llevar a cabo una

reparación eficiente y eficaz. Estas mismas tecnologías se aplican a una máquina de

fluidos, que definiéndola podemos decir:

“Una bomba es una máquina hidráulica generadora que transforma la energía

(generalmente energía mecánica) con la que es accionada en energía hidráulica del

fluido incompresible que mueve. El fluido incompresible puede ser líquido o una

mezcla de líquidos y sólidos como puede ser el hormigón antes de fraguar o la pasta de

papel. Al incrementar la energía del fluido, se aumenta su presión, su velocidad o su

altura, todas ellas relacionadas según el principio de Bernoulli. En general, una bomba

se utiliza para incrementar la presión de un líquido añadiendo energía al sistema

hidráulico, para mover el fluido de una zona de menor presión o altitud a otra de

mayor presión o altitud.

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BIBLIOGRAFIA

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Zubicarag Viejo, Manuel. BOMBAS, TEORÍA, DISEÑO Y APLICACIONES. Ed Limusa. 2

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Graw Hill.

OÑATE, Esteban. "Energía hidráulica" Ed. Paraninfo, Madrid 1992

FUERZA AEREA COLOMBIANA. "Manual de sistemas de aviación". Cali 1990

POTTER, Merle. "Mecánica de Fluidos". Ed. Prentice Hall. México 1998

OKISHI. "Mecánica de Fluidos". Ed Mc Graw Hill. Barcelona 1999.

ROCA, Felip, "Oleohidráulica Básica". Ed. Alfaomega. Barcelona 1999.

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monografia bombas hidraulicas

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