Universidad de San Carlos de Guatemala Facultad de Ingeniera Escuela de Ingeniera Mecnica

GUA PARA EL CURSO MQUINAS HIDRULICAS

WALTER EDGARDO REYES CARRILLO Asesorado por el ing. Jos Ismael Vliz Padilla

Guatemala, agosto de 2010

UNIVERSIDAD DE SAN CARLOS DE GUATEMALA

FACULTAD DE INGENIERA

GUA PARA EL CURSO MQUINAS HIDRULICAS

TRABAJO DE GRADUACIN

PRESENTADO A JUNTA DIRECTIVA DE LA FACULTAD DE INGENIERA POR

WALTER EDGARDO REYES CARRILLO ASESORADO POR EL ING. JOS ISMAEL VLIZ PADILLA

AL CONFERRSELE EL TTULO DE INGENIERO MECNICO

GUATEMALA, AGOSTO DE 2010

UNIVERSIDAD DE SAN CARLOS DE GUATEMALA FACULTAD DE INGENIERA

NMINA DE JUNTA DIRECTIVA

DECANO VOCAL I VOCAL II VOCAL III VOCAL IV VOCAL V SECRETARIO

Ing. Murphy Olympo Paiz Recinos Inga. Glenda Patricia Garca Soria Inga. Alba Maritza Guerrero de Lpez Ing. Miguel ngel Dvila Caldern Br. Lus Pedro Ortz de Len Br. Jos Alfredo Ortz Herincx Ing. Hugo Humberto Rivera Prez

TRIBUNAL QUE PRACTIC EL EXAMEN GENERAL PRIVADO

DECANO EXAMINADOR EXAMINADOR EXAMINADOR SECRETARIA

Ing. Murphy Olympo Paiz Recinos Ing. Fredy Mauricio Monroy Peralta Ing. Esdras Feliciano Miranda Orozco Ing. Elvis Jos lvarez Valdez Inga. Marcia Ivonne Vliz Vargas

HONORABLE TRIBUNAL EXAMINADOR

Cumpliendo con los preceptos que establece la ley de la Universidad de San Carlos de Guatemala, presento a su consideracin mi trabajo de graduacin titulado:

GUA PARA EL CURSO MQUINAS HIDRULICAS,

tema que me fuera asignado por la Direccin de la Escuela de Ingeniera Mecnica el 03 de marzo de 2010.

Walter Edgardo Reyes Carrillo

ACTO QUE DEDICO ADIOS

Por ser mi luz, mi fortaleza, mi refugio y el centro que gua mi vida, por todas las bendiciones y la oportunidad de culminar un sueo, por la familia que me ha dado.

MIS PADRES

Rubn Daro Reyes Fuentes y Deyanira Beatriz Carrillo de Reyes; gracias por el apoyo, amor y esfuerzo brindado para llegar a este logro, siendo una pequea recompensa a sus mltiples esfuerzos.

MI ESPOSA

Evelyn del Aguila, por estar a mi lado en todo momento y por los dos ms grandes regalos de mi vida, que Dios te bendiga.

MIS HIJAS

Bianka Ruth y Ana Beatriz, por ser el mayor incentivo de mi vida, y porque sea este un digno ejemplo a seguir en la formacin de su futuro, las amo.

MI HERMANA

Lucky, momento.

por sus sabios consejos, apoyo y ayuda incondicional en todo

MIS ABUELOS

Efran Reyes Monterrosa (Q.E.P.D), Carmen Fuentes de Reyes, Enio Carrillo Rosales (Q.E.P.D), Beatriz Vides de Carrillo por toda su sabidura, consejos y amor.

MIS SOBRINAS

Estefy, Titi, Valentina, con cario y para que sea una motivacin y as logren sus sueos.

MI CUADO

Eduardo Bleres, por ser un amigo y hermano.

MIS AMIGOS

Que Dios los bendiga y los proteja, gracias por acompaarme y permitirme compartir con ellos alegras y tristezas.

AGRADECIMIENTOS ESPECIALES A

LA UNIVERSIDAD DE SAN CARLOS DE GUATEMALA Casa de estudios que me ha forjado como profesional y me ha preparado para el largo camino que debo recorrer.

MI ASESOR Ing. Jos Ismael Vliz Padilla, por dedicarme su tiempo para lograr que este trabajo de graduacin se haya culminado.

NDICE GENERAL

NDICE DE ILUSTRACIONES NDICE DE TABLAS LISTA DE SMBOLOS Y ABREVIATURAS GLOSARIO RESUMEN OBJETIVOS INTRODUCCIN

XI XV XVII XIX XXIII XXV XXVII

1. GENERALIDADES 1.1 1.2 Concepto de mquinas hidrulicas Clasificacin general 1.2.1 2. BOMBAS 2.1 2.2 Nociones sobre la instalacin de una estacin de bombeo Bombas de desplazamiento positivo

1 1 2 3 7 7

Altura de elevacin, caudal y consumo de energa de una bomba 11 2.2.1 Carga 2.2.2 Carga total 2.2.2.1 Carga esttica 2.2.2.1.1 Carga esttica total 2.2.2.1.2 Carga esttica de succin 2.2.2.1.3 Carga esttica de descarga 2.2.3 Carga de friccin 2.2.4 Prdidas de entrada y salida 2.2.5 Elevacin correspondiente a la velocidad 2.2.6 Carga total de succin y elevacin de succin (hs) I 11 12 12 12 12 12 12 13 13 13

2.2.7 2.2.8 2.2.9

NPSH (carga neta positiva de succin) Carga de descarga Carga total

14 14 15 15 15 15 15 16 16 17 18 19 22 23 23 23 23 24 25 26 27 27 30 31 31 32 33 33 34

2.2.10 Nivel esttico 2.2.11 Nivel dinmico o de bombeo 2.2.12 Abatimiento 2.2.13 Sumergencia 2.2.14 Potencia al freno 2.2.15 Caudal 2.2.16 Prdidas 2.2.17 Prueba de aforo 2.2.17.1 Aforo volumtrico 2.2.17.2 Prueba de bombeo 2.3 Descripcin de los principales tipos de bombas 2.3.1 Clasificacin de las bombas por el tipo de succin 2.3.2 Clasificacin de las bombas por su direccin de flujo 2.3.3 Clasificacin de las bombas por la posicin de su flecha 2.4 Bombas de mbolo 2.4.1 Bombas de mbolo simple 2.4.2 Bombas de mbolos mltiples 2.4.3 Bombas de diafragma 2.5 Bombas rotativas 2.5.1 Bombas de leva y pistn 2.5.2 Bombas de engranes externos 2.5.3 Bombas de engrane interno 2.5.4 Bombas lobulares 2.5.5 Bombas de tornillo 2.5.6 Bombas de paletas 2.5.7 Bombas de junta universal II

2.5.8 Bombas de tubo flexible

34

2.6 Bombas centrfugas, horizontales, de turbina.vertical y sumergible 35 2.6.1 Bombas centrfugas 2.6.2 Caractersticas de la bombas centrifugas 35 36

2.6.3 Limitacin de la altura se succin de una bomba centrifuga 37 2.6.4 Tipos de flujo 2.6.5 Aplicaciones de bombas centrifugas 2.6.6 Funcionamiento de las bombas centrfugas 2.6.7 Bomba tipo voluta 2.6.8 Bombas de difusor o bombasturbina 2.6.9 Bomba vertical y horizontal 2.6.10 Bombas horizontales 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 51 52 55 56 57 57 57 58 59 59 59 60 61

2.6.11 Bombas monobloc 2.6.12 Bombas de silla 2.6.13 Bombas de caja partida horizontal 2.6.14 Bombas verticales 2.6.15 Bombas verticales de funcionamiento en seco 2.6.16 Bombas verticales sumergidas 2.6.16.1 Descripcin general del equipo 2.6.16.2 Condiciones de operacin 2.6.16.3 Composicin del equipo 2.6.16.3.1 Cuerpo de bomba 2.6.16.3.2 Tazones 2.6.16.3.3 Impulsores 2.6.16.3.4 Columna lubricada por agua 2.6.16.3.5 Columna exterior 2.6.16.3.6 Columna interior 2.6.16.3.7 2.6.16.3.8 Linterna o cabezal de descarga Sistema de prelubricacin III

2.6.17 Bombas de turbina verticales de motor normal superior 2.6.18 Bombas de turbina verticales de motor sumergido o electrobombas 2.6.18.1 Descripcin general del equipo 2.6.18.2 Condiciones de operacin 2.6.18.3 Composicin del equipo 2.6.18.3.1 Cuerpo de impulsores 2.6.19 Bombas verticales de hlice 2.6.20 Bomba con impulsor de flujo axial, radial y mixto 2.6.21 Bombas de impulsor abierto, semiabierto y cerrado 2.6.21.1 Impulsores abiertos 2.6.21.2 Impulsores semiabiertos 2.6.21.3 Impulsores cerrados 2.6.22 Relaciones de las caractersticas de las bombas centrfugas 2.6.23 Instalacin de bombas 2.6.23.1 Bombas centrfugas de eje horizontal 2.6.23.1.1 Planeamiento de la instalacin 2.6.23.1.2 Cimentacin 2.6.23.1.3 Alineacin de la bomba y motor 2.6.23.1.4 Conexiones a la tubera 2.6.23.1.5 Verificacin final de alineamiento 2.6.23.2 Bombas de turbina vertical 2.6.23.2.1 Cimiento 2.6.23.2.2 Alineamiento 2.6.23.2.3 Instalacin 2.6.23.2.3.1 Pozos para las bombas

61

62 62 63 64 64 65 66 69 71 72 74

76 77 77 77 78 78 79 80 81 81 82 83 83

IV

2.6.23.2.3.2 Instalacin del tubo de succin 83 2.6.23.2.3.3 Instalacin de cuerpo de bomba 83 2.6.23.2.3.4 Instalacin de columna de descarga 89

2.6.23.2.3.5 Instalacin de la cabeza de descarga 2.6.23.2.3.6 Tuberas y accesorios de impulsin 93 89

2.7 Bombas de desplazamiento positivo y sistema hidrulico de aceite 96 2.7.1 Factor de multiplicacin 2.7.2 El flujo de fluido en tuberas 2.7.3 Tuberas en aire comprimido 2.7.4 Caeras de servicio 2.7.5 Caeras de interconexin 2.7.6 Cada de presin en tuberas 2.7.7 Cadas de presin en vlvulas 2.7.8 Vlvulas hidrulicas 2.7.9 Vlvulas neumticas 2.7.10 Prdida de presin en un circuito automtico 2.7.11 Cada de presin en el circuito de una prensa hidrulica 2.7.12 Tanques y depsitos 2.7.13 Accesorios para tanques V 96 98 100 101 101 101 102 103 103 103 105 111 113

2.7.14 Tapa de llenado 2.7.15 Filtros 2.7.15.1 Coladera de succin 2.7.15.2 Filtro en lnea 2.7.15.3 Algunos circuitos de filtrado 2.7.15.3.1 En la lnea de presin 2.7.15.3.2 En la lnea de retorno 2.7.15.3.3 Cuidado 2.8 Dispositivos de seguridad en las estaciones de bombeo 2.8.1 Consecuencias 2.8.2 Dispositivos para controlar el golpe de ariete 3. SIMILITUD Y TEORA DE LAS MQUINAS HIDRULICAS 3.1 Generalidades

114 115 115 116 116 116 117 118 118 121 122 125 125

3.2 Ampliacin de anlisis de dimensional a la semejanza de mquinas hidrulicas 3.2.1 Formas de conexin de las bombas 3.2.1.1 Conexin de bombas en serie 3.2.1.2 Conexin de bombas en paralelo 125 127 127 128

3.3 Teora aplicable tanto a las turbinas de reaccin como a las bombas 129 3.3.1 Grado de reaccin de una turbomquina 4. CAVITACIN 4.1 El fenmeno fsico 4.2 Manifestacin de la cavitacin en las turbo mquinas 129 133 133 134

4.2.1 El fenmeno de la cavitacin en funcin del caudal elevado 136 4.3 Origen del fenmeno de cavitacin de las turbo mquinas 4.3.1 Presin esttica, (ps) VI 138 138

4.3.2 Presin dinmica (pd) 4.3.3 Presin total (pt) 4.3.4 Relacin entre ps, pd y pt 4.3.5 Mecanismo de la cavitacin 4.3.5.1 Etapa 1. Formacin de burbujas 4.3.5.1.1 Clculo de la cabeza total de succin a la entrada de la bomba. 4.3.5.1.2 Cada de presin en el sistema interno de succin de la bomba 4.3.5.2 Etapa 2. Crecimiento de las burbujas 4.3.5.3 Etapa 3. Colapso de las burbujas 4.3.6 Sntomas generales de cavitacin y sus efectos sobre el desempeo de la bomba y de sus componentes 4.3.6.1 Reduccin de la capacidad de bombeo 4.3.6.2 Disminucin en la generacin de cabeza 4.3.6.3 Vibracin y ruido anormal 4.3.6.4 Daos a los componentes erosin o picaduras 4.3.6.4.1 Nota 4.3.6.5 Deformaciones mecnicas 4.3.6.6 Corrosin con cavitacin 5. SELECCIN DE LAS MQUINAS HIDRULICAS 5.1 Seleccin del tipo de turbina 5.1.1 Cabeza bruta (Hb) 5.1.2 Cabeza mxima (Hmax) 5.1.3 Cabeza mnima (Hmin) 5.1.4 Cabeza neta (Hn) 5.1.5 Cabeza nominal (Hr) 5.2 Clculo de las dimensiones de las turbinas VII

138 139 139 140 141

145

147 150 150

151 152 152 153 154 155 157 157 161 161 161 162 162 162 162 164

5.2.1 Potencia de la turbina 5.2.2 Velocidad especfica 5.2.3 Clasificaciones de las centrales para turbinas 5.2.4 Centrales de alta presin 5.2.5 Centrales de media presin 5.2.6 Centrales de baja presin 6. TURBINAS HIDRULICAS 6.1 Principio de turbo mquina 6.2 Descripcin de los principales tipos de turbinas 6.3 Turbinas Francis 6.4 Generalidades 6.5 Clasificacin 6.6 Principios de funcionamiento 6.6.1 Caracol o cmara espiral 6.6.2 El distribuidor 6.6.3 El rodete 6.6.4 Difusor 6.6.5 Tubo de aspiracin 6.6.6 Eje de una turbina Francis 6.7 Turbinas Pelton 6.8 Teora de la turbina Pelton 6.8.1 El distribuidor 6.8.2 Cmara de distribucin 6.8.2.1 Inyector 6.8.2.2 Tobera 6.8.2.3 Aguja 6.8.2.4 Deflector 6.8.2.5 Equipo regulador de velocidad VIII

164 164 166 166 166 166 167 167 168 169 170 171 172 174 174 175 176 176 177 178 179 180 181 182 182 182 182 183

6.8.3 El rotor o rodete 6.8.3.1 Rueda motriz 6.8.3.2 Cangilones 6.8.4 La carcasa 6.8.5 La cmara de descarga 6.8.6 Sistema de frenado 6.8.7 Eje de la turbina 6.9 Anlisis del funcionamiento de una turbina Pelton

183 183 184 185 186 186 187 187 189 192 193 194 198 199 205 207 209

6.10 Disposicin del nmero de inyectores 6.11 Turbina Kaplan y Deriaz 6.12 Generalidades 6.13 rganos principales y anlisis de funcionamiento 6.14 Turbina tipo Straflo 7 EJEMPLOS TERICOS

CONCLUSIONES RECOMENDACIONES BIBLIOGRAFA

IX

X

NDICE DE ILUSTRACIONES

FIGURAS1. Vista detallada de una bomba hidrulica 2. Vista interior del cilindro en que se mueve el mbolo 3. Esquema de una instalacin tpica de bombeo 4. Succin negativa 5. Succin positiva 6. Esquema de aforo libre 7. Bomba de mbolo 8. (a) bomba simple, (b) bomba dplex 9. Bomba de diafragma 10. Bomba de leva y pistn 11. Bombas de engranes externos 12. Bombas de engrane interno 13. Bomba de lbulos 14. Bombas de tornillo 15. Bomba de paletas 16. Bomba centrifuga y su esquema 17. Bomba centrifuga seccionada y sus componentes 18. Bomba centrifuga, empaquetadura y brida 19. Bombas con carcasa tipo voluta 20. Bomba de difusor 21. Corte longitudinal de una bomba monobloc para alta presin 22. Vista exterior de una bomba de silla montada en fbrica sobre base

1 3 7 10 10 20 25 26 27 30 31 32 32 33 34 35 37 41 45 45 48

estructural23. Bomba con caja partida horizontal destapada 24. Bomba de eje vertical

49 50 54 XI

25. Campos de aplicacin de los tres tipos de bombas centrfugas 26. Relacin entre el rendimiento de diversas bombas centrfugas y su

68

velocidad especfica27. Tipos de impulsores 28. Tipos de rodetes de bomba 29. Empuje axial en impulsor abierto con labes posteriores

69 70 70 71

30. Impulsor de una bomba de torbellino con labes radiales a ambos lados

del disco31. Empuje axial en impulsor cerrado 32. Instalacin de una bomba - colocacin de las planchas 33. Ajuste del acoplamiento elstico sin manguito intermedio 34. Ajuste del acoplamiento elstico con manguito intermedio 35. Alineacin y acoplamiento de bomba y motor 36. Etapas de instalacin de una bomba turbina vertical en un pozo 37. Ejemplo de multiplicacin de fuerza 38. Analoga mecnica de un sistema hidrulico 39. Comportamiento de flujo laminar 40. Comportamiento de flujo turbulento 41. Comportamiento de fluido en tubera con restriccin 42. Curva brusca 43. Curva amplia 44. Diseo de caeras 45. Cada de presin 46. Prdidas de presin 47. Presiones normales 48. Circuito automtico 49. Circuito automtico con prdida de presin 50. Funcionamiento de bomba sin circulacin 51. Funcionamiento de bomba con circulacin

74 75 80 80 81 81 91 96 97 98 98 99 99 99 100 101 102 102 104 105 105 106

XII

52. Equipo de proteccin 53. Lubricador 54. Lubricador de gota 55. Conjunto de proteccin 56. Sistema hidrulico con tanque 57. Tanque de un sistema hidrulico 58. Nivel de tanque 59. Orificio de llenado con tapadera y filtro 60. Orificio de llenado con filtro para atmosferas limpias 61. Filtro 62. Filtro en lnea 63. Sistema con bomba, filtro y coladera 64. Filtro de retorno 65. Material destruido por un golpe de ariete 66. Curvas caractersticas de la bomba centrifuga 67. Grfico cavitacin-caudal 68. Procesos de la cavitacin 69. Sistema de succin con bomba externa 70. Sistema de succin con bomba interna 71. Colapso de una burbuja de vapor 72. Cavitacin como erosin y picadura 73. Daos por cavitacin agujeros en los impulsores 74. Abaco para seleccin del tipo de turbina 75. Turbina Francis 76. Esquema de turbina Francis 77. Situacin generalizada de una turbina Francis 78. Detalles posiciones, cerrado o abierto, de las palas directrices del

108 109 110 111 112 112 113 114 114 115 116 117 117 118 127 135 141 143 149 151 155 156 163 169 171 173

distribuidor79. Rodete de turbina Francis

174 175 XIII

80. Situacin del tubo de aspiracin en una turbina francis de eje vertical 177 81. Turbina Pelton 82. Esquema de un distribuidor 83. Detalles de la cmara de distribucin de una turbina Pelton 84. Rodete de turbina Pelton 85. Cangilones, cucharas o labes del rodete 86. Carcasa de turbina Pelton 87. Eje ensamblado en el rodete de turbina Pelton 88. Disposicin de 6 inyectores en turbina Pelton 89. Principales dimensiones del distribuidor para una turbina Pelton 90. Disposicin de cuatro inyectores en turbina Pelton 91. Seccin transversal de una turbina Kaplan 92. Eje y rodete de turbina Deriaz 93. Rodete de una turbina Kaplan 94. Seccin transversal de una turbina Straflo

178 181 183 184 185 186 187 189 190 191 192 193 197 198

XIV

TABLAS

1. Grfica de la curva del clculo de rea hidrulica 2. Tabla altura, gasto, eficiencia de bombas centrifugas 3. Alturas mximas de succin 4. Dimetro de tubera de succin en funcin de la velocidad 5. Valores del coeficiente C de Hazen-Williams 6. Valores aproximados de K (prdidas de carga locales) 7. Disminucin de la presin atmosfrica 8. Presin de vapor del agua

21 38 84 85 88 88 92 93

XV

XVI

LISTA DE SMBOLOS Y ABREVIATURAS

A.D.T. ASA

Altura dinmica total de bombeo (Automotive Service Association) Asociacin de servicio automotriz

cm f.s. Hp Hz H.I.S.

Centmetros Factor de seguridad Caballos de potencia Hertz (Hydraulic institute standards) Instituto de Normas Hidrulicas

kg/cm2 kPa kW l/s m/s m NPSH

Kilogramo por centmetro cuadrado Kilo Pascales Kilowatts Litros por segundo Metros por segundo Metros (Net Positive Suction Head) Carga neta positiva de succin

NPSHr

Carga neta positiva de succin mnima o requerida

XVII

nq PVC P.S.I.

Velocidad especfica Policloruro de vinilo (Ponds per square inch) Unidad de medida de presin cuyo valor equivale a 1 libra por pulgada cuadrada

Q rpm SAE

Caudal Revoluciones por minuto (Society of automotive engineers) Sociedad de ingenieros automotrices

1 atmsfera

Equivale a la presin que ejerce la atmsfera terrestre al nivel del mar, utilizado para medir presiones elevadas en el sistema internacional de unidades. Equivale a 14.69594877551 P.S.I

XVIII

GLOSARIO

Acufero

Una o ms capas subterrneas de roca o de otros estratos geolgicos que tienen la suficiente

porosidad y permeabilidad para permitir ya sea un flujo significativo de aguas subterrneas o la extraccin de cantidades significativas de aguas subterrneas. Aforo Medir la cantidad de agua que lleva una corriente en una unidad de tiempo. labe Cada una de las paletas curvas de una rueda hidrulica o de una turbina. Anclajes Mecanismos o estructuras especiales de hormign, mamposteras o metlicos, etc., usados para la fijacin y apoyo de tuberas, accesorios, motores, etc. Argamasa Mortero empleado como material de construccin en albailera, compuesto por una mezcla de cal, arena y agua. Biela Barra metlica que une la cabeza del pistn y el eje de cigeal, permitiendo as que se transmita el movimiento y se transforme de rectilneo en circular. Bridas Reborde circular plano de hierro fundido o acero dispuesto en el extremo de los tubos y accesorios, que sirve para acoplarse entre s y a otros accesorios mediante pernos. XIX

Camisa

En mecnica, se refiere a un revestimiento interior, el cual se coloca en los cilindros del bloque, cuando tienen un desgaste demasiado grande.

Carcasa

Cuerpo o componente que protege todas sus partes internas.

Caudal

Volumen de lquido que circula por cada una de las secciones de conduccin abierta o cerrada por unidad de tiempo (m3/s). Consiste en llenar de lquido la tubera de aspiracin succin y la carcasa de la bomba, para facilitar la succin de lquido, evitando que queden bolsas de aire en el interior o que el mecanismo trabaje en seco.

Cebado

Cdula Chumacera

Espesor de la pared de un tubo. Pieza de metal o madera, con una muesca en que descansa y gira cualquier eje de maquinaria.

Coplas

Su funcin es la de unir dos conexiones con terminacin macho del mismo dimetro, mantiene la misma direccin e invariablemente sus extremos son hembras.

Difusor

Vlvulas que cambian su seccin de paso cuando se modifican las propiedades del fluido que las cruza.

Fittings

Unin, copla.

XX

Embalse

Depsito artificial en el que se almacenan las aguas de un ro o de un arroyo, generalmente mediante una presa o un dique que cierra la boca de un valle.

Efecto Venturi

Consiste en que un fluido en movimiento dentro de un conducto cerrado disminuye su presin al aumentar la velocidad despus de pasar por una zona de seccin menor. Si en este punto del conducto se introduce el extremo de otro conducto, se produce una aspiracin del fluido contenido en este segundo conducto.

Grifo

Dispositivo que regula el flujo de agua en una caera.

Micrones

Un micrn o micrmetro es la milsima parte de un milmetro o la millonsima de un metro.

Niple

Trozo muy corto de caera con rosca macho en al menos uno de sus extremos, el otro puede tener rosca macho o hembra, que sirve para unir caeras ms extensas.

Probeta

Tubo de cristal abierto en uno de los extremos, es utilizado en los laboratorios para contener lquidos, permite medir volmenes.

Rodete

Disco perpendicular al eje de giro, compuesto por alabes curvados en direccin contraria al

movimiento.

XXI

Salto de agua

Paso brusco o cada de masas de agua desde un nivel, ms o menos constante, a otro

inmediatamente inferior. Numricamente se define como la diferencia de cota (altura de salto). Tubo Pitot Inventado por el ingeniero francs Henri Pitot en 1,732, sirve para calcular la presin total, tambin llamada presin de estancamiento, presin

remanente o presin de remanso (suma de la presin esttica y de la presin dinmica). Es simplemente un tubo hueco de seccin circular de pequeo dimetro, doblado en L y cuyo eje se alinea con la direccin de la velocidad del flujo en el punto de medida. Vlvulas Accesorios que se utilizan en las redes de distribucin para controlar el flujo y se pueden clasificar en funcin de la accin especfica que realizan. Las vlvulas ms comunes en una red de distribucin son las de compuerta y sirven para aislar segmentos de la misma. Voluta Cmara o carcasa en forma de espiral de una bomba centrfuga dentro de la cual gira el rodete y que recoge el fluido propulsado radialmente por ste, dirigindolo hacia los de tubos de salida.

XXII

RESUMEN

Por lo general, el dispositivo mecnico como una bomba, suministra la energa o la fuerza impulsora que incrementa la energa mecnica del fluido. Esta energa se puede usar para aumentar la velocidad, la presin o elevacin del fluido, de acuerdo con la ecuacin de Bernoulli que relaciona velocidad con presin, densidad y trabajo.

Existen diversos tipos de bombas y aplicaciones en los sistemas de agua. Las bombas que se utilizan para transportar agua a travs del sistema estn dentro de la categora de desplazamiento variable o centrifugas.

La tasa de descarga de esas bombas vara de acuerdo con la carga (a medida que aumenta la elevacin o carga, disminuye la produccin de la bomba). Estas bombas no son autocebantes; por ello, dependen de la carga de succin positiva o de un sello hermtico en la entrada de la bomba si el nivel del agua que se va a bombear est por debajo del impulsor de la bomba. El tipo de bomba de desplazamiento variable ms comn es la centrifuga.

Las bombas centrifugas equipadas con un slo impulsor se denominan bombas de una sola etapa, mientras que las que tienen dos o ms impulsores se llaman bombas de mltiples etapas.

El ruido, vibracin y calor excesivos indican problemas graves, como falla en los rodamientos, falta de alineacin del eje, cavitacin de la bomba, desgaste del impulsor o avera del motor.

XXIII

Las centrales hidroelctricas representan la principal aplicacin de las turbinas hidrulicas, al aprovechar la energa potencial del agua fluvial para generar energa elctrica.

Desde el embalse el agua destinada a la generacin elctrica es conducida por medio de tuberas de presin (tubera forzada) hasta la entrada de la turbina.

Existe una gran variedad en turbinas para esta utilizacin las que se clasifican en accin y reaccin, siendo la nica de accin la turbina tipo Pelton, mientras que las de reaccin son las turbinas Francis, Kaplan, Deriaz y Straflo.

XXIV

OBJETIVOS

GENERAL Proporcionar una gua para el curso de mquinas hidrulicas capaz de sufragar todas las inquietudes de los alumnos de dicho curso, as como el de introducirlos a las nuevas tendencias de utilizacin en la industria.

ESPECFICOS

1. Describir la teora y los conceptos bsicos de los temas citados en el contenido del programa del curso Mquinas Hidrulicas.

2. Brindar apoyo escrito a los alumnos del curso de mquinas hidrulicas, en forma clara y concisa, adems de proveerles imgenes claras y equipos seccionados para un mejor entendimiento de los puntos programticos del curso, basado en el programa de estudio establecido por la Facultad de Ingeniera de la Universidad San Carlos de Guatemala.

3. Proporcionar una herramienta bsica para solucionar las dudas generadas en el curso, actualizando la informacin existente.

4. Dejar una base lgica en la gua del curso de mquinas hidrulicas en forma digital para las nuevas oportunidades en plataformas de pginas de Internet, como la de la Facultad de Ingeniera, principalmente en la de la Escuela de Ingeniera Mecnica, para generar nuevas tendencias educativas como son los cursos virtuales. XXV

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INTRODUCCIN

El presente trabajo es el resultado de la inquietud de contar con un manual para la asignatura de mquinas hidrulicas, en el cual se recopil la informacin de manera breve, concisa, clara y precisa de todo lo referente al clculo y seleccin de bombas y turbomquinas hidrulicas y as contar con un documento extra de respaldo para los estudiantes.

Las mquinas hidrulicas pertenecen a un grupo muy importante llamando mquinas de fluido. Aunque rara es la mquina en que no intervienen uno o varios fluidos como refrigerantes, lubricantes; slo eso no es suficiente para incluir dicha mquina en el grupo de mquinas de fluido.

Las bombas que bombean lquidos distintos al agua (gasolina, cidos, etc.) tambin son mquinas hidrulicas. Aunque el lquido bombeado este caliente la mquina no es trmica, sino seguir siendo hidrulica.

Mquinas hidrulicas son aquellas mquinas en que el fluido proporciona la energa que absorbe la mquina (por ejemplo, el agua que se suministra a una turbina posee una energa preferentemente de presin, proveniente de la energa geodsica que posea el embalse y que a su vez la turbina transforma la energa mecnica) o bien aquellas en que el fluido es el receptor de energa, al que la mquina restituye la energa mecnica absorbida.

La energa potencial del agua se transforma en energa de presin y en energa cintica. Tal energa puede transformarse en trabajo cuando el agua golpea un objeto tal que la direccin del flujo del agua cambie y el objeto se mueva como resultado de la accin del agua. XXVII

Si se utiliza una mquina adecuada, la energa existente en el agua que fluye o en el agua almacenada en un nivel apropiado, puede convertirse en potencia mecnica, que puede utilizarse para muchas aplicaciones o usos.

Dependiendo de alguna propiedad particular, las turbinas pueden clasificarse de distintas formas.

Normalmente un generador hidrulico (bomba) es accionado por un motor elctrico, trmico, etc. mientras que un motor hidrulico (turbina) acciona un generador elctrico.

Asimismo tambin se pueden dividir las turbinas en axiales o radiales, segn que la columna de lquido se desplace en el rodete a lo largo del eje de rotacin, o bien normalmente al mismo, es decir, de forma radial.

Las turbinas tambin se pueden clasificar segn se utilicen para saltos de poca altura (Francis y de hlice, saltos que no sobrepasen los 10 m y grandes caudales de incluso centenares de metros cbicos), para saltos de mediana altura y elevados (Francis, hasta unos 400 m y caudales medianos), o para saltos de gran altura (Pelton, superiores a 1,700m y caudales pequeos, no ms de 5 m 3/s).

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1. GENERALIDADES

1.1 Concepto de mquinas hidrulicas

Una mquina hidrulica es una variedad de mquina de fluido que emplea para su funcionamiento las propiedades de un fluido incompresible o que se comporta como tal, debido a que su densidad en el interior del sistema no sufre variaciones importantes.

Convencionalmente se especifica para los gases un lmite de 100 mbar para el cambio de presin; de modo que si ste es inferior, la mquina puede considerarse hidrulica. Dentro de las mquinas hidrulicas el fluido experimenta un proceso adiabtico, es decir no existe intercambio de calor con el entorno.

Figura 1. Vista detallada de una bomba hidrulica

1

Una mquina hidrulica es un transformador de energa, esto es, recibe energa mecnica que puede proceder de un motor elctrico, trmico, etc., y la convierte en energa que un fluido adquiere en forma de presin, de posicin, o de velocidad.

Otra definicin puede ser: mquina hidrulica (bomba), es un dispositivo empleado para elevar, transferir o comprimir lquidos y gases.

Para una mayor claridad, buscando una analoga con las mquinas elctricas, y por el caso especifico del agua, una bomba sera un generador hidrulico.

1.2 Clasificacin general

Los factores ms importantes que permiten escoger un sistema de bombeo adecuado son: la presin ltima, presin de proceso, velocidad de bombeo, tipo de gases a bombear (la eficiencia de cada bomba vara segn el tipo de gas).

Los tipos de bombas comnmente utilizados para la entrega del fluido se pueden clasificar como:

De engranaje De paleta Rotativas Desplazamiento Positivo Alternativas o Reciprocante 2 De tornillo De cavidad progresiva De lbulo o labe De pistn De inmersin De diafragma

Centrfuga

De flujo radial De flujo axial Ariete hidrulico Aire comprimido

Dinmicas

Especiales De flujo mixto De propulsin o tipo eyector

1.2.1 Bombas de desplazamiento positivo

El funcionamiento de las mquinas de desplazamiento positivo no se basa en la ecuacin de Euler, sino que se mueve un mbolo con movimiento uniforme y velocidad V y un fluido a presin P. Supondr que tanto el cilindro como el mbolo son rgidos o indeformables y que el fluido es incomprensible. El movimiento del mbolo se debe a la fuerza aplicada F. El mbolo al moverse desplaza al fluido a travs de un orificio. Si el mbolo recorre un espacio l hacia la izquierda, el volumen ocupado por el lquido se reducir en un valor igual a Al donde A es el rea transversal del mbolo. Como el fluido es incomprensible el volumen del fluido que sale por el orificio ser tambin Al. El tiempo t empleado en recorrer la distancia l es:

Figura 2. Vista interior del cilindro en que se mueve el mbolo

3

La explicacin del principio de desplazamiento positivo: al disminuir el volumen a la izquierda del mbolo el fluido se ver obligado a salir, sea cual fuere la presin, siempre que la fuerza F sea suficientemente grande y las paredes del cilindro suficientemente robustas.

El caudal Q, o volumen desplazado en la unidad de tiempo, ser:

Si no hay rozamiento la potencia comunicada al fluido ser:

Pero F = pA; luego

El principio de desplazamiento positivo consiste en el movimiento de un fluido causado por la disminucin del volumen de una cmara, por tanto, en una mquina de desplazamiento positivo, el rgano intercambiador de energa no tiene necesariamente movimiento alternativo (mbolo), sino que puede tener movimiento rotativo (rotor). Sin embargo, en las mquinas de desplazamiento positivo tanto alternativas como rotativas, siempre hay una cmara que aumenta de volumen (succin en una bomba) y disminuye el volumen (impulsin). Por eso estas mquinas se llaman tambin mquinas volumtricas.

Las bombas de desplazamiento positivo entregan una cantidad fija de fluido en cada revolucin del rotor de la bomba. Por lo tanto, excepto por resbalamientos pequeos debido al paso libre entre el rotor y la estructura, la entrega o capacidad de la bomba no se ve afectada por los cambios en la presin que debe desarrollar.

4

Segn el tipo de movimiento del desplazador las mquinas de desplazamiento positivo se clasifican en:

Mquinas alternativas y Mquinas rotativas.

Un segundo criterio para clasificar, es segn la variabilidad del desplazamiento:

Mquinas de desplazamiento fijo y Mquinas de desplazamiento variable.

En resumen, teniendo los dos criterios enunciados, las mquinas de desplazamiento positivo se clasifican en cuatro grupos:

1. Mquinas alternativas de desplazamiento fijo; 2. Mquinas alternativas de desplazamiento variable; 3. Mquinas rotativas de desplazamiento fijo; 4. Mquinas rotativas de desplazamiento variable.

Su campo de aplicacin es en el bombeo de lquidos, transmisin y controles hidrulicos y neumticos.

Las bombas de desplazamiento positivo o son aplicables para: Gastos pequeos Presiones altas Lquidos limpios.

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Las rotatorias para: Gastos pequeos y medianos Presiones altas Lquidos viscosos.

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2. BOMBAS

2.1

Nociones sobre la instalacin de una estacin de bombeo

Figura 3. Esquema de una instalacin tpica de bombeo

Las instalaciones hidrulicas son aquellas enfocadas a suministrar un lquido en unas determinadas condiciones de caudal y presin.

Una instalacin tpica es aquella que emplea una bomba para trasvasar agua de un de depsito a otro de mayor altura.

Se debe tomar en cuenta la carga o altura dinmica total de bombeo (A.D.T) que representa todos los obstculos que tendr que vencer el lquido impulsado por la mquina (se expresa en metros de columna del mismo) para poder llegar hasta el punto especfico considerado como la toma ms desfavorable.

7

La expresin para el clculo de A.D.T. proviene de la ecuacin de Bernoully y es:

Donde

h = Altura geomtrica entre el nivel inferior y el superior del lquido.

= La sumatoria de todas las prdidas (tanto en tubera recta como en accesorios) que sufre el fluido entre el nivel de succin y de descarga.

= Energa cintica o presin dinmica.

La expresin de la ecuacin A.D.T. se ve modificada en funcin de la configuracin de la red y del tipo de succin, positiva o negativa, (si el nivel del lquido se encuentra por encima o por debajo respectivamente del eje de la bomba) a la cual estar sometida la bomba. En la medida de lo posible es conveniente colocar la bomba en succin positiva, ya que as se mantiene llena de fluido, a la vez que se le disminuye el A.D.T., debido a la presin adicional agregada por la altura del lquido.

En el caso de la succin negativa con sus respectivos accesorios se muestra la cada de presin en la tubera de succin por efecto del roce que se denotar hfs, una velocidad Vs, una altura de succin hs, y un dimetro de succin Ds. En la descarga se tendr un hfd, una velocidad de descarga Vd, una altura de descarga hd y un dimetro de descarga Dd al cual se considera como el inmediato superior al de la succin.

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Para este caso y considerando cada tramo por separado, la ecuacin de la Altura Dinmica Total queda de la siguiente forma:

ADT= (hd+hs)+hfs+hfd+Vd/2g+hrs+hrd

En este caso, al encontrarse ambos tanques abiertos a la atmsfera las presiones hrs y hrd se anulan.

Cuando los tanques uno inferior y otro superior se encuentran sellados y poseen una presin residual hrs y hrd. En la ecuacin A.D.T. la presin hrd tiene que sumarse mientras que la presin hrs debe restarse por ser energa adicional que va a tener el sistema y que va a ayudar al trabajo de bombeo. La ecuacin resultante es:

ADT= (hd+hs)+hfs+hfd+Vd/2g+hrs-hrd

Al encontrarnos con una succin positiva, la altura geomtrica que la bomba debe vencer en este caso, es menor; para este caso el ADT ser:

ADT= (hd-hs) +hfs+hfd+Vd/2g

Con ambos tanques abiertos a la atmsfera, las presiones residuales hrs y hrd se elimina. Si en cambio el tanque de descarga se mantiene con una determinada presin, a la ecuacin anterior se le suma el valor de hrd y si adems el tanque de succin se mantiene tambin presurizado, a la misma ecuacin se le restar hrs.

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Figura 4. Succin negativa

Figura 5. Succin positiva

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De las figuras 4 y 5 se describen algunos componentes importantes de algunos accesorios necesarios para el correcto funcionamiento de la estacin de bombeo:

A1: Vlvula de pie con canastilla A2: Canastilla B: Unin reductor C: Tee D: Tapn de cebado E: Vlvula de compuerta F: Vlvula de check G: Soportes para las tuberas.

2.2 Altura de elevacin, caudal y consumo de energa de una bomba

En la preparacin de un pozo para extraccin de agua es necesario tener el conocimiento de conceptos importantes para el buen funcionamiento del sistema de bombeo, teniendo en cuenta que una diferenciacin de trminos facilitar en gran medida, evitando paros inesperados que ocasionan prdidas y daos a los componentes en general; dentro de estos conceptos tenemos:

2.2.1 Carga

Es la conversin equivalente de presin (en Pa o psi) en columnas de agua (mts) a una gravedad especfica igual a 1.00.

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2.2.2 Carga total La carga total de un sistema contra la cual debe operar una bomba est compuesta de los siguientes componentes:

2.2.2.1 Carga esttica Se refiere a la diferencia de elevacin. Hay tres tipos de carga esttica:

2.2.2.1.1 Carga esttica total

Es la diferencia entre el nivel del lquido de descarga y el nivel del lquido de succin.

2.2.2.1.2 Carga esttica de succin

Es la diferencia entre la lnea del centro de la bomba y el nivel del lquido de succin.

2.2.2.1.3 Carga esttica de descarga Que es la diferencia entre el nivel del lquido de descarga y la lnea del centro de la bomba.

2.2.3 Carga de friccin

Es la carga equivalente en metro de lquido bombeado, que es necesaria para vencer las prdidas de friccin causadas por el flujo del lquido a travs de la tubera incluyendo todos los accesorios. Vara con:

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-

La cantidad de flujo El tamao, tipo y condicin de la tubera y accesorios El carcter del lquido bombeado

2.2.4 Prdidas de entrada y salida La mayor parte de veces, el lquido bombeado viene de un tanque de alguna forma; el punto de conexin de la tubera de succin a la pared, se llama entrada de la tubera de succin, la prdida por friccin en ese punto se llama prdida de entrada. Del mismo modo existe una prdida de salida en el punto salida de la tubera de descarga.

2.2.5 Elevacin correspondiente a la velocidad Es la energa cintica de un lquido en cualquier punto (kg-m /kglquido),

si

un lquido se est moviendo a cierta velocidad, la elevacin correspondiente a la velocidad es equivalente a la distancia que la masa de agua tendra que caer para adquirir esa velocidad.

2.2.6 Carga total de succin y elevacin de succin (hs) Se define como la carga esttica en la lnea de succin de la bomba arriba de la lnea del centro de la bomba menos todas las prdidas de carga por friccin para la capacidad que se considera, ms cualquier presin que exista en el abastecimiento de la succin. La elevacin de succin es la carga total

de succin negativa medida abajo de la presin atmosfrica.

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2.2.7 NPSH (carga neta positiva de succin)

Es la carga disponible, medida en la abertura de succin de la bomba. Es la carga total de succin menos la presin de vapor del lquido.

Una bomba operando con elevacin de succin manejar una cierta capacidad mxima de agua fra sin cavitacin. La NPSH o cantidad de energa disponible en la boquilla de succin de esa bomba es la presin atmosfrica menos la suma de la elevacin de succin y la presin de vapor del agua. Para manejar esta la misma cantidad se debe disponer de la misma cantidad de energa.

Existen dos tipos de NPSH:

Requerida: es una funcin del diseo de la bomba, representa un margen mnimo requerido entre la carga de succin y la presin de vapor a una capacidad determinada.

Disponible: es una caracterstica del sistema en el que trabaja una bomba, representa la diferencia entre la carga de succin absoluta existente y la presin de vapor a la temperatura dominante.

2.2.8 Carga de descarga

Es la altura de elevacin medida en la boquilla de la descarga. Es la suma algebraica de la descarga esttica, las prdidas por friccin a la capacidad que se est considerando, la prdida de la salida en el extremo de la lnea de descarga y la carga ternita o presin.

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2.2.9 Carga total

Es la energa impartida al lquido por la bomba, es decir, la diferencia entre la carga de descarga y la elevacin de succin.

2.2.10 Nivel esttico

Es el nivel original del acufero en donde el agua permanece dentro de un pozo cuando no se est aplicando ninguna forma de extraccin.

2.2.11 Nivel dinmico o de bombeo

Se refiere al nivel del agua del pozo conforme avanza el bombeo.

2.2.12 Abatimiento

Es el descenso que experimenta el nivel del agua cuando se

est

bombeando; tambin se puede decir que es la diferencia de longitud entre el nivel dinmico y el nivel esttico.

2.2.13 Sumergencia

La sumergencia de la bomba es un dato experimental de cada mquina, que est tabulado por el organismo Hydraulic Institute Standard, en funcin de la presin de trabajo y la velocidad especfica en su valor medio.

La sumergencia es un valor que se define en funcin de evitar los lmites de cavitacin.

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Adems, la correcta definicin de este parmetro, evitar la produccin de remolinos (vrtices), que seran tragados por la mquina en su accin de bombeo. Cada sumergencia para una determinada mquina depende de:

El propio diseo de la estacin. La velocidad de aproximacin a la bomba. El diseo de la campana de aspiracin. La interferencia con bombas adyacentes.

En cualquier caso, la sumergencia mnima no podr ser inferior a 1,5 metros contados desde la lnea inmediatamente por encima del cono de aspiracin. Como el dimensionamiento de la bomba es importante para la obra civil en cada caso, podremos establecer este parmetro en una forma ms precisa para bombas de aspiracin de baja velocidad (0,6 a 0,9 m/s), o bombas de pequeo tamao (hasta 15 pulgadas): la sumergencia mnima puede ser D/2. En donde D es el dimetro del cono de aspiracin en su mxima dimensin, que nunca ser menos del doble del dimetro del ojo del impulsor.

2.2.14 Potencia al freno

Es la potencia

requerida para mover la bomba; generalmente se

determina en caballos de fuerza y se llama potencia al freno.

2.2.15 Caudal Flujo de agua por unidad de tiempo.

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2.2.16 Prdidas

En toda mquina real se produce una serie de prdidas que en mquinas hidrulicas se pueden agrupar en: Prdidas hidrulicas: prdidas de carga debidas al rozamiento del agua en las bombas, movimientos turbulentos, viscosidad y rugosidad de las paredes. Prdidas volumtricas: prdidas de caudal debidas a las fugas entre el estator y el rotor. Prdidas mecnicas: prdidas producidas por el rozamiento mecnico en los rganos de transmisin, como cojinetes y pivotes, por ventilacin y por arrastre de los aparatos auxiliares.

Las pruebas experimentales y prcticas que se realizan en los pozos como aprovechamientos hidrulicos son los siguientes: Prueba de aforo Prueba de bombeo

El objetivo de realizar estas pruebas es llegar a conocer adecuadamente el funcionamiento de los pozos y del acufero con el fin de explotar a este ltimo adecuadamente. Cada una de ellas tiene una finalidad y se puede obtener datos acerca de las caractersticas hidrulicas del funcionamiento de los pozos y del acufero que explotan.

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2.2.17 Prueba de aforo

Operacin que se debe realizar para determinar el caudal ptimo y niveles de operacin de los pozos.

El objetivo esencial consiste en construir experimentalmente mediante mtodos grficos la curva caracterstica del aprovechamiento.

Tambin es conocida como prueba de pozo, de esta se puede obtener la siguiente informacin: La transmisibilidad puntual en el entorno del pozo y su gasto crtico. Prdidas de carga tanto en el pozo como en el acufero. Abatimiento del nivel esttico en funcin del gasto. Eficiencia del pozo. Gasto ptimo de la explotacin del pozo.

Existen varias pruebas de aforo, ellas dependen del tiempo que se utilice para realizarla; una de ellas es mnimo de 24 horas y el agua debe caer libre sin tope, o sea que la descarga es libre, hay pruebas largas de 96 horas y pruebas escalonadas aplicadas en periodos de tiempo con diferentes caudales para probar el nivel esttico. El equipo y los materiales a utilizar son los siguientes: Cronmetro. Cinta mtrica, con graduaciones en centmetros y pulgadas. Regla de perfil cuadrado, graduada en centmetros, para medicin de altura libre y las coordenadas X, Y

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Balde plstico de 10 a 100 l de capacidad, con graduaciones de 1 l, para aforo volumtrico. Probeta plstica, de 100 a 1000 ml de capacidad, para aforo volumtrico de caudales bajos.

2.2.17.1 Aforo volumtrico

La medicin del caudal se realiza en forma manual, utilizando un cronmetro y un recipiente aforado, generalmente un balde. El procedimiento a seguir es tomar un volumen de muestra cualquiera (V) y medir el tiempo transcurrido (t) desde que se introduce a la descarga hasta que se retira de ella; la relacin de estos dos valores permite conocer el caudal (Q) en ese instante de tiempo. Se debe tener un especial cuidado en el momento de la toma de muestra y la medicin del tiempo, ya que es un proceso simultneo donde el tiempo comienza a tomarse en el preciso instante que el recipiente se introduce en la descarga y se detiene en el momento en que se retira de ella. Se deben realizar varias mediciones y calcular el promedio.

El caudal se calcula como:

Siendo: Q = caudal, en L/s; V = volumen, en L; t = tiempo, en segundos.

Este mtodo tiene la ventaja de ser el ms sencillo y confiable, siempre y cuando el lugar donde se realice el aforo garantice que al recipiente llegue todo el volumen de agua que sale por la descarga.

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Entre sus desventajas se cuenta que la mayora de veces es necesario adecuar el sitio de aforo para evitar prdida de muestra en el momento de aforar. Los mtodos de aforo se debe medir varias veces el caudal y calcular el promedio; si se tienen dudas de los resultados, se deben obtener y registrar varios datos sucesivos del caudal. Cuando sea posible, se pueden utilizar dos o ms mtodos de aforo, para establecer la repetitividad de resultados entre ellos y registrar todos los resultados.

Es posible hacer el clculo del aforo aproximado del caudal que es descargado libremente por una tubera, midiendo las longitudes en las direcciones X, Y del chorro, una vez ha dejado la tubera como se muestra a continuacin.

Figura 6. Esquema de aforo libre

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Despus de medido los valores de X, Y se procede a medir el rea hidrulica (A) utilizando la grfica 1:

Grfica 1. Grfica de la curva del clculo de rea hidrulica

Donde: D = Dimetro de la tubera (cm) Ao = rea total de la tubera (cm2) h = Borde libre (cm) A = rea hidrulica (cm2)

Con los valores anteriores se calcula el valor del caudal con la siguiente ecuacin:

Q = Caudal en litros /seg. 0.0221 = Factor de conversin L* cm 5/2 * 1/s 21

A = rea hidrulica en cm2 X = Valor de abscisa en cm. Y = Valor de la ordenada en cm. S = Segundos.

Existen unas conversiones de unidades muy tiles que son: 1 pie3/s = 28.31 L/s; 1 m3/s = 1000 L/s

2.2.17.2 Prueba de bombeo

Se realiza solo con fines de investigacin, cuando se requiere determinar las propiedades hidrulicas de los acuferos, son las ms difciles de ejecutar debido a sus requerimientos tcnicos y al equipo que se emplea para su realizacin.

Estas pruebas tambin son conocidas como pruebas de acuferos, de estas se puede obtener la informacin necesaria para determinar los siguientes aspectos: Transmisibilidad del acufero. Coeficiente de almacenamiento. Caractersticas del acufero. Presencia y situacin de lmites. Geometra y caractersticas hidrodinmicas del sistema acufero.

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2.3 Descripcin de los principales tipos de bombas

Las bombas segn las necesidades, se pueden clasificar de diferentes formas algunas de estas seran:

2.3.1 Clasificacin de las bombas por el tipo de succin

Simple succin. Doble succin.

2.3.2 Clasificacin de las bombas por su direccin de flujo

Bombas de flujo radial. Bombas de flujo axial. Bombas de flujo mixto.

2.3.3 Clasificacin de las bombas por la posicin de su flecha

Bombas horizontales. Bombas verticales. Bombas con motor sumergido.

Para la seleccin de cada tipo de bomba, debern tomarse en cuenta los siguientes factores proporcionados por el fabricante:

a) Succin b) Nmero de pasos. c) Tipo de impulsores. 23

d) Curvas caractersticas. e) Velocidad. f) Sumergencia, carga neta positiva de succin (NPSH), y estudio de cavitacin si fuera necesario.

2.4 Bombas de mbolo

Se pueden encontrar de dos tipos, de pistn y mbolo y de diafragma. Las bombas de mbolo estn formadas por un pistn que, gracias a la accin de un mecanismo biela-manivela, desliza en el interior de un cilindro. En ellas, una vlvula de entrada (aspiracin) y otra de salida (impulsin) regulan el flujo del fluido; debido a lo cual presentan un coste elevado. Slo son aptas para caudales bajos y lquidos limpios y poco viscosos, sin embargo, pueden proporcionar una presin prcticamente ilimitada. Adems, son autocebantes y sus rendimientos son elevados.

El caudal terico bombeado vendr dado por:

Donde: n = el nmero de revoluciones por minuto A = rea del pistn. S = Recorrido del pistn. Qt = Caudal terico.

24

Dado que existen prdidas de caudal por fugas, se tendr que el caudal realmente bombeado vendr dado por su rendimiento volumtrico, de tal modo que:

Donde: Q = Caudal real n = Nmero de revoluciones por minuto v = Volumen Qt = Caudal terico

Figura 7. Bomba de mbolo

Para este tipo de bombas existe multitud de configuraciones, entre las que se destaca:

2.4.1 Bombas de mbolo simple

De simple efecto, dado que el bombeo solo se produce en un lado del pistn, con lo que .

De doble efecto, dado que el bombeo se produce a ambos lados del pistn, con lo que 25 .

2.4.2 Bombas de mbolos mltiples

Bomba Triplex: est formada por tres bombas de simple efecto con aspiracin e impulsin comunes, y con un desfase entre ciclos de 120o, con lo que .

Bomba cudruples: est formada por dos bombas de doble efecto desfasadas 900, con lo que .

Donde es el coeficiente de regularidad para indicar la regularidad del caudal bombeado y viene dado por:

Figura 8. (a) Bomba simple, (b) Bomba dplex

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2.4.3 Bombas de diafragma

La variacin de volumen se genera por medio de la deformacin del diafragma que crea la cmara. La presencia del diafragma hace que su carrera sea corta y por tanto, su rendimiento bajo, aunque tienen buenas caractersticas de aspiracin y su curva caracterstica es prcticamente vertical.

Las aplicaciones tpicas de este tipo de bombas son la manipulacin de lquidos corrosivos y de aquellos que contengan partculas slidas; dado que, al no existir partes mviles en contacto, no existe desgaste, ver figura 9.

Figura 9. Bomba de Diafragma

2.5 Bombas rotativas

Hay muchas variedades de bombas rotatorias para aplicaciones normales o especiales. En Hydraulic Institute Standard se describe la bomba rotatoria como una bomba de desplazamiento positivo, consistente en una cmara en donde estn colocados engranes, excntricos, tornillos, aspas (alabes), mbolos o elementos similares accionados por la rotacin relativa del eje (rbol) de propulsin y la carcasa, que no tiene vlvulas separadas para admisin y descarga. 27

La prdida llamada a veces flujo inverso, es un factor importante porque influye directamente en la descarga neta de la bomba y vara segn el tipo de lquido que se maneje. Se puede definir como la diferencia entre el desplazamiento terico de una bomba dada (en volumen por revolucin o por unidad de tiempo) y la descarga real neta, Q, y se expresa con:

En donde:

Q = es la capacidad real: g.p.m.; D = es el desplazamiento: r.p.m., y S = es la prdida.

Los elementos rotatorios se llaman rotores, engranes, tornillos o lbulos. Otros tipos de bombas rotatorias tienen movimiento con placas oscilantes, con excntrica y pistn, pistn circunferencial, rotor con alabes deslizables con tubo flexible o camisa flexible como elementos rotatorios y se denominarn con esos trminos especficos.

La holgura es importante en las bombas rotatorias. Indica los espacios entre los elementos rotatorios y la carcasa, o entre los elementos entre s. Se expresa como axial y diametral. A menudo se deseara conocer estas holguras para ayudar a evaluar diferentes bombas, o para un indicador de desgaste para darles mantenimiento.

Desde luego, la prdida est en relacin directa con las holguras dentro de la bomba y la capacidad de cualquier bomba rotatoria se reducir conforme se agranden las holguras por el desgaste. 28

En lugar de impulsar el lquido como en una bomba centrifuga, una bomba gira y a diferencia de una bomba de pistn, la bomba rotatoria descarga un flujo continuo. Aunque generalmente se les considera como bombas para lquidos viscosos, las bombas rotatorias no se limitan a este servicio solamente.

Pueden manejar casi cualquier lquido que est libre de slidos abrasivos. Incluso puede existir la presencia de slidos duros en el lquido si una chaqueta de vapor alrededor de la caja de la bomba los puede mantener en condicin fluida.

El funcionamiento en las bombas volumtricas rotativas, el rgano desplazador traslada el fluido desde la aspiracin hasta la impulsin mediante un movimiento rotativo en tres fases se llenan y cierran las cmaras de bombeo, se traslada el lquido de la aspiracin a la impulsin y se desaloja el lquido. Al tener aisladas la cmara de aspiracin y la de impulsin evitan la existencia de vlvulas y con ellas sus inconvenientes.

Como ventaja adicional, ofrecen su capacidad de bombeo en ambas direcciones y su reversibilidad, pudiendo funcionar como motor cuando se le suministra lquido a presin. Su caudal es ms uniforme que en las de mbolo, dado que funcionan a mayor velocidad por no presentar un mecanismo bielamanivela, y dado que el caudal terico se define a partir del nmero de cmaras (Z) y de su volumen (V), siendo:

Donde: Z = Nmero de cmaras D = Desplazamiento Qt = Es el desplazamiento de la bomba.

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El caudal es independiente de la altura manomtrica, pero el rendimiento volumtrico disminuye con la presin, debido al aumento de las fugas. Adems, no existe lmite de presin salvo el impuesto por la resistencia mecnica.

Las bombas rotatorias se clasifican segn el rgano desplazador en:

Mquinas de mbolos Mquinas de engranajes Mquinas de lbulos Mquinas de paletas Mquinas de tornillos

2.5.1 Bombas de leva y pistn

Tambin se llaman bombas de mbolo rotatorio, y consisten de un excntrico con un brazo ranurado en la parte superior.

La rotacin de la flecha hace que el excntrico atrape el lquido contra la caja. Conforme contina la rotacin el lquido se fuerza de la caja a travs de la ranura a la salida de la bomba. Ver figura 10.

Figura 10. Bomba de leva y pistn

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2.5.2 Bombas de engranes externos

Constituyen el tipo rotatorio ms simple. Conforme los dientes de los engranes se separan en el lado, el lquido llena el espacio, entre ellos. Este se conduce en trayectoria circular hacia afuera y es exprimido al engranar nuevamente los dientes. Los engranes pueden tener dientes simples, dobles, o de involuta. Algunos diseos tienen agujeros de flujo radiales en el engrane loco, que van de la corona y del fondo de los dientes a la perforacin interna. Estos permiten que el lquido se comunique de un diente al siguiente, evitando la formacin de presiones excesivas que pudiesen sobrecargar las chumaceras y causar una operacin ruidosa. As se aprecia en la figura 11.

Figura 11. Bombas de engranes externos

2.5.3 Bombas de engrane interno

Tienen un rotor con dientes cortados internamente, (ver figura 12), que encajan en un engrane loco, cortado externamente. Puede usarse una particin en forma de luna creciente para evitar que el lquido pase de nuevo al lado de succin de la bomba.

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Figura 12. Bombas de engrane interno

2.5.4 Bombas lobulares

Se asemejan a las bombas del tipo de engranes en su forma de accin, tienen dos o ms rotores cortados con tres, cuatro, o ms lbulos en cada rotor. Los rotores se sincronizan para obtener una rotacin positiva por medio de engranes externos. Debido a que el lquido se descarga en un nmero ms reducido de cantidades mayores que en el caso de la bomba de engranes, ver figura 13, el flujo del tipo lobular no es tan constante como en la bomba del tipo de engranes. Existen tambin combinaciones de bombas de engrane y lbulo.

Figura 13. Bomba de lbulos

32

2.5.5 Bombas de tornillo

Estas bombas tienen de uno a tres tornillos roscados convenientemente que giran en una caja fija. Existe un gran nmero de diseos apropiados para varias aplicaciones como se ve en los diferentes tipos en la figura 14. Las bombas de un solo tomillo tienen un rotor en forma espiral que gira excntricamente en un estator de hlice interna o cubierta. El rotor es de metal y la hlice es generalmente de hule duro o blando, dependiendo del lquido que se maneje. Las bombas de dos y tres tornillos tienen uno o dos engranes locos, respectivamente, el flujo se establece entre las roscas de los tornillos, y a lo largo del eje de los mismos. Pueden usarse tornillos con roscas opuestas para eliminar el empuje axial en la bomba.

Figura 14. Bombas de tornillo

Tornillo simple

Tornillo doble

Tornillo triple

2.5.6 Bombas de paletas

Este tipo de bombas presentan un rotor dotado de una serie de paletas que se ajustan a un anillo interior por medio de una serie de muelles, (ver figura 15). As, el fluido entra segn aumenta el espacio existente entre el anillo y el rotor, es transportado en ese espacio mediante el empuje de las paletas, y finalmente, se descarga cuando el espacio disminuye.

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Figura 15. Bomba de paletas

2.5.7 Bombas de junta universal

Tienen un pequeo tramo de flecha en el extremo libre del rotor, soportado en una chumacera y 80 grados con la horizontal. El extremo opuesto del rotor se encuentra unido al motor. Cuando el rotor gira, cuatro grupos de superficies planas se abren y cierran para producir una accin de bombeo o cuatro descargas por revolucin. Un excntrico en una cmara flexible produce la accin de bombeo exprimiendo al miembro flexible contra la envoltura de la bomba para forzar el lquido hacia la descarga.

2.5.8 Bombas de tubo flexible

Tienen un tubo de hule que se exprime por medio de un anillo de compresin sobre un excntrico ajustable. La flecha de la bomba, unida al excntrico, lo hace girar. Las bombas de este diseo se construyen con uno o dos pasos. Existen otros diseos de bombas de tubo flexible.

Las rotatorias se utilizan para: Gastos pequeos y medianos Presiones altas Lquidos viscosos 34

2.6

Bombas centrifugas, horizontales, de turbina vertical y sumergible

Figura 16. Bomba centrifuga y su esquema

2.6.1 Bombas centrfugas

Las bombas centrfugas, tambin denominadas rotativas, tienen un rotor de paletas giratorio sumergido en el lquido. El lquido entra en la bomba cerca del eje del rotor, y las paletas lo arrastran hacia sus extremos a alta presin. El rotor tambin proporciona al lquido una velocidad relativamente alta que puede transformarse en presin en una parte estacionaria de la bomba, conocida como difusor. 35

En bombas de alta presin, pueden emplearse varios rotores en serie, y los difusores posteriores a cada rotor pueden contener aletas de gua para reducir poco a poco la velocidad del lquido. En las bombas de baja presin, el difusor suele ser un canal en espiral cuya superficie transversal aumenta en forma gradual para reducir la velocidad. El rotor debe ser cebado antes de empezar a funcionar, es decir, debe estar rodeado de lquido cuando se arranca la bomba. Esto puede lograrse colocando una vlvula de retencin en el conducto de succin, que mantiene el lquido en la bomba cuando el rotor no gira. Si esta vlvula pierde, puede ser necesario cebar la bomba introduciendo lquido desde una fuente externa, como el depsito de salida.

Por lo general, las bombas centrfugas tienen una vlvula en el conducto de salida para controlar el flujo y la presin.

En el caso de flujos bajos y altas presiones, la accin del rotor es en gran medida radial. En flujos ms elevados y presiones de salida menores, la direccin de flujo en el interior de la bomba es ms paralela al eje del rotor (flujo axial). En ese caso, el rotor acta como una hlice. La transicin de un tipo de condiciones a otro es gradual, y cuando las condiciones son intermedias, se habla de flujo mixto.

2.6.2 Caractersticas de la bombas centrifugas

La figura 17, muestra la seccin axial de un compresor centrfugo de tres escalonamientos de presin, con las denominaciones de los diferentes elementos de que est constituida la mquina.

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Figura 17. Bomba centrifuga seccionada y sus componentes

A Cubierta inferior B Cubierta superior C Tapa del cojinete D Mitad inferior del cojinete E Mitad superior del cojinete F Tapa del agujero de engrase G Anillo de engrase H Anillo de retencin de aceite I Rodete

L Manguito del rbol M Tapa del prensaestopas (mitad) N Pernos del prensaestopas O Aros de cierre de la cubierta P Aros de cierre del rodete Q Anillo linterna R Platos de acoplamiento S Collar de empuje R Pernos y tuercas del acoplamiento U Bujes del acoplamiento V Extremo de la caja prensaestopas

J Tuerca del rodete K rbol

2.6.3 Limitacin de la altura se succin de una bomba centrifuga

Entre los factores ms importantes que afectan la buena operacin o funcionamiento de una bomba centrfuga, estn las condiciones existentes en la succin. 37

Alturas de succin exageradas, por regla general, reduce la capacidad de funcionamiento y la eficiencia de la bomba centrfuga y puede originar serios problemas o dificultades debido a la presencia del fenmeno de cavitacin.

Por mucho tiempo, se consider y se sigue considerando que 4.6 metros al nivel del mar, manejando agua limpia a 15.6 c es la altura mxima de succin, conveniente para un buen funcionamiento de la bomba centrfuga, sin embargo en la actualidad se dice que una bomba centrfuga es capaz de

trabajar correctamente con alturas de succin mayores a 4.6 metros si tales alturas han sido fijadas convenientemente.

Por el hecho de considerar de tanta importancia los lmites de succin, es porque los fabricantes de bombas centrfugas construyen curvas lmites de altura de succin para cada bomba en particular, deduciendo estas en forma experimental.

La razn para tanto inters en limitar la altura de succin es la influencia tan decisiva que tiene, tanto en el gasto elevado como en la eficiencia de la bomba, tal como se ha comprobado por la experiencia y cuyos resultados han sido consignados en la tabla 1.

Tabla 1. Tabla altura, gasto, eficiencia de bombas centrifugas

Altura de succin (m) 4.6 5.5 6.4 73 8.25

Gasto (Lts/segundo) 44.3 43.2 33.1 24.3 15.8

Eficiencia mecnica (%) 77 76 66 65 49

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Estos datos nos indican, sin lugar a duda, la gran reduccin tanto en el gasto como en la eficiencia mecnica que da una bomba centrfuga, a medida de que se aumenta la altura de succin y enfatiza la necesidad de tener la altura de succin correcta, si se desea obtener el gasto necesario y la mayor eficiencia posible. Pero no solo la eficiencia de la bomba se ve afectada, sino tambin la estructura fsica de la bomba se ve perjudicada debido a la cavitacin.

Las bombas de tipo centrfugo son utilizadas para: Gastos grandes Presiones reducidas o medianas Lquidos de todos tipos, excepto viscosos Las bombas reciprocantes se usaron mucho y su sustitucin por las centrfugas han corrido al parejo de la sustitucin del vapor por energa elctrica, como fuentes de energa.

La potencia requerida por una bomba se calcula en forma aproximada por la formula:

P= Donde: H = altura manomtrica en metros P = potencia en kW

QXHX10 2

Q = capacidad de la bomba en litros/s.

= rendimiento de la bomba. Se toma: 0.4 a 0.8 para bombas centrfugas y0.6 a 0.7 para bombas de pistn.

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Tambin se puede usar la formula simplificada:

HP = Donde:

Q XH 75

HP =Potencia de la bomba en HP. H = Altura de elevacin del agua en metros.

= rendimiento de la instalacin (0.6 a 0.7)Q = capacidad de la bomba en litros/s.

Las bombas de desplazamiento variable se usan para grandes volmenes donde se requiere una tasa de caudal constante (para transportar agua a travs de los sistemas de tratamiento y distribucin). La tasa de descarga de esas bombas vara de acuerdo con la carga (a medida que aumenta la elevacin o carga, disminuye la produccin de la bomba).

Estas bombas no son autocebantes; por ello, dependen de la carga de succin positiva o de un sello hermtico en la entrada de la bomba si el nivel del agua que se va a bombear est por debajo del impulsor de la bomba. El tipo de bomba de desplazamiento variable ms comn es la centrifuga.

Las bombas centrifugas tienen un impulsor giratorio montado en un eje conectado a la fuente de energa. El impulsor giratorio aumenta la velocidad del agua y la descarga a una tubera diseada para disminuir el caudal de agua y convertir la velocidad en presin.

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Las bombas centrifugas (figura 18) equipadas con un slo impulsor se denominan bombas de una sola etapa, mientras que las que tienen dos o ms impulsores se llaman bombas de mltiples etapas.

Estas ltimas pueden bombear a mayores alturas de descarga, pero no aumentan el caudal.

Figura 18. Bomba centrifuga, empaquetadura y brida

2.6.4 Tipos de flujo

El flujo puede ser mixto o axial, las bombas de flujo mixto desarrollan su columna parcialmente por fuerza centrifuga y parcialmente por el impulsor de los labes sobre el lquido. El dimetro de descarga de los impulsores es mayor que el de entrada. Las bombas de flujo axial desarrollan su columna por la accin de impulso o elevacin de las paletas sobre el lquido.

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2.6.5 Aplicaciones de bombas centrfugas

Las bombas centrfugas, debido a sus caractersticas, son las bombas que ms se aplican en la industria. Las razones de estas preferencias son las siguientes:

Son aparatos giratorios. No tienen rganos articulados y los mecanismos de acoplamiento son muy sencillos. La impulsin elctrica del motor que la mueve es bastante sencilla. Para una operacin definida, el gasto es constante y no se requiere dispositivo regulador. Se adaptan con facilidad a muchas circunstancias.

Aparte de las ventajas ya enumeradas, se unen las siguientes ventajas econmicas:

El precio de una bomba centrfuga es aproximadamente del precio de la bomba de mbolo equivalente. El espacio requerido es aproximadamente del de la bomba de mbolo equivalente. El peso es muy pequeo y por lo tanto las cimentaciones tambin lo son. El mantenimiento de una bomba centrfuga slo se reduce a renovar el aceite de las chumaceras, los empaques del prensaestopas y el nmero de elementos a cambiar es muy pequeo.

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2.6.6 Funcionamiento de las bombas centrfugas

Las bombas centrfugas mueven un cierto volumen de lquido entre dos niveles; son las mquinas hidrulicas que transforman un trabajo mecnico en otro de tipo hidrulico. Los elementos constructivos de que constan son:

a) Una tubera de aspiracin, que concluye prcticamente en la brida de aspiracin. b) El impulsor o rodete, formado por una serie de labes de diversas formas que giran dentro de una carcasa circular. El rodete va unido solidariamente al eje y es la parte mvil de la bomba. El lquido penetra axialmente por la tubera de aspiracin hasta el centro del rodete, que es accionado por un motor, experimentando un cambio de direccin ms o menos brusco, pasando a radial, (en las centrfugas), o permaneciendo axial, (en las axiales), adquiriendo una aceleracin y absorbiendo un trabajo.

Los labes del rodete someten a las partculas de lquido a un movimiento de rotacin muy rpido, siendo proyectadas hacia el exterior por la fuerza centrfuga, de forma que abandonan el rodete hacia la voluta a gran velocidad, aumentando su presin en el impulsor segn la distancia al eje. La elevacin del lquido se produce por la reaccin entre ste y el rodete sometido al movimiento de rotacin; en la voluta se transforma parte de la energa dinmica adquirida en el rodete, en energa de presin, siendo lanzados los filetes lquidos contra las paredes del cuerpo de bomba y evacuados por la tubera de impulsin.

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La carcasa, (voluta), est dispuesta en forma de caracol, de tal manera, que la separacin entre ella y el rodete es mnima en la parte superior; la separacin va aumentando hasta que las partculas lquidas se encuentran frente a la abertura de impulsin; en algunas bombas existe, a la salida del rodete, una directriz de labes que gua el lquido a la salida del impulsor antes de introducirlo en la voluta. c) Una tubera de impulsin. La finalidad de la voluta es la de recoger el lquido a gran velocidad, cambiar la direccin de su movimiento y encaminarle hacia la brida de impulsin de la bomba.

La voluta es tambin un transformador de energa, ya que disminuye la velocidad (transforma parte de la energa dinmica creada en el rodete en energa de presin), aumentando la presin del lquido a medida que el espacio entre el rodete y la carcasa aumenta.

Este es, en general, el funcionamiento de una bomba centrfuga aunque existen distintos tipos y variantes.

La estructura de las bombas centrfugas es anloga a la de las turbinas hidrulicas, salvo que el proceso energtico es inverso; en las turbinas se aprovecha la altura de un salto hidrulico para generar una velocidad de rotacin en la rueda, mientras que en las bombas centrfugas la velocidad comunicada por el rodete al lquido se transforma, en parte, en presin, logrndose as su desplazamiento y posterior elevacin.

2.6.7 Bomba tipo voluta

La carcasa en este tipo de bombas es de voluta y no tienen paletas difusoras como se ve en la figura 19. 44

Figura 19. Bombas con carcasa tipo voluta

La voluta recibe el lquido que sale del impulsor y transforma la mayor parte de la energa cintica en energa de presin. El rea de la seccin transversal de la voluta aumenta progresivamente en el arco de 360 descrito en torno al impulsor. Debido a que la voluta no es simtrica existe un desbalance de presiones a lo largo de la misma, lo cual origina una fuerza radial muy considerable en caso de que la bomba trabajara fuera del punto de rendimiento ptimo la magnitud de este empuje radial puede compensarse con un aumento del dimetro del eje con un sobredimensionamiento de los cojinetes, lo que encarece la bomba. 2.6.8 Bombas de difusor o bombasturbina

Figura 20. Bomba de difusor

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Este tipo de bomba se caracteriza por poseer, fijas a la carcasa, paletas direccionadoras del flujo de agua que sale del impulsor, el que recorre el camino establecido por las paletas fijas, a lo largo de las cuales ocurre la transformacin de energa cintica en energa de presin.

Hay que hacer notar que las bombas con difusor presentan el serio inconveniente de proporcionar el choque entre las partculas de agua a la entrada de difusor, cuando la bomba trabaja en un punto diferente al de diseo. Si existe una alteracin en el funcionamiento de la bomba, en relacin a lo considerado en el diseo, cambia el ngulo de salida de los diferentes lquidos, pero no se altera el ngulo de los difusores, presentndose el choque entre partculas, con la consecuente prdida de eficiencia de la mquina.

Las bombas con difusores fueron muy utilizadas al inicio del desarrollo de las bombas centrifugas, pero fueron perdiendo importancia al perfeccionarse las tcnicas para construir carcasas.

Bombas de tipo turbina tambin se conocen como bombas de vrtice, perifricas y regenerativas.

2.6.9 Bomba vertical y horizontal

El eje de rotacin de una bomba puede ser horizontal vertical, (rara vez inclinado). De esta disposicin se derivan diferencias estructurales en la construccin de la bomba que a veces son importantes, por lo que tambin las aplicaciones de los dos tipos de construccin suelen ser, a menudo, distintas y bien definidas.

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2.6.10 Bombas horizontales

La disposicin del eje de giro horizontal presupone que la bomba y el motor se hallan a la misma altura; este tipo de bombas se utiliza para funcionamiento en seco, exterior al lquido bombeado que llega a la bomba por medio de una tubera de aspiracin.

Las bombas centrfugas, sin embargo, no deben rotar en seco, ya que necesitan del lquido bombeado como lubricante entre aros rozantes e impulsor, y entre empaquetadura y eje.

Como no son autoaspirantes requieren, antes de su puesta en marcha, el estar cebadas; esto no es fcil de conseguir si la bomba no trabaja en carga, estando por encima del nivel del lquido, que es el caso ms corriente con bombas horizontales, siendo a menudo necesarias las vlvulas de pie, (retencin), y los distintos sistemas de cebado.

Como ventajas especficas se puede decir que las bombas horizontales, (excepto para grandes tamaos), son de construccin ms baratas que las verticales y, especialmente, su mantenimiento y conservacin es mucho ms sencillo y econmico; el desmontaje de la bomba se suele hacer sin necesidad de mover el motor y al igual que en las de cmara partida, sin tocar siquiera las conexiones de aspiracin e impulsin.

De acuerdo con las variantes constructivas, estos equipos se pueden clasificar en los siguientes:

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2.6.11 Bombas monobloc

Son equipos sencillos que forman un conjunto compacto son su electromotor. Tienen una caja compacta integral, en los tamaos pequeos, y/o partida verticalmente en los de gran tamao. La succin es axial y la descarga tangencial. Los modelos pequeos tienen conexin de succin y descarga roscada y los modelos ms grandes, a bridas. Tienen dos impulsores cerrados que pueden trabajar en serie o en paralelo (vase figura 21). Este tipo de bombas es adecuado para pequeas instalaciones, cuya potencia no sea mayor a 10 HP.

Figura 21. Corte longitudinal de una bomba monobloc para alta presin (El impulsor tiene anillo posterior de sello)

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2.6.12 Bombas de silla

Son equipos algo ms complicados porque tienen cuatro partes distintas:

a) La carcasa de la bomba, sujeta en voladizo a un soporte especial o silla, que a su vez sirve de soporte al eje de la bomba. b) Un motor elctrico. c) Una base metlica comn. d) Un acoplamiento elstico para los ejes.

Estas bombas tambin tienen dos impulsores, que pueden ser iguales o diferentes y trabajar en serie o en paralelo (vase figura 22).

Figura 22. Vista exterior de una bomba de silla montada en fbrica sobre base estructural

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2.6.13 Bombas de caja partida horizontal

En estos equipos, la caja de la bomba est dividida en dos partes segn un plano horizontal que pasa por su eje. Generalmente, son construidas de tamao grande. Pueden tener dos o ms impulsores, pero por lo general tienen solo uno de gran tamao y de doble entrada, lo que obliga a bifurcar tanto la conexin de la succin como la descarga (vase figura 23). Este tipo de bombas es adecuado para emplearlas en medias y grandes casetas de bombeo.

Figura 23. Bomba con caja partida horizontal destapada

Nota: como el eje debe atravesar la caja de la bomba en dos sitios, estas bombas requieren doble juego de prensa estopas.

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2.6.14 Bombas verticales

Las bombas con eje de giro en posicin vertical tienen, casi siempre, el motor a un nivel superior al de la bomba, por lo que es posible, al contrario que en las horizontales, que la bomba trabaje sumergida por el lquido a bombear, estando, sin embargo, el motor por encima de ste.

2.6.15 Bombas verticales de funcionamiento en seco

En las bombas verticales no sumergidas, el motor puede estar inmediatamente sobre la bomba, o muy por encima de ella. El elevarlo responde a la necesidad de protegerlo de una posible inundacin, o para hacerlo ms accesible si por ejemplo, la bomba trabaja en un pozo.

El eje alargado puede ser rgido o flexible por medio de coplas o juntas universales, lo que simplifica el siempre difcil problema del alineamiento.

Se emplean muy a menudo las mismas bombas horizontales modificadas nicamente en sus cojinetes.

La aspiracin es lateral, (horizontal); en las bombas grandes, frecuentemente, es por abajo, aunque a veces se transforma en lateral mediante un simple codo.

La ventaja de las bombas verticales, es que requieren muy poco espacio horizontal que las hace insustituibles en barcos, pozos, etc.; sin embargo se necesita un espacio vertical superior suficiente para permitir su cmodo montaje y desmontaje. 51

Para bombas de gran caudal, la construccin vertical resulta en general ms barata que la horizontal. Las bombas verticales se emplean normalmente en aplicaciones marinas, para aguas sucias, drenajes, irrigacin, circulacin de condensadores, etc.

2.6.16 Bombas verticales sumergidas

El funcionamiento sumergido de las bombas centrfugas elimina el inconveniente del cebado, por lo que el impulsor se halla continuamente, an parado, rodeado por el lquido a impulsar y, por lo tanto, la bomba est en disposicin de funcionar en cualquier momento.

El control de la unidad requiere nicamente la puesta en marcha del motor de accionamiento, sin necesidad de dispositivos adicionales de cebado previo.

Si esta profundidad es menor de lo debido, 2 3 veces el dimetro del orificio de aspiracin, se pueden crear en la superficie vrtices o remolinos por cuyo centro se introduce aire en la bomba, con la consiguiente prdida de caudal y deficiente funcionamiento.

El eje del que van provistas estas bombas, va guiado normalmente por cojinetes de friccin separados a intervalos regulares (de 1.5 a 3 metros) y lubricados por aceite, grasa, o el mismo lquido bombeado; en este ltimo caso, el eje se suele disponer en el interior de la tubera de impulsin vertical, cerca del motor, en que sta se desva horizontalmente mediante un codo adecuado.

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En los casos de lubricacin por grasa o aceite, el eje va dentro de un tubo portador de los cojinetes, siendo este conjunto, a su vez, exterior o interior a la tubera de impulsin.

La otra solucin tiene la ventaja de requerir un menor espacio, siendo en ambos casos innecesaria la empaquetadura, lo que constituye tambin una circunstancia muy favorable, dados los inconvenientes que consigo. lleva a veces

Las bombas sumergidas tienen la ventaja de ocupar un espacio horizontal mnimo, slo el necesario para acomodar el motor vertical y la impulsin, siendo incluso a veces subterrnea.

Las ventajas hidrulicas son evidentes al desaparecer todos los problemas de aspiracin que constituyen el principal inconveniente en el funcionamiento de las bombas centrfugas.

Desde un punto de vista mecnico, esta disposicin presenta grandes inconvenientes respecto de la horizontal. Las bombas son inicialmente ms caras y su mantenimiento mucho ms elevado, ya que cualquier reparacin exige el desmontaje de la bomba para izarla a la superficie.

El eje alargado, somete a los cojinetes a un trabajo duro que sobre todo, si estn lubricados por agua o lquidos sin grandes propiedades lubricantes, hace que su vida sea corta e imprevisible.

Los tipos ms importantes de bombas verticales sumergidas son, las bombas de turbina vertical o de pozo profundo, las bombas de hlice y las bombas de voluta sumergidas. Ver figura 24. 53

Figura 24. Bomba de eje vertical

Entre las bombas sumergidas, las ms importantes son las llamadas de pozo profundo, de sondeo o de turbina vertical, que fueron desarrolladas para la explotacin de pozos, perforaciones y sondeos de dimetro reducido. Esta circunstancia limita forzosamente la altura por etapa, lo que conduce al concepto de bombas multietapas para reducir el espacio.

El impulsor de aspiracin simple puede ser radial o diagonal, segn las condiciones de servicio y su construccin cerrada o semiabierta. Los impulsores semiabiertos, sin embargo, aparte de su mayor empuje axial, hasta el 50% mayor, requieren un ajuste vertical ms cuidadoso durante el montaje.

El conjunto de difusores del cuerpo de bomba y la tubera de impulsin, cuelgan del cabezal sobre el que va montado el motor, constituyendo el codo de desviacin de la impulsin.

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A veces, los difusores se recubren interiormente de un esmalte especial que disminuye la rugosidad de la fundicin y las prdidas hidrulicas consiguientes, aumentando el rendimiento dotando de cierta uniformidad a las distintas unidades, logrndose una mejor resistencia a la corrosin y a la abrasin.

La construccin de estas bombas permite montar el nmero de etapas deseado, que puede llegar a 20 ms, aadiendo simplemente difusores e impulsores semejantes uno sobre otro, lo que dota de cierta elasticidad a las aplicaciones, con las consiguientes ventajas de estandarizacin, disponibilidad de repuestos, etc.; no obstante, estas bombas participan de las desventajas mencionadas para las bombas verticales sumergidas, de ser caras y exigir unos costos de mantenimiento elevados.

Las bombas verticales de turbina han llegado a un grado de perfeccin notable con rendimientos altos y determinadas ventajas hidrulicas; aunque empezaron siendo empleadas exclusivamente para riegos en pozos y perforaciones, sus aplicaciones industriales aumentan cada vez ms, siendo en la actualidad ms numerosas que las agrcolas, por lo que la denominacin de bombas de pozo profundo va desapareciendo para adaptarse a la de bombas de turbina vertical. Dentro de este tipo se pueden distinguir las bombas provistas de eje alargado y accionadas por motor sumergible dispuesto inmediatamente por debajo de la bomba o bombas buzo.

2.6.16.1 Descripcin general del equipo

La bomba turbina vertical de eje lubricado por agua es utilizada en pozos profundos para la explotacin de las aguas subterrneas. 55

El equipo consta de un cuerpo de bomba cuyo elemento impulsor es accionado por un motor elctrico de eje hueco desde la superficie a travs de un eje de transmisin, el lquido impulsado por la bomba se conduce hasta la superficie por un tubo de columna que protege y alinea al eje de transmisin.

En la superficie, se dispone de un elemento denominado linterna de descarga, que sirve como orientador del flujo, soporte de la bomba con su columna y eje, y como base del motor elctrico.

2.6.16.2 Condiciones de operacin

La seleccin del equipo depender de las siguientes condiciones:

Altura dinmica total de bombeo, caudal requerido y longitud de la columna de bomba. La elongacin de la columna de ejes a vlvula cerrada (Q=0) no ser mayor al 60% de la luz axial mxima de regulacin del cuerpo de impulsores.

La eficiencia mnima de la bomba deber ser: 76%, para Q de 10 a 19 l/s; 77%, para Q de 20 a 34 l/s; 80%, para Q de 35 a74 l/s; 81 %, para Q de 75 a 99 l/s; 82% para Q de 100 a 150 l/s.

La prdida de carga en la columna no ser mayor al 5% de su longitud y la velocidad de flujo en la columna no ser menor de 1.20 m/s. La longitud de la columna de bomba se considerar desde el borde del tazn superior de descarga, hasta la brida superior del tubo de la columna ms prxima a la linterna.

La variacin mxima en el comportamiento operativo de la bomba, no ser mayor al 5% de las condiciones solicitadas.

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En la curva caracterstica, no se aceptar ubicacin del punto de trabajo a la izquierda de la mxima eficiencia de la bomba, debido a la disminucin progresiva del rendimiento del pozo que se produce por efecto del descenso del nivel fretico.

2.6.16.3 Composicin del equipo

2.6.16.3.1 Cuerpo de bomba

El cuerpo de la bomba vertical de turbina est conformado por tazones e impulsores que debern cumplir las siguientes especificaciones:

2.6.16.3.2 Tazones

Son cajas de formas cilndricas que alojan a los impulsores; estn construidas con dimetros exteriores nominales que pueden variar desde 3.5 pulgadas para las bombas pequeas y hasta 18 pulgadas para las bombas grandes. Su funcin principal es desviar y orientar el flujo de agua hacia arriba, transformando su carga de velocidad en carga de presin. Sern de tres tipos: el de succin, los intermedios y el de descarga.

El tazn de succin y el intermedio, debern permitir incluir un anillo de desgaste, el cual puede ser restituido para recuperar la eficiencia. El tazn de succin en su parte inferior ser roscado para poder acoplarse con el tubo de succin.

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El tazn de descarga llevar una bocina especial que anular el sistema de drenaje. Su extremo superior ser roscado para poder acoplarse con las columnas exteriores e interiores, siendo su cubo reforzado con almas.

En los cubos de los tazones irn alojadas bocinas de bronce, cuyas dimensiones sern no menores a 1.5 de dimetro del eje. Los tazones sern de hierro o hierro fundido gris u otro similar o mejorado; las bocinas de bronce y/o Neopreno. Los tazones deben estar libres de porosidad y cualquier otro defecto de fabricacin. El eje de la bomba ser de acero inoxidable, o de caractersticas superiores en calidad debidamente torneado y rectificado.

En las bombas pequeas, con menos de 6 pulgadas de dimetro, el acoplamiento en serie de los tazones se hace por uniones de rosca, mientras que para los dimetros mayores se hacen por bridas empernadas, de modo que faciliten el armado inicial y las maniobras posteriores para su desmontaje y reparacin.

2.6.16.3.3 Impulsores

Sern cerrados y balanceados estticamente, fijados al eje por medio de cuas cnicas de acero inoxidable, debiendo permitir un anillo de desgaste cambiable. Su regulacin axial se har con una tuerca roscada en el eje ubicado en la parte superior del motor. Sern de bronce o de un material que ofrezca mayor resistencia al desgaste.

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2.6.16.3.4 Columna lubricada por agua

Existe una columna exterior conformada por tubos y una columna interior constituida por los ejes de lnea.

2.6.16.3.5 Columna exterior

Constituida por tubos sin costura cdula 40 de 3 m (10') de longitud (incluido el retenedor porta cojinete) y de 1.50 m (5') solamente en la primera y ltima seccin, si el diseo lo exige.

Los tubos sern roscados en ambos extremos, con no menos de 8 hilos/pulgada, y sus caras transversales paralelas para asegurar un alineamiento y ajuste correcto. Se conectarn con uniones fabricadas con tubos sin costura cdula 80, los cuales sern lo suficientemente largas para permitir el alojamiento entre tramos, de los retenedores porta cojinetes y el roscado de por lo menos de 50 mm (2") de tubo de columna.

2.6.16.3.6 Columna interior

Conformado por el eje superior o eje cabezal y el eje de transmisin. Tendrn 3 m (10') de longitud exceptuando el eje cabezal, cuya longitud depende de diseos particulares de cada fabricante. En los extremos sern roscados, para que tienda a ajustarse durante el trabajo y cuando estn unidos entre s a travs de coples. Su dimetro ser tal que su elongacin mxima durante el trabajo, permita un rango de regulacin de los impulsores.

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2.6.16.3.7 Linterna o cabezal de descarga

Sirve como base del motor y soporta la columna y la bomba sobre el nivel de descarga, adems, tiene incorporado un codo de descarga con sus respectivas bridas. La superficie inferior y superior debe ser maquinada y con acabado liso perfectamente paralelos.

La base inferior llevar una empaquetadura y junta, para una placa de asiento que puede ser cimentada y empernada a la base de concreto.

La brida de descarga del cabezal de descarga ser diseada para recibir una tubera con brida estndar ASA. Debe poseer bridas en la succin y en la descarga, asimismo bridas de empalme para ser roscada con la columna de la bomba y la tubera del rbol de descarga.

Todas las uniones bridadas llevarn empaquetaduras.

Incluye un sistema completo de lubricacin, que asegura un adecuado y continuo suministro de agua (libre de impurezas), para lubricar las bocinas de la columna antes de poner en operacin el equipo. Estar constituido por una lnea desde la salida de la vlvula cheque (del rbol de descarga) hasta la toma de lubricacin de la linterna.

La linterna con bridas de empalme ser de hierro fundido gris clase 30 o tipo Mechanite u otro material similar. La bocina estopera ser de bronce.

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2.6.16.3.8 Sistema de prelubricacin

El sistema deber asegurar que el motor elctrico vertical no pueda arrancar antes que todos los cojinetes se hayan humedecido, y se detenga si el suministro de agua lubricante falla en el transcurso del funcionamiento.

El agua lubricante se filtra, para prevenir el ingreso de partculas suspendidas a los cojinetes.

2.6.17 Bombas de turbina verticales de motor normal superior

En estas bombas, el eje va por el interior de la tubera de impulsin, desnudo si la lubricacin es por aceite, o dentro de un tubo protector si la lubricacin es por agua de una fuente externa.

El conjunto de impulsores y eje soportado por los cojinetes de empuje estn colocados en el mismo cabezal o en la parte superior de