Bombas hidráulicas
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.
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 lasbombas de aire.
Tipos de bombas
Bomba de lóbulos dobles.
Bomba de engranajes.
Bomba rotodinámica axial.
Bomba centrífuga de 5 etapas.
Según el principio de funcionamiento
La principal clasificación de las bombas según el funcionamiento en que se base:
Bombas de desplazamiento positivo o volumétricas, en las que el principio de funcionamiento está basado en la hidroestática, de modo que el aumento de presión se realiza por el empuje de las paredes de las cámaras que varían su volumen. En este tipo de bombas, en cada ciclo el órgano propulsor genera de manera positiva un volumen dado o cilindrada, por lo que también se denominan bombas volumétricas. En caso de poder variar el volumen máximo de la cilindrada se habla de bombas de volumen variable. Si ese volumen no se puede variar, entonces se dice que la bomba es de volumen fijo. A su vez este tipo de bombas pueden subdividirse en
Bombas de émbolo alternativo, en las que existe uno o varios compartimentos fijos, pero de volumen variable, por la acción de un émbolo o de una membrana. En estas máquinas, el movimiento del fluido es discontinuo y los procesos de carga y descarga se realizan por válvulas que abren y cierran alternativamente. Algunos ejemplos de este tipo de bombas son la bomba alternativa de pistón, la bomba rotativa de pistones o la bomba pistones de accionamiento axial.
Bombas volumétricas rotativas o rotoestáticas, en las que una masa fluida es confinada en uno o varios compartimentos que se desplazan desde la zona de entrada (de baja presión) hasta la zona de salida (de alta presión) de la máquina. Algunos ejemplos de este tipo de máquinas son labomba de paletas, la bomba de lóbulos, la bomba de engranajes, la bomba de tornillo o la bomba peristáltica.
Bombas rotodinámicas, en las que el principio de funcionamiento está basado en el intercambio de cantidad de movimiento entre la máquina y el fluido, aplicando la hidrodinámica. En este tipo de bombas hay uno o varios rodetes con álabes que giran generando un campo de presiones en el fluido. En este tipo de máquinas el flujo del fluido es continuo. Estas turbomáquinas hidráulicas generadoras pueden subdividirse en:
Radiales o centrífugas, cuando el movimiento del fluido sigue una trayectoria perpendicular al eje del rodete impulsor.
Axiales, cuando el fluido pasa por los canales de los álabes siguiendo una trayectoria contenida en un cilindro.
Diagonales o helicocentrífugas cuando la trayectoria del fluido se realiza en otra dirección entre las anteriores, es decir, en un cono coaxial con el eje del rodete.
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.
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1.1 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 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.
1.1.1 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.
1.1.2 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.
1.1.3 Bombas de engranes de 1500 lb/plg2. (Tándem)
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 esta 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.
1.1.4 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.
1.1.5 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.
1.2 Bombas de paletas.
1.2.1 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.
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.
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1.2.2 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.
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.
1.2.3 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.
1.3 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.
1.3.1 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.
1.3.2 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.
1.3.3 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.
1.3.4 Bomba de Pistón de Placa de empuje angular.(Denison)
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.
1.3.5 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.
2. 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.
