Introducción a las partes de una bomba centrifuga

Las bombas centrifugas, ya sean verticales u horizontales, están conformadas por una serie de partes con funciones muy específicas. Algunas de las partes de las bombas centrifugas son fijas, otras partes de las bombas centrifugas son rotatorias. En este resumen haremos un estudio muy breve de las partes de una bomba centrifuga clasificándolas en dos grandes grupos: fijas y rotatorias

Partes Rotatorias

Flecha o eje:La flecha es una pieza de forma tubular en la que se sujetan todas las partes rotatorias de la bomba centrifuga. Esta parte de la bomba debe ser totalmente recta, es decir,  sin desviaciones, ya que su principal función es mantener alineadas las partes giratorias de la bomba centrifuga y la de transmitir el torque de giro.

Impulsores:El impulsor es la parte de la bomba centrifuga que constituye el elemento vital de la bomba en sí misma. Su función es la de recoger el líquido por la boca de la bomba y lanzarlo con fuerza hacia la salida de la bomba. Para hacer esto el impulsor dispone de una serie de pequeñas partes llamada álabes. Gracias a los álabes el impulsor es capaz de darle velocidad de salida al líquido.

Partes Fijas

Carcasa:La carcaza es la parte de la bomba que cubre las partes internas de la misma (algo así como el cascarón de un huevo), sirve de contenedor del líquido que se impulsa, y su función es la de convertir la energía de velocidad impartida al líquido por el impulsor en energía de presión. La carcasa le permite a la bomba formar el vacío necesario a la bomba centrifuga para poder impulsar el líquido, gracias a las partes giratorias.

Cojinetes:Los cojinetes constituyen el soporte y la guía de la flecha o eje. Esta parte de la bomba centrifuga debe ser elaborada con cuidado ya que es la que permitirá la perfecta alineación de todas las partes rotatorias de la bomba. El cojinete, también es la parte de la bomba que se encarga de soportar el peso (carga radial y/o axial) de las partes rotatorias de la bomba.

Bases:La base de la bomba centrifuga debe estar fijada al suelo.  Es en esta parte en la que está atornillada o soldada la bomba centrifuga con el fin de evitar vibraciones que si se produjesen destruirían la bomba. Todo el peso de la bomba descansa sobre esta parte de la bomba.

Otras partes de las bombas centrifugas

Anillos de desgaste:Esta parte de la bomba centrifuga, conocida como anillo de desgaste, suele ser de precio muy económico tanto en el sentido del costo de la parte en sí misma, como en el costo

de su montaje y desmontaje. Por ello, los anillos de desgaste son colocados para cumplir la función de aislantes al roce o fricción en aquellas zonas en donde se produciría un desgaste debido a las cerradas holguras entre las partes fijas y rotatorias de la bomba centrifuga, evitando así la necesidad de comprar y cambiar estos elementos, de precios mucho más elevados. De esta manera, cuando se produce el desgaste en la bomba centrifuga solo es necesario cambiar los anillos de desgaste por otros nuevos.

Estoperas, empaques y sellos:Tanto las estoperas, como el prensa-estopa, le dan presión a la estopa o empaquetadura para evitar el escape del liquido. En ese sentido estas partes de la bomba evitan el escape del flujo. Sin embargo estas partes de la bomba pudieran permitir el escape de pequeñas cantidades del fluido impulsado con fines de enfriamento. Los sellos mecánicos son partes metálicas de bomba que permiten el acople de diferentes partes de la bomba sin que se presente escape de fluido.

Tipos de cojinetes para bombas centrífugas

La función de los cojinetes en las bombas centrifugas es mantener la flecha o rotor en correcto alineamiento con las partes estacionarias bajo la acción de cargas radiales y transversales. Aquéllos que le dan la colocación radial al rotor se conocen como cojinetes de alineación, mientras que aquéllos que sitúan el rotor axialmente se llaman cojinetes de empuje. En la mayoría de las aplicaciones los cojinetes de empuje en realidad sirven como cojinetes de empuje y de alineación.

Tipos de cojinetes que se usan

Se han usado todos los tipos de cojinetes en las bombas centrifugas. Aun el mismo diseño básico de bomba se hace con dos o más cojinetes diferentes, requeridos ya sea por las condiciones variables de servicio o por la preferencia del comprador.

Generalmente, se usan dos cojinetes exteriores para la bomba de uso general de doble admisión y un solo paso, uno a cada lado de la cubierta. Estos eran originalmente del tipo de babbit con lubricación de aceite, pero en años más recientes la mayoría de los fabricantes han cambiando a cojinetes resistentes a la fricción que usan lubricación de grasa o aceite.

Algunas de las bombas centrifugas pequeñas y baratas que se usan para bombear líquidos limpios, están provistas con un cojinete de manguito interior. El propio líquido se usa como lubricante, aunque en algunos diseños se usa lubricación separada de grasa con un accesorio alemite.

En las bombas horizontales con cojinetes en cada lado, los cojinetes generalmente se designan por su colocación como cojinetes interior o exterior,

siendo los primeros los que están entre la cubierta y el acoplamiento. Las bombas con impulsores volantes tienen ambos cojinetes más cercano al impulsor se llama interior y el más alejado, el exterior. En una bomba provista con cojinetes en ambos lados, el cojinete de empuje generalmente se coloca en el extremo exterior y el cojinete de alineación en el extremo interior.

Los cojinetes están montado en una caja que, por lo general, está soportada por ménsulas fijas a la cubierta de la bomba o formando parte de ella. La caja también desempeña la función de contener el lubricante necesario para la operación apropiada del cojinete. Ocasionalmente, los cojinetes de bombas muy grandes está soportadas por cajas que forman la parte superior de pedestales montados en placas de solera o en la base de la bomba. A éstos se les llam cojinetes de pedestal.

Debido al calor generado por el propio cojinete o al calor en el líquido que se se está bombeando, se deben usar a veces algunos medios, además de la radiación al aire circunvecino, para mantener la temperatura del cojinete dentro de límites apropiados. Si los cojinetes tienen un sistema de lubricación forzada, el enfriamiento generalmente se obtienen circulando aceite por enfriado separado agua a aceite. De otra manera, generalmente se incorpora como parte de la caja una chaqueta por la que se circula un líquido enfriador.

Los cojinetes de las bombas pueden ser rígidos o autoalineantes. Un cojinete autoalineante automáticamente se ajustará a un cambio en la posición angular de la flecha. En cojinetes de babbit o con manguito, el nombre de “autoalineantes” se aplica a los cojinetes que tienen un ajuste esférico de la manga en la caja. Cojinetes resistentes a la fricción, son aquellos cuyos casquillos exteriores están maquinados esféricamente o cuyas cajas permiten un ajuste esférico.

Los cojinetes más comunes resistentes a la fricción, que se usan en bombas centrifugas, son los diversos tipos de cojinetes de balas. Los cojinetes de rodillos se usan menos frecuentemente, aunque el cojinete esférico de rodillos se usa con frecuencia para tamaños grandes de flechas, para los que hay una selección limitada de baleros. Como la mayoría de los baleros son apropiados sólo para cargas radiales, su uso en las bombas centrifugas tiende a limitarse a las aplicaciones en las que no requiere que resistan cargas radiales y de empuje combinadas.

Aunque las bombas de doble admisión están teóricamente en equilibrio hidráulico, este equilibrio raras veces se verifica en la práctica, de modo que hasta estas bombas están provistas de cojinetes de empuje. Una bomba centrifuga, siendo un producto de fundición, está sujeta a pequeñas irregularidades que pueden causar un empuje hidráulico axial, es necesaria

alguna forma de cojinete de empuje que sea capaz de resistir el impulso en cualquier dirección para mantener el rotor en su posición correcta.

La capacidad de empuje de un cojinete de bomba de doble admisión, generalmente está bastante excedida del desequilibrio probable causado por las irregularidades. esta provisión se hace por (1) el desgaste desigual de los anillos y de otras partes que puede causar desequilibrio, y (2) el flujo de liquido dentro de los dos ojos de admisión puede ser desigual y causar desequilibrio, debido a un arreglo impropio de la tubería de succión.

Cojinetes de bolas para bombas centrifugas

Principios básicos

Como el coeficiente de fricción de rodamiento es menor que el de fricción de deslizamiento, no se debe considerar un balero en la misma forma como un cojinete de manga. En el primero, la carga se lleva en un punto de contacto de la bola con la pista, pero el punto de contacto no roza o desliza sobre la pista no se genera calor apreciable. Además, el punto de contacto está cambiando constatemente al rodar las bolas en la pista y la operación es prácticamente sin fricción. En el cojinete de manga hay un rozamiento constante de una superficie sobre otra, y la fricción debe reducirse por medio de un lubricante.

Los baleros operados a una velocidad absolutamente constante, en teoría, no requieren lubricante. Sin embargo, ninguna velocidad puede llamarse absolutamente constante, porque las condiciones que afectan la velocidad siempre varían ligeramente. Por ejemplo, un motor con velocidad de plena carga clasificado a 3510 rpm, puede variar de velocidad en el curso de un minuto de 3505 a 3515 rpm. Cada variación de velocidad tiene el efecto de hacer que las bolas de un cojinete se retrasen o adelanten en la pista, debido a su inercia. Consecuentemente se verifica una ligera acción de deslizamiento, casi inapreciable, pero, sin embargo, existente. Otra condición limitante es que hasta el metal más duro sufre deformaciones pequeñas al recibir carga, perturbando el punto perfecto de contacto y agregando otra ligera acción de deslizamiento. Por esta razón debe darse alguna lubricación a los baleros.

Los baleros de empuje están construidos para resistir pesadas cargas por puro movimiento rodante en un contacto angular. Como la carga de empuje es axial,

se distribuye por igual a todas las bolas a lo largo de la pista y la carga individual de cada bola es sólo una pequeña fracción de la carga de empuje total. En esos cojinetes es esencial que las bolas estén espaciadas muy uniforme, y para este objeto se usa una jaula de retén entre las bolas y el carril interior y exterior. Esta jaula no recibe carga, pero el contacto entre ella y la bola produce fricción de deslizamiento que genera una pequeña cantidad de calor. Es por estas razón por la generalmente los cojinetes de bolas de empuje tienen chaquetas de agua.

Tipos de cojinetes de bola para bombas centrifugas

En la actualidad existen una gran cantidad de tipos de cojinetes resistentes a la fricción para bombas centrifugas, es por ello que prácticamente se puede escoger un cojinete de este tipo para cualquier diseño de sistema de bombeo ideado. Por supuesto, la abundancia de modelos de cojinetes podría hacer dudar a un diseñador dando como resultado una escogencia equivocada con consecuencias trágicas para la bomba centrifuga. Como consecuencia de esto, lo más prudente es dejar la selección del cojinete al fabricante de la bomba centrifuga. Obviamente, es el fabricante de la bomba centrifuga quien puede hacer la mejor selección del cojinete para una aplicación en particular.

Los baleros que más se utilizan en bombas centrifugas son (1) los que estan constituidos por una sola hilera y surco profundo, (2) los que disponen de doble hilera y surco profundo, (3) los baleros de doble hilera y oscilante, y (4) los baleros de contacto angular con una o dos hileras. Todos, excepto los cojinetes de doble hilera oscilantes, son capaces de admitir cargas de empuje, inicialmente se usó para resistir sólo el empuje (en combinación con cojinetes de manga con babit), sin embargo su uso ha disminuido gradualmente, hasta el punto de que ahora se usa muy poco en bombas centrifugas.

Balero de doble hilera y surco profundo:

Consiste en dos baleros de una solara hilera colocados lado a lado, tienen mayor capacidad tanto para las cargas radiales como las cargas de empuje. Se usa muy frecuentemente en las bombas centrifugas donde la carga es mayor de la permitida para un balero con una sola hilera.

Balero oscilante:

Este tipo de de balero es el más util cuando se utilizan cargas pesadas, altas velocidades, gran separación entre cojinetes y que carecen de empuje terminal.

Esta es la causa por la cual se adapta idealmente para servicio como cojinete de alineación en bombas centrifugas. Además, dispone de una doble hilera de bolas que corren en surcos que se encuentran fijos en el carril interior o de la flecha; su carril exterior está acabado en un asiento esférico. También, cualquier vibración pequeña o deformación de la flecha puede ser compensa en ese tipo de cojinete debido a que opera como un pivote. En bombas centrífugas de construcción ligera, también podrá compensar cualquier desalineamiento breve que este causado por el “resuello” que ocurra en la cubierta cuando se eleva la presión.

Baleros sellados:

Los baleros adaptadores y otras modificaciones, se han podido utilizar también en ciertas aplicaciones especiales de las bombas centrifugas. Los baleros sellados prelubricados requieren mucha atención especial por lo que si la bomba centrifuga en la que se instalan se deja inoperante durante largos períodos tiempo(por ejemplo, una conservada como existencia o almacenada), la flecha deberá girarse cada cierto tiempo, al menos una vez cada tres meses , con el fin de agitar el lubricante y de esa manera poder mantener una película que cubra las bolas de esas bombas centrifugas.

Balero oscilante:

Ha resultado muy satisfactorio para altas velocidades de bombas centrifugas y tiene una larga vida, aun cuando exista mucha separación entre cojinetes. a pesar de lo anterior, tiene muy poca capacidad de empuje, y no se usa para cargas de empuje y radiales combinadas en bombas centrifugas. En el caso de grandes flechas, el cojinete oscilante de rodillos esféricos debe utilizarce en vez del anterior porque puede resistir esas cargas con un considerable componente de empuje.

Balero de una sola hilera con surco profundo:

Es el balero más comúnmente usado en bombas centrifugas, exceptuando las bombas centrifugas de mayor tamaño. Este tipo de balero suele ser adecuado tanto para las cargas radiales y las de empuje como para las cargas combinadas. Sin embargo, esta versatilidad tiene un precio; requiere un cuidadoso alineamiento entre la flecha de la bomba centrifuga y la caja en la que está montado el balero. En ocasiones se usa con sellos construidos dentro del balero con objeto de evitar la mugre, retener el lubricante o ambas cosas.

Balero de doble hilera de contacto angular:

Este tipo de balero se ha encontrado que es muy satisfactorio para bombas centrifugas capaces de una alta carga de empuje en ambas direcciones.

Algunos fabricantes de bombas centrifugastienen normas para muchas aplicaciones de este balero.

Balero de contacto angular:

Este tipo de balero opera bajo un principio que lo hace ideal para pesadas cargas de empuje. El tipo de una sola hilera es excelente para el empuje en una sola dirección, mientras que el tipo de balero de doble hilera, que es prácticamente dos baleros de una sola hilera, colocados de frente, puede soportar empuje en ambas direcciones. Dos baleros de una sola hilera pueden ser colocados en contacto angular, y frecuentemente se juntan con las caras de las pistas maquinadas por el fabricante para puedan usarse uno delante de otro para cargas grandes con empuje en una dirección o de frente para cargas de empuje en dos direcciones. Los dos baleros podrían sujetarse juntos, rebajando los carriles interiores y presionándolos en un anillo corto. Cuando se usan dos baleros de contacto angular separados, hay que tener cuidado de montarlos correctamente en la flecha de la bomba centrifuga.

Balero de una sola hilera de contacto angular:

Este tipo de balero se puede usar por separado en bombas centrifugas, sólo si el empuje es siempre en una dirección. Su campo de aplicación está así limitado principalmente a bombas centrifugas verticales. Otra aplicación muy interesante es el uso de dos de esos baleros en una bomba de succión por el extremo para soportar el empuje axial en ambas direcciones. Este arreglo permite una cierta cantidad de ajuste axial del impulsor en su voluta, logrado aflojando una tuerca de balero y apretando la otra. Este tipo de ajuste es extremadamente preciso por lo que se requiere de un mecánico de primera clase; esta situación complica su uso comercial en las bombas centrifugas.

Cojinetes de manga para bombas centrifugas

Aunque el cojinete sencillo de chumacera cilíndrica o de manga, ha sido sustituido por los cojinetes antifricción en la mayoría de los diseños, todavía tiene un gran campo de aplicación en el caso de las bombas centrifugas. En uno de los extremos, se usa por razones de economía de construcción; por ejemplo, en algunas bombas centrifugas pequeñas que se usan solamente para bombear líquidos limpios. El cojinete de manga interior de estas bombas centrifugas depende principalmente del líquido bombeando para su lubricación (algunas veces se coloca centrando un sello de agua en el cojinete y se conecta a la descarga de la bomba por la que se introduce el líquido a presión).

En el otro extremo, se usan cojinetes de manga en bombas centrifugas grandes para trabajo pesado, con diámetro de flecha de tales proporciones, que no se consiguen fácilmente cojinetes antifricción. Otra aplicación típica es en bombas centrifugas de varios pasos de alta presión, como las bombas de alimentación de calderas para presiones de 105 kg/cm2 y más altas, que requieren cojinetes de manga debido a una combinación de diámetro de flecha bastante grande y altas velocidades (3600 a 9000 rpm). Otra aplicación más, es en bombas centrifugas de turbina verticales en las que los cojinetes están sujetos al contacto con el agua, una condición que prohibe el uso de cojinetes antifricción. Además, una preferencia personal por los cojinetes de manga, es algunas veces lo bastante marcada para hacer que un comprador de bombas centrifugas hasta pague sobreprecio por un diseño especial, con modificaciones de una bomba de línea normal, para sustituir la construcción con baleros por esos cojinetes.

La mayor parte de los cojinetes de manga están lubricados con aceite. Como se deben proporcionar medios adecuados para alimentación de aceite, los cojinetes de flechas para bombas centrifugas verticales y horizontales varían considerablemente.

En aplicaciones de trabajo especialmente pesado, los cojinetes oscilantes se ajusta por sí mismo automáticamente a pequeños cambios en la posición angular de la flecha de la bomba centrifuga. Este ajuste puede obtenerse proporcionando a la concha del cojinete con un ajuste esférico en la caja del cojinete o – una solución igualmente satisfactoria y una que resulta con un cojinete más corto y una menor separación entre cojinetes- reduciendo la longitud del manguito del cojinete que se apoya en la caja. El segundo método permite que el manguito se columpie ligeramente en su asiento y compense así los cambios de la posición angular de la flecha

Cojinetes con babbitt para bombas centrifugas

Se suelen usar distintos materiales para las mangas del cojinete, pero los cojinetes con babbitt son los que se prefieren cuando el servicio es de trabajo pesado. La manga del cojinete puede consistir de una camisa de babbitt (de 3.175 mm de espesor o más) que está anclada en la concha del cojinete de fierro fundido, por medio de ranuras de cola de pato. Como se requiere una adhesión perfecta, las conchas se estañan primero y se vacía el babbitt a la temperatura de fusión del estaño.

El cojinete automotriz debe ser un cojinete de “precisión”. Este tipo de cojinete ha sido utililizado mucho en bombas de alta velocidad. Este cojinete consiste de una concha delgada de acero dividida con un depósito de babbitt igualmente

delgado. Una ventaja de este tipo de cojinetes es que se consigue en una gran variedad de tamaños lo que permite utilizarlos en una gran diversidad de bombas centrifugas.

Para aumentar la carga en los cojinetes, los cojinetes de las bombas centrifugas de alta velocidad se hacen más cortos que los de las bombas centrifugas convencionales convencionales. Además, pueden incluir una construcción llamada construcción “antibatidora de aceite”. (La construcción de cojinetes para alta velocidad tiene como ventaja que da como resultado pesos más livianos de rotor que tienden a inducir el batido de aceite si no se toman en cuenta: Se provee una bolsa en la mitad superior del cojinete, en el que se acumula un colchón de aceite a presión durante la operación. Esta presión produce una fuerza hacia abajo en la chumacera de la bomba centrifuga que la sostiene en la parte inferior del cojinete y mantiene la vibración al mínimo.

Raras veces se aplican los cojinetes de manga a las bombas centrifugas horizontales con un arreglo de impulsor volante, sino más bien en aquellas diseñadas con cojinetes en ambos extremos y para impulsar por medio de un acoplamiento flexible. Para esas bombas, se deben tomar medidas para el empuje en una de las siguientes formas:

1. Un cojinete de manga radial en un extremo y un cojinete combinado radial y de empuje con babbit en el otro extremo.

2. Dos cojinetes de manga con un elemento separado del cojinete de empuje, ya sea del tipo de manga o de antifricción.3. cojinetes radiales de manga con bordes de babbitt o caras en los extremos de los mangos, éstos actuando en combinación con collares en la flecha.

Este tercer tipo de cojinete radial y de empuje combinado es, por supuesto, el diseño más simple. Era bastante popular cuando las bombas cantrifugas operaban a velocidades mucho más lentas y soportaban cargas de empuje más bajas de las que tienen ahora. La lubricación era suministrada generalmente por una ligera presión entre el collar de la flecha y el borde con babbitt en la concha del cojinete. Una construcción más refinada, que se usó mucho en el pasado bajo el nombre de “cojinete de empuje de tipo marino”, consistía de hasta 3 a 5 collares en la flecha de la bomba centrifuga; éstos estaban localizados con espacio libre axial en bordes correspondientes con babbitt en la concha del cojinete. (Esta construcción, sin embargo, falló en la compensación del desplazamiento angular de la flecha por desviación).

Para cargas de empuje más pesadas en bombas centrifugas de las que generalmente se tienen, ahora la práctica es aplicar el tipo de cojinete de

empuje Kingsbury, o uno similar de la misma clase, que es también apropiado para altas velocidades.

Cojinetes de empuje Kingsbury para bombas centrifugas

Este tipo de cojinete fue desarrollado primero para satisfacer la necesidad de un cojinete de pivote para turbinas de eje vertical y se ha aplicado gradualmente a otros aparatos giratorios, como las bombas centrifugas. El principio de operación es sencillo. Un cojinete ordinario cilíndrico o de manga tiene un espacio libre móvil entre la concha y la chumacera. Debido a la relación entre las superficies curvas y la atracción capilar de las partículas de aceite, se efectúa una acción de “bombeo” que jala una película, excepto con cargas excesivas. Para proporcionar un amplio suministro positivo de aceite frío al cojinete, se usa generalmente un dispositivo sencillo de gravedad, aunque la operación a velocidades más altas que da por resultado una tendencia máxima al calentamiento, requiere alguna forma de lubricación de alimentación forzada. En un collar de empuje ordinario, sujeto a altas presiones y velocidades, las superficies paralelas tienden a expulsar, aparentando la película de aceite. El contacto de metal a metal que resulta hace que este tipo de cojinete sea inadecuado para cargas pesadas. Es por ello que es utilizado en ciertas bombas centrifugas.

El principio del cojinete Kingsbury puede describirse como sigue: supóngase que un collar circular se corta en pequeños segmentos y que cada sección está adecuadamente soportada en su lado interior, de modo que pueda columpiarse ligeramente en el punto indicado como el punto de suspensión y, al mismo tiempo, quedarse en su lugar. Cuando la flecha de la bomba centrifuga empieza a girar, la película de aceite tiende a ser arrastrada bajo los bordes ligeramente redondeados de las secciones. Al aumentar la velocidad de la flecha de la bomba centrifuga, esta tendencia aumenta, asentándose la sección ligeramente, ladeándose a un ángulo mayor, corriendo sobre la película de aceite como un patinador corre al encontrar la resistencia de la superficie de la nieve que queda debajo. Cuanto mayor sea la velocidad, mayor será la tendencia a ajustarse al aumento de la película de aceite arrastrado debajo de ella. Los detalles de construcción de un cojinete Kingsbury típico se pueden examinar más detenidamente si se hace un corte del conjunto.

La montadura de empuje de los cojinetes Kingsbury, usada en las bombas centrifugas horizontales, está arreglada para resistir empuje en ambas direcciones. En ocasiones las dos cargas son casi iguales; otras veces puede existir un empuje mayor hacia una dirección y un empuje menor ocasional

hacia la dirección opuesta. Cualquiera que sea el caso, el cojinete Kingsbury se encuentra equipado con zapatas de empuje en cada lado para limitar el movimiento axial del rotor. El número de zapatas de cada lado puede ser igual o no serlo, dependiendo de la aplicación.

Los cojinetes Kingsbury están en la capacidad de resistir las cargas de empuje de las unidades y las velocidades lineales, muy por encima de las apropiadas para el empuje del collar derecho ordinario, por lo que no hay comparación entre los dos.

Lamentablemente, el codto de los cojinetes kingsbury es relativamente alto al compararlo con otros cojinetes, sin embargo, su uso siempre podrá justificarse para condiciones extremas de empuje.

Corte esquemático de una bomba centrífuga. 1a carcasa, 1b cuerpo de bomba, 2 rodete, 3 tapa de impulsión, 4 cierre del eje, 5 soporte de cojinetes, 6 eje.

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