tesis: aplicaciÓn de bombas turbina vertical de …
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UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO
FACULTAD DE ESTUDIOS SUPERIORES CUAUTITLAN
APLICACIÓN DE BOMBAS TURBINA VERTICAL DE POZO PROFUNDO ESPECIFICAMENTE PARA AGUA
POTABLE Y RIEGO
T E S S QUE PARA OBTENER EL TITULO DE INGENIERO MECÁNICO ELECTRICISTA PRESENTA EUGENIOLGÓMEZ SERVIN
ASESOR:JNG. EMILIO JUAREZ MARTINEZ
CUAUTITLAN IZCALLJ, EDO DE MEX.
A TESIS CO~T
FALLA DE ORIGEN
2003
UNAM – Dirección General de Bibliotecas
Tesis Digitales
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FACULTAD DE ESTUDIOS SUPERIORES CUAUTITLAN UNIDAD DE LA ADMINISTRACION ESCOLAR
DEPARTAMENTO DE EXAMENES PROFESIONALES
DR . .JUAN ANTONIO MONTARAZ CRESPO DIRECTOR DE LA FES CUAUTITLAN PRESENTE
ASUNTO: VOTOS APROBATORIOS U. N. J., :\4.
n·.:;;!!t1'P.: 1:: ::::run:o: ::.:1rrn:r.;:· .• ¡,t.·t·;:t!..{':.
ATN: Q. Ma. del c·afÁ:i:en Ga.rcia Mijares Jefe del Departamento de Exámenes Profesionales de la FES Cuautitlán
Con base en el art. 28 del Reglamento General de Exámenes, nos permitimos comunicar a usted que revisamos la TESIS:
".;::;il i ene i 6n d.,. bo:-itn-: t:U!""b in~ vt:.r"ti-::::i l de uo~o nro!"untio especi:f'i e amente pura -o-::nble- v r~e~;:)",
¿~~ ~~~=~~~-e-c-~-~-n-t:as:~~~:8_9_9===~~re=n='~º~~ª~5=m=~=~~,-a=5o=ºb~rtv~e=~~~e-r-e~l-t~it-u~lo_d_e_: ________ _
:~Peniero ~e~~nico Electricis~a.
Considerando que dicho trabajo reüne los requisitos necesarios para ser discutido en el EXAMEN PROFESIONAL correspondiente, otorgamos nuestro VOTO APROBATORIO.
ATENTAMENTE "POR MI RAZA HABLARA EL ESPIRITU" Cuautitlán lzcalli, Méx. a _4 __ de Fc:b:re:ro
PRESIDENTE
VOCAL
SECRETARIO
Ing. Aqui.!.es Reyes Flores
Dr. A::"'manCo Asuilor M6rquez
Ins. Emilio Juáre: Mart1nez
PRIMER SUPLENTE M. I. Benjnm!.n cont::--era:s santacru::
SEGUNDO SUPLENTE Ing. Ju"'n Man'..lel. To::--re:s Merino
. TESIS r,Q~T
FALLA DE :)J:il:GEN
DEDICATORIA
A DIOS POR DARME LA
OPORTUNIDAD DE VIVIR.
A MI ESPOSA MARICRUZ ORTIZ
CASTRO QUE CON SU APOYO,
AMOR Y CARll\IO ME MOTIVO
PARA LA REALIZACIÓN DE ESTE
TRABAJO.
EL CARll\IO Y AMOR QUE NOS
TENEMOS, VAN DE LA MANO YA
QUE ASI PODEMOS HACER
MUCHAS COSAS JUNTOS EN
TODO LO QUE NOS RESTA DE
VIDA. ¡CON AMOR PARA MI
ESPOSA!.
A MIS PADRES EUGENIO GOMEZ
MURCIA (FINADO) Y MARIA DE LOS
ANGELES SERVIN DE GOMEZ. POR
SU APOYO INCONDICIONAL QUE
TUVIERON CON TODOS NOSOTROS
Y POR SU AMOR Y SACRIFICIO
PARA DARNOS UNA EDUCACIÓN Y
PODERLA CONCLUIR CON ESTE
TRABAJO.
TESIS r.OJ\T FALLA l)E tHüGEN
CON CARIÑO A MIS HERMANOS:
LETICIA, MARICELA. MANUEL Y
MIGUEL ANGEL.
A MIS SUEGROS: SR. CRISOFORO
ORTIZ GONZÁLEZ. Y SRA. MA.
ELENA CASTRO DE ORTIZ POR SU
APOYO INCONDICIONAL.
CON CARIÑO AL .·ING .. CESAR
CRUZ CARRILLO· POR SU APOYO
EN LA REALIZACIÓN DE ESTE
TRABAJO.
A MI ABUELITA FELISA CON MUCHO
CARIÑO QUE CON SUS CONSEJOS
SABIOS AYUDAN A LA SUPERACIÓN
Y BIENESTAR.
A MIS AMIGOS: ARTURO, MARIO,
EDUARDO, ANGEL Y ALEJANDRO,
POR SU GRAN AMISTAD.
"f""F,~1<:! 1'"'10.l-,T
F.fu ... ..;d. i.J_(;, vJ.i.lUEN
Ír-.JC>IC:::E
INTRODUCCIÓN
CAPÍTULO 1 DESCRIPCIÓN DE UN SISTEMA DE BOMBEO TURBINA VERTICAL DE POZO PROFUNDO TÍPICO, EN EL SUMINISTRO DE AGUA POTABLE Y DE RIEGO
1.1. IMPORTANCIA
1.2. MANTOS ACUÍFEROS
1.3. CONDUCCIÓN DE AGUA
1.3.1. POR GRAVEDAD (DESNIVEL)
1.3.2. BAJO PRESION
1.3.3. PERDIDAS POR FRICCION
1.4. SISTEMAS DE ALMACENAMIENTO
CAPITULO 2 PRINCIPIOS GENERALES DE UN SISTEMA DE BOMBEO TURBINA
Pág.
1
4
4
5
7
7
8
10
22
VERTICAL DE POZO PROFUNDO 24
2.1 CARGA DINAMICA TOTAL ----------------------------------------------- 24
2.2 GOLPE DE ARIETE
2.3 CAVITACIÓN
2.4 TURBULENCIA---
-----------------------------------
·----·-------------------------
33
36
39
2.5 RENDIMIENTO DEL SISTEMA DE BOMBEO ------------ 41
TESIS CON FA.i.:l,A DE l,i\iGEN
CAPITULO 3 INTEGRACIÓN DE LA BOMBA TURBINA VERTICAL DE POZO PROFUNDO
SUMERGIBLE 45
3.1 MOTOR SUMERGIBLE 45
3.2 ACOPLAMIENTO-BOMBA-MOTOR---------------------------------------------- 4 7
3. 3 COLADOR -------------------------------------------------------------------- 48
3.4 BOMBA SUMERGIBLE --------------------------------------------- 49
3.5 VALVULA DE RETENCIÓN
3.6 TUBERIA DE DESCARGA ---------------------------------------------
3.7 PLACA SOPORTE
3. 8 CABLE SUME RG 1 BLE------------------------------------------------------------
CAPITUL04 INTEGRACIÓN DE LA BOMBA TURBINA VERTICAL DE POZO PROFUNDO
CON MOTOR VERTICAL
52
54
56
57
59
4.1 MOTOR VERTICAL ----------------------------------------------------- 59
4.1.1 CON FLECHA HUECA
4.1.2 CON FLECHA SÓLIDA
4.2 ACOPLAMIENTO-BOMBA-MOTOR-------
4.3 COLADOR -----------------------------4.4 BOMBA VERTICAL -----------------·------------·-c-----4.5 CABEZAL DE DESCARGA -----------"---.;.,..e-.~~-----'-
>?; 4.5.1 CON CAJA DE EMPAQUE----
4.5.2 CON SELLO MECANICO -------------~·
4.6 TUBERIA DE DESCARGA
4.7 EFICIENCIA DE LA BOMBA--------
67
69
71
77
80
94
100
102
104
110
CAPITULO 5 LIMITACIONES EN LA SELECCIÓN DE EQUIPOS DE BOMBEO TURBINA
VERTICALES DE POZO PROFUNDO 112
5.1 VIBRACIONES------------------------------------------------------- 112
5.2 BALANCEO (DE IMPULSORES) ------------------------------------- 113
5.3 RECTITUD Y VERTICALIDAD DE UN POZO
5.4 CAUSAS Y EFECTOS DEL EMPUJE AXIAL
5.5 PRESENCIA DE ARENA EN EL AGUA EXTRAIDA
CONCLUSIONES ------------------------
BIBLIOGRAFIA
114
115
120
123
124
INTRODUCCIÓN
El agua potable constituye uno de los liquidas más preciados. El constante
aumento de la población y el agotamiento de Jos recursos naturales cercanos
agravan el problema. Por Jo cual se aumentan constantemente las caudales del
liquido que se necesita bombear desde lugares cada vez más lejanos.
Existen dos tipos de aguas potables que son: las superficiales y subterráneas.
En algunos paises existen grandes corrientes superficiales que se aprovechan, pero
el desarrollo industrial empieza a contaminarlas. En nuestro pais recurrimos a utilizar
las fuentes subterráneas ya que geológicamente somos un país árido y montañoso,
donde los ríos son poco caudalosos y tienen grandes pendientes. en paises llanos
como Estados Unidos las precipitaciones son constantes y satisfacen el suministro
de agua potable en un 75°/o de fuentes superficiales y el 25°/o de fuentes
subterráneas.
El suministro de agua potable en la ciudad de México. se basa en tres
sistemas principales que son: diversos manantiales. pozos municipales y los
particulares.
En los cuales para abastecer de agua potable a la población se requieren de
bombas centrifugas horizontales, bombas centrifugas verticales (de pozo profundo)
las cuales son el enfoque de este trabajo de tesis.
Estos equipos hidráulicos son fundamentales para el desarrollo productivo del
país porque se utilizan en campos de riego (agricultura).
i
j
Un ejemplo de cómo están estructurados los sistemas de agua potable en Ja
ciudad. El sistema de alto Lerma esta abastecido por 70 pozos. cada uno con una
bomba vertical de pozo profundo o de alta presión; lubricadas por agua las cuales
tienen las siguientes condiciones de operación con un gasto de lps, una altura
manométrica de 105 m., 1450 rpm, potencia requerida incluyendo pérdidas
mecánicas de 175 hp, empuje vertical requerido 4400 Kg. 16" de diámetro de tuberia
de ademe, 81°/o de eficiencia, cantidad de impulsores semiabiertos (9), con 13-3/8"
de diámetro exterior en Jos tazones, con 1 O" de diámetro en el tubo de succión y 1 .5
m. con colador cónico, los cabezales son de 24-1/2" X 1 O, con bridas a 1 O" con una
columna de descarga de 10" de diámetro y 54.9 m. de longitud, la flecha es de 1-
15/16" de diámetro, además cuenta con una sonda neumática, para determinar la
altura de la columna de agua por encima de los impulsores con un diámetro de X .. y
un tanque de almacenamiento de agua con una capacidad de 400 litros para la
prelubricación, a una altura de 3 m. del nivel del suelo. Los motores que accionan
dichas bombas son eléctricos verticales de flecha hueca, tipo de inducción a prueba
de goteo: 200 hp .. 1450 rpm, con trinquete de no-retroceso para evitar que se
desatornille la flecha.
Por lo que estos pozos son abastecidos por dos acueductos, uno por
gravedad y otro a presión.
Las bombas verticales de pozo profundo tienen ventajas sobre las
horizontales una de ellas es el motor el cual se puede colocar a cualquier altura y
evitar posibles inundaciones. también el problema del cebado se elimina, ocupa
menos espacio en la instalación y su eficiencia es mas alta. Una de las desventajas
más significativa de este tipo de bombas es que cuando se requiere reparar o
inspeccionar es mas dificil su extracción.
2
Otro tipo de bo~mbas verticales que también se pueden considerar en este
genero son las bombas sumergibles, donde el motor y la bomba están introducidas
en el pozo, -so:n ·eficiente:S debido a que cuando el pozo no está totalmente recto na
importa sU funcionamiento.
Es muy Importante el abastecimiento de agua para la población y ciudades
que la requieran debido a este sistema hidráulico de suministro.
Considero que es más recomendable utilizar bombas de pozo profundo, ya
que tienen un mayor apego a las necesidades que requieren los usuarios en
eficiencia y funcionamiento.
3
CAPÍTULO 1
DESCRIPCIÓN DE UN SISTEMA DE BOMBEO TURBINA VERTICAL
DE POZO PROFUNDO TÍPICO EN EL SUMINISTRO DE AGUA
POTABLE Y DE RIEGO
1.1. IMPORTANCIA
La creación de tecnología y diseños, así como su aceptación, constituyen un
gran compromiso para el perfeccionamiento de sistemas de bombeo,
específicamente para agua potable la cual se extrae de yacimientos aculferos, por tal
motivo la importancia de nuevos estudios de la tierra.
Este capitulo permite mostrarnos en forma general. los lugares donde la
población se puede abastecer del suministro de agua potable: así con10 los tipos de
conducción de agua, que en este caso se plantean dos que son los mas esenciales
para la distribución del fluido (gravedad y bajo presión). en consecuencia para estos
dos procesos se debe adecuar la tubería en condiciones óptimas para su buen
funcionamiento, ya que por gravedad se requiere que el yacimiento acuífero se
encuentre en una pendiente para que el agua fluya por desnivel y bajo presión no
importa como este estructurada la tuberia ya que su suministro es a base de
bombeo. También es importante que se planteen las perdidas por fricción, las
cuales afectan el rendimiento de un sistema de bombeo, en cuanto al gasto y la
potencia que puede disipar dicho sistema: el almacenamiento del fluido es de suma
importancia ya que la construcción de tanques inadecuados es posible que el agua
sea contaminada con residuos peligrosos y por ende dañar a los consumidores.
4
Por tal motivo es de suma importancia los puntos planteados en este capítulo.
En general el presente trabajo contempla el planteamiento de una nueva posibilidad
en cuanto al diser"io de bombas turbina vertical de pozo profundo para uso especifico
de agua potable y riego (agricultura).
Con el estudio de la tierra mencionado anteriormente. se puede conocer la
procedencia del fluido y se pueden descubrir nuevos yacimientos o pozos de agua
potable. para su posible extracción.
1.2. MANTOS ACUÍFEROS
Los mantos aculferos son aguas subterráneas, los cuales se extraen de
bastantes formaciones geológicas. en ellos se encuentran:
1. Depósitos aluviales (arrastrados por las aguas), glaciales (arrastrados por los
vientos).
2. Cavernas, rocas sedimentarias, piedra caliza.
3. Rocas lgneas.
La alimentación de estos yacimientos se producen por infiltración a través de
las aberturas del suelo. Asimismo. pueden estar cerca o a distancias retiradas. El
rendimiento máximo de agua subterránea es directamente proporcional al tamaño
del área de la toma y a la diferencia entre la precipitación y el escurrimiento de las
tormentas. El gasto se extiende paulatinamente a través de la anchura del aculfero;
el flujo se mueve. por lo regular en ángulo recto respecto a los contornos del nivel
acuífero.
El agua subterránea sale a la superficie por medio de manantiales, los cuales
tienen las siguientes características:
5
1. Manantiales de presión. Cuando la superficie del suelo cae bruscamente bajo el
nivel acu(fero normal,
2. Manantiales de contacto. Cuando una obstrucción . geológica lleva . agua del
suelo y las sube a la superficie. ·'':. : _' _''
Los manantiales se aprovechan para captar· el .• flujo'!'ªtural de un
acuifero, su rendimiento puede ser más elevado y eficB~ m0dia;.;te ·1~ ir;tÍod~cción de
tubos colectores ubicados horizontalmente dentro de las formacio~~s :acuiferas que
los abastecen.
Dependiendo de las formaciones geológicas. los pozos pueden ser:
3. pozos excavados,
4. pozos clavados,
5. pozos perforados (barrenados)
Los pozos excavados y clavados están restringidos, comúnmente en suelos
suaves grava ya arena a profundidades menores de 100' (30.48 m). los pozos
pertorados requieren generalmente de suelos duros y profundidades mayores de
100· (30.48 m.). Los pozos de acuiferos con grandes profundidades pueden
suministrar un gasto de 100 gpm (378.5 lpm) o más.
Las aguas subterráneas se desplazan hacia los lagos, procedentes de tierras
altas, las cuales pueden ser interceptadas mediante galerfas filtrantes, tendidas a
ángulos rectos a la dirección del flujo y que conducen el agua a los suministros de
bombeo.
Las galerías filtrantes son útiles para explotar acuíferos de espesores
reducidos.
Mientras más grueso es un manto acuífero, mayor será el rendimiento de las
rocas y del suelo mismo: ya que sus rendimientos específicos tienen un rango entre
10 y 20%.
6
1.3 CONDUCCIÓN DE AGUA
Es importante conocer los tipos de conducción de agua, ya que es de suma
importancia, un buen suministro de fluido de los yacimientos a las distintas
localidades, por medio de duetos bien diseñados; y conocer las pérdidas por fricción
que ocasionan un mal funcionamiento, en los sistemas de bombeo en este caso
(bombas turbina de pozo profundo).
1.3.1 POR GRAVEDAD. (DESNIVEL)
Los duetos de abastecimiento, transportan el agua desde la fuente de
aprovisionamiento a Ja comunidad y en esta forma integran el enlace entre las obras
de captación y los sistemas de distribución.
La localización de la fuente determina si los conductos deben ser cortos o
largos. y si el transporte debe hacerse por gravedad o por bombeo. Debido a que
dependiendo de la topografía y los materiales disponibles. los duetos se diseñan
para flujo a canal abierto o bajo presión.
Se define agua por gravedad aquella que no esta definida. ya que se suma
libremente en el suelo por acción de su propio peso. El agua por gravedad que por
drenaje insuficiente acaba por alejarse en los conductos porosos. no sólo resulta
inútil utilizarla para la vegetación, sino hasta perjudicial para Ja salud y el deterioro de
la vida de las plantas.
La causa de la gravedad. determinada por medio del flujo se representa por
una cantidad de fuerzas de inercia, debido a las fuerzas de gravedad; es
conveniente señalar que la acción de la gravedad de los fluidos puede tener un
efecto definitivo sobre la resistencia del agua.
7
La ventaja de este procedimiento reside en que no ocasiona costos altos de
mantenimiento. aunque los costos de can~trucción suelen ser eleVad.~s. P.ª':°ª el
análisis de conductos de gravedad con caracterlsticSs geométricas.--·no dependiente
de los elementos ubicados en los depósitos ya que pueden se·r aplicado~ al caso de
un sistema de bombeo que tenga una alimentación de descarga e·~':''. caracteristicas
variables.
1.3.2 BAJO PRESIÓN
Es un sistema de distribución (conducción) de agua, por medio de bombas
almacenando mas o menos cantidades de agua, par la regular cuando se emplea
este método el exceso de agua elevada durante los periodos de bajo consumo, se
almacena en tanques elevados o depósitos a base de presión por media de
conductos de tuberlas. Durante los periodos de alta consumo el agua almacenada
se utiliza para aumentar la suministrada por las bombas.
Este sistema permite obtener un rendimiento uniforme de las bombas, es
económico ya que se les pueden hacer trabajar en condiciones optimas. El agua
almacenada proporciona una reserva que puede utilizarse en casos de incendio y
cuando se producen averías en las bombas, este método de operación proporciona
una amplia seguridad. Las rnotobombas de las máquinas extintoras pueden
emplearse diariamente para conseguir las altas presiones necesarias en caso de
incendio, pero también es posible cerrar las válvulas de las tuberías que van a los
depósitos elevados de almacenamiento y accionar una bomba de incendios
dispuesta en la propia planta de bombeo.
8
El empleo de bombas sin almacenaje, introduce directamente el agua en las
tuberlas sin mas desagüe que debido al agua realmente consumida. Es un sistema
poco recomendable ya que una averia en la fuente de energia ocasionarla una
interrupción completa en el suministro del agua. Al fallar el consumo, la presión en
las tuberías fluctuaría fácilmente. Para poder adaptarse a las variaciones de
consumo se disponen varias bombas que permiten incrementar el rendimiento en el
agua, procedimiento que existe bastantes cuidados.
Si las bombas se accionan eléctricamente, por lo que el consumo abastecerá
los requerimientos generales de la población. incrementando el costo de la energia.
Algo importante en este sistema directo, permite emplear una potente bomba para el
servicio de incendios. que puede hacer subir la presión hasta el valor que se desee
mientras que las tuberías estén bien diseñadas en su construcción.
Las diferencias en las presiones a que se mantienen las tuberías de
distribución de las distintas ciudades son muy amplias, para los servicios ordinarios
se valúan entre 1.7-2.8 Kg/cm2 en los distritos residenciales que tienen casas de
alturas no superiores a cuatro pisos, 4.2 Kg/cm2 en los residenciales donde se
utilizan directamente las mangueras para extinguir los incendios 5.3 Kg/cm2 para los
centros comerciales.
La topografía de una ciudad puede exigir la distribución a base de presión. Es
posible que la mayor parte de las ciudades, tengan presiones normales para todos
los fines, por consiguiente en algunos sectores pueden tener presiones demasiadas
altas las cuales ocasionarían roturas y pérdidas en las tuberías, tanto en la red
pública coma en las cañerías particulares.
TESiS r:;nN li'ALLA DE ütUG~N
9
La solución en estas pequeñas áreas, se puede incrementar una o varias
conducciones e inclusive instalando válvulas reguladoras de presión automáticas
que mantengan cualquier presión que se desee en el lado de la descarga.
1.3.3. PÉRDIDAS POR FRICCIÓN
Es común en sistemas de bombeo. tener pérdidas durante el funcionamiento,
las cuales se dividen en tres pérdidas principales que son:
a.- Pérdidas hidráulicas
b.- Pérdidas mecánicas
c.- Pérdidas por fugas
Las pérdidas hidráulicas son producidas por los siguientes aspectos:
- Fricción en la conexión de entrada.
- Choque a la entrada y salida del impulsor.
- Fricción en el impulsor.
- Fricción en las paredes de la columna.
- Fricción en la conexión de descarga.
Las condiciones normales de operación producen cambios en el valor del
caudal (gasto) y pérdidas al chocar en las paredes a la entrada del impulsor: a su
vez las pérdidas ocasionadas a la salida del impulsor causan cambios o alteraciones
en la velocidad del fluido (agua), cuando entra a la cámara.
Por consiguiente las pérdidas mecánicas son provocadas por lo regular
debido a las siguientes condiciones:
- Fricción del disco entre el impulsor y el agua que satura los espacios libres entre el
impulsor y los tazones.
TESIS r:nN FALLA U.i::: vniGEN
10
- Fricción en las chumaceras y anillos del impulsor.
- Fricción, por desgaste en los valeros.
'A su vez las pérdidas por fugas son ocasionadas debido a:
- Conexión en la tuberia de descarga mal ensamblada.
- Mal ensamble en los tazones y accesorios de la bomba.
Por lo que este tipo de pérdidas. consume parte de la potencia alimentada.
Existen otros factores por los cuales se pueden presentar pérdidas por fricción
en las tuberias, dependiendo del diseño en el extremo de la entrada del agua, de los
accesorios existentes en la tuberia como son:
Codos, válvulas que se tengan en la succión y descarga.
También se pueden calcular las pérdidas por fricción en la columna de
descarga utilizando la formula de Darcy que establece lo siguiente:
Donde:
hf = :i.J... v 2
Di 2g
hf = Pérdidas por fricción
;. = Coeficiente de fricción
L = Longitud de la tuberla
Di = Diámetro interior de la tubería
V = Velocidad media
2 = Constante
g =Aceleración de la gravedad (9.81 m/seg2 ó 32.2 ftlseg2)
.. Para los diámetros y cédulas. ver tablas de especificaciones físicas de
tuberías, que se encuentran en el capitulo 4.
TESIS CO~T FALLA DE OfüGEN
11
Para determinar el coeficiente de fricción ('.) para flujo turbulento se debe
tomar en cuenta el diagrama de MOODY:
Resuelve todos los ºproblemas de pérdidas de cargas primarias en tuberlas
con cualquier diámetro, m~~~rial:de tubería y caudal.
Puede emplearSé:'co:n.tuberías de sección no circular sustituyendo el diámetro
(D) por el radio hidrál.Jlic~ (Rh) ..
. ·~· :: :¿:·:.:":' " Se usa para' d.etermlnar el coeficiente de fricción (i.). el cual se sustituye en la
ecuación de D'."i~~/
Por el contrario, las tablas, curvas, etc. De que están llenos los formularios de
hidráulica:
-No suelen ser de uso general (universal.
-Sirven también para determinar el coeficiente de fricción (/.) de la ecuación de
Darcy.
-Con frecuencia no tienen en cuenta todas las variables de que en general
depende el coeficiente de fricción (i.).
-Sin embargo, pueden ser de uso más cómodo en casos particulares.
El factor;.
Es obviamente adirnensional {LID es adimensional y V 2 /2g tiene la misma
dimensión que hf o sea (L)J. El factor i. depende de la velocidad media (V), del
diámetro interior de la tubería (Di). de la densidad (f), de la viscosidad del agua (o) y
de la rugosidad (K). lo cual como expresa la ecuación de Darcy, hf se expresa en
unidades de longitud, metro (m) en el sistema internacional (S.I.).
TESIS CON "FALLA. DE OfilGEN ---···-···- ___ _L~~;..;-...:::..:::-===---
12
Para nuestro estudio el ·coeficiente de fricción, se analizará en régimen
turbulenta que se clasifica en tu~~rlas lisas y rugosas.
El coeficiente A.
En régimen turbulento con numero elevado de Reynolds (Re) tomando en
cuenta la sig~Íente relación:
A.= f (K/Di)
Donde:
;.= Coeficiente de fricción (en régimen turbulento)
f= Función de variables adimensianales
K=Rugosidad de la tuberla
Di= Diámetro interior de la tuberia
El coeficiente de fricción (i.) no es función del numero de Reynolds ( Re)
Ver diagrama de Moody.
TESlS cnN ~ALLA Di!: V!ÚJEN
13
DIAGRAMA DE MOODY
c:1111:1t ... u DI 11:to. ... •lJrolD •• ~·- .•
:;r.
TESIS CON li'ALLA DE OPJGEN
14
Para determinar el número de Reynolds se debe utilizar la siguiente expresión
que establece:
Re.=VDi
V
Donde:
Re= Numero de Reynolds =Re
V = Velocidad media
Di = Diámetro interior de la tuberia
v = Viscosidad del agua limpia (para riego)
Una instalación consta de una serie de metros de tuberia y de accesorios
(codos. válvulas, contracciones. etc.); en los tramos rectos existen pérdidas primarias
y en los accesorios perdidas secundarias. El conjunto de estas pérdidas unidas,
constituyen las pérdidas exteriores de la bomba.
Las pérdidas por fricción en la succión de las bombas de pozo profundo son
despreciables en este tipo de sistemas.
Anexo tablas de pérdidas por fricción
Comercialmente la tubería y accesorios se adquieren en medidas del sistema
internacional, por tal motivo las tablas que se anexan están estructuradas en el
sistema fps.
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21
1.4 SISTEMAS DE ALMACENAJE (ALMACENAMIENTO)
El almacenamiento del fluido, debe diseñarse de acuerdo al tamaño y la forma
de los conductos de aprovisionamiento, están determinados por consideraciones
hidráulicas, estructurales y económicas.
La capacidad de abastecimiento a las zonas pobladas debe ser apropiada
para los depósitos de servicios y distribución bien establecidas. ya que estos
almacenan agua suficiente para:
-Satisface las variaciones por hora en el consumo de agua excedentes al
consumidor.
-Suministrar agua suficiente para combatir catástrofes (incendios)
-Permite el cierre de las lineas de alimentación para su inspección y reparaciones
menores.
Los depósitos para distribución son tanques abiertos o cerrados. del tipo de
corte o relleno, columnas regulares o tanques elevados. Como anteriormente se ha
señalado, la selección de los almacenamientos dependen del tamaño y
particularmente de la elevación. En sistemas grandes pueden llegarse a necesitar
más de un tanque. Los tanques o recipientes abiertos, se presentan problemas de
hollin. polvo y lama. Hoy en dia se prefieren tanques de almacenamiento cerrados.
Los sistemas de bombeo-almacenamiento, usados comúnmente en
abastecimientos de agua se pueden dividir en dos partes:
Sistemas primarios: Son sistemas que toman el agua de alguna fuente de
abastecimiento (manantial) y la descargan a tanques de almacenamiento.
22
Sistemas secundarios: Se llaman también sistemas elevadores de potencial
hidráulica; trabajan en combinación con los sistemas. primario:s para aumentar Ja
presión o el gasto. pero con el caudal de agua de un sistema primario.
Existen dos clases de sistemas primarios de almacenamiento:
a. Sistemas con tanque elevado: Con planta de tratamiento, a través de simple
bombeo por medio de una red, con alimentación a tanque elevado y pozos urbanos.
El concepto importante es la disociación de ciertas bombas del tanque o tanques
elevado. Implica la posibilidad de tener una o dos estaciones principales de bombeo,
cercanas al tanque y con las bombas controladas para mantener el tanque con el
nivel lo más alto posible.
b. Bomba directa: Estos sistemas no tienen tanques de almacenamiento para
estabilizar la presión. Diseñados y controlados adecuadamente. son los sistemas
más eficientes y estables. La presión se mantiene entre limites muy reducidos, pero
por su automatización tienen costos muy elevados. Por consiguiente estos sistemas
principalmente se utilizan para suplir agua en caso de emergencia. Su
funcionamiento se basa en usar una bomba con un medidor de flujo y regulan el
bombeo a los requerimientos del flujo.
23
CAPÍTULO 2
PRINCIPIOS GENERALES DE UN SISTEMA DE BOMBEO TURBINA
VERTICAL DE POZO PROFUNDO
2.1 CARGA DINÁMICA TOTAL
H = Carga total.- Suma de las energías que se tienen en el sistema cuando
trabaja la bomba a una determinada capacidad. las unidades de medida que
intervienen son en metros de columna de agua absolutas o manométricas.
La carga dinámica total es importante para todo sistema de bombeo ya que es
la altura de trabajo de la bomba; los valores de Ja carga están determinados para
ciertas condiciones de operación. Ya que una bomba con caracteristicas de
descenso severo es conveniente bombear muelles secos en donde la carga
aumenta constantemente. Cuando una bomba trabaja con estas condiciones el
gasto de descarga disminuye y a su vez la carga dinámica aumenta, no teniendo
consecuencias en la sobrecarga del motor de impulso.
Matemáticamente la carga dinámica total se expresa de la siguiente forma:
H = HS+HD
Donde:
H = Carga dinámica total
HS = Carga de succión
HD = Carga de descarga.
HD = hd + hfd + hvd
Donde:
hd = Carga estática de descarga
HS = hs + hfs
Donde:
hs = Carga estática de succión
hfs = Carga de fricción en la succión
hvd = V 2 / 2g
Donde:
V = Velocidad del agua en la tuberla
24
hfd = Carga de fricción en la descarga
hvd = Carga de velocidad en la descarga
de descarga en m/seg
g =A. de la gravedad (9.81 m/seg2¡
Por lo tanto la carga dinámica total se expresa de la siguiente forma:
H = hs + hfs + hd + hfd + hvd
En la carga dinámica total interviene fa succión y descarga, por tal motivo, la
carga neta de succión positiva (CNSP), es la presión disponible para establecer un
flujo a través de la carcasa de una bomba, cuyo valor nunca deberá reducirse al
correspondiente a la presión de vapor del liquido manejado. Su unidad se expresa
en metros de columna de agua a una presión de 1 Kg/cm:?.
La carga neta de succión positiva requerida (CNSPR) es la diferencia minima
de presión entre la carga de succión y la presión de vapor del agua que se requiere
para que una bomba trabaje a determinada capacidad. El diseño de la altura de cada
bomba es distinto de acuerdo a las características del fabricante.
Para poder determinar esta carga, es importante conocer el lugar donde se
lleve acabo el bombeo, verificar Ja presión de vapor del agua y su temperatura que
predomina en el lugar.
En bombas verticales para tener un mayor (CNSPD) se necesita tener una
mayor sumergencia en el cárcamo. en otras ocasiones también se podrá disminuir el
gasto incrementando el número de bombas. En toda instalación y para cualquier
condición de trabajo, la C.N.S.P.D. deberá ser como mínimo. igual al valor de la
C.N.S.P.R. por la bomba de que se trate; pero se recomienda que ese valor minimo
sea un poco mayor, por lo tanto se tendrá.
25
C.N.S.P. disponible= C.N.S.P. requerida
Casos tlpicos de la carga neta de succión positiva disponible (CNSPD).
En las siguientes igualdades todos los términos se expresan en metros
columna de agua y significan lo siguiente:
( CNSP)d
Pab
Pv
Hab
hb
K
= Carga neta de succión positiva disponible
=Presión absoluta
= Presión de vapor de agua a la temperatura de bombeo
= Carga equivalente a la presión absoluta
= Carga correspondiente a la presión barométrica o atmosférica
=Constante
CASO 1
Nivel de agua en la succión, expuesta a la presión atmosférica y arriba del eje
horizontal de la bomba. Expresión matemática que determina este caso es:
( CNSP )d
Pab
Hs
Hab
Sustituyendo (2) en (1), se tiene:
( CNSP )d
( CNSP )d
= Pab - Pv -----------(1)
= Hab = hb + Hs
= hs - hfs
= hb + hs - hfs -----,(2)
= hb + hs - hfs - Pv
= hb + hs - ( hfs + pv ) --(a)
26
CAS02
Cuando el nivel del agua en la succión, expuesta a la presión atmosférica y
abajo del eje horizontal de la bomba.
Tomando en cuenta la expresión {1) del caso anterior se tiene:
Hs = - hs - hfs
Hab hb - hs - hfs ------ (3)
Sustituyendo (3) en (1) se tiene:
hb - hs - hfs - Pv ( CNSP )d
( CNSP )d hb - ( hs + hfs + Pv )------(b)
CAS03
Los casos 1 y 2. pero existiendo en el suministro o succión una presión
diferente a la atmosférica. Cuando se tiene esta característica el valor de hb (presión
barométrica), se sustituye por la que realmente se tiene. Por lo tanto las expresiones
(a) y (b), para los casos correspondientes serán, si Pda es aquella presión; sus
ecuaciones se expresaran de la siguiente forma:
( CNSP )d
( CNSP )d
= Pda + hs - ( hfs + Pv ) -----CASO 1
= Pda - ( hs + hfs + pv ) -----CASO 2
27
CAS04
Cuando en la instalación se tiene una bomba vertical. Haciendo un
razonamiento análogo de las anteriores ecuaciones se tiene:
( CNSP )d = Pab - Pv -------------------(1)
Para este caso:
Pab = Hab = hb + k -------------------(4)
Sustituyendo (4) en (1 ), se tiene:
( CNSP )d = hb + k - Pv
Anexo tablas de vapor de agua saturado y seco.
TESIS rof\T FALLA lJ.!!; v.1.uGEN
28
CoUmno de lo bcmbo~---11-~~
-
lnstclación típica de una bomba vertical
TESIS C:íl'f\T FALLA DE u.cilGEN
H
29
CD
Bomllc vertical
Si ea.iste (Pc1 0hustitú'yose hb por ese valor.
CNSP Disponible en casos típicos
TES!f.; r.n"t-.T FALí..A DE v.:.~:.GEN 30
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... - .. p o,.,.,, .... ¡~· 1,1u .. -:-!.1 IJ•)'W',f";;'C. F.<>:!r> :'171•.fl l.Cl!•J3 r. n:nz 1'14::..J !:!1-1;!,K :.-••'(• l•°..'.7'1 (11W]'.!IJ.:l":'ll O(IO'l'<lf1 Olll!;¡.;7":' !!H"' ....... 1:: 17~'7 2300.K :!' ~ .. :..-~. 7~ C'I•:',!_'\.•::, ::-1176 ..llo!!:!."I 224:.I .:-.:•o<~> ;1':,jf\'< l•[l(..:. .. ·-:-1 .. l>tJOJUI'•" 00.l:O'":':!Jo 1-..... :: 1 ~·" fl 4 ... ,!~J tl'!.::4 211'1.I> ~!;:fl ""74 1~ l>OC"'.l!- 01"<131-; º" ::11174 :?(l."t'l'3 ::037.3
3.2
TI.SlS CON ~A.LLP-- D"E ORIGEN
2.2 GOLPE DE ARIETE
El fenómeno de golpe de ariete se origina debido a una sobre-presión que se
presenta al abril o cerrar una válvula, si se para el motor de una bomba sin cerrar
previamente la válvula de impulsión, si hay un corte imprevisto de corriente, en el
funcionamiento de la bomba.
La sobre presión del golpe de ariete, no se puede producir en el arranque de
una bomba porque la presión producida, no puede exceder el valor máximo que
indican las curvas de caracterlsticas para el diseño de cada bomba en cuanto a la
carga-gasto (H-G). En la interrupción de una bomba al estar operando se debe tener
cuidado en cerrar antes las válvulas de impulsión. Si esto se realiza manualmente, el
cierre es lento, la columna del liquido (agua) que llena la tubería disminuye la
velocidad. y el golpe de ariete no se produce.
Los medios empleados para reducir el golpe de ariete pueden ser los
siguientes:
a) Cerrar lentamente la válvula de impulsión.
b) Escoger el diámetro de la tubería de impulsión grande. para que Ja velocidad en la
tubería sea pequeña.
e) Instalar la bomba con un volante que en caso de corte de la corriente reduzca
lentamente la velocidad del motor y por consiguiente el agua en la tubería.
d) Inyectar aire con un compresor para producir un muelle elástico durante la sobre
presión.
Para el calculo de sobrepresión por golpe de ariete se a adoptado la formula
de Lorenzo Allievi que se describe a continuación, con esta formula se obtiene el
mayor máximo que puede adquirir esta sobrepresión ya que fue deducida
33
considerando las condiciones mas criticas para el cierre de una válvula, esto es
aceptado que la máxima sobrepresión se verifica al instante de la primera fase del
fenómeno y que el tiempo de cierre es:
:Acero
a La formula es:
h¡ 145v T= 2L
J1 + Éo-ºl a
E, e
Donde:
h¡ = Sobrepresión de inercia por golpe de ariete en m.
v = Velocidad del agua en la tuberla en m/seg.
Ea = Modulo de elasticidad del agua Kg /cm2.
Di = Diámetro interior de la tuberla en cm.
e = Espesor de la tubería en cm.
E 1 = Modulo de elasticidad del material de la tubería en Kg/cm2•
L = Longitud de la tubería en m.
a = Celeridad de la onda de presión en m/seg.
T = Tiempo de cierre en seg.
Módulos de elasticidad para algunos materiales:
Material Kg/cm•
2.100.000 ; Hierro fundido 930.000 1 Concreto simole 125.000 i Asbesto-cemento 210.000 IAoua 20.700
34
También existen 3 métodos para tener un mayor control del golpe de ariete en
una bomba los cuales son:
By-Pass: a través de una válvula de seguridad, cámara de aire con válvula
amortiguadora, chimenea de equilibrio, los cuales pueden ser de fabricación de
materiales plásticos.
By-Pass: gran variedad de capas protectoras sobre el material metálico
básico.
Válvulas de seguridad. Piezas de plástico especiales en una bomba
básicamente de metal (polipropileno y gran variedad de plásticos con nombres
comerciales: teflón, nylon. neopreno, etc).
Chimenea de equilibrio. Bombas totalmente de pléstico. las cuales son
bombas muy especiales y no pueden ser construidas de pozo profundo.
Los efectos del golpe de ariete debido al arranque normal de una bomba de
pozo profundo generalmente son despreciables por tal motivo el objeto de reducir
tales afectos, por lo regular se puede instalar una válvula de seccionamiento en la
tubería de descarga. en los equipos que esta válvula permanece cerrada durante el
proceso de arranque y la aceleración de los mismos hasta llegar a la velocidad
normal de operación.
Posteriormente se abre la válvula lentamente. hasta llegar a la condición de
flujo permanente. Jo cual se logra con un grado de apertura menor del 10°/o del total
debido a que las perdidas de carga después de esto reducen considerablemente.
Para eliminar paulatinamente el golpe de ariete en un sistema de bombeo se
puede instalar un tanque neumcitico el cual permite reducir en su mayoría dicho
fenómeno.
35
2.3 CAVITACIÓN
Es un fenómeno que afecta al funcionamiento satisfactorio de un sistema de
bombeo, ya que es conveniente eliminar la cavitación desde el punto de vista de su
rendimiento, como para evitar daños en los impulsores. Por lo que la cavitaclón es la
formación y eliminación de cavidades llenas de vapor del liquido (agua), debido a
que en el interior de la bomba existe una baja o alta presión, lo cual origina dicho
fenómeno.
Prácticamente la cavitación es un fenómeno que ocurre por lo regular en los
impulsores ya que se tienen dos presiones una alta (salida del liquido) y baja presión
(entrada de liquido) esto ocurre cuando en el ojo del impulsor al no ser llenado de
agua completamente se producen vacios en las cavidades de los alabes provocando
así que no exista carga positiva en la succión generando burbujas que a la larga
deterioran el material y lo corroen perdiendo asi eficiencia en el sistema de bombeo.
Ver dibujo del impulsor.
36
EXPLICACIÓN DEL. FENÓMENO DE CAVITACIÓN TOMANDO EN CUENTA UN IMPULSOR
Al.. G:>~PEAR El. AGUA SE PRODUCE UN SONIDO QUE ES DEBIDO A LA DIFERENCIA DE PRESIOt-lES
TESIS CON F'AL.L.A DE ORIGEN
37
Este tipo de fallas pueden presentarse en cualquier máquina hidráulica e
inclusive en materiales que se utilizan como complemento de un sistema de bombeo
(turbinas, bombas, válvulas} los cuales están sometidos a bajas presiones, altas
presiones y velocidades del agua muy elevadas.
También ocasiona una disminución en su rendimiento (eficiencia), ruidos,
vibraciones y generalmente corrosión en las partes interiores de las bombas
(principalmente impulsores). Anteriormente se pensaba que este fenómeno era
provocado por la naturaleza qufmica (oxidación). pero hasta estas fechas se sabe
que es una falla mecánica, ya que no solo en los metales se puede presentar si no
que también en otros materiales como son: madera, concreto y vidrio.
Cuando el vapor de agua en la entrada del impulsor de un sistema de bombeo
se forman burbujas las cuales son arrastradas al interior de los alabes (impulsor)
sufriendo asl un cambio de baja o alta presión considerándose súbitamente,
originando al mismo tiempo una implosión. El proceso en si es una repetición
constante causando un choque fuerte de presión en las partes metálicas de tal forma
que pueden llegar a provocar fatigas de ruptura en los materiales y picaduras de las
mismos. lo cual provoca menores rendimientos. ruido y vibraciones perjudiciales.
Para lo cual se recomiendan algunos aspectos importantes en la practica
para evitar el fenómeno de la cavitación que pueden ser los siguientes para bombas
de pozo profundo:
1. Cargas mayores que corresponden a la máxima eficiencia
2. Capacidad mucho menor que la correspondiente a la máxima eficiencia
3. Elevación de la succión mayor
4. Carga neta de succión positiva (CNSP), menor que la recomendada por el
fabricante
38
5. Temperaturas de liquido mayores que las consideradas en el diseno del
sistema
6. Velocidades superiores que las recomendadas por el fabricante.
Es importante distinguir el desgaste por cavitación, el que se ocasiona por la
producción de la corrosión y la erosión. El desgaste por corrosión lo causa
únicamente la acción qufmica y electrolftica de los liquidas bombeados. Y el
desgaste por erosión es causado por las partículas abrasivas, tales como: arena.
coque o carbón.
Es fácil diferenciar estos tipos de desgaste; basta con observar la apariencia
de las partes averiadas y su localización a lo largo del trayecto del fluido.
2.4 TURBULENCIA
El flujo es turbulento cuando las fuerzas viscosas son débiles comparadas con
las fuerzas de inercia. Por tal motivo las partículas de agua se mueven en recorridos
irregulares, los cuales no son ni calmados y se desplazan hacia delante en corrientes
uniformes. Entre el estado laminar y turbulento hay un mixto. o estado de transición.
El flujo puede cambiar de laminar a turbulento a medida que el numero de
Reynd·s aumenta, a este fenómeno se le denomina estado de completa turbulencia.
Por lo consiguiente es estado natural del movimiento tiene fluctuaciones
irregulares de la velocidad (flujo de agua en tuberías. ríos o el movimiento de aire
cerca de la superficie de la tierra). La turbulencia puede generarse por el paso del
fluido sobre superficie de frontera.
39
Existen dos tipos de turbulencia: Una generada por efectos viscosos debido a
la presencia de paredes (llamada turbulencia de pared). Y una segunda que es
generada por ausencia de paredes· y es producida por el movimiento de capaz de
fluidos a diferentes velocidades, llamado turbulencia libre.
El flujo turbulento en condiciones naturales o artiflciales y alrededor de
cuerpos sólidos (tuberías) es un ejemplo de turbulencia de pared. Las regiones de
mezclas de chorros turbulentos corresponden a la categoría de turbulencia libre.
Se ha establecido que flujo turbulento que es la formación de vértices en la
capa limite. como resultado de disturbios ocasionados por oscilaciones bruscas en
las paredes.
Es importante saber que al igual en la tuberia, en el interior de una bomba
vertical de poza profundo se genera turbulencia cuando existe máxima carga nula,
cuando el agua se revuelve entre el impulsor y la carcasa con el flujo nulo. La
turbulencia disminuye a medida que el gasto aumenta, pera las pérdidas por fricción
hidráulicas se hacen mayores.
También puede ocasionarse turbulencia debida al resultado de la cavitación la
cual provoca una reducción en la eficiencia de transmisión de la energía útil al fluido
y como consecuencia limita a elevación de presión.
40
2.5. RENDIMIENTO DEL SISTEMA DE BOMBAS (EFICIENCIA)
El rendimiento (eficiencia), son características de diseño que pueden dar el
resultado óptimo en funcionamiento máximo ya que los compromisos necesarios
para el fabricante, permiten una construcción óptima con respecto a la eficiencia de
la bomba.
La eficiencia óptima que se puede generar de una bomba depende de su
velocidad especifica y de su gasto (flujo). La velocidad especifica son circunstancias
de diseño y la importancia del gasto se a experimentado que es por influencia del
numero de Reynold's. Mencionado en el punto anterior de turbulencia.
En bombas de alta velocidad especifica. la carga a gasto cero, en algunas
ocasiones la carga en eficiencia optima. Ya que la potencia requerida aumenta con
el gasto en bombas de baja velocidad especifica. pero disminuye con el gasto para
bombas de alta velocidad especifica. También se puede añadir que la eficiencia de
una bomba de pozo profundo es la relación entre Ja potencia hidráulica producida y
la potencia entregada por el impulsor. Refiriéndonos como potencia hidráulica a la
potencia suministrada por la bomba la cual se divide en tres partes primordiales que
son:
-Eficiencia hidráulica
-Eficiencia mecánica
-Eficiencia volumétrica
La Eficiencia Hidréulica se define como la relación entre la potencia realmente
entregada por la bomba y la potencia que suministra al impulsor y en consecuencia
puede expresarse de la siguiente forma:
TJh = H I Hu
41
Donde:
llh = Eficiencia hidráulica
H = Altura total
Hu = Altura útil
La Eficiencia Mecánica se define como la relación de la . potencia entregada
por el impulsor y la potencia de la flecha generada por el elemento motriz y se
expresa de la siguiente forma:
Donde:
11m = Eficiencia mecánica
P, Potencia interna
P., = Potencia de accionamiento (potencia al freno)
La Eficiencia Volumétrica se define como la relación entre la cantidad de
gasto de agua descargado por segundo por la bomba y la cantidad de gasto que
pasa por segundo a través del impulsor la diferencia entre estas cantidades es el
gasto total de agua que se fuga desde el impulsor. a través de los espacios libres,
entre este y la carcasa, la cual regresa por el ojo del impulsor se calcula con la
siguiente expresión matemática:
llv Q
a,
42
Donde:
llv = Eficiencia volumétrica
Q = Gasto'real m 3/s,eg.
a, = Gasto teórico m 3 /seg.
Para calct..ilar Ot; se-tiene la ·siguiente relación:
·a1 ·":; A..,s/60 en m 3 /seg. en el sistema internacional
Donde:
A= Area transversal en m 2
s= Carrera m.
11 = rpm
A su vez el rendimiento total de una bomba es el producto de los tres
rendimientos anteriormente mencionados que son: hidráulica, mecánica y
volumétrica, por lo tanto la relación que representa la eficiencia total es la siguiente:
11T = Tlh llm llv
Para calcular el rendimiento los fabricantes se apoyan de curvas de
caracterlsticas para su diseño, en algunas ocasiones dichas curvas representan
valores máximos absolutos, en casos especiales y condiciones muy favorables los
rendimientos pueden ser algo mayores, especialmente en la región de tas bajas
velocidades especificas. Al igual no debe esperarse que todas las bombas ofrezcan
valores de rendimientos tan elevados como los indicados, pues estos rendimientos
sólo pueden obtenerse con bombas de gran capacidad.
43
Los rendimientos de una bomba de pozo profundo varfan desde
aproximadamente un 50% hasta mas o menos el 90º/o. , L~s - .bombas de gran
capacidad dan los rendimientos más altos, debido al p~rce~tS:jS".~~lativamente bajo
de potencia pérdida por fricción mecánica y debido también a ias riienores pérdidas
hidráulicas en los pasos de esas bombas demasiado grandes."··
Por último podemos decir que no es aconsejabÍei)~'~e;G~a';'bomba vertical de
pozo profundo trabaje con la válvula de llriea cerrad~;~ya 7 C¡;J;;.~ la demanda de
potencia podrá ser ~uy·;exc~siva, _pues con<eSt~ ·,.~k(;-~'.~·~~a'~_6'1~·,_·_.de-trabajo podrfa
llegar al punto donde la cavitabióri se presentarla y e~t~: p;;,rj~ciibaria su rendimiento y
mal funcionamiento· . .
44
CAPÍTULO 3 INTEGRACIÓN DE LA BOMBA TURBINA VERTICAL DE POZO
PROFUNDO SUMERGIBLE
3.1 MOTOR SUMERGIBLE
Este tipo de motores tiene una estructura especial, ya que deben soportar la
inundación completa dentro del pozo y tener un bien funcionamiento. Las dificultades
de tal construcción, son principalmente en el motor, cuyos sistemas eléctricos se
deben proteger de la acción del agua.
Para poder proteger el sistema es necesario cerrar completamente el motor.
llenándolo de aire en su interior a una presión mayor que la que exista fuera del
mismo. A consecuencia de los cambios de nivel del agua en el pozo, ya que por lo
regular la presión exterior puede variar en algunas atmósferas; así como las
diferentes temperaturas del aire confinado. durante el funcionamiento y en los paros
se producirá una determinada respiración del motor.
Al salir aire del interior del motor. mientras que penetra agua por el
prensaestopas, la cual se acumula del pozo. Para que el agua del pozo no
perjudique al motor. se ha de expulsar de vez en cuando con aire comprimido
introducido desde afuera.
Las dificultades que se han presentado en la reposición del aire han sido
especialmente cuando ha habido fallas en la corriente eléctrica (cortes de corriente
por cualquier indole). Han transformado el motor sumergible seco, al semiseco y
finalmente al motor mojado; en el cual el líquido queda en una proximidad inmediata
del arrollamiento del estator el cual conduce energia eléctrica.
45
El rotor del motor trifásico que se emplea funciona como inducido en corto
circuito sumergido en el liquido; esto implica mayores pérdidas por rozamiento y
significa una pequena disminución del rendimiento en el equipo, debido a que desde
el punto de vista eléctrico no afecta al funcionamiento del motor.
Existen dos tipos de motores sumergidos que son:
1. Motores sumergidos con agua limpia
2. Motores sumergidos con aceite
Estos motores se deben aislar con mucho cuidado del agua del pozo, los
motores sumergidos y llenos de aceite se han desarrollado principalmente en
América Latina. La fabricación entre el rotor y el estator. se dispone un tubo de
paredes muy delgadas, de 0.2-0.5 mm de espesor. de una aleación al nlquel-cromo
de elevada resistencia eléctrica que se une con la carcaza de tal manera que el
enrollamiento del estator queda completamente encerado.
Gracias a la creación de una nueva materia artificial. termoplástica, hoy de
empleo general. El Lopelen, que presenta una elevada resistencia a la perforación
eléctrica. repele simultáneamente el agua y no muestra fenómeno alguno de
hinchamiento o envejecimiento. se ha conseguido llevar a cabo un enrollamiento en
el estator prácticamente seguro y duradero; en Jo que respecta al rotor recibe un
revestimiento metálico.
El motor antes de ser ensamblado se llena de agua limpia, por consiguiente
una campana de laberinto lo protege de la penetración de la arena y otras
impurezas.
Las potencias a las que suelen trabajar los motores sumergibles son de hasta
65KW-150KW, funcionando con una velocidad de 2900-3500r.p.m. con el propósito
de mantener pequeñas las dimensiones radiales y aumentar su rapidez.
46
3.2 ACOPLAMIENTO-BOMBA-MOTOR
El acoplamiento de estos sistemas de bombeo, el motor eléctrico (parte
inferior) como la bomba (parte superior), estén acoplados por medio de un adaptador
mecánico, el cual puede ser de fabricación fundida (hierro gris) o de placa de acero,
al cual se le da la forma para que pueda ser ensamblado entre el tazón de succión y
el motor. Este adaptador puede fabricarse para ensamble con tornillos o por medio
de roscas. Pero es más factible y recomendable que en la parte donde esta el tazón
de succión sea roscado y donde esta el motor atornillado, ya que debido al ensamble
de bombas de pozo profundo por lo regular los tazones de succión son roscados, y
son los cuerpos de tazones que se adaptan para poder fabricar bombas
sumergibles. En el caso de que el tazón de succión tenga tornillos se fabricará un
plato adaptador con la misma forma del tazón y por consiguiente dependiendo como
tenga la forma la parte superior del motor. se adaptan maquinando las piezas para
un buen ensamble en el cuerpo de tazones con el motor.
Este tipo de bombas también como en el cuerpo de tazones debe llevar un
acoplamiento entre la flecha del cuerpo de tazones como la flecha del motor, y se
realiza por medio de un copie adaptador fabricado de acero inoxidable el cual no
debe llevar cuerda corrida sino en dos secciones (cuerda para la bomba y cuerda
para el motor). diseñándole un cuñero en la parte donde se ensambla el motor para
que a la fuerza del giro del mismo no se desensamble: y un prisionero en la parte de
la flecha de la bomba como seguro.
En las bombas sumergibles el copie entre la flecha de la bomba y la flecha del
motor: debe ir en medio del adaptador mecánico ya que ésta pieza tiene cuatro
paredes para que en caso de falla ya sea en el motor o la bomba. sea fácil de
meter una llave y desensamblar las flechas en ambos sistemas.
47
Existe otro tipo de bombas sumergibles, acopladas a la inversa, motor
eléctrico (parte superior} y bomba (parte inferior}, donde la succión esta en el fondo y
el impulsor en la parte superior del filtro de succión ya que están ensambladas por la
misma flecha motor y bomba, a este tipo de sistemas de bombeo se les llama
portátiles por que tienen un diámetro demasiado pequeño y se pueden instalar
dentro de una tuberia con gran facilidad.
3.3 COLADOR
El colador es una pieza importante en todo sistema de bombeo, ya que para
las bombas sumergibles lo llevan el adaptador mecánico y su fabricación es muy
simple: su funcionamiento es para impedir que entre al interior del sistema material
extraño en los intersticios o partes movibles del motor y la bomba, su fabricación es
de acero galvanizado o malla perforada. rolada a la medida del perímetro del
adaptador mecánico. puede ir remachado o soldado con puntos pequeños para
poder desembalar en caso de fallas en la bomba y el motor.
En el caso de las bombas sumergibles portétiles lleva un colador (tipo
canasta) filtro de succión de igual forma perforado en las paredes teniendo Ja
longitud del perlmetro de la parte inferior del sistema. el cual realiza la misma
función, no dejar pasar objetos extraños que afecten el funcionamiento de la bomba
motor ya que están fabricados del mismo material (acero galvanizado).
48
3.4 BOMBA SUMERGIBLE
Las bombas sumergibles están diseñadas para profundidades mayores del
nivel de agua. la bomba para pozo profundo de árbol vertical y motor situado al nivel
del suelo no resulte económico. por que los numerosos cojinetes del árbol aumentan
Jos costos de instalación, por tal motivo se incrementa el consumo de fuerza motriz y
dificulta su funcionamiento.
Este tipo de bombas la columna de succión es el cuerpo de tazones y la
tubería de descarga (es la columna). la cual se adapta al tazón de descarga ya sea
atornillando o roscando según sea su construcción.
Las partes constitutivas de una bomba sumergible dependen de su
construcción y tipo. Por esta razón existe una innumerable cantidad de piezas que
conforman estos sistemas de bombeo. Las cuales menciono a continuación:
1. Copie de flecha de bomba
2. Tazón de descarga
3. Flecha de bomba
4. Tazón intermedio superior
5. Chumaceras de neopreno o de bronce según construcción
6. Tazón intermedio
, . Impulsor
8. Tornillos (opcional), dependen la construcción
9. Tazón de succión
1 O.Plato adaptador de succión
11.Adaptador mecánico
12.Plato adaptador para motor
13.Cople adaptador (flecha de bomba-flecha de motor)
49
Los tazones de descarga. interniedio superior, intermedios y de succión tienen la
función de carcaza tipo difusor. los.cuales consisten en una seri9-de·aspas fijas que
además de hacer el cambio de energla de velocidad a presión,· desplaza él liquido de
un impulsor a otro cada tazón ti0n·e una función especifica, como su nombre lo dice;
su fabricación es de hierro fundido:
Tazón de descarga: mandar o desplazar el fluido a la columna de descarga.
Tazón intermedio superior: alojamiento de un impulsor.
Tazón intermedio: alojamiento de varios impulsores.
Tazón de succión: succionar el fluido a la columna de succión que en este caso es
el cuerpo de tazones el cual hace la función de una válvula (pichancha).
El copie de la flecha de la bomba: hace la función de un tope el cual en este tipo
de bombas sumergibles. la continuación es el tubo de descarga la fabricación de
este copie es de acero inoxidable.
Flecha de bomba: es la flecha que a través del motor sumergible genera el
movimiento de los impulsores. pueden ser fabricados con cuñeros o sin ellos para el
ensamble de los impulsores la fabricación de estas flechas es de acero inoxidable
para evitar corrosión y el deterioro de la flecha.
Chumaceras de neopreno: el cuerpo de tazones tienen chumaceras guía en las
uniones de cada uno de los tazones en diferentes puntos equidistantes. para reducir
la longitud entre apoyos y las consecuentes vibraciones que se generen en el cuerpo
de tazones ya que este tipo de bombas no tiene flecha de transmisión.
50
Impulsores: De estas bombas pueden ser semiabiertos o cerrados, eligiendo por
mayor eficiencia los impulsores cerrados, ya que pueden trabajar con claros mayores
entre ellos y la carcaza, dado que en realidad él liquido va canalizando entre las
aspas integrales y las aspas que cubren ambos lados del impulsor. Por esta razón
no se presentan fugas ni recirculación; además el desgaste normal de los impulsores
no afecta a los alabes y los claros gastados se pueden restaurar. son fabricados de
bronce en una sola pieza.
Plato adaptador de succión: Es una pieza fabricada y adaptada de acuerdo al
tazón de succión.
Adaptador mecánico: Es una pieza que se adapta de acuerdo al plato adaptador de
succión y la parte inferior se adapta al plato adaptador del motor.
Plato adaptador del motor: Es una pieza que va adaptada al adaptador mecánico y
a la parte superior del motor.
Los adaptadores son fabricados de acero inoxidable.
Tornillos: Son para sujetar el tazón de succión con el plato adaptador y este con el
adaptador mecánico y por consiguiente el adaptador mecánico. con el plato
adaptador del motor y este con el propio motor. son fabricados de alta resistencia.
Este tipo de bombas sumergibles son diseñadas de acuerdo al gasto y la
potencia del motor. debido a esto son los pasos (etapas) o impulsores que debe
llevar el cuerpo de tazones o sistema de bombeo.
51
3.5 VÁLVULA DE RETENCIÓN
Una válvula bien proyectada desde el punto de vista constructivo ha de
cumplir las siguientes condiciones:
3. La masa del cuerpo de válvula cargado por resortes ha de ser lo menor posible
y conservar suficiente resistencia mecánica; as(, será tanto más pequeña
cuanto mayor sea el número de carreras que realice por minuto.
4. Su guia debe tener longitud suficiente para evitar que la válvula guiada por
resorte que oscile libremente y que carece en absoluto de rozamiento.
5. La válvula a de presentar, además, una resistencia reducida al paso del agua,
se ha de cerrar casi sin producir ruido, y a de poder garantizare cierre estanco
de la cámara de la bomba.
5. No deberán producir deformaciones en el asiento de la válvula que puedan
influir en el cierre estanco de la misma.
7. La condición de que las dimensiones de la válvula sean reducidas,
manteniendo una resistencia mecánica suficiente. conduce al empleo de
materiales de alta calidad. que sean a la vez de suficiente resistencia a la
acción del liquido circulante.
Para la fabricación de válvulas. los materiales que se han acreditado son. el
bronce fosforoso, el bronce ordinario y el acero moldeado al cromo. los cuales son
recomendados. para cualquier tipo de función. Para válvulas pequeñas poco
cargadas se emplean también materiales ligeros.
Las superficies de juntas se han de fabricar lo más reducidas posibles, por lo
que se refiere a la resistencia a la abertura. Por tal motivo hay que procurar no
rebasar el valor de Ja presión superficial admisible en el asiento. Esta presión esta
dada para distintos materiales tomando en cuenta los siguientes valores:
52
P = 200 Kg/cm2 (para el bronce fosforoso)
P = 150 Kg/cm2 (para bronces ordinarios)
P = 30 Kg/cm2 (para goma y cuero para juntas o empaques)
La válvula de retención en la impulsión: Impide el retroceso del fluido cuando
la bomba se para. Es imprescindible si la tuberia de impulsión es muy larga o se
encuentra a gran presión.
Su construcción es en forma de tobera del intersticio del asiento de Ja válvula,
junto con el canal que lo sigue y que parece un difusor, se recupera gran parte de la
altura de elevación que se ha necesitado para crear la velocidad del liquido en el
intersticio (interior). A fin de reducir la masa en movimiento y evitar el golpeteo. las
paredes del difusor no están empalmadas con el platillo de la válvula. de modo que
no toman parte en los movimientos. El platillo de la válvula es muy ligero, el cual esta
guiado por un resorte de hoja. libre de rozamientos. y el cierre de la válvula se
obtiene mediante resortes espirales cilíndricos débiles.
El funcionamiento principal de las válvulas de retención, es para impedir que
el flujo en la tuberia pueda ser en los dos sentidos, siempre debera instalarse en la
tuberia de descarga de la bomba. para evitar que las ondas del golpe de ariete, al
cerrar una válvula. puedan llegar a la bomba misma.
Otra válvula de retención deberá instalarse en la succión de la bomba
(pichancha), para evitar perdidas de agua al parar la bomba y mantener el cebado de
la misma.
53
3.6 TUBERÍA DE DESCARGA
En las bombas sumergibles. la linea de descarga, parte desde el tazón de
descarga y debe ser tan corta y directa como sea posible para minimizar costos
excesivos en la bomba. Los codos deben ser estándar o de radio grande si es
posible. El tamaño de la tuberla debe escogerse de acuerdo a la velocidad o las
pérdidas por fricción permisibles.
La especificación del tamaño de la tubería de descarga para este tipo de
sistemas está relacionada en gran medida a la economía. Para tramos de tuberia
largos, el costo de la tubería se incrementa significativamente conforme el tamaño
de la tuberla es mayor. Por tal motivo. los tamaños de tubería más pequeños para
una determinada velocidad de flujo provocan velocidades más altas y por lo tanto
pérdidas de energla mas grandes. Debido a que las pérdidas de energía son
proporcionales a la velocidad de descarga y al cuadrado de su velocidad.
A medida que se incrementan las pérdidas de energia. la carga dinámica total
de la bomba se incrementa, la cual requiere mas potencia de alimentación a la
bomba. Las velocidades recomendadas en las lineas de descarga pueden ser
solamente aproximadas debido a que se considerara la economia total de una
determinada instalación (ver tabla), proporciona algunos tamaños de tuberías
razonables para velocidades de flujo y velocidades.
Las velocidades estan en rangos desde 1.35 m/s (4.45 ft/s), para las tuberías
mas pequeñas y velocidades de flujo mas bajas hasta 3.42 m/s (11.22 fVS), para
tuberías más largas y velocidades de flujo más grandes.
54
Otro de los accesorios importantes que se debe instalar en las bombas
sumergibles en la tuberla de descarga es una válvula de retención (válvula check),
que como se explico en el punto anterior. es una válvula que no permite que el flujo
de reversa a través de la bomba cuando está no se encuentra trabajando. también
se debe instalar en la Hnea de descarga un manómetro para medir la presión en el
interior del sistema de bombeo.
Tabla: Tamaño de la tuberla de descarga ver sus velocidades de flujo y velocidad.
Tamaño de la Velocidad de Velocidad Velocidad de Velocidad
tubería flujo (l/min.) (m/s) flujo (gal/min) Ws
cedula-40 (in)
45 1.35 12 4.45 1/4 95 1.63 25 5.36
1 1/2 130 1.68 35 5.51 1 1/2 190 2.40 50 7.88
2 285 2.18 75 7.16 2 1/2 475 2.55 125 8.37
3 660 2.31 175 7.59 4 950 1.92 250 6.30 5 1890 2.44 500 8.01 6 3800 3.38 1000 11.10 8 3800 1.95 1000 6.41 8 4730 2.44 1250 8.02 8 6625 3.42 1750 11.22 10 6625 2.17 1750 7.11 10 9450 3.10 2500 10.16 12 9450 2.18 2500 7.16 12 13250 3.06 3500 10.03
55
3.7. PLACA SOPORTE
En las bombas sumergibles Ja placa soporte es la que se encarga de sostener
todo el conjunto, bomba-motor, todo ello se soporta por medio de 1..1na base metálica
(acero), Ja cual descansa sobre una cimentación de concreto, esta base se fija por
medio de pernos roscados de anclaje, que se colocan antes de colar la base de
concreto.
Para fabricar la cimentación es necesario realizar dibujos certificados de las
dimensiones del diámetro de ademe, en el tazón de descarga se diseña un plato
adaptador o en su defecto una brida de descarga que va ensamblada a la placa
metélica y al tazón de descarga por medio de tornillos de alta resistencia, y entre
estas dos piezas se le pone un empaque para evitar posibles fugas en sistema en
funcionamiento.
La brida de descarga que se debe colocar es de acuerdo a la presión y al
tamaño o diámetro de descarga.
En la parte superior de la base metálica. se realiza la misma fabricación
ensamblando otra brida de descarga para el acoplamiento de la tubería con los
mismos diámetros del tazón de descarga y su empaque correspondiente que va
entre la base y la brida.
56
3.8. CABLE SUMERGIBLE
Para este tipo de máquinas el cable es la parte principal para su
funcionamiento. ya que una gran proporción de las ser"iales eléctricas, se transmiten
a través de conductores sólidos. La mayoria de los conductores portadores de
señales están en forma de alambre o cable. Un alambre es un conductor l.rnico. un
cable es conjunto de alambres aislados que se mantienen unidos por medio de una
camisa de plástico o ligaduras, el cual debe soportar la sumergencia en el fluido. El
cable utilizado para bombas de pozo profundo sumergibles es trifásico a prueba de
agua.
El mejor conductor eléctrico es él más adecuado como portador de la
corriente eléctrica. Mientras mejor sea el conductor. se tendrán menores pérdidas
por resistencia durante la conducción de la corriente eléctrica. Por lo tanto los cables
son fabricados de cobre o de aluminio.
La corriente que transmiten a través de los conductores es trifásica, que
también suelen llamarse corrientes (polifásicas) o en su defecto corrientes alternas
monofásicas de igual periodo, que tiene entre si una diferencia de fases de 2n/n.
Las corrientes trifásicas cada fase difiere de las otras en 2r./3.
Un sistema trifásico está formado por tres círculos independientes, los cuales
cuentan con tres devanados independientes monofásicos de un generador que
mantiene en cada uno de sus extremos de dichos circuitos una f.e.m. del mismo
período. del mismo valor eficaz y desfasados uno con respecto al otro 1/3 de
periodo, o sea 120º eléctrico.
57
Por lo tanto la suma de los valores instantáneos de las corrientes es igual a
cero. Debido_ a que las corrientes están desfasadas 120•. Se puede decir que si
unimos IOS: puntos cómunes de los tres circuitos, la corriente a través de los 3
conductores ·será nula y puede suprimirse, que debido a esta forma, un circuito
conectado en estrella por tal motivo es la forma de conexión de una bomba
sumergible.
56
CAPITULO 4
INTEGRACIÓN DE LA BOMBA TURBINA VERTICAL DE POZO
PROFUNDO CON MOTOR VERTICAL
4.1 MOTOR VERTICAL
El motor utilizado en bombas verticales de pozo profundo son del tipo jaula de
ardilla que es el mas simple de todos los motores de inducción y el mas usado
debido a su robustez y gastos menores de conservación.
El rotor se puede describir de la siguiente forma: el devanado del rotor
consiste de barras de cobre, aleaciones del mismo o de aluminio fundido en moldes,.
colocados sobre las generatrices de un cilindro en cuyas bases se encuentran anillo
conductores que sirven de soporte a las barras para ponerlas en corto circuito.
El motor de inducción jaula de ardilla funciona sustancialmente a velocidad
constante. Como el rotor nunca puede alcanzar la velocidad de rotación sincronía,
funciona con un porcentaje de resbalamiento; al operar en vacío, el porcentaje (s) es
muy pequeño pero conforme se le empieza a oponer resistencia, el motor necesita
más corriente para suministrar el par motor necesario y el campo magnético rotatorio
debe cortar los conductores con mayor rapidez para incrementar la corriente. Con
esto aumenta el resbalamiento del rotor y por consiguiente disminuye la velocidad
angular del mismo. El resbalamiento es igual a la relación que existe entre la pérdida
por efecto Joule (1 2 R). en los conductores del rotor a la potencia desarrollada por el
mismo; pero la resistencia de la jaula de ardilla es pequeña y por lo tanto el
resbalamiento del rotor a carga normal es también pequeña.
59
En motores grandes del orden de 50HP en adelante el resbalamiento {s) es
del orden de 1-2%, a plena carga, mientras que en motores pequeños (s) es del
orden de 8-10%.
Una de las ventajas del motor jaula de ardilla normal es que en el momento
del arranque toma una cantidad de corriente muy grande con factor de potencia muy
bajo y a pesar de esto desarrolla un par motor muy reducido. Esto se debe a que el
rotor jaula de ardilla. los conductores están conectados en corto circuito y actúan
como el secundario de un transformador y toman una cantidad muy grande de
corriente al aplicarle el voltaje total.
El arranque para este tipo de motores, se realiza en conexíón delta o estrella.
para motores de 5 HP en adelante. este es un método muy simple de arranque que
consiste en conectar los devanados del motor directamente a la línea en el
momento de arranque, en el circuito estrella. por medio de un interruptor trifásico de
doble posición. De esta forma. cuando el motor ya se a encarrerado. se cambia el
interruptor a la otra posición. en tal forma que los devanados quedan finalmente
conectados en circuito delta. Por tal motivo en el arranque el motor queda conectado
a Ja línea, en estrella.
El voltaje aplicado a cada devanado es solamente 1/"'\;3 =0.58, o sea el 58º/o
del voltaje normal. Esto implica que la corriente tomada por la linea sea de 1 /3 de la
intensidad de la conexión directa.
Una vez encarrerado el motor; se cambia bruscamente el interruptor a la otra
posición quedando finalmente conectado en delta, para funcionar normalmente.
60
Los motores se clasifican, con el objeto de ponerlos seleccionar para diversas
aplicaciones: la asociación nacional de fabricantes eléctricos (National Electrical
Manufacturer·s Association, NEMA), clasifica los motores estándar de acuerdo con
la relación que existe entre la corriente que toma el motor en el arranque y la
corriente que toma a plena carga, denominándoseles con letras A,B,C,D,E,F.
También se utiliza la relación KVA (kilovoltamperio), de entrada al rotor por caballo
de fuerza de salida, que equivale a lo anterior para motores bifásicos, si la eficiencia
es de 0.85 y el factor de potencia es de 0.88.
Por medio de las letras mencionadas con anterioridad se pueden determinar
las corrientes normales a través de los interruptores, fusibles y otros aparatos de
protección conectados al circuito.
Los kilovoltamperios, por caballo de fuerza se pueden determinar por
siguiente formula:
KVA a la entrada por HP = 746 / 'l X PF X 1000
Donde:
HP = Caballos de fuerza
11= Eficiencia a voltaje y carga normal
PF = Factor de potencia
Clase A o tipo normal ( para usos generales)
La corriente en el arranque es de 5-7 veces la corriente a plena carga; arriba
de 7.5 HP deberá reducirse el voltaje de arranque por medio de compensadores. El
par motor de arranque es alrededor del 150º/o.
61
Aplicaciones: para maquinas herramientas, bombas centrifugas verticales u
horizontales, motor generados acoplados y ventiladores.
Clase B o de alta reactancia (para uso general)
La corriente de arranque es muy baja, de 4.5·5 veces la corriente a plena
carga. El voltaje aplicado es directo: el par motor de arranque es alrededor del 150°/o.
Aplicaciones: iguales a la anterior. pero hasta 5HP.
Clase C (de doble jaula de ardilla)
La corriente de arranque es baja de 4.5 - 5 veces la corriente a plena carga.
El voltaje aplicado es directo: el par motor de arranque es muy alto, alrededor
del 225'%>.
Aplicaciones: bombas reciprocantes. molinos, mezcladoras, compresores de
aire. compresores de aparatos de refrigeración muy grandes.
Clase D (de alta resistencia).
La corriente de arranque es muy baja, el voltaje de arranque es directo y el
par motor de arranque es alrededor del 275% (muy alto)
Aplicaciones: Prensas perforadoras, cortadoras. estiradoras de metal, gruas
pequeñas, centrifugadoras para ingenios.
Clases E y F
Son de bajo par motor de arranque y el resbalamiento es muy bajo a plena
carga: necesitan forzosamente arrancadores de alta reactancia.
TESIS r:n"t-.T FA~.1A J!.E u.~iGEN
62
PARTES PRINCIPALES DE UN MOTOR .JAULA DE ARDILLA
LAMl~ACJONES
(ACERO AL SILICIO)
LA~11NACIONES DE .·\CERO AL SILICIO
ESTATOR
ROTOR
DEVANADOS DE COBRE
FLECHA (DE ACERO)
VENTILADOR (DE ALUMINIO)
TESiS CO:t-.T FALLA DE uníGEN
63
MOTOR TRIFÁSICO
ARRANCADOR MANUAL PARA BOMBA DE POZO PROFUNDO
DlAORAMA DE UN MOTOR CON AUTO TRANSFORMADOR A VOLT AJE REDUCIDO. CONEXIÓN CERRADA
TESIS CON FALLA DE ORIGEN
64
~:~~~TJi8/i ::~·~·¡ggec'f~c'tfiTLb~EA DE
l'a•(Va/Vn'fl
PAR CE ARRANQUE EN CORTO CIRCUITO;
T• •(ValV"ft;rT•
DIAGRAMA ESQUEMÁTICO SIMPLIFICADO DE UN ARRANCADOR CON AUTOTRANSFORMADOR
TESIS COtJ FALLA DE ORIGEN
65
ARRANCADOR MANUAL CON AUTO TRANSFORMADOR
L1 L2
DIAGRAMA COMPLETO DE UN ARRANCADOR A VOLTAJE REDUCIDO CON TRANSFORMADOR CONECTADO EN ESTRELLA A UN MOTOR JAULA DE ARDILLA
TESIS CON FALLA DE Oi:UGEN
L3
AUTO
66
4.1.1 CON FLECHA HUECA
Este tipo de motores verticales. están diseñados para diferentes capacidades,
ya que el acoplamiento consta de un barreno hueco en el interior del motor en el cual
pasa una flecha superior, en la parte superior del motor se le adapta un plato de
acoplamiento. el cual se sujeta a la flecha superior y a una cuña con dimensiones de
acuerdo a Ja flecha y por último una tuerca de ajuste que asienta en la parte superior
del plato de acoplamiento. esta tuerca nos permite ajustar los impulsores y su
principal función es de soportar el empuje hidráulico de la bomba, ya que el peso
estático de la bomba, es distinto al peso dinámico de la misma. Estos motores son
utilizados con cargas de trabajos normales y en el cabezal de descarga con caja de
empaque de bronce y sellos o empaques de neopreno. grafito o cartón especial.
Ver tabla de motor con flecha hueca
TESIS COJ\T FALLA DE O'.iüCíEN
67
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68
4.1.2 CON FLECHA SÓLIDA
El acoplamiento de este tipo de motores. la flecha sólida no se encuentra en
la parte superior como en el motor vertical con flecha hueca sino está en la parte
inferior del motor, ya que en el interior se encuentra un copie espaciador (flexible) el
cual realiza la función de una tuerca de ajuste. soportar el empuje hidráulico de la
bomba. Por tal motivo la flecha sólida se acopla por medio de una cuña a un copie
adaptador el cual queda a la mitad del cabezal de descarga (en la ventana del
cabezal para posibles mantenimientos). este copie se adapta para la flecha del
motor y para la flecha superior con sus respectivas cuñas que soportan todo el
sistema de bombeo los motores verticales con flecha sólida son construidos para
soportar cargas elevadas de trabajo, se utilizan para el manejo de liquides riesgosos,
aceites viscoso, gasolina, thiner, etc, y por lo regular se utilizan para cabezales de
descarga con sello mecánico.
Ver tabla con motor vertical con flecha sólida
TESIB CON FALLA DE OHiGEN
69
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SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES
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70
4.2. ACOPLAMIENTO - BOMBA - MOTOR
En el estudio de este trabajo, estoy considerando un acoplamiento o
ensamble de una bomba-motor, con condiciones normales de operación debido a
que la bomba trabaja con agua potable, destinada para la agricultura (riego).
A continuación menciono las partes de las cuales consta el acoplamiento de la
bomba-motor; tomando en cuenta que a su vez tiene un acoplamiento estándar:
1. Motor eléctrico vertical con flecha hueca para operar a prueba de goteo, con
trinquete de no retroceso.
2. Tuerca de ajuste
3. Cuña para flecha superior, la cual se ajusta en la tuerca
4. Flecha superior con cuñero
5. Mango para flecha superior, debe instalarse exactamente en la chumacera para
la caja de empaque
6. Cabezal de descarga, con acoplamiento a la capacidad del motor y lubricación
por agua.
7. Tornillos para el acoplamiento motor-cabezal de descarga
8. Caja de empaque (estopero)
9. Tornillos para acoplamiento en el cabezal de descarga-estopero
10. Glandula de empaque
11. Tornillos para la glandula de empaque
12. Empaque para la caja de empaque
13. Empaque grafitado
14. Chumacera para la caja de empaque
15. Empaque para brida de columna
71
16. Brida de columna (rosca interior)
17. Tornillos de alta resistencia para unir cabezal - brida de columna
18. Brida de descarga (rosca interior)
19. Empaque para brida de descarga
20. Tornillos de alta resistencia para unir cabezal-brida de descarga
21. Tubo superior con cuerda para acoplarse en Ja brida de columna (longitud
estándar de 5 "( 1.524 m ) ).
22. Copie para tubo superior e intermedio
23. Araña estabilizadora
24. Chumacera para araña estabilizadora (neopreno)
25. Tubo intermedio con cuerda para acoplarse con copie roscado (longitud del
tubo estándar 10· ( 3.048 m)).
26. Copie para tubo intermedio e inferior
27. Araña estabilizadora
28. Chumacera para araña estabilizadora de (neopreno)
29. Tubo inferior con cuerda para acoplamiento en tazón de descarga
30. Flecha intermedia de 1o·de longitud
31. Copie para ensamble de flecha superior e intermedia
32. Flecha inferior de s·de longitud
33. Copie para el acoplamiento entre la flecha de bomba y la flecha inferior. este
copie puede ser reductor
34. Proyección de la flecha de la bomba es de 17-1/2 .. ( 0.444 m ), que es Ja
distancia que se toma del asiento del tazón de descarga a la salida de la flecha
35. Tazón de descarga con rosca interior, para acoplamiento en el tubo inferior
36. Chumacera de bronce para el tazón de descarga
37. Chumacera para el tazón de descarga (neopreno)
38. Anillo para el tazón de descarga
39. Impulsor cerrado acoplado entre en tazón de descarga y el tazón intermedio
72
40. Tuerca del impulsor cerrado
41. Buje o cono del impulsor
42. Tazón intermedio
43. Chumacera para tazón intermedio (neopreno)
44. Anillo para tazón intermedio
45. Impulsor cerrado acoplado entre el tazón intermedio y el tazón de succión
46. Tuerca del impulsor cerrado
47. Buje o cono del impulsor
48. Tornillos y tuercas para el acoplamiento entre tazones (parte inferior del tazón
de descarga con parte superior del tazón intermedio, parte inferior del tazón
intermedio con parte superior del tazón de succión)
49. Tazón de succión (tornillos roscados en la parte inferior)
50. Chumacera para tazón de succión (neopreno)
51. Tubo roscado de 5· ( 1.524 m) estándar acoplado al tazón de succión
52. Colador tipo canasta soldado al tubo de 5·( 1.524 m) estándar de longitud
Para tener un buen acoplamiento de una bomba de pozo profundo como se
menciono con anterioridad es de suma importancia la construcción de su base. Si el
cabezal de descarga de la bomba se acopla o instala sobre dos vigas, úsese vigas
sanas y de un tamano bastante considerable, tomando en cuenta el peso total de la
bomba completa (bomba-motor) incluyendo su columna llena de agua. Las vigas
bien nivelada deben descansar sobre un terreno duro y firme. siendo conveniente
reforzarlas y asegurarlas en su posición por refuerzos transversales. Por
consiguiente es factible también realizar cimentaciones o bases de concreto. cuyo
ancho debe ser mayor a la parte inferior de la base del cabezal de descarga en unos
20cm por lo menos. Para bombas-motor pesados debe de tomarse la base de
concreto de dimensiones proporcionalmente mayores. En el centro de la base de
TESIS CON 'FALLA DE ORIGEN
73
concreto debe dejarse un hueco suficientemente grande para la brida de conexión
de la columna, más cierto margen para armar la bomba en el pozo.
Es de suma importancia que todas las flechas se ajusten y alineen con
especial cuidado ya que una flecha chueca instalada en el sistema de bombeo
causarla fricciones, vibraciones y por ende perdidas graves de funcionamiento. Es
necesario verificar e inspeccionar las flechas con respecto a su rectitud,
perpendicularidad, rigidez y alineamiento perfecto antes de su acoplamiento. Para
aumentar el paso de cada bomba se deben aumentar un tazón intermedio y un
impulsor con sus respectivas piezas señaladas con anterioridad.
Ver dibujos sistemas de bombeo. lubricación agua y lubricación aceite.
TESIS COf\T FALLA DE ;..,.;;üí.IEN
74
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75
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Bon1b;;1. de po~o profundo luhric:u:!a. cnr: accitr", mnstr:ir.d" t.•d:u un partes construct.iv;u.
TESIS CO:f'IT FALLA DE vi.tlGEN
76
4.3 COLADOR
En las bombas de pozo profundo el colador es una pieza de suma
importancia, ya que nos ayuda a que no· entren a la bomba, objetos que puedan
dañar las partes interiores di sistema de bombeo como pueden ser (pedacearia de
fierro. piedras, etc) y provoquen vibraciones que afectan el funcionamiento de la
maquina; estos coladores son fabricados de malla galvanizada (acero), con
perforaciones pequeñas que dejen circular el fluido bombeado con facilidad.
Existen 4 tipos de coladores que comúnmente se utilizan en las bombas de
pozo profundo que son:
53. Colador tipo canasta
54. Colador tipo canasta con 5 ft ( 1.524 m ) de tubo roscado
55. Colador cónico
56. Colador cónico con 5 ft ( 1.524 m) de tubo roscado
a) Colador tipo canasta: Es una estructura de acero galvanizado, soldado
con un pedazo de tubo aproximadamente un poco mayor a la cuerda del tazón de
succión, el cual tiene orificios por donde puede penetrar el fluido succionado con
facilidad; no dejando pasar objetos grandes que perjudiquen a la bomba.
b) Colador tipo canasta con 5 ft ( 1.524 m) de tubo roscado: Se utiliza la
misma construcción del colador tipo canasta, pero se Je solda un tubo estándar de 5
ft ( 1.524 m) roscado, esto sirve para aumentar la distancia de la totalidad de la
bomba cuando el nivel de agua a bombear, se encuentra a una profundidad no
considerada.
TESIS CO~T FALLA DE vrJGEN 77
-c) Colador cónico: La estructura de este tipo de coladores, es de solera 1/4"
( 0.006 m ) y redondo 3/8" ( 0.009 m) de diámetro, formando una malla, en la parte
inferior lleva una tapa de acero de 1/4" (0.006 m ) de espesor, el redóndc) se solda a
la solera en forma de espiral y en la parte superior, se solda un pedazo de tubo
mayor a la longitud de la cuerda del tazón de succión. en el cual se acopla.
d) Colador cónico con 5 ft ( 1.524 m) de tubo roscado: Se utiliza la misma
construcción del anterior colador cónico, soldándole un tubo estándar de 5 ft
( 1.524 m ), esto sirve para aumentar la distancia de la totalidad de la bomba,
cuando el nivel de agua a bombear, se encuentra a una profundidad, no
considerada.
Ver dibujo de coladores
78
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79
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4.4 BOMBA VERTICAL
Existen dos tipos de bomba turbina vertical para pozo profundo que son:
Bombas verticales lubricadas por agua y bombas verticales lubricadas por aceite.
Bombas lubricadas por agua: Las chumaceras de hule se lubrican por agua,
instalándose un tanque de prelubricación el que forma parte del suministro normal de
accesorios de la bomba incluyendo la tuberfa de conexión estándar. El tanque se
instala de tal modo que su base esté por lo menos a la misma altura de la entrada
del cabezal de descarga.
Para el funcionamiento de la bomba el tanque se llena de agua limpia. Antes
de cada arranque de la bomba se abre la llave del tanque y se deja correr por lo
menos la mitad del contenido para mojar las chumaceras de hule de los tazones así
como la flecha de la bomba. Se deja abierta la llave del tanque de prelubricación
hasta que la bomba trabaje. Con la misma agua que la bomba saca, se llena el
tanque hasta entonces se cierra la llave. Si se trata de una bomba de irrigación que
descarga a la superficie, podrá suceder que la presión con que el agua sale de la
bomba. no fuera suficiente para llenar el tanque. En tal caso se crea una altura de
presión artificial tapando parcialmente la salida de la bomba hasta que el tanque esté
lleno otra vez.
Bombas lubricadas por aceite: Las chumaceras de hule de los tazones y la
flecha de bomba reciben su lubricante por un tanque prelubricado por aceite.
instalado a la altura del cabezal de descarga. A diferencia de la lubricación por agua
(la flecha de la columna es libre), y las bombas lubricadas por aceite, en la columna
la flecha tiene una camisa (funda de bronce), por la cual circula el fluido aceitoso
hasta lubricar la flecha de la bomba y también las chumaceras de los tazones. es
80
--evidente que se debe usar aceite liviano. pues contrario a motores de combustión
interna y maquinas de vapor, el estado normal de servicio de una bomba de pozo
profundo es frfo. Por consiguiente para la mayoria de los casos, un aceite de una
viscosidad SAE-20 es el indicado. También puede usarse aceite lubricante que se
recomienda para maquinas de refrigeración. También puede usarse aceite lubricante
que se recomienda para maquinas de refrigeración, o compresores de amoniaco. Si
se trata de una bomba que trabaja a una velocidad en exceso de 1800 rpm, ajústese
la aceitera para proporcionar unas 18-20 gotas por minuto por cada 50 ft de
columna. Después de un servicio de 5 hrs, la cantidad de aceite puede reducirse de
7-8 gotas por minuto. Si se trata de una bomba cuya velocidad no pasa de 1800 rpm,
el lubricador se ajusta para 14-16 gotas por minuto por cada 50 ft ( 15.24 m ) de
columna.
Los cuerpos de tazones son los mismos para ambas lubricaciones agua y
aceite, ya que la construcción es igual, como se menciono con anterioridad solo en la
columna cambia por medio de una camisa (funda de bronce), instalada desde la
chumacera superior del tazón de descarga (de bronce). hasta la caja de empaque
que la recibe.
Cuerpo de tazones de una bomba vertical.
a) Los tazones de descarga, intermedios y de succión. son fundidos en hierro
colado de alta calidad, para uso rudo. con un mínimo de 30.000 PSI de resistencia a
la tensión, con pasos de agua de superficie lisa para una operación eficiente.
Opcionalmente se dispone de revestimiento para las supeñicies, con el objeto de
hacer más eficiente la bomba.
b) Los impulsores están maquinados a precisión para alinearse perfectamente
con los tazones. Los impulsores fundidos en bronce con bajo contenido de plomo.
81
-son balanceados dinámicamente para evitar vibración. Estos se ajustan a la flecha
de bomba por medio de un buje cónico de cierre; en los cuerpos· de tazones de
mayor tamar'io. se utiliza una cuña y un anillo de presión para sujetar el impulsor a la
flecha. La tuerca de ajuste en la-flecha superior permite, modificar el claro entre los
impulsores y los tazones (llamando ajuste de impulsores).
e) Existen cuerpos de tazones que pueden llevar chumaceras de bronce o de
hule (neopreno), las cuales estén lubricadas con el liquido bombeado, cuando es
lubricación por agua o aceite como se menciono con anterioridad. Para asegurar una
larga vida, cuando los cuerpos de tazones llevan chumaceras de bronce en el tazón
de succión se utiliza grasa lubricante y equipada con un collar dispersor de arena
para evitar que le penetren polvos y abrasivos, las chumaceras aseguran un
alineamiento exacto de la flecha.
d) Hay cuerpos de tazones que son construidos con tazón de succión para
acoplamiento de colador y con campana de succión el cual no necesita colador, son
fabricados de hierro fundido. esté tazón consta de venas integradas, proporcionan
un flujo uniforme, hacia el impulsor de la primera etapa. Esto reduce la formación de
vórtices y contribuye a una operación mas eficiente.
e) Se dispone de anillos de desgaste para el impulsor y tazón con opción para
renovar el claro del impulsor. cuando no es posible darle mas ajuste externo. Estos
anillos renovables permiten. restaurar una unidad que esta gastada o ineficiente;
regresando a su condición original alargando de esta manera, su vida útil.
f) Para las bombas verticales. ya sea lubricación por agua-aceite, se debe
instalar una chumacera de bronce en el tazón de descarga en la parte superior,
también se Je conoce como funda de alineamiento para la flecha de bomba.
82
-
Proceso de desarmar y armar bombas verticales de pozo profundo
Si es necesario desarmar los tazones para checar desgaste de impulsores,
chumaceras o cualquier anormalidad que se presente, entonces el primer paso
consiste en medir la distancia .. P" (ver dibujos de tazones lubricación agua
aceite). o sea el largo del extremo inferior de la flecha de la bomba desde la orilla
inferior de la chumacera hasta la punta de la flecha, ya que esa distancia debe
conservarse al volver a armar posteriormente la bomba.
Para ajustar está medición de manera exacta. debe empujarse fuertemente
toda la flecha de la bomba en dirección del tazón de succión.
Tómese en cuenta que según el tamaño de los tazones, estos están
enroscados uno a otro o ensamblados por tornillos con tuercas. En esté ultimo caso
Jos tazones unidos o ensamblados por tornillos no es necesario dar ningunas
instrucciones especiales y mencionamos solamente que al armar los tazones hay
que proceder con cuidado referente al apriete uniforme de todas las tuercas.
Si se trata de desarmar tazones enroscados. téngase en cuenta que están
previstos de un perno prisionero entre cada dos tazones que debe sacarse antes de
proceder a desarmar o desenroscar. La única manera de sacar esos pernos es
taladrando con una broca de 5/32 .. ( 0.003 m ). (para el armado nuevamente de Jos
tazones deben colocarse nuevos prisioneros). Los tazones se separan uno del otro
aplicando llaves de cadena.
Quiero mencionar anticipadamente que al armar el cuerpo de tazones las
roscas de ellos deben limpiarse cuidadosamente con un cepillo metálico y pintarse
83
con blanco de zinc. de la misma manera como se tratan los cop~es y tubos de la
columna enroscada.
Para aflojar los impulsores y con el objeto de no lastimar la rosca del manguito
cónico, en el caso de que este lleve cuerda, se pasa sobre la flecha de la bomba un
buje o un pedazo de tubo cuyo diámetro interior sea un poco más grande que el
diámetro de la flecha de bomba. Con este pedazo de tubo y trabajando con un
martillo al rededor del extremo superior del tubo, se suelta el citado manguito cónico
y se libera del impulsor.
Después de sacar el impulsor se mete un desarmado o una cuña de acero en
la ranura vertical del manguito para .. abrir" y poder pasarlo sobre la flecha. Existen
cuerpos de tazones que no tienen en el manguito cónico ranura ni tuerca de impulsor
y se sacan y meten a presión (dependiendo la construcción).
Está operación se repite de acuerdo con et numero de pasos que tenga la
bomba quitando sucesivamente los tazones y demás partes.
Antes de armar el juego de tazones se limpia cuidadosamente. después de
sacar las chumaceras de hule (que en la mayorla de los casos necesitarán
reemplazarse por chumaceras nuevas), las cajas de los tazones se deben limpiar
quitando todos los residuos de cemento pegado y otras impurezas que tengan.
Para la limpieza de estas partes no debe usarse petróleo. ni gasolina común y
corriente de baja graduación porque esos liquides dejan cierta capa gruesa sobre las
superficies y evitan el pegamento perfecto de las chumaceras de hule dentro de la
caja de los tazones.
84
Para colocar las chumaceras en la caja de los tazones se aplica con una
brocha dura una ligera capa de cemento Pomona, para chumacera sobre la
superficie cilfndrica de la caja del tazón y la chumacera exterior de la chumacera de
hule. Después de aplicar el cemento sobre las partes citadas. debe colocarse la
chumacera en la caja del tazón. aplicando presión para que la chumacera se
introduzca hasta el fondo de la caja. Se elimina cualquier sobrante de cemento que
se hubiese derramado en la parte superior de la caja, por la que posteriormente
pasara la flecha de bomba y se limpia también el extremo inferior de la caja.
Téngase en cuenta que al permitir que el cemento se seque y endurezca, la
chumacera de hule por la resistencia del cemento ya endurecido se va a deformar y
perder su forma perfectamente cillndrica pudiendo perder el pequeño juego que
deberá quedar entre su superficie interior y la flecha. Todo el trabajo de cementar las
chumaceras debe realizarse con la mayor rapidez posible. El cemento Pomona es
una preparación especial no lo sustituya.
Antes de armar definitivamente se prueba cada tazón, con las chumaceras ya
ensambladas, sobre la flecha para cerciorarse de que el tazón se mueve libremente
sobre ella. En caso contrario se toma un pedazo cilindrico de madera de un diámetro
un poco menor del de la flecha de bomba. se pone una hoja de lija o esmerilar al
rededor de la chumacera de hule, hasta dejar pasar la flecha de bomba libremente o
que el tazón gire en la flecha.
Para armar el cuerpo de tazones, se comienza con el tazón de succión. Se
aplica un poco de polvo de grafito o talco en cada chumacera de hule antes de pasar
el tazón sobre Ja flecha. En el extremo inferior de Ja flecha se coloca una tuerca y en
caso necesario, una o varias rondanas para conseguir el largo correcto "P" de la
proyección del extremo inferior de Ja flecha sobre la orilla inferior de la chumacera.
85
El proceso del armado del cuerpo ·de tazones especialmente al colocar el
primer impulsor, hay que checar la c'?~ocación' correcta de la flecha, es decir, darse
cuenta de que la tuerca o sus rondanás, se peguen firmemente contra el extremo
inferior del tazón de succión. El ma'ngUito o buje cónico tiene una ranura vertical y se
vera que solo puede pasar forzadamente (o no pasarlo del todo), sobre la flecha.
Tomando un desarmador grande o una cuña de acero de dimensiones apropiadas
que se pueda meter en la ranura lateral para "abrir" el manguito lo suficiente para
permitir su paso sobre la flecha. No debe exagerarse esa manipulación de abrir el
manguito más de lo indispensablemente necesario. Se coloca ese manguito sobre la
flecha hasta 1/2" ( 0.012 m) aproximadamente encima de la orilla superior del tazón.
Al quitar el desarmador o la cuña, deben revisarse cuidadosamente los cantos de la
ranura del manguito y cualquier rebaba que hubiera originado el uso de la
herramienta debe quitarse con una lima fina o lija.
Entonces se pasa el impulsor sobre la flecha y se coloca sobre el manguito.
Finalmente se coloca la tuerca de ajuste del impulsor, teniendo cuidado de que el
lado con marcas de identificación (letra y números). se coloque por el lado del
impulsor, atornillando la tuerca a la rosca del manguito.
Tómese en cuenta que el manguito no se mueve ya que sobre la flecha, si no
que al contrario el impulsor será el que con el apriete de la tuerca se mueva sobre el
manguito hacia el asiento del tazón.
Para contrarrestar el movimiento del impulsor y conseguir su colocación
definitiva correcta: que es la de apenas tocar el tazón, se atornilla primeramente la
tuerca de ajuste del impulsor a mano o solamente con muy poco esfuerzo de la llave.
En esa posición provisional del impulsor, los alabes del impulsor deben quedar a una
distancia del asiento del tazón de un 3/32" ( 0.002 m ) en bombas con flechas de
86
hasta 1-3/16" ( 0.030 m) Inclusive. En bombas con flechas más gruesas, esté
margen entre las venas del impulsor y el asiento del tazón debe ser de 1/8"
( 0.003 m). Se entiende que probablemente hay que tantear un poco moviendo el
manguito sobre la flecha hasta conseguir con el impulsor provisionalmente apretado
la distancia arriba indicada según el caso.
Consiguiendo este objeto se procede a atornillar el impulsor definitivamente
sobre el manguito usando la llave especial arriba mencionada. Golpeando entonces
ligeramente el impulsor con un martillo o cualquier instrumento de acero.
escuchando el golpeteo se notara que el sonido del impulsor se encuentra en
posición correcta: si el sonido es claro al estilo de una campana esta bien. en cambio
si el sonido es sordo, esto indica que el impulsor ya esta tocando en toda su
superficie del asiento y hay que hacer el reajuste necesario levantando muy poco el
impulsor.
Lo que acabamos de explicar debe entenderse con cierta reserva por lo que
se refiere a la colocación del primer impulsor, pues por lo que hace a este, es
conveniente permitir que se asiente sobre la superficie inferior del tazón, dado que
con la colocación del primer impulsor por un lado y la colocación de la tuerca puesta
a extremo inferior de la flecha en la parte inferior del tazón de succión, se afianza la
colocación libre de la flecha que no tiene posibilidad de moverse en ningún sentido
axial. Sin embargo. para todos los demás impulsores. hay que observar la
explicación del párrafo anterior.
Logrando la colocación de un impulsor. se fija la posición de la tuerca de
ajuste del impulsor con un golpe de punta. Después de haber colocado el primer
impulsor se sigue con la instalación de los demás tazones e impulsores de igual
manera.
87
Una vez armando todo el cuerpo de tazones, se quita la tuerca colocada al
extremo inferior de la flecha. y· se trata .de mover. esta en su posición axial. Con el
cuerpo de tazones.-c'olocado en 'posición h0rizontal, ese movimiento axial debe de
ser 1/4" ( 0.006 m ) - 3/8" ( 0.009 m ) para bombas con tazones de hasta 8"
( 0.203 m) inclusive, y de 1/2"( 0.012 m ) - 5/8" ( 0:015 m ) en tazones de mayor
diámetro.
La flecha debe girar libremente moviéndola a mano. Si se trata de un cuerpo
de tazones enroscado, no se olvide de poner un perno prisionero en cada ran'ura que
separa un tazón del otro (cada dos tazones se recomienda). taladrando nuevos
agujeros de 5/16" ( 0.007 m).
En bombas viejas que han sido desarmadas y armadas repetidas veces,
puede suceder que el barreno del impulsor aumento y se asiente con cierto juego
sobre el manguito cónico. En este caso hay que subsanar el mal con un empaque de
lamina de 0.003" ( 0.00007 m ) de espesor que se corte en forma conveniente y se
coloque al rededor del manguito para permitir un asiento firme entre las dos piezas al
apretar la tuerca de ajuste del impulsor.
Ver cuerpos de tazones(dibujos) lubricación agua-aceite.
Los estandares de fabricación de este tipo de sistemas de bombeo hasta hoy
en día se continúan fabricando en el sistema ingles de unidades ( FPS).
88
IDENTIFICACIÓN DE PARTES DE LA BOMBA (JUEGO DE TAZONES)
LUBIUCACIÓN POR AGUA
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IDENTIFICACIÓN DE PARTES DE LA BOMBA (JUEGO DE TAZONES)
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TESIS roN FALLA D.!!; u1-üGEN
90
Ajuste de impulsores.
Un trabajo preparatorio de fundamental Importancia para obtener un trabajo
eficiente y evitar deterioros en el material de la bomba es el ajuste de los impulsores.
La distancia a la que hay que levantar los impulsores depende de las caracteristicas
individuales de construcción de cada bomba y de las condiciones de servicio, por tal
motivo se impone la necesidad de hacer el calculo correspondiente, de acuerdo a
gráficas.
Para determinar el ajuste de los impulsores de una cierta bomba se debe
saber:
a) La altura manométrica total, es decir, distancia vertical entre el nivel más
bajo del agua en el pozo y el punto final de descarga, incluyendo todas las fricciones
y tuberia de descarga en pies (ft).
b) El largo total de la flecha de la columna en pies (ft).
c) El tipo o modelo de la bomba.
d) El diámetro de la flecha de la columna en pulgadas
e) El diámetro de la flecha superior que en su extremo (superior). lleva la
tuerca de ajuste (esta flecha superior puede tener pero no necesariamente. un
diámetro distinto del de la flecha de la columna).
Los datos anteriores se obtienen consultando las especificaciones de la
bomba.
91
A base del siguiente ejemplo, explicaremos el uso de la grafica, para
determinar el ajuste de los impulsores de una bomba determinada.
Supóngase que la altura manométrica es de.394 ft ( 120 m) que el largo de la
flecha de la columna sea de 270 ft ( 82.296 m ), que el tipo de la bomba sea de
impulsores 12M, que el diametro de la flecha de la columna sea de 1-11/16"
( 0.042 m) y que el diametro de la flecha superior sea de 1-11/16" (0.042 m)
En la gráfica adjunta están marcados los anteriores datos, que al subir
verticalmente, nos marca el numero 15, siendo dicho numero. uno de los marcados
en la gráfica con .. ajuste de impulsores: Tantas caras de la tuerca hexagonal".
Este numero 15 es el que estamos buscando: Indica que hay que dar vuelta al tuerca
de ajuste por la cantidad de 15 ··caras". Como la tuerca hexagonal tiene 6 caras, por
lo tanto 2-1/2" ( 0.063 m) vueltas de la tuerca corresponderé a 15 caras.
Con este movimiento se levantan la flecha y los impulsores a la posición
necesaria para conseguir el trabajo más eficaz de la bomba bajo condiciones
normales.
Ver gráfica de ajuste de impulsores.
Los estándares de fabricación de este tipo de sistemas de bombeo hasta hoy
en día se continúan fabricando en el sistema ingles de unidades ( FPS).
TESIS CON "FALLA DE G;..iGEN
92
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TESIS CON
FALLA
LJE OfüG
EN
93
-
4.5 CABEZAL DE DESCARGA
La función de un cabezal de descarga en una bomba centrifuga vertical de
pozo profundo es convertir la energía de velocidad que se trasmite por la bomba
atrevas de la columna en una energía de presión. Esto se lleva acabo al chocar en la
parte interior del cabezal de descarga, sale el fluido absorbido por la bomba a la
descarga o tubo de descarga (el fluido que entra a la bomba es el mismo que se
desaloja por la tubería de descarga).
La construcción de los cabezales de descarga son de hierro fundido. Sin
embargo, tiene limitaciones debido a su baja resistencia a la tensión, por lo cual no
se puede usar para altas presiones, ni altas temperaturas en donde deberán usarse
materiales como el acero, el cual con menores espesores podrá soportar presiones
mayores. (esto se utiliza con cabezales de descarga en acero (paileria-soldadura),
son construcciones especiales).
El hierro fundido es, además, dificil de soldar. cosa que no sucede con el
acero.
Otro material usado para el complemento de los cabezales de descarga
(partes interiores), es el bronce, el cual se utiliza en donde no se quiere tener
contaminación en el agua o se tengan substancias ligeramente ácidas estas partes
interiores san. la caja de empaque (estopero), y la glándula de empaque
(prensaestopas).
También puede utilizarse el acero inoxidable en partes interiores, como son
los sellos mecánicos que se utilizan para presiones elevadas o si el liquido es
altamente corrosivo o erosivo.
TESlS rnN 'FALLA uE ·v~1.1GEN 94
-La fundición de hierro es más fácil que la de bronce y mucho más fácil que las
de aceros y aceros inoxidables.
Para el maquinado de Jos cabezales de descarga, caja de empaque
(estopero) y glándula de empaque (prensaestopas) y sellos mecánicos, se necesitan
talleres de tornos, mandriladoras, taladros, fresadoras, cepillos, etc .. y se deben
sujetar a una inspección rigurosa para un buen ajuste en el ensamble con las demás
partes constitutivas del cabezal de descarga.
Existen construcciones de cabezales de descarga estándar que es nuestro
enfoque de estudio en lubricación agua y aceite.
Lubricación agua: Lo más importante en este tipo de cabezales, que el
empaque dela glándula de empaque. al estar trabajando la bomba no debe desalojar
mucha agua por esta pieza. solo muy poca ya que es la que lubrica a la caja de
empaque, la glándula se va apretando paulatinamente con la mano ya que no
necesita mucha presión y la sujeción se realiza con birlos de ojo. los empaques que
se utilizan son grafitados que también son lubricados por la misma agua que sale de
la glándula de empaque.
Lubricación aceite: Con la flecha superior lubricada con aceite, la caja de
empaque (estopero), y glándula de empaque (prensaestopas). no necesitan atención
alguna. pues el lubricante procedente del lubricador manual. pasa forzosamente por
las ranuras de la caja de empaque y glándula de empaque. al pasar a la chumacera
de la caja de empaque, así lubricando también la flecha superior.
Ver dibujos de detalle de los cabezales de descarga lubricación agua-aceite.
TF.SIS r.nw FALLA ])~ V!\.LGEN 95
-DE DESCARGA ABEZAL UA RTES DEL C CIÓN POR AG PA LUBRICA
CaL•&al d• De•carga.
rn >••• d•I Cob~::,~:., •. :: : - ,..,. d• ConH"• do n •••=,..
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-PARTES DEL CABEZAL DE DESCARGA
LUBRICACIÓN POR ACEITE
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Tubo Funda S"p.rlor.
Tornillo• d• Cat..ta Caai:roao:il.
C•paqu• d•I Pla10 AdQpladcir.
Cab•sol d• P••C'arga,
e .. h .. • a 1.
3~3 ':".i•rca 'i•n•orci d• T\Obo Funda,
A ce 1 To r Cf M DI: .. Q 1.
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J.l•n•'-'la o• lo Ac•••••a 387,
TESIS CON FALLA D~ L.úuGEN
97
-DIMENSIONES GENERALES DE LOS CABEZALES DE DESCARGA
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TESIS CON FALLA DE ORIGEN 98
-TABLA. AlJXILIAR PA'l!A RELACIONAR LAS BASES DE LOS MOTORES ••ID-!" y 11u511 CON LOS CJ..BEZALES DE DES-CA.ROA TIPO "l·-." PAR..!\. DESCARGA SOBRE L.!\. SUPERFICIE
3450/2900 R p M 1750/1450 R p M 1160/970 l! p M
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TESIS COl'J FALLA Di!: U.ttlGEN
99
-Otro de los implementos de ensamble en los cabezales de descarga
son: Las bridas de la columna, las bridas de descarga que por lo regular en
construcciones estándar tienen el mismo diámetro, utilizando tablas para sus
dimensiones o propiedades físicas y la base del cabezal de descarga (opcional) ya
que como anteriormente se menciono se realiza una cimentación de concreto.
pudiéndose eliminar dicha base. estas piezas son fabricadas en hierro fundido.
Para el acoplamiento de los motores con el cabezal de descarga se utilizan
tablas, ya normalizadas para sus dimensiones (flsicas).
En las bombas de pozo profundo el elemento que carga con todas las partes
fijas del sistema de bombeo, o sea, motor. cuerpo de tazones. columna (tubas). es el
cabezal de descarga. pieza sumamente robusta que, además de ser por donde
descarga la bamba. tiene conexión por arriba para el motor y por abajo para toda la
tubería de Ja columna incluyendo cuerpo de tazones.
4.5.1 CON CAJA DE EMPAQUE
Estopero. prensaestopa. y empaques: La función de estos es evitar el flujo
hacia afuera, del liquido bombeado atrevas del orificio por donde pasa la flecha
superior (transmisión).
El estopero es una cavidad concéntrica con la flecha donde van colocados los
empaques, de estos existen de diversos tipos que serán citados posteriormente.
En todas las cajas de empaque se tendrá que ejercer cierta presión para
contrarrestar o equilibrar la que existe en el cabezal de descarga.
100
-Los empaques deben comportarse plásticamente para ajustar debidamente y
ser lo suficientemente consistentes para resistir· la presión a que serán sometidos
durante el funcionamiento de la bomba.
Debido a la misma presión, se origina en la flecha superior una presión
bastante considerable con el aumento de temperatura, por lo cual deberá procurarse
un medio de lubricación y enfriamiento, los cuales ya fueron mencionados con
anterioridad en el cabezal de descarga.
Ello se logró mediante la introducción de una pieza de bronce llamada
glándula de empaque (prensaestopa), la cual en la parte inferior tiene una forma
cónica que al apretar los birlos de ajo con la mano, se aprisiona asl el empaque
grafitado.
Los materiales usados como empaques en las bombas centrifugas de pozo
profundo pueden ser diversos, pero los más usados son:
a) Empaque de asbesto: Este es comparativamente suave y aconsejable para
agua fria y agua a temperaturas no muy elevadas. Es el mas utilizado en forma de
anillos cuadrados de asbesto grafitado.
b) Empaque de fibra de asbesto-plástico: Para presiones y temperaturas mas
altas pueden usarse anillos de empaque de una mezcla de fibra de asbesto y plomo
o bien plástico, con el mismo plomo, cobre o aluminio. Estos empaques se usan para
otros líquidos diferentes del agua. en procesos industriales químicos o de refinación.
c) Empaque fibra sintética: Para sustancias quimicas se utiliza el teflón, que
dan excelentes resultados.
101
-Todos los empaque anteriores van introducidos como anillos en la caja de
empaque (estopero), quedando en medio de la glándula de empaque
(prensaestopa), como se muestra en las figuras de detalle de los cabezales de
descarga lubricación agua-aceite.
El empaque que se recomienda para bombas verticales de pozo profundo es
el empaque de asbesto (grafitado).
4.5.2 CON SELLO MECÁNICO
El sello mecánico es el sustituto de la caja de empaque. ya que se utilizan
cuando las presiones y cargas son muy elevadas o cuando se manejan liquidas
riesgosos (gasolina), también se utilizan cuando el motor utilizado es de flecha
sólida.
Hay ocasiones en que no se desea que se produzca ninguna fuga. o bien el
liquido ataca a los empaques haciendo que su cambio sea frecuente. En estos
anteriores casos se usa un sello mecánico en el cabezal de descarga, que consiste
en dos supeñicies perfectamente bien rectificadas o pulidas que se encuentran en
contacto una con otra. Una de ellas es estática (estacionaria), y se encuentra unida
al cabezal de descarga, mientras que la otra gira con la flecha.
Los materiales de ambas superficies en forma de anillos son diferentes
(generalmente una es de acero al carbón o teflón y la otra de acero inoxidable).
El apriete de una superficie contra otra se regula por medio de un resorte. En
los demás puntos por donde podría existir una fuga, se ponen anillos y juntas de
material adecuado, con la cual se logra que el flujo que se escapa sea reducido o
nada.
TESTS CON FALLA DE vlUGEN
102
-Existe una gran cantidad de diseños de diferentes fabricantes y dos tipos
básicos, el sello interior que va unido al cabezal de descarga, dentro de la caja de
empaque y el sello externo. Existe también el sello mecánico balanceado y
desbalanceado, entendiéndose asf, que la presión que ejerce el liquido sobre ambas
caras debe ser Ja misma.
Ver dibujo del sello mecánico
RE50RTE DE: COJlfPRE:SJON l'ARA Pl.F.CllA DI-: El(PAOUE
GLA.Nl>U[.A
TESIS (;0f¡T FALLA DE vruGEN
103
-4.6 TUBERÍA DE DESCARGA
La tuberla de descarga ya esta estandarizada de acuerdo a tablas y a
especificaciones apropiadas de la norma ASTM que es una normalización en Ja
industria de la tuberia que tiene como principal propósito el conocimiento de los
materiales de ingenieria. de los procedimientos de ensayo. Esto se relaciona con las
propiedades quimicas y físicas de los tubos. de acuerdo como son entregados para
la integración completa de todo el sistema de bombeo, hasta donde se desea llegar
el fluido ( tanques de almacenamiento de agua potable o a la agricultura, riego).
También de acuerdo a tablas que ya están normalizadas y estandarizadas se
verifican los accesorios para la tubería de descarga como son codos. copies. tés,
bridas y válvulas de acuerdo a los pies (ft) de tubería de descarga que se tengan.
para los distintos diámetros de tubería.
Los tubos que comúnmente se utilizan en la tuberia de descarga son de acero
al carbón sin costura. más frecuentemente empleados, son los fabricados de
acuerdo con las especificaciones de la ASTM - A106 y A53. La composición química
de estos dos materiales es idéntica: ambos se someten a ensayos fisicos, pero los
A106 son más rigurosos. El reglamento para tubería de presión ( Cede far pressure
piping). permite el empleo del A53 con presiones de 6001b/in2 (22137N/m2¡,
manométricas y menores. pero incluye su uso con presiones más elevadas: el A 106
pide utilizarse con presiones no superiores a 25001b/in2 (92237N/rn2). manométricas.
Los tubos A53 y A 106 se fabrican en los grados A y B: el grado B tiene resistencia
mecánica mas alta. pero es más dúctil y, por ello, solo se admite el grado A para su
doblado en fria o para hacer serpientes de hélice cerrada. Por tal motivo Jos tubos
utilizados en los sistemas de bombeo ya sea en la columna o en la tubería de
descarga son los ASTM - A53 - grado B. Cuando el acero al carbón haya de usarse
TESIS CílN FALLA DE OIUGEN
104
en construcciones soldadas (que no es el caso de este sistema de bombeo
planteado en este trabajo), a temperaturas superiores a 775°F (413°C), hay que
considerar que se forme grafito en el tubo.
Anexo tablas de propiedades físicas de tuberías que se utilizan en las
columnas de bombas de pozo profundo.
Los estándares de fabricación de este tipo de sistemas de bombeo hasta hoy
en día se continúan fabricando en el sistema ingles de unidades ( FPS).
TESIS GQJ\T FALLA DE OfilGEN
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FALLA DE villG
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4.7 EFICIENCIA DE LA BOMBA
La eficiencia 11 en una bomba vertical de pozo profundo, es la razón entre el
trabajo útil desarrollado y la potencia de entrada, esta eficiencia se determina de
acuerdo a curvas para cada modelo de bomba en especifico. Para una capacidad
dada en las curvas de caracterlstica. la expresión matemática que determina el
funcionamiento de un sistema de bombeo es:
TI = y Q H I 3960 P
Donde:
TI = Eficiencia de la bomba (campo), expresada como un decimal.
y = Gravedad especifica del fluido bombeado (agua potable)
Q = Capacidad o gasto esta en gal I min.
H = Altura total del sistema de bombeo en pies (ft)
P = Potencia al freno en BHP
En unidades métricas:
TI= y OH/ 270 P
Donde:
ll = Eficiencia de la bomba (campo).expresada como un decimal.
·1 = Gravedad especifica del fluido bombeado (agua potable)
O = Capacidad o gasto esta en m 3 / hr
H = Altura total del sistema de bombeo en metros (m)
P = Potencia al freno BHP
110
También se suele utilizar para eficiencia Y.ce~ esto se determina el punto de
la mejor eficiencia en una bomba centrifuga.yertic::al de pozo profundo, ampliamente
usado y conócido·como velocidad especifica. que matemáticamente se expresa de la
siguiente forma:-
Ns = N ..J O I H 31•
Donde:
Ns = Velocidad especifica.
N =Velocidad en.revoluciones por minuto.
O = Capaclda·d o gasto.
H =Altura.
La velocidad especifica es de interés para el diseñador y el usuario de la
bomba en forma esencial de 2 maneras:
a) Todas las bombas geométricamente similares, sin importar su tamaño,
tendrán velocidades especificas idénticas (pero no todas las bombas de la misma
velocidad especifica. serán por necesidad geométricamente similares).
b) Dentro de los limites razonables, la geometría y rendimiento de las bombas
pueden predecirse como una función de Ns y Q. Para N en rpm, Q en gal I min, y H
en pies (ft), el intervalo practico de Ns es aproximadamente de 500-1500. En
unidades métricas, O esta en m 3 /s., y H en metros (m). en tal forma que este
intervalo llega a ser aproximadamente de 10-300.
La forma como la eficiencia de la bomba de pozo profundo y el diseño de Jos
impulsores varian en este intervalo. Además la forma general de las curvas de
caracteristica de las bombas varia ampliamente desde un extremo de este intervalo
al otro.
111
UNIDAD 5
LIMITACIONES EN LA SELECCIÓN DE EQUIPOS DE BOMBEO
TURBINA VERTICAL DE POZO PROFUNDO
5.1 VIBRACIONES
En todo sistema de bombeo d pozo profundo. se presentan vibraciones en el
interior de los impulsores, ya que estas pueden ocacionarse debido a perturbaciones
extremas o de vacío en el interior de la bomba (sonidos extraños).
Existen dos tipos de vibraciones que pueden ocacionarse en bombas
verticales de pozo profundo que son:
a) Vibraciones por cavitación
Como se comento con anterioridad, la cavitación es un fenómeno que se
produce en todo sistema de bombeo. cuando en los impulsores, existen dos
presiones: presión alta (salida del liquido) y baja presión (entrada del liquido), debido
a que en el ojo del impulsor. debe haber una carga positiva suficiente que se genera
debido a Ja presión atmosférica para que posteriormente no existan ruidos o
vibraciones que a la larga ocasionan deterioro en las partes internas de la bomba.
b) Vibraciones por no estar balanceados estática y dinámicamente
(impulsores y flechas)
Este tipo de fallas se presentan cuando los impulsores no están balanceados
estática y dinámicamente (exceso o falta de peso), o debido a todo el sistema de
flechas desde la transmisión hasta Ja flecha de bomba, en este caso que no estén
112
totalmente verticales. ya que al movimiento ocasionan choques (ruidos excesivos).
en las paredes de las tazones que también provoca·n. el_ deterioro de las piezas.
Como los impulsores y las flechas están unidos y:s~n las partes giratorias en
todo sistema de bombeo, son dos piezas impor:tantes.~-er:- '_tallas de desalineamiento
en una bomba vertical de pozo profundo.
Algo importante, que se debe tomar en cuenta. en estos equipos de bombeo
es que en caso de que se presenten las anteriores fallas de vibraciones al arrancar
la bomba o al estar trabajando durante un determinado tiempo, no debe seguirse
usando la bomba en tales condiciones.
5.2 BALANCEO (DE IMPULSORES)
Uno de los aspectos importantes para que no se produzcan vibraciones en los
sistemas de bombeo de turbinas verticales de pozo profundo, es el balanceo
(equilibrio) de los impulsores. para Jos cuales existen dos métodos que se pueden
aplicar que son los siguientes:
a) Balanceo esté.ltico
Este método es muy simple. en una flecha de diámetro similar al ojo del
impulsor. se deja que el impulsor gire libremente para posteriormente poner dos
empotramientos paralelos de uno y del otro lado, bien nivelados, para poner la flecha
y el impulsor en medio de los dos empotramientos, para saber que el impulsor esta
balanceado no debe haber ningún movimiento en el impulsor, pero si no fuera así,
donde se observara el movimiento se le debe quitar material por medio de barrenos
113
que se le ponen en la parte. inferior del impulsor con una broca de diámetro
considerable y si.·le faltar.a.material se le soldan pedazos del mismo material hasta
dejar el impulsor en- eq_uilibrio estático.
b) Balanceo dinámico
Este procedimiento se realiza por medio de maquinas electrónicas de alta
sensibilidad. que están previstas de cojinetes soportados elásticamente. en los
cuales puede girar la flecha. A causa del desbalanceo de los impulsores, los
cojinetes oscilaran en forma lateral. por tal motivo generandose una amplitud y fase.
del rotor son indicados con respecto de una posición arbitraria del rotor (flecha).
mediante dispositivos eléctricos-electrónicos captores y luz estrobo-centellante. se
indica donde esta desbalanceado el impulsor.
Este tipo de balanceo, se puede realizar con velocidades más bajas que las
de operación. ya que no se debe hacer girar un impulsor de una bomba con todos
sus alabes en vacla.
El balanceo estática y dinámico implican, en quitar peso en el impulsor
donde lo requiera y aumentar peso donde también lo necesite, ya que al no estar
bien balanceados los impulsores son causa de fallas en Jos sistemas de bombeo en
este caso de turbinas verticales de pozo profundo.
5.3 RECTITUD Y VERTICALIDAD DE UN POZO
Es de suma importancia la rectitud y verticalidad de un pozo. por lo que se
refiere a la perforación deberá ser vertical y conservar el diámetro en toda su
longitud tomando en cuenta la bomba y la columna. en toda su longitud hasta
114
alcanzar la profundidad establecida, estas caracterlsticas implican que no existan
fallas en.el sistema de bombeo en operación. Ya que al introducir una bomba en un
pozo desviado pueden provocar vibraciones e inclusive pandear las flechas que
ocasionarfan deterioros en Jos materiales internos de la bomba.
Las tuberías de ademe deberán apegarse a las especificaciones generales y
particulares dictadas al respecto sobre calidad de fabricación, diámetros. espesores.
longitudes de tramos de tuberia y verticalidad de ademe.
En caso de que el pozo al ser inspeccionado de acuerdo a su diámetro.
profundidad y a su posición de construcción vertical, no tuviera estas condiciones
anteriores. es preferible rechazar el pozo y no introducir una bomba vertical con
motor de superficie. ya que se puede obligar a trabajar desgastando las chumaceras
de la flecha de transmisión y la columna. En su defecto en ese pozo desviado se
puede instalar una bomba con motor sumergible ya que es una bomba que no tiene
flecha de transmisión desde la superficie y por consiguiente el acoplamiento es
directo y se evitarían las vibraciones en el sistema de bombeo. por tal motivo se
aprove;:haria la insuficiencia del pozo con una bomba similar a las de pozo profundo.
5.4 CAUSAS Y EFECTOS DEL EMPUJE AXIAL
Las causas del empuje axial. son poder generar la suficiente fuerza para
levantar el peso de las partes giratorias de todo el sistema de bombeo. por tal motivo
en una construcción. con flecha de accionamiento de la bomba que pasa por una
flecha hueca por el interior del motor. y se acopla en la parte superior, por medio de
una tuerca y flecha de transmisión. Los pesos de los impulsores {seguros, cuñas,
bujes de impulsor e inclusive el tramo de la flecha de la bomba en cada etapa), peso
de la flecha de transmisión y, en caso necesario, también el empuje axial hidráulico
115
que se genera en el impulsor una carga suficiente para poder levantar. los elementos
giratorios de toda la bomba, este empuje axial hidráulico se determina. en lbf/ft de
carga generada o trasmitida. desde la tuerca de ajuste de la flechS.'S'Uperior '~~apiada al plato de acoplamiento del motor con flecha hueca, la cuai, por lo tanto; soporta
toda la carga axial del conjunto giratorio de la bomba.
Los efectos primordiales que se pueden producir en el fUncionamiento de un
sistema de bombeo es la buena elección del motor a utilizar para el trabajo
adecuado y el buen balanceo de los impulsores, ya que son dos causas importantes
en el empuje axial hidráulico de la bomba.
Por tal motivo el empuje axial, lo determinamos como la sumatoria de varios
empujes axiales parciales, ya que es la presión que debe soportar el balero axial del
motor (por tal motivo es de suma importancia una buena elección en el motor que se
desea utilizar en el trabajo de bombeo).
Empuje axial hidráulico ó empuje total de bombeo
Esta compuesto de la sumatoria de los pesos de las partes rotatorias del
cuerpo de tazones (+), el peso de la flecha de transmisión (+), el empuje hidráulico
producido por los impulsores para elevar él liquido.
ET= (Ka) P + Ks + Kt
Donde:
ET= empuje total de bombeo
Kt = empuje hidráulico producido por los impulsores para elevar él liquido Jb/ft
Ka= partes rotatorias del cuerpo de tazones en lb.
P = numero de pasos
Ks = peso de las flechas de transmisión lb/ft
TESIS CO'f\T FALLA DE üfüGEN
116
Los valores de Kt y Ka corresponden a cada modelo de bomba en particular
y deben tomarse de la información técnica del fabricante, contenido en cada una
de las curvas de caracterlsticas y el valor de Ks debe tomarse de la sección de
flechas de transmisión, la cual esta dada en lb/ft de longitud.
Ejemplo:
- Longitud de columna de transmisión =
100ft (30.48 m)
• Numero de pasos de la bomba = 8 pasos
• Peso del primer paso = BOlb. (36.32Kg)
·Fechas de transmisión= 44lb/ft x 100 ft = 4400 lb (1997.6 Kg)
• Empuje hidráulico= 100 lb/ft x 100 ft = 1000 lb (4540 Kg)
Et = (Ka) P +Ks + Kt
Et= (80 lb) 8 +4400 lb+ 10ÓOO lb=· 15040 lb.
Et= (36.32 Kg) (8) + 1997.6 Kg.+ 4540 Kg = 6828.16 l'g
TESIS CQ:f\T FALLA DE URIGEN
117
Este tipo de bombas de pozo profundo en el motor tiene un_balero de empuje
axial, que como se comento anteriormente, es el que soporta tÓd6 el."tu;,·~¡c,·na,'.,,iento de la bomba, por tal motivo los fabricantes de valeros e~tiin~·n~·q··~·~:~~f~.~~~:~~e~didas de contacto angular y son aproximadamente de 0.0075 HP. por __ cáét~':-Íó6 rprií, y por
,· .···. cada 1000 lb ( 454 Kg ) de empuje axial hidráulico. - -->-
Podemos ariadir que apretando la tuerca de ajuste de la-fle.~~·ü1·-.. ~~P"~-~~-or o d_e
transmisión, se puede ajustar axialmente con exactitud los impulsores.d~'._IS bomba
de una manera sencilla.
Ver gráfica de las variaciones del empuje axial.
Los estándares de fabricación de este tipo de sistemas de bombeo hasta hoy
en día se continúan fabricando en el sistema ingles de unidades ( FPS).
TESIS cn'f\.T FALLA IJE v.niGEN
118
VARIACIONES DEL EMPUJE AXIAL
Co¡:ccidod g.p.rn.
TESIS CON FALLA .DE UiüGEN
500
400
300
20()
100
g
º ·;e o <\.> ·5 c... E
Lu
119
5.5 PRESENCIA DE ARENA EN EL AGUA EXTRAÍDA
En un sistema de bombeo de poza profundo, se presentan dificultades de mal
funcionamiento cuando el agua contiene arena, de manera que a veces se deben
tomar medidas especiales de protección. Debido a la acción del desgaste por causa
de arena, con el tiempo los impulsores. chumaceras y difusores quedan erosionados
(roidos), que provocan un desgaste mecánico. Peligrando especialmente las
superficies que se mueven o deslizan mutuamente con poco juego, como
chumaceras. Se ha acreditado para el agua que contiene arenas. la goma blanda.
Los granitos de arena que penetran en las chumaceras quedan primero incrustados
en la goma y luego el agua utilizada como lubricante los expulsa por las ranuras
dispuestas en el espiral, es importante que el agua rodee siempre las chumaceras
de goma (neopreno). también en los paros de la bomba. porque una chumacera
seca. al poner en marcha la bomba. y a causa del elevado coeficiente de rozamiento
de la goma seca. junto con su reducida conductibilidad calorífica. quedaria
estropeada instantáneamente. Teniendo en cuenta que el azufre usado en la
vulcanización ataca a las flechas en todo el sistema de bombeo. se ha de proteger
esta con un manguito o camisa de acero inoxidable.
Hay ocasiones en que la eliminación de arena. se va realizando a través del
tiempo de trabajo, hasta que se elimina por completo.
A veces es necesario adaptarle al sistema de bombeo un tapón de fondo el
cual evita los arenamientos originados por la turbulencia del bombeo, por extremo
inferior del ademe y forzar la entrada de arena por las ranuras. dando pie a colocar
un tapón de fondo: se deposita una lechada de agua-cemento. cuyo volumen
ocupara de 1.00-1.50 mi, de dicha tubería, el colado se realiza en la superficie
preferentemente, pero puede efectuarse dentro del pozo una vez colada Ja tubería
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de ademe. En ningún caso se deberán soldar placas de acero o gajos en el extremo
de la tuberla en el lugar del tapón de cemento, en virtud que el empleo de esta
técnica, impide la profundización del pozo, en caso de ser necesario: mientras que el
tapón de cemento es fácilmente perforable.
Existe otro método para la eliminación de arena, el cual es adaptar un filtro de
grava. ya que si los acuiferos explotados proceden de formaciones aluviales, en las
que son frecuentes las intercalaciones de arcillas. arenas y gravas de diferentes
tamaños. al realizar el diseño del pozo debera programarse un espacio anular entre
la tuberia de ademe y las paredes del agujero, capaz de permitir la formación de un
filtro de grava, cuya función es impedir que los materiales finos de la formación. sean
arrastrados al interior del sistema de bombeo durante su funcionamiento.
Anexo la representación del ademe de una bomba de pozo profundo.
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DIBUJO PARA REPRESENTAR EL ADEME DE UNA BOMBA
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CONCLUSIONES
Los procedimientos para la fabricación de bombas de pozo profundo permiten
establecer que es importante, que el fabricante tome en cuenta las especificaciones,
de las expropiaciones de los mantos acuiferos, para una buena eficiencia en los
pozos (ademe).
Los sistemas de bombeo mencionados en este trabajo de tesis que son,
bombeo de pozo profundo, sobre la superficie (motor vertical) y el bombeo de tipo
sumergible, son eficientes para el suministro de agua potable y riego, cada una de
acuerdo a sus caracteristicas de construcción como se mencionó en este trabajo.
Es de suma importancia este tipo de sistemas de bombeo para el
abastecimiento de agua potable y riego (agricultura), en las poblaciones ya que
existen menos yacimientos superficiales y subterráneos en nuestro país, para
proveernos de este liquido que es fundamental para los seres vivos y también para
nuestra supervivencia.
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