3 BOMBAS AXIALES
Las
bombas axiales son turbo máquinas que permiten la trasferencia de energía
mecánica del rotor al líquido mientras este pasa a través de los alabes en
dirección axial. El impulsor tiene la forma de hélice de 2 a 6 aspas por lo que
estas se llaman también de hélice.
La
velocidad base o de arrastre en la incidencia del líquido en el alabe a la
entrada conserva su valor en el borde de fuga del alabe a la salida o sea U1 =
U2y en consecuencia la acción centrifuga es nula. La ganancia en carga de
presión debe lograrse solamente a expensar del cambio en magnitud de la
velocidad relativa, con resultado desaceleraditos en esta velocidad de forma de
Vr2 <Vr1 a fin de producir un efecto de difusión a lo largo del ducto entre
alabes que aumentan la presión.
La
energía transferida, bajo la forma de componentes energéticas, se reduce pues
a:
En
el cual los dos términos del segundo miembro deben ser positivos, ósea. Sin
embargo, si se quiere mover grandes caudales donde se encuentran verdaderas
aplicación las bombas axiales, se debe reducir el número de alabes (3 o 4), siempre que la carga sea pequeña. La
forma y disposición del impulsor en el mismo ducto de circulación del líquido,
es lo que facilita el paso de grandes gastos. La velocidad especifica de las
bombas de hélice es alta, alrededor de (10 000 a 20 000 en el sistema ingles)
como corresponde a las condiciones de gran caudal y pequeña carga.
La velocidad
absoluta del agua que penetra en la hélice impulsora en dirección axial sale de
la misma con trayectoria helicoidal, debido a que existe componente tangencial
y también al efecto de puntas. Para volverlas a la dirección axial y al mismo
tiempo para convertir la energía dinámica en estática se dispone a la salida
del impulsor un sistema de alabes fijos a la carcasa, llamados alabes
directores o difusor. En ciertos casos se produce también un ensanchamiento
gradual del ducto de descarga, con divergencia de 15 a 20* , que completa la conversión de energía
cinética en potencial, la forma acodada del ducto se hace necesaria cuando la
bomba se instala directamente en la tubería para dar salida a la flecha, en
cuyo caso debe procurarse aprovechar algún codo existente en la misma
conducción. En cualquier caso el impulsor debe estar inundado al empezar a
trabajar la bomba.
Las
bombas axiales se hacen trabajar en las condiciones de diseño, aunque puede
también operar a cargas parciales o sobre cargas, pero con gran sacrificio del
rendimiento fácilmente se producen separaciones o choques sobre el alabe cuando
el Angulo de ataque no corresponde a las condiciones de incidencia prevista.
Para las condiciones del diseño el rendimiento al salirse de las condiciones de
diseño, es preciso variar el peso del alabe para corregir la incidencia de
estas bombas de alabe variable o bombas Kaplan se hablara más adelante.
3.2 Caracteristica Generales
El líquido entra en dirección axial y la fuerza centrífuga no juega ningún papel en la generación de la cabeza. El movimiento helicoidal impartido por el rodete al fluido es contrarrestado por los álabes fijos y la descarga se encuentra nuevamente en la dirección axial.
El ángulo de inclinación de las aspas tiene gran influencia sobre la cantidad descargada: a menor ángulo, menor cantidad para una velocidad dada.
Las bombas de flujo axial generalmente se ubican suspendidas sobre el pozo de succión con la campana de succión y el rodete sumergidos.
El rotor tiene la forma de un propulsor de barco.
Las bombas de flujo axial se caracterizan por que el liquido sale en la misma dirección por donde entra, es decir, paralelo al eje que sostiene el impulsor que le da movimiento al fluido la relación de carga teórica, se escribe como:
Donde Vn es la componente normal de la velocidad de líquido, u es la velocidad periférica del aspa y v es la velocidad del liquido a través del aspa y es el ángulo comprendido entre u y V.
Los impulsores en las bombas de flujo axial están diseñadas para que la velocidad del liquido a través de este sea la misma en todo momento es por esto que los ángulos de las aspas se incrementan gradualmente desde los extremos hasta el centro donde se conectan con el eje.
El líquido entra en dirección axial y la fuerza centrífuga no juega ningún papel en la generación de la cabeza. El movimiento helicoidal impartido por el rodete al fluido es contrarrestado por los álabes fijos y la descarga se encuentra nuevamente en la dirección axial.
El ángulo de inclinación de las aspas tiene gran influencia sobre la cantidad descargada: a menor ángulo, menor cantidad para una velocidad dada.
Las bombas de flujo axial generalmente se ubican suspendidas sobre el pozo de succión con la campana de succión y el rodete sumergidos.
El rotor tiene la forma de un propulsor de barco.
Las bombas de flujo axial se caracterizan por que el liquido sale en la misma dirección por donde entra, es decir, paralelo al eje que sostiene el impulsor que le da movimiento al fluido la relación de carga teórica, se escribe como:
Donde Vn es la componente normal de la velocidad de líquido, u es la velocidad periférica del aspa y v es la velocidad del liquido a través del aspa y es el ángulo comprendido entre u y V.
Los impulsores en las bombas de flujo axial están diseñadas para que la velocidad del liquido a través de este sea la misma en todo momento es por esto que los ángulos de las aspas se incrementan gradualmente desde los extremos hasta el centro donde se conectan con el eje.
3.2 DIAGRAMAS VECTORIALES
DE VELOCIDADES.
Considerando
el caso más general de estar colocando el impulsor o el rotor delante del
rodete fijo o estator y que la velocidad absoluta de entrada es axial, se a
dibujado la figura.
EL
flujo entra en la dirección axial y ataca el alabe móvil en esa dirección. La
componente axial de la velocidad conserva el mismo valor entre la entrada y la
salida para evitar empujes axiales perjudiciales es de circunferencia facilita
mucho la relación entre las distintas componentes y por tanto el diseño de la
máquina.
Estos
dos diagramas de entrada y salida en el alabe móvil de suele aprobar en uno
solo bajo las dos formas siguientes: con vértice común o sobre base común.
En
estos diagramas muestran claramente el cambio de la componente del giro, Vu2 –
Vu1=дVu Que es el factor especial en el
cálculo de la energía trasferida según la ecuación de Euler.
En
los diagramas con vértice común se aprecia además en el cambio el velocidad de
giro el valor del Angulo θ de deflexión
de la velocidad relativa el cual suele ser de orden de unos 15* para las
condiciones del diseño. Nos ayuda a definir otro concepto útil como es el de
Angulo medio del fluido, de la velocidad relativa cuya tangente se define por
la expresión:
En
la que Va, es la componente axial y de la velocidad absoluta y Vrmu en la media
aritmética de las dos componentes de giro de las velocidades relativas en la
entrada y a la salida del alabe, ósea:
Diagramas de vértice común y de base
común
Estos
diagramas muestran claramente el cambio de la componente de giro Vu2 - Vu1 =
"Vu, que es factor esencial en el cálculo de la energía transferida, según
la ecuación de Euler.
H
= U " Vu / gc
En
los diagramas con vértice común se aprecia además del cambio en la velocidad de
giro, el valor del ángulo
de deflexión de la
velocidad relativa, el cual suele ser del orden de unos 15 grados para las
condiciones de diseño.
El
ángulo medio del fluido (
m) o de la velocidad media relativa ( Vmr ) cuya tangente se
define por la expresión:
Tan
m = Vmru / Va
En
la que Va es el componente axial de la velocidad absoluta y Vmru es la media
aritmética de los dos componentes de giro de las velocidades relativas a la
entrada y a la salida del álabe o sea:
Vmru
= Vru1 + Vru2 / 2
El
ángulo
m se puede calcular fácilmente en función de los ángulos
1 y
2 que caracterizan la deflexión del fluido entre la entrada y
l salida. En efecto:
Vru1
= Va tan
1
Vru2
= Va tan
2
Por
tanto:
Vmru
= ( va 7 2 ) ( tan
1 + tan
2 )
Y
en consecuencia, sustituyendo en la ecuación, se tiene:
Tan
m = .5 ( tan
1 + tan
2
Características
principales de los álabes de una bomba de hélice.
BOMBAS
AXIALES: EXPRESIONES DE LA ENERGÍA TRANSFERIDA Y DEL GRADO DE REACCIÓN EN UNA
BOMBA AXIAL.
En
las máquinas axiales por ser U1 = U2 = U, la expresión de la energía
transferida, dada por la ec. De Euler, tiene la forma:
H
= U " Vu / gc = (U / gc) Vu2 - Vu1
Vu2
= Va tan
3; Vu1 = Va tan
0
Con
lo que:
H
= (UVa / gc) tan
3 - tan
0
Pero
U
= Va tan
1 + Va tan
0 = Va tan
2 + Va tan
3, o sea:
Tan
1 - tan
2 = tan
3 - tan
0
Luego:
H = (Uva / g) tan
1 - tan
2
Expresión
de energía transferida en función de los ángulos del álabe con la dirección
axial, que marcan la deflexión del fluido entre la entrada y la salida, y que
para las condiciones de diseño definen la curva del álabe, esto es
1 -
2 = 0. Estos ángulos son fáciles de medir, así como la
velocidad tangencial del álabe U y la componente axial del fluido Va, con lo
que H se calcula fácilmente.
El
grado de reacción, en las máquinas axiales, tiene la forma general:
Gr
= (Vr1² - Vrs² / 2 g ) / H
Ya
que la carga estática queda reducida, en estas máquinas, el cambio energético
debido a la velocidad relativa, por no existir acción centrífuga.
Vr1²
= Va² + ( Va tan
1 )²
Vr2²
= Va² + ( Va tan
2 )²
Sustituyendo
estos valores en la ec.
Gr
= (Vr1² - Vrs² / 2 g ) / H y teniendo presente el valor de H dado en la ec. H =
(Uva / g) tan
1 - tan
2 , queda:
Gr
=( ( Va² / 2g) ( tan²
1 - tan²
2 ) ) / ( ( Uva / g ) ( tan
1 - tan
2)
Gr
= (Va / 2 U) ( tan
1 + tan
2 )
O
en función del ángulo de velocidad media relativa:
Gr
= ( Va / U ) tan
m
Estas
dos últimas ecuaciones son fórmulas sencillas para el cálculo del grado de
reacción.
En
las bombas axiales, el valor de GR está entre 0 y 1. Esto puede probarse
fácilmente poniendo el grado de reacción en función de las componentes
energéticas.
Como
en estas máquinas Vr1 mayor que Vr2 y V2 mayor que V1, según se vio, resulta
que:
V2²
- V1² / Vr1² - Vr2² = +, lo que hace el valor de GR siempre positivo, o sea, 0
< GR < 1.
Dentro
de estas limitaciones son recomendables valores altos del grado de reacción,
por la misma naturaleza de la bomba, de ser una máquina para dar ganancia en
carga estática a un fluido. Ahora bien, para que el grado de reacción sea alto,
el término V2² - V1² / Vr1² - Vr2² = 0, lo cual exige que V2 no difiera mucho
de V1, o que Vr1 sea muchísimo más grande que Vr2.
Por
otra parte se deben poner álabes directores a la entrada que saquen a V1 de la
dirección axial, si se quiere aproximar el valor de V2, la cual nunca puede ser
axial. La curvatura del álabe es la que determina la relación que guardaran las
velocidades de salida con las de entrada
A
mayor curvatura mayor diferencia entre V2 y V1 y entre Vr1 y Vr2. Bien es
verdad, que si la diferencia entre las velocidades relativas aumenta, crece la
carga estática; pero como también se incrementa la carga dinámica y con esta
las pérdidas, no conviene mucha curvatura de los álabes.
Como
solución satisfactoria, en las bombas de hélice, disponer la V1 axial atacando
al impulsor, con álabes de poca curvatura que produzcan una V2 no muy grande.
3.3
Antes
de que un sistema de bombeo pueda ser diseñado o seleccionado debe definirse
claramente su aplicación. Así sea una simple línea de recirculación o un gran oleoducto,
los requerimientos de todas la aplicaciones son siempre los mismos, es decir,
trasladar líquidos desde un punto a otro. Entonces, esto obliga a que la bomba
y el sistema tengan iguales características para que este diseño sea óptimo.
La manera de conocer tales características se realiza con la ayuda de las curvas características de la bomba, las cuales han sido obtenidas mediante ensayos realizados en un banco de pruebas el cual posee la instrumentación necesaria para medir el caudal, velocidad de giro, momento de torsión aplicado y la diferencia de presión entre la succión y la descarga de la bomba, con el fin de poder predecir el comportamiento de la bomba y obtener el mejor punto de operación el cual se conoce como PME, variando desde una capacidad igual a cero hasta un máximo, dependiendo del diseño y succión de la, bomba.
La manera de conocer tales características se realiza con la ayuda de las curvas características de la bomba, las cuales han sido obtenidas mediante ensayos realizados en un banco de pruebas el cual posee la instrumentación necesaria para medir el caudal, velocidad de giro, momento de torsión aplicado y la diferencia de presión entre la succión y la descarga de la bomba, con el fin de poder predecir el comportamiento de la bomba y obtener el mejor punto de operación el cual se conoce como PME, variando desde una capacidad igual a cero hasta un máximo, dependiendo del diseño y succión de la, bomba.
Generalmente
este tipo de curvas se obtienen para velocidad constante, un diámetro del
impulsor específico y un tamaño determinado de carcasa, realizando la
representación gráfica de la carga hidráulica (curva de estrangulamiento),
potencia absorbida y eficiencia adiabática contra la capacidad de la
bomba.
Estas
curvas son suministradas por los proveedores de
bombas, de tal manera que el usuario pueda trabajar según los requerimientos de
la instalación sin salir de los intervalos de funcionamiento óptimo, además de
predecir que ocurrirá al variar el caudal manejado, sirviendo como una gran
herramienta de análisis y de
compresión del funcionamiento del equipo.
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