Bombas
Hidráulicas de desplazamiento positivo
Objetivo
El objetivo principal de este informe es que el lector
obtenga conocimientos básicos sobre los temas de bombas hidráulicas de desplazamiento positivo los tipos de bombas, su
tipo de funcionamiento, sus aplicaciones, su funcionamiento, y así poder aplicar
los conocimientos de forma practica.
Introducción
Una bomba hidráulica es
una máquina generadora que transforma la
energía (generalmente energía mecánica) con la que es accionada en
energía del fluido incompresible que mueve. El fluido incompresible puede ser líquido o una mezcla de líquidos y
sólidos como puede ser el hormigón antes de fraguar o la pasta de papel. Al
incrementar la energía del fluido, se aumenta su
presión, su velocidad o su altura, todas ellas relacionadas según el principio de Bernoulli. En general, una bomba se
utiliza para incrementar la presión de un líquido añadiendo energía al sistema
hidráulico, para mover el fluido de una zona de menor presión o altitud a otra
de mayor presión o altitud.
Bombas hidráulicas de desplazamiento positivo
Bombas de desplazamiento
positivo o volumétrico, en las que el principio de
funcionamiento está basado en la hidrostática,
de modo que el aumento de presión se realiza por el empuje de las paredes de
las cámaras que varían su volumen. En este tipo de bombas, en cada ciclo el
órgano propulsor genera de manera positiva un volumen dado o cilindrada, por lo
que también se denominan bombas
volumétricas. En caso de poder variar el volumen máximo de la cilindrada
se habla de bombas de volumen variable. Si ese volumen no se puede variar,
entonces se dice que la bomba es de volumen fijo. A su vez este tipo de bombas
pueden subdividirse en
Clasificación
Bombas
de émbolo alternativo, en las que existe uno o varios compartimentos
fijos, pero de volumen variable, por la acción de un émbolo o de una membrana.
En estas máquinas, el movimiento del fluido es discontinuo y los procesos de
carga y descarga se realizan por válvulas que abren y cierran alternativamente.
Algunos ejemplos de este tipo de bombas son la bomba alternativa de pistón,
la bomba rotativa de pistones o
la bomba pistones de accionamiento axial.
Bombas
volumétricas rotativas o rotoestáticas, en las que una masa
fluida es confinada en uno o varios compartimentos que se desplazan desde la
zona de entrada (de baja presión) hasta la zona de salida (de alta presión) de
la máquina. Algunos ejemplos de este tipo de máquinas son la bomba de paletas, la bomba de lóbulos, la bomba de
engranajes, la bomba de tornillo o
la bomba
peristáltica.
Bombas de engranes
3.1. Tipos de bombas.
Bombas
de engranaje existen dos tipos principales de bombas de engranajes:
Bombas de engranaje externo.
Opera bajo el mismo
principio que la bomba de engranajes internos Pero esta tiene un rotor interno
y otro externo. La forma creciente de la pieza que separa el engranaje internos
y externos evita fugas de lado externo de la bomba. El líquido es atrapado
entre los dientes del engranaje externo y así es transportada de lado de baja
presión hacia el lado de alta presión. En este lado los engranajes se juntan
forzando la salida del fluido.
Bombas de engranaje interno
En una
bomba de engranaje interno hay un espacio mínimo entre los dientes de engranaje
de la parte superior y la parte del fondo de la caja entre los dientes que se
intercalan. El
agua entra y es atrapada entre los dientes de engranajes
llevando el fluido hacia el lado de alta presión, donde es comprimida y enviada
hacia afuera a través del espacio entre los engranajes.
Bombas de engranes de baja presión.
Su funcionamiento es a grandes rasgos el siguiente: La flecha impulsora
gira, los dos piñones como están engranados, girarán en direcciones opuestas.
La rotación es hacia el orificio de entrada desde el punto de engrane. Conforme
los dientes de los dos piñones se separan, se formará una cavidad y se
producirá un vacío en el orificio de entrada. Este vacío permitirá a la presión
atmosférica forzar el fluido al lado de entrada de la bomba. El fluido será
confinado en el espacio entre los dientes del engrane. La rotación continuada
de los engranes permitirá que el fluido llegue hasta la salida.
Una desventaja de este tipo de bombas son los escapes o perdidas
internas en la bomba producidas en la acción o esfuerzo para bombear un fluido
a presión.
Bombas de engranes de alta presión.
Los factores que mejoran la capacidad de una bomba para desarrollar un
vacío alto en la admisión, también producirán incrementos muy favorables en la
eficiencia volumétrica y total de la bomba.
La capacidad relativamente alta de vacío en la admisión de las bombas de
engrane, las ha hecho más adaptables a los problemas que se presentan en el
equipo móvil y para minería.
3.2. Descripción del
funcionamiento.
En la bomba de engranajes, el aceite es llevado de la entrada
hacia la salida en el espacio que hay entre dos dientes de cada engranaje. Uno
de los engranajes es impulsado por la fuente de entrada del sistema y este a su
vez mueve el otro engranaje. Los dos se hallan dentro de una cámara conformada
por un "anillo" que forma parte de la carcasa dela bomba y dos platos
laterales, llamados platos de presión. El conjunto de engranajes puede ser de
engranajes externos, internos o del tipo de tornillo
Las bombas de engranes exhiben buenas capacidades
de vacío a la entrada y para las situaciones normales también son autocebantes;
otra característica importante es la cantidad relativamente pequeña de
pulsación en el volumen producido
3.3. Características
técnicas.
El diseño de esta bomba ofrece una ventaja adicional al proporcionar la
facilidad de que el volumen producido pueda ser alterado al cambiar el tamaño
de los engranes.
>Reversibles
y unidireccionales, versiones con Brida SAE, DIN y Brida
Europea.
>Divisores de
caudal rotativo.
>Cuerpos en
Aluminio reforzado
y en acero.
>Alto
rendimiento y altas temperaturas.
>Bajo nivel sonoro.
Larga duración en condiciones extremas. Excelente versatilidad.
>Amplio abanico
de aplicaciones.
>Diseño
compacto. Alta fiabilidad Las bombas de
engranajes
Se usan para bombear aceite de lubricación, y casi
siempre tienen un componente de vibración fuerte en la frecuencia del
engranaje, que es el número de dientes en el engrane por las RPM.
Este componente dependerá fuertemente de la presión
de salida de la bomba. Si la frecuencia del engranaje se cambia de manera
significativa, y hay una aparición de armónicos o de bandas laterales, en el
espectro de vibración, este podría ser una indicación de un diente cuarteado ó
dañado de otra manera.
Las bombas
de engranajes son bombas robustas de caudal fijo, con
presiones de operación hasta 250 bares (3600psi) y velocidades de hasta 6000
rpm.
Con caudales de hasta 250 cc/rev combinan una alta
confiabilidad y tecnología de sellado especial con una alta eficacia.
Bombas de engranes
de 1500 lb/plg2. (Tándem)
También se les conoce como bombas de la serie "Commercial D".
En este tipo de bombas se incorporan engranes dentados rectificados con
acabados lisos y con tolerancias muy cerradas. Estos engranes tienen el
contorno de los dientes diseñado para mejorar la eficiencia de la bomba y
disminuir el nivel de ruido en la operación.
Un mejoramiento adicional se ha logrado machihembrando los engranes con
respecto al diámetro y espesor.
Bombas de paletas
3.1. Tipos de bombas.
Bombas de paletas desequilibradas o de
eje excéntrico.
Con este diseño un rotor ranurado es girado por la flecha impulsora. Las
paletas planas rectangulares se mueven acercándose o alejándose de las ranuras
del rotor y siguen a la forma de la carcasa o caja de la bomba. El rotor está
colocado excéntrico con respecto al eje de la caja de la bomba.
La rotación en el sentido de las manecillas del reloj del rotor en
virtud de la mayor área que hay entre dicho rotor y la cavidad de la caja,
producirá un vacío en la admisión y la entrada del aceite en los volúmenes
formados entre las paletas.
La bomba mostrará desgaste interior de la caja y en las aristas de las
paletas, causado por el deslizamiento de contacto entre las dos superficies.
Este tipo de bomba tendrá la misma situación en lo que se refiere a la
carga sobre los cojinetes que el caso de las bombas de engranes.
Bombas de paletas equilibradas
Bomba hidráulica que consiste de un rotor montado
en el centro de una cavidad elíptica. A medida que gira el rotor, las paletas
atrapan y mueven el fluido hidráulico.
Se distingue en este tipo de bomba las siguientes situaciones:
>Anillo volumétrico
>El rotor y el anillo están ubicados concéntricamente
>Posee dos zonas de aspiración y dos de descarga, por lo tanto la aspiración y descarga se realiza dos veces en cada revolución
>El rotor y el anillo están ubicados concéntricamente
>Posee dos zonas de aspiración y dos de descarga, por lo tanto la aspiración y descarga se realiza dos veces en cada revolución
>Su caudal es fijo
>Las fuerzas resultantes se anulan,
Las bombas de paletas equilibradas pueden ofrecer
el sistema hidráulico más económico utilizable para situaciones en donde el
buen diseño no sufre limitaciones por falta de espacio y falta de control
operativo y de comprensión de las características de funcionamiento
3.2. Descripción del
funcionamiento.
Para comprender el funcionamiento de este tipo de bombas durante
la admisión hay que recurrir a la excentricidad. Gracias a la excentricidad se
genera una zona, mediante las paletas y la carcasa, que hace la función de
cierre hermético que impide que el aceite retroceda durante el funcionamiento
de la bomba. A partir de esa zona y producto de la fuerza centrífuga, las
paletas salen de las ranuras del rotor, ajustándose a la superficie interna del
anillo, así entre cada par de paletas se crean cámaras que hacen aumentar el
volumen y disminuir la presión, con lo que es posible asegurar el continuo
suministro de aceite. El aceite es tomado de estas cámaras y trasladado a la
zona de descarga.
Están construidas por una carcasa de sección circular,
con un anillo ajustado en su interior. Dentro de este anillo gira excéntricamente
un rotor ranurado, en cuyas ranuras se alojan unas paletas que pueden
desplazarse radialmente.
El rotor está conectado a un motor eléctrico mediante un
eje. Cuando el rotor gira, las paletas se mantienen apoyadas contra la
superficie de anillo, ya que tienden a salir gracias a la fuerza centrífuga y a
la presión aplicada en la parte interior de las mismas gracias a unos muelles,
formando un sello positivo. El fluido entra a la bomba y llena el área de
volumen grande formada por el rotor descentrado. Cuando las paletas empujan el
fluido alrededor de la leva, el volumen disminuye y el fluido se empuja hacia
afuera a través del orificio de salida.
3.3. Características
técnicas.
Bombas de paletas equilibradas de 1000
lb/plg2 de presión.(Vickers)
El balance hidráulico logrado en este diseño, permite a los cojinetes de
las flechas dedicarse a la carga de impulsión de la bomba. La carga hidráulica
o de presión esta equilibrada y queda completamente contenida dentro de la
unidad de cartucho de la bomba. La unidad de cartucho esta compuesta por, dos
bujes, un rotor, doce paletas, un anillo de leva y una espiga de localización.
El sentido de la operación de esta bomba puede alterarse para ajustarlo
a la necesidad que se tenga. Al sustituir el anillo de levas con uno más grande
o uno más pequeño, se pueden tener diversos volúmenes de rendimiento o salida
de la bomba, pero en ciertas conversiones, el rotor, las paletas y el cabezal
también deben cambiarse para acomodar el nuevo anillo.
Procurando incorporar un cabezal modificado o corregido y una flecha
impulsora, podemos construir una bomba Vickers en Tándem.
Bombas de Paletas equilibradas de 2000
lb/plg2 de presión. (Denison)
Las bombas de paletas Denison emplean la misma condición de equilibrio
descrita en el análisis de las bombas de paletas Vickers mediante la
incorporación de dos orificios de admisión o entrada y de dos orificios de
salida con una separación de 180° .
Una diferencia en estos dos diseños consiste en que el valor de la
presión máxima sube hasta 2000 lb/plg2 por medio de una
construcción más pesada y de la alteración de los diseños de paletas y del
rotor para asegurar un contacto adecuado de las paletas en todo tiempo. Esta
condición de contacto constante de las paletas con el anillo de levas,
permitirá a la unidad funcionar como bomba o como motor sin alteración
mecánica.
El balance hidráulico de la caja de bombeo y en este caso la carga
equilibrada de las paletas, permite a estas bombas funcionar durante periodos
más prolongados con condiciones máximas de presión.
Bombas de pistones
3.1. Tipos de bombas.
Debido a la gran
variedad de las bombas de pistón, estas pueden clasificarse como:
Bomba de Pistón Radial.
Bombas de pistón
radial: Los pistones se deslizan radialmente dentro del cuerpo de la bomba que
gira alrededor de una flecha.
El mecanismo de bombeo de la bomba
de pistones radiales consiste en un barril de cilindros,
pistones, un anillo y una válvula de bloqueo.
Este mecanismo es muy similar al de una bomba
de paletas, sólo que en vez
de usar paletas deslizantes se usan pistones.
El barril de cilindros que aloja
los pistones está excéntrico al anillo. Conforme el barril
de cilindros gira, se forma un volumen creciente
dentro del barril durante la mitad de la revolución, en la
otra mitad, se forma un volumen decreciente. El fluido entra
y sale de la bomba a través de la válvula de bloqueo que
está en el centro de la bomba.
Bombas de Pistón Axial.
Bombas de pistón
axial: Los pistones se mueven dentro y fuera sobre un plano paralelo al eje de
la flecha impulsora.
Al girar el eje, comunica
un movimiento circular al bloque de cilindros.
Este movimiento en conjunto
con la inclinación de la placa determina que el pistón desarrolle
internamente en el cilindro un movimiento
alternativo que
permite el desarrollo
de los procesos de aspiración y descarga.
En la primera parte del proceso, los pistones se
retraen provocando un aumento de volumen y una
disminución de la presión con lo que se genera la aspiración.
En la segunda etapa, los pistones comienzan a
entrar y con esto se disminuye el volumen y como
consecuencia se produce la descarga.
Si fuera posible variar la inclinación de la placa, la
bomba será de caudal variable.
Las bombas de pistón axial son las bombas más comunes que se encuentran.
Las bombas de pistón axial derivan su nombre del hecho que los pistones se
mueven dentro y fuera sobre un plano paralelo al eje de la flecha impulsora.
3.2. Descripción del
funcionamiento.
Las bombas de pistones
están formadas por un conjunto de pequeños pistones que van subiendo y bajando
de forma alternativa de un modo parecido a los pistones de un motor a partir de
un movimiento rotativo del eje
En las bombas de pistones, un pistón se desplaza
alternativamente aspirando el fluido de la zona de admisión y enviándolo hacia
la salida. Según la posición de los pistones y el método de accionamiento de
éstos, las bombas de pistones se clasifican en bombas de pistones en línea con
placa inclinada, bombas de pistones en ángulo, bombas de pistones radiales y
bombas de pistones oscilantes.
3.3. Características
técnicas.
Las bombas de pistón generalmente son consideradas como las bombas que
verdaderamente tienen un alto rendimiento en las aplicaciones mecánicas de la hidráulica.
Algunas bombas de engranes y de paletas funcionarán con valores de presión
cercanos a los 2000 lb/plg2, pero sin embargo, se les consideraran
que trabajan con mucho esfuerzo. En cambio las bombas de pistón, en general,
descansan a las 2000 lb/plg2 y en muchos casos tienen
capacidades de 3000 lb/plg2 y con frecuencia funcionan bien con
valores hasta de 5000lb/plg2.
Bombas de pistón de barril angular (Vickers): Las
cargas para impulsión de la bomba y las cargas de empuje por la acción del
bombeo van soportadas por tres cojinetes de bolas de hilera simple y un
cojinete de bolas de hilera doble. Este diseño de bomba ha dado un
excelente servicio a la industria aeronáutica.
Bombas de pistón
de placa de empuje angular (Denison): Este tipo de bombas incorpora zapatas de
pistón que se deslizan sobre la placa de empuje angular o de leva. La falta de
lubricación causará desgaste.
Bomba Diseño Dynex.
La placa de empuje angular se llama placa excéntrica, dicha placa va acuñada a la flecha
impulsora y esta soportada por cuatro hileras de cojinetes de bolas. Las
principales cargas de empuje de bombeo están a cargo de cojinetes colocados a
cada lado de la placa excéntrica. Este diseño de bomba ha tenido una
utilización considerable en el equipo móvil.
La compañía fabricante Dynex señala que esta bomba ha mostrado una mayor
compatibilidad con respecto al polvo que las bombas normales de pistón. Las
bombas Dynex son indicadas como de mejor capacidad para resistir la
contaminación del aceite y las ondas de presión mientras trabajan a niveles
bajos de ruido y con velocidades altas.
Resumen
La definición de una bomba hidráulica que generalmente se encuentra en
los textos es la siguiente: "Una bomba hidráulica es un medio para
convertir energía mecánica en energía fluida o hidráulica". Es decir las
bombas añaden energía al agua.
Cuando se pretende desarrollar una clasificación de los diferentes tipos
de bombas hidráulicas se debe tener claridad en algunos términos para así poder
evaluar los méritos de un tipo de bomba sobre otro. Dichos términos son:
- Amplitud de presión: Se
constituyen en los límites máximos de presión con los cuales una bomba
puede funcionar adecuadamente. Las unidades son Lb/plg2.
- Volumen: La cantidad de
fluido que una bomba es capaz de entregar a la presión de operación. Las
unidades son gal/min.
- Amplitud de la velocidad: Se
constituyen en los límites máximo y mínimo en los cuales las condiciones a
la entrada y soporte de la carga permitirán a la bomba funcionar
satisfactoriamente. Las unidades son r.p.m.
- Eficiencia mecánica: Se
puede determinar mediante la relación entre el caballaje teórico a la
entrada, necesario para un volumen especifico en una presión específica y
el caballaje real a la entrada necesario para el volumen especifico a la
presión especifica.
- Eficiencia volumétrica: Se
puede determinar mediante la relación entre el volumen teórico de salida a
0 lb/plg2 y el volumen real a cualquier presión asignada.
- Eficiencia total: Se puede
determinar mediante el producto entre la eficiencia mecánica y al
eficiencia volumétrica.
Bombas de engranaje externo.
Opera bajo el mismo
principio que la bomba de engranajes internos Pero esta tiene un rotor interno
y otro externo. La forma creciente de la pieza que separa el engranaje internos
y externos evita fugas de lado externo de la bomba.
Bombas de engranaje interno
En una
bomba de engranaje interno hay un espacio mínimo entre los dientes de engranaje
de la parte superior y la parte del fondo de la caja entre los dientes que se
intercalan
Bombas de paletas desequilibradas
Al girar el rotor dentro del anillo volumétrico y
ubicado en forma excéntrica a éste, se genera por lo tanto una cierta diferencia que permite en algunos casos controlar la cilindrada.
Gracias a la excentricidad se genera una
zona que hace las veces de cierre hermético que impide que el aceite retroceda. A partir de esta zona y producto de la
Bombas de paletas equilibradas
Las bombas de paletas equilibradas pueden ofrecer
el sistema hidráulico más económico utilizable para situaciones en donde el
buen diseño no sufre limitaciones por falta de espacio y falta de control
operativo y de comprensión de las características de funcionamiento
Bombas de
pistones axiales
Al girar el eje, comunica un movimiento circular al bloque de cilindros. Este movimiento en conjunto con la inclinación de la placa, determina que el pistón desarrolle internamente el cilindro un movimiento alternativo que permite el desarrollo de los procesos de aspiración y descarga.
Bombas de
pistones radiales
El mecanismo de bombeo de la bomba de pistones radiales consiste
en un barril de cilindros, pistones, un anillo y una válvula de bloqueo.
Este mecanismo es muy similar al de una bomba de paletas,
sólo que en vez de usar paletas deslizantes se usan pistones.
Bibliografía
