El documento describe los métodos para calcular la fuerza axial en las bombas centrífugas. Explica que la fuerza axial se calcula considerando las fuerzas que actúan sobre cada rotor y proporciona fórmulas para calcular estas fuerzas. También cubre técnicas como el uso de álabes posteriores y la reducción del área del disco posterior para disminuir la fuerza axial. Finalmente, discute pruebas hidrostáticas para probar la integridad de las piezas de la bomba.

1. ESCUELA SUPERIOR POLITÉCNICA DE CHIMBORAZOESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA BOMBAS CENTRÍFUGASDocente : Ing. Jorge LemaCódigos:5527

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4. 5594Cálculo de Fuerza Axial en los rodetes de bombas CentrífugasPara el cálculo del empuje axial se consideraron las fuerzas que se ejercen sobre cada uno de los rotores.Fuerzas sobre el rotorNomenclatura

5. Para el cálculo del empuje axial se considera las fuerzas que se ejercen sobre cada rotor.Para calcular la fuerza F1 se necesita conocer la distribución de presiones entre rotor y carcaza. Dicha distribución de presiones sigue la ley presentada ya por Pfleiderer en 1929:donde  es el peso específico del fluido, la velocidad angular del rotor. Esta ley, que se deduce de las ecuaciones de Navier, tiene varias la suposición que el fluido entre rotor y carcasa tiene un movimiento rotacional con velocidad angular s = K.La fuerza F1 vale, entonces, o sea:Análogamente se puede calcular la fuerza F2:

6. La fuerza derivada del cambio de dirección de axial a radial del flujo, se calcula mediante la ecuación de la cantidad de movimiento. Suponiendo régimen estacionario, la componente axial de la resultante de las fuerzas vale:F3 =  Q ( v2x - v1x )siendo v2x y v1x las proyecciones según la dirección del eje de las velocidades absolutas a la salida y a la entrada al rotor, respectivamente; Q es el caudal que pasa por el rotor. La fuerza debida a la presión a la entrada al rotor, supuesta uniforme en toda la sección de entrada:F4 = p1 .  ( D62 - Deje2 ) / 4y la debida a la presión del fluido en la cámara posterior del rotor, supuesta uniforme:F5 = p5 .  ( D42 - Deje2 ) / 4La fuerza axial resultante vale, tomando el sentido positivo el dirigido hacia la boca de succión:F = -F1 + F2 - F3 - F4 + F5Para las expresiones anteriores, Pfleiderer y Stepanoff adoptaron K = ½

7. En caso de rodetes abiertos:Se ha demostrado que los rodetes abiertos producen un mayor empuje axial que los cerrados, pues la parte trasera del rodete es solo parcialmente balanceada por el efecto de presión dentro del rodete.

8. El empuje axial se puede calcular en estos casos por la expresión siguiente:

10. Aplicando un análisis de regresión lineal Stepanoff, propuso la siguiente expresión matemática, con la cual se puede determinar el parámetro (K3), en función de la velocidad específica (Ns):Se conoce queDonde:n: rpmH: Altura (en pies)El primer sumando de la expresión del empuje T es el empuje por la parte trasera del disco, y el segundo sumando es el empuje que se produce en la parte interior del rodete (donde se encuentran los álabes).

11. COMPENSADO DE LOS RODETESImpulsores de doble aspiración.- Llevan aros de cierre en los dos oídos; sus ventajas son, ausencia de empuje axial, una menor NPSHr y una mayor capacidad de aspiración. Se pueden considerar como dos impulsores de aspiración simple, opuestos y en paralelo.

12. Los impulsores de Aspiración Simple:Orificios entre los álabes del rodeteCuando están provistos en la parte posterior de una cámara de equilibrado del empuje hidráulico axial en comunicación con la aspiración a través de los agujeros de equilibrio, sólo tienen aros a ambos lados, lo que implica una desventaja para el equilibrado que, hidráulicamente, es bastante eficaz.

13. En bombas que manipulan sólidos en suspensión, es imposible realizar agujeros de compensación debido a las condiciones propias de trabajo del equipo, ya que existe una alta probabilidad de que esos agujeros se obstruyan y el equipo quede descompensado, produciendo vibraciones inesperadas y sobrecargas en los cojinetes.Para el caso analizado, existen dos variantes aceptadas para disminuir el empuje axial:Disminución del área del disco posterior del rodete2. Adición de álabes posteriores (nervios radiales)Estas variantes son mutuamente excluyentes, pero estrictamente necesarias para evitar la circulación de materias sólidas en la parte trasera del diseño del impulsor.

14. Álabes o nervios radiales en el disco posterior. La disminución del empuje axial producida por los álabes posteriores será, según StepanoffDonde:Tnr: Reducción del empuje producido por la ubicación de álabes posterioresAn: Área del disco donde se encuentra el nervioUn: Velocidad periférica o tangencial en el extremo del nervio

15. Ajustes por limado. Un método para aumentar el rendimiento de la bomba es rebajar con lima los álabes de salida para aumentar la superficie de salida. El grado de limado se identifica con los términos “a la mitad” o “filo de cuchilla”. El limado a la mitad consiste en remover la mitad de la banda del álabe de salida y desvanecer la superficie limada en la parte inferior del álabe. El limado o rebajo de filo de cuchilla consiste en reducir la banda a 1/16 in a menos de lo cual las puntas de los álabes quedan muy delgadas y quebradizas.

16. Las ganancias aproximadas en carga y eficiencia al limar un impulsor de 3 550 rpm aparecen en la tabla siguiente.

17. Prueba HidrostáticaConsiste en someter a una presión determinada la pieza que va a estar en contacto con un líquido a presión, por un lado, y por el otro, con la presión atmosférica. Este es el caso de las carcasas, cabezas de succión, etc., las que deben ser probadas, pero no así los impulsores ni los tazones de una bomba de pozo profundo que trabajan ahogadosLa prueba se efectúa introduciendo agua a presión y manteniendo ésta durante un tiempo determinado, según el tipo de bomba. Una regla general es someter las piezas al doble de la presión de operación por un espacio de tiempo que pueda llegar hasta 30 minutos. Es obvio que si hay un defecto la fuga se manifiesta inmediatamente.