¿Cuál es la principal fuente de fuerza axial en una bomba centrífuga horizontal?

Bombas centrífugas horizontales son los equipos de transporte de fluidos más utilizados en procesos industriales y su confiabilidad operativa impacta directamente en la eficiencia de la producción. En este campo profesional, el empuje axial es un parámetro de diseño y funcionamiento crucial. Comprender el mecanismo de generación de empuje axial y cómo equilibrarlo es crucial para la selección, instalación, resolución de problemas y extensión de la vida útil de los rodamientos y sellos mecánicos de la bomba.

1. Fuente central de fuerza axial: diferencia de presión a través del impulsor

La causa fundamental de la fuerza axial es el desequilibrio de la presión del líquido en ambos lados del impulsor. Ésta es la fuente principal y, a menudo, la más grande de fuerza axial.

El ejemplo más típico es un impulsor de una sola etapa y una sola succión. Cuando una bomba centrífuga está funcionando:

En el lado de la cubierta frontal del impulsor (lado de succión): El área central del impulsor es una zona de baja presión, con presión cercana o inferior a la presión atmosférica (dependiendo del NPSH).

Lado de la cubierta trasera del impulsor (parte posterior): A medida que el líquido sale del impulsor y entra en la voluta, parte del líquido a alta presión se filtrará o regresará a través de los espacios en los anillos de desgaste hacia la parte posterior del impulsor. Además, la alta presión en la salida de la voluta también ejerce presión en la parte posterior del impulsor. Por lo tanto, la presión promedio en la parte trasera del impulsor suele ser mucho más alta que en la parte delantera.

Esta diferencia de presión entre la parte delantera y trasera del impulsor, proyectada sobre el área efectiva, crea una fuerza de reacción dirigida hacia el puerto de succión: una fuerza axial. La magnitud de esta fuerza está directamente relacionada con la altura de la bomba, el diámetro del impulsor y la holgura del anillo de desgaste. Una altura mayor aumenta la diferencia de presión y, en consecuencia, la fuerza axial.

2. Efecto de cambio de impulso en el paso de flujo del impulsor

Una segunda fuente importante de fuerza axial es la fuerza de reacción de cambio de momento generada cuando el fluido cambia de dirección y velocidad dentro del paso de flujo interno del impulsor.

Cuando el líquido ingresa al impulsor desde el puerto de succión, el flujo cambia de axial (paralelo al eje de la bomba) a radial (perpendicular al eje de la bomba). Según la segunda ley de Newton, cuando el fluido sufre este cambio de dirección dentro del impulsor, inevitablemente genera una fuerza de reacción en el impulsor. La componente de esta fuerza de reacción, que actúa a lo largo del eje de la bomba, constituye una fuerza axial en la dirección opuesta.

En la mayoría de los diseños de impulsor de succión simple, la dirección de esta fuerza axial inducida por el momento es opuesta a la fuerza axial causada por el diferencial de presión, pero su magnitud suele ser menor que la fuerza axial causada por el diferencial de presión.

3. Influencia de los sellos del eje y los orificios de equilibrio: distribución de presión local

El diseño y las condiciones de funcionamiento del área del sello del eje también afectan la distribución local de la fuerza axial.

Área del sello mecánico/prensaestopas: En el sello del eje, la fuerza que actúa sobre el eje de la bomba es la fuerza combinada de la presión del líquido dentro de la cámara del sello y la presión atmosférica. Si la presión dentro de la cámara del sello es alta, empuja el eje hacia afuera a lo largo del eje de la bomba.

Orificios de equilibrio: para los impulsores que utilizan orificios de equilibrio para equilibrar las fuerzas axiales, la función de los orificios de equilibrio es reducir eficazmente la presión detrás del impulsor dirigiendo el líquido a alta presión en la parte posterior del impulsor de regreso al puerto de succión o al área de baja presión. El diseño del diámetro y número del orificio de equilibrio determina directamente el grado en que se elimina la diferencia de presión entre las superficies delantera y trasera del impulsor.

4. Impulsores de doble succión y equilibrio inherente de fuerzas axiales.

Vale la pena señalar que en las bombas centrífugas de doble succión, los impulsores están diseñados con succión bilateralmente simétrica.

Estructura simétrica: el líquido ingresa al centro del impulsor de manera simultánea y simétrica desde ambos lados.

Cancelación mecánica: esto significa que la geometría del recorrido del flujo de los dos impulsores es completamente simétrica y la distribución de presión en ambos lados también es esencialmente simétrica. Durante el funcionamiento, las fuerzas axiales generadas por los dos impulsores son iguales en magnitud y opuestas en dirección, logrando teóricamente un equilibrio automático de fuerzas axiales. Esta es una de las ventajas estructurales clave de las bombas de doble succión que les permite manejar condiciones de alto flujo.

5. La importancia del equilibrio de fuerzas axiales y las contramedidas

En el diseño de bombas centrífugas, eliminar o minimizar las fuerzas axiales residuales es crucial. De lo contrario, fuerzas axiales excesivas pueden provocar:

Sobrecarga del rodamiento: Las fuerzas axiales continuas imponen cargas significativas sobre el rodamiento de empuje, acelerando el desgaste y las fallas. Este es uno de los modos de falla más comunes en las bombas centrífugas.

Daño al sello mecánico: los cambios bruscos en las fuerzas axiales pueden causar una compresión o separación excesiva entre los anillos giratorios y estacionarios del sello mecánico, lo que resulta en fugas o desgaste severo.

Por lo tanto, además del diseño de autoequilibrio de los impulsores de doble succión, en los diseños de ingeniería se utilizan a menudo los siguientes mecanismos especializados para equilibrar las fuerzas axiales:

Orificios de equilibrio y paletas traseras: se utilizan en bombas de simple succión.

Discos/tambores de equilibrio: dispositivos de equilibrio de alta presión comúnmente utilizados en bombas multietapa.

Controlar con precisión las fuerzas axiales de las bombas centrífugas horizontales y garantizar la estabilidad del eje de la bomba son requisitos técnicos básicos para garantizar un funcionamiento confiable y a largo plazo del equipo.