Bomba de aspas deslizantes EXPERIMENTO N°
BOMBA DE ASPAS DESLIZANTES INTRODUCCION Las máquinas hidráulicas se clasifican en turbomáquinas y máquinas de desplazamiento positivo y ambas se subdividen en motoras y generadoras. Las primeras absorben energía del fluido y restituyen energía mecánica; mientras que las segundas absorben energía mecánica y restituyen energía al fluido [1]. En las máquinas de desplazamiento positivo, también llamadas máquinas volumétricas, el órgano intercambiador de energía cede energía al fluido o el fluido a él en forma de energía de presión creada por la variación de volumen. Los cambios en la dirección y valor absoluto de la velocidad del fluido no juegan papel esencial alguno [1]. El principio del desplazamiento positivo consiste en el movimiento de un fluido causado por la disminución del volumen de una cámara [1]. Según el tipo de movimiento del órgano principal (que intercambia energía con el líquido) las máquinas de desplazamiento positivo se clasifican en alternativas y rotativa [1]. Las bombas rotativas (máquinas generadoras) son básicamente máquinas provistas de elementos rotativos o elementos que comprimen o bien desplazan un fluido que se encuentra en el interior de una carcasa proporcionando una descarga prácticamente exenta de pulsaciones.
Poseen pues, una característica de desplazamiento positivo y su caudal es proporcional a la velocidad y teóricamente independiente de la altura manométrica, es decir, semejantes a bombas alternativas, aunque el rendimiento volumétrico que se puede alcanzar es algo menor 1. En comparación con las bombas alternativas presentan una diferencia notoria: las bombas rotativas por lo general no requieren válvulas sino únicamente lumbreras. Su gama de tamaños posibles es también considerablemente más restringida; así, las bombas rotativas de gran tamaño constituyen la excepción más bien que la regla [2]. El campo de aplicación de las bombas rotativas (ó rotatorias) es muy extenso. Se usan para manejar gran variedad de líquidos; las hay en un amplio rango de capacidades, y para distintas presiones, viscosidades y temperaturas [3].
OBJETIVOS 1. Comprender el funcionamiento de una bomba de desplazamiento positivo (BDP) del tipo rotativa 2. Construir, para diferentes velocidades de rotación, las curvas características de una BDP rotativa, a saber: a) Caudal vs Presión (Q P P ) b) Potencia vs Presión (W P ) c) Eficiencia vs Presión ( P ) 1
En la práctica, las fugas internas introducen pérdidas que son más o menos proporcionales a la presión de descarga de manera que, en en razón de este deslizamiento, las curvas altura manométrica-caudal correspondientes a diferentes velocidades velocidades de accionamiento no son exactamente rectas [2].
74
Bomba de aspas deslizantes CONCEPTOS TEORICOS La bomba de aspas (paletas) deslizantes sencilla comporta un rotor ranurado montado asimétricamente en una carcasa prácticamente circular. Las paletas rígidas están montadas en dichas ranuras del rotor por las que deslizan en dirección radial. Normalmente son impulsadas hacia el exterior por la acción de la fuerza centrífuga desarrollada por la rotación, si bien dicho movimiento radial puede ser asistido por la acción de un resorte o por la presión aplicada en la base de cada paleta. Las cámaras de bombeo se forman entre las paletas, rotor, anillo y las dos placas laterales. El cierre está asegurado por las paletas que se desplazan manteniendo un contacto de rozamiento a lo largo de las superficie interna de la carcasa; el espacio entre paletas adyacentes configura cámaras
cuyo volumen aumenta y disminuye progresivamente de manera alternativa. La lumbera de entrada está localizada en un punto próximo a aquel en el que la cámara tiene su máximo volumen; la depresión que en ella se produce da lugar a la aspiración del fluido que es después transportado por la cámara hasta que llega al orificio de descarga por donde se impulsa a medida que el volumen de la cámara se va reduciendo [2]. La figura 1 muestra un esquema de una bomba de paletas no equilibrada hidráulicamente, denominada así porque el eje está sometido a cargas laterales, procedentes de la presión que actúa sobre el rotor. El diseño no equilibrado se aplica principalmente a las bombas de caudal variable .
Figura 1. Bomba de paletas o aspas deslizantes no equilibrada hidráulicamente [4]
75
Bomba de aspas deslizantes El número de paletas óptimo depende de la viscosidad del fluido. En general, se utiliza un gran número de paletas en los equipos proyectados para manipulación de gases (compresores o aspiradores) y un número menor (por lo general seis u ocho) para líquidos de baja viscosidad. Para la manipulación de líquidos de elevada viscosidad es conveniente disminuir el número de paletas y posiblemente la velocidad de accionamiento La figura 2 muestra las diferentes etapas de llenado del interior de la bomba: El fluido entra por el puerto de succión en el lado derecho, después es capturado en un espacio entre dos aspas sucesivas, y así se lleva al puerto de descarga a la presión del sistema. Después las aspas se retraen hacia sus ranuras en el rotor, conforme regresan al lado de entrada, o succión de la bomba [5]
salida están separados entre sí 180° de tal forma que las fuerzas de presión sobre el rotor se cancelan, evitándose así las cargas laterales sobre el eje y los cojinetes [4]. La figuras 3 muestra un esquema de una bomba de paletas equilibrada hidraulicamente.
Figura 2 Operación de una bomba de aspas deslizantes. Proceso de llenado de las cámaras internas [6]
Bomba de paletas hidráulicamente
equilibrada
La mayoría de las bombas de paletas de desplazamiento fijo construidas hoy en día utilizan el conjunto equilibrado diseñado por el Sr. Harry Vickers, que desarrolló la primera bomba de paletas equilibrada hidráulicamente, de alta presión y de velocidad elevada, en la década de 1920. En este diseño el anillo es elíptico en vez de ser circular, lo que permite utilizar dos conjuntos de orificios internos. Los dos orificios de
Figura 3 Bomba de paletas equilibrada hidráulicamente [4].
74
Bomba de aspas deslizantes Ventajas de las bombas de aspas deslizantes
Propiedades autocebantes. No tienen válvulas Un caudal uniforme (libre de pulsos). Elevada vida útil
Desventajas de las bombas de aspas deslizantes
Los líquidos deben ser limpios No apta para líquidos abrasivos No se deben usar en aplicaciones donde pudieran quedarse girando en seco Las paletas pueden pegarse por un periodo prolongado de inactividad de la bomba.
Rangos de Operación de las bombas de aspas deslizantes De acuerdo con el diseño las bombas de aspas deslizantes pueden operar para: Presiones: hasta 4000 psi Caudales: hasta Velocidades de rotación: 3000 rpm Curvas de desempeño.
Figura 4. Curvas de desempeño de una bomba rotativa para diferentes velocidades de rotación. N1
DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO2 El banco consta de un motor eléctrico trifásico basculante, un reductor, una bomba de aspas deslizantes hidráulicamente balanceada, una válvula de seguridad, una válvula de control de flujo, un filtro, un flujómetro, un depósito de aceite, instrumentos de medición de: fuerza, presión y caudal. Adicionalmente se cuenta con un actuador lineal y una válvula direccional. A continuación se muestran algunos de los elementos que componen el banco hidráulico.
Las curvas de desempeño que se suministran, para bombas rotativas, son típicamente de : Caudal vs Presión, Potencia vs Presión y Eficiencia vs Presión. La Figura 4 muestra el comportamiento de una bomba rotativa para diferentes velocidades de rotación.
2
Este equipo es el resultado de un Trabajo de Grado [7]
74
Bomba de aspas deslizantes Figura 5 Motor eléctrico basculante [7]
Figura 8 Válvula reguladora de caudal [7]
Figura 6 Reductor de velocidad [7]
Figura 9. Flujómetro [7]
Figura 7. Bomba de aspas deslizantes [7]
Figura 10 Depósito de aceite [7]
75
Bomba de aspas deslizantes INFORMACION TÉCNICA Las siguientes tablas suministran los datos técnicos de los elementos que componen el banco hidráulico Tabla 1 Datos técnicos de la bomba Bomba Fabricante Tipo Referencia Peso neto Conexión de succión Conexión de descarga Caudal (Q) Presión (P) Presión máxima Número de aspas Dimensiones de las aspas Diámetro del rotor
KAYABA Aspas deslizantes equilibradas hidráulicamente 897115135 B4210-08003 kgf (lb) 5/8 pulg. pulg. Lpm psig 10 8mm x12mm x1.8mm 38 mm
Tabla 2 Datos técnicos del reductor Reductor Fabricante Tipo Relación de transmisión Tipo de rodamientos Lubricación Especificación del lubricante
Engranajes helicoidales 4: 1 Rodillos Aceite Aceite ISO VG 100 ó SAE 30
Tabla 3 Datos técnicos del flujómetro [8] Flujómetro Fabricante Tipo Referencia Rango de Caudal Diámetro de entrada Diámetro de salida Fluido Presión máxima Temperatura máxima Calibración estándar Material
Hedland Área variable del tipo pistón E-Z 0.5 – 4 GPM 2 – 15 LPM 1” NPT 1” NPT
Aceite 325 PSI 60°C SG = 0.876 para aceite 32 cSt viscosidad Polysulfone or Radel®
Tabla 4 Datos técnicos del motor Motor Fabricante MOD Factor de servicio SF Voltaje Intensidad SFA FR AMB INS. CL NEMA DSN TIME RATING Potencia Fases Frecuencia RPM CODE
Brazo del motor basculante (d)
General Electric 5K48NG626X 1.15 230 V-460V 6.0 / 3.0 A 6.6/3.3 56 40C B B CONT 2.0 HP 3 60 Hz 3450 H THERMALLY PROTECTED 0.16 m
Tabla 5 Datos técnicos de la celda de carga [9] Celda de carga Fabricante Modelo Rango Excitación Temperatura Sobrecarga segura Tornillo de fijación Longitud del cable Depósito de aceite Material Accesorios Capacidad Tipo de aceite Viscosidad del aceite
Omegadyne LCFD-10 247924 0 – 10 lbs 5.00 V DC -54 a 121 °C -65 a 250 °F 150 FS 6-32 UNC 5 ft acero Filtro interno tipo malla metálica Nivel de vidrio 3 US Gal. (12 L) Shell TELLUS S2M 32 32 cSt a 40 °C
3
Nota: Se recomienda que la temperatura del aceite sea cercana a los 40 °C para que su viscosidad coincida con la viscosidad a la que se ha calibrado el flujómetro.
76
Bomba de aspas deslizantes PROCEDIMIENTO 1. Verificar las conexiones eléctricas 2. Conectar la celda de carga 30 minutos antes de comenzar la práctica. 3. Verificar que exista una precarga en sistema de medición de fuerza (celda de carga). Valor recomendado 0.5 kgf. Tomar el valor de esta precarga. 4. Ajustar el tornillo moleteado (grafilado) del sistema basculante para evitar que exista contacto entre el brazo del motor y la celda de carga cuando se inicia el movimiento de giro del motor 4 5. Verificar que el depósito contiene el volumen de aceite requerido 6. Ajustar el interruptor del variador de frecuencia en OFF. 7. Ajustar la perilla del variador para mínima frecuencia 8. Oprimir el pulsador de encendido del “guarda- motor”. En la pantalla del variador debe aparecer la palabra “OFF”
9. Posicionar el interruptor del variador en ON. En la pantalla del variador debe aparecer la palabra “SEP”.
Girar ligeramente la perilla del variador y verificar que el sentido de giro de la bomba es el correcto5. 10. Ajustar la velocidad de rotación de la bomba haciendo uso de la perilla del variador para obtener el valor de velocidad previamente seleccionado. 4
Antes de alcanzar la velocidad mínima recomendada, se presentan vibraciones que pueden ocasionar daño en la celda de carga. 5 En el motor aparece indicado el sentido de giro correcto, horario mirando el motor desde su parte posterior.
Valores recomendados: 400 a 1000 rpm6. Nota: Frecuencia mínima para el variador: 20 Hz7 11. Aflojar el tornillo moleteado (ver Fig. 8) para permitir que el brazo del motor basculante haga contacto con la celda de carga. 12. Tomar, para una velocidad de rotación fija, los valores de: presión de descarga, caudal y fuerza en la celda de carga. Se recomienda un rango de presiones de 0 a 600 psi. Para mantener constante la velocidad de rotación de la bomba, se debe variar la frecuencia en el variador 8. 13. Consignar los datos en la tabla. 14. Repetir el procedimiento para una velocidad de rotación diferente (valores sugeridos: 1.5, 2, ó 3 *Ninicial) 15. Ajustar el tornillo moleteado para evitar que la celda de carga haga contacto con el brazo del motor basculante. Disminuir la frecuencia a 0 Hz. Cortar el suministro de energía al variador. 6
Para obtener valores de 1000 rpm en la bomba, se requiere que la frecuencia de alimentación del motor sea cercana a los 70 Hz. Debe programarse el variador para esta máxima frecuencia (ver manual del variador Lenze, código C11). El motor no tiene problema para operar a esta frecuencia. 7 Para proteger el variador, se recomienda operar siempre a frecuencias superiores a 10 Hz. Operar a 20 Hz garantiza un buen margen de protección del equipo. 8 A medida que se incrementa la presión de descarga de la bomba, se requiere mayor potencia de accionamiento, esto produce una disminución en la velocidad de rotación del motor eléctrico, entonces, para mantener su velocidad constante se requiere incrementar la frecuencia.
77
Bomba de aspas deslizantes Tabla Datos obtenidos N bomba [rpm]= Nmotor = 4 x Nbomba P [psi] 1
0
2
200
3
400
4
600
5
800
Q [Lpm]
Fi [kgf]
P: Presión de descarga de la bomba Q: Caudal efectivo (válvula de
seguridad cerrada) 9 FHP ó FkW : Potencia del fluido en HP o kW FHP ó FkW PQ N : Velocidad de rotación de la
bomba [rpm] Fi: Fuerza en la celda de carga T : Torque = Fi*d d :
Brazo del motor basculante (distancia entre el centro del motor y el punto de contacto con la celda de carga) BHP : T
: velocidad angular del propulsor. 10 propulsor = 4 bomba
INFORME 1. Para una misma velocidad de rotación de la bomba, y en una misma gráfica, trazar las curvas: Caudal vs Presión (QP)
9
Fluid Horsepower
10
Tenga presente que la relación de transmisión del reductor es 4:1 y la fuerza se mide en el motor basculante.
Potencia de accionamiento vs Presión (BHP vs P) Eficiencia vs P 2. Compare el comportamiento para las dos velocidades de rotación. 3. Compare el comportamiento de esta bomba con el típico de una BDP rotatoria.
REFERENCIAS [1] MATAIX, Claudio. Mecánica de Fluidos y Máquinas Hidráulicas. 2 ed. México: Harla, 1982. 660 p. [2] WARRING, R.H. Selección de Bombas- Sistemas y Aplicaciones. España : Labor, 1977. 362 p. [3] VIEJO ZUBICARAY, Manuel; ALVAREZ FERNÁNDEZ, Javier. Bombas, Teoría, Diseño y Aplicaciones. 3 ed. México : Limusa. 2003. 239 p. [4] SPERRY-VICKERS. Manual de Oleohidráulica Industrial. Barcelona: Editorial Blume.1981. [5] MOTT, Robert. Mecánica de Fluidos. 6a ed. México: Prentice Hall, 2006. 628 p. [6]http://www.michael-smithengineers.co.uk/products/vane pumps/vane- pumps.htm [7] ARANGO RIOS, Johan Sebastián; SOTO LOPERA, Jhony Heriberto. Diseño y Construcción de un Banco Hidráulico con Bomba de Desplazamiento Positivo Rotativa para el Laboratorio de Fluidos y Máquinas Hidráulicas de la Universidad Tecnológica de Pereira. Universidad Tecnológica de Pereira. 2014 [8] http://www.badgermeter.com/FlowInstrumentation/Hedland/EZ-ViewFlow-Meters.htm 78
