Gene Vogel
Especialista de Bombas y Vibraciones de EASA

Las bombas de turbina verticales (VTP) son accionadas por motores verticales provistos con grandes rodamientos de empuje que soportan el peso del rotor del motor, el rotor de la bomba y el empuje dinámico hacia abajo, producido por los impulsores cuando levantan el líquido. El peso del rotor del motor y del rotor de la bomba se determinan fácilmente a partir de datos de ingeniería simples.  El cálculo del empuje producido por los impulsores cuando interactúan con el líquido en movimiento es mucho más difícil y no siempre el empuje es generado hacia abajo.

Durante ciertas etapas de la operación de la bomba, el flujo del líquido a través de los impulsores puede generar un empuje hacia arriba que puede elevar el conjunto rotativo de la bomba. La fuerza ascendente resultante puede causar estragos en los rodamientos de empuje del motor que posiblemente solo están diseñados para manejar el empuje hacia abajo.

En este artículo revisemos brevemente cómo se produce el empuje hacia arriba en las bombas y las disposiciones en los motores VTP diseñados para controlarlo.

Condiciones de empuje hacia arriba

La idea de que una bomba vertical que levanta una columna de agua pueda producir empuje hacia arriba en el rotor de la bomba es algo contradictoria. Pero esto ocurre en las bombas VTP multi etapas bajo ciertas condiciones de flujo. En general, el empuje hacia arriba se puede generar cuando se apaga el motor o cuando la bomba se encuentra funcionando a velocidades de flujo que sobrepasan el rango de funcionamiento permitido. Si ocurre empuje hacia arriba y hasta qué punto puede llegar el mismo, depende del diseño hidrodinámico de la bomba en particular. El fabricante de la bomba puede especificar condiciones de empuje hacia arriba. Ver Figura 1.

Flujo y fuerzas de reacción
La Figura 2A muestra el flujo de líquido a través del tazón y del impulsor de una VTP. La Figura 2B ilustra las posibles fuerzas de reacción en el impulsor y la voluta que resultan de ese flujo. Note que la dirección de descarga del impulsor es principalmente radial y solo parcialmente vertical. (Esto es típico de los impulsores de flujo mixto). La gran mayoría de la fuerza hacia arriba sobre el líquido es impartida por las paletas difusoras estacionarias en el tazón de la bomba. Por lo tanto, la mayor parte de la fuerza de elevación es soportada por la columna estacionaria soportando los tazones; solo una fracción de la fuerza de elevación se imparte al rotor de la bomba. Otro factor de fuerza que actúa sobre el rotor de la bomba es el momento del líquido, ya que impacta el ojo de succión del impulsor y es redirigido radialmente. El líquido tiene masa y se mueve hacia arriba a medida que ingresa al ojo de succión del impulsor y, por tanto, tiene un momento hacia arriba.

 Durante el funcionamiento normal, la fuerza hacia abajo de la cabeza de descarga y la succión del impulsor, junto con el peso del rotor de la bomba, excede la fuerza hacia arriba del momento del líquido que ingresa al impulsor. El resultado es el empuje hacia abajo impartido al rotor de la bomba y soportado por el rodamiento(s) de empuje del motor.

Cuando se apaga el motor, el cabezal de succión cae más rápido que el flujo de líquido a través de la bomba y el momento del flujo de líquido puede provocar un empuje hacia arriba. Al apagar el motor, el empuje hacia arriba suele ser momentáneo (menos de 10 segundos). El empuje hacia arriba también puede ocurrir durante condiciones de alto flujo. Las fuerzas del momento aumentan con la velocidad del líquido, por lo que en condiciones de flujo alto, el momento hacia arriba del líquido aumenta de forma significativa. El empuje hacia arriba bajo condiciones de flujo alto es más que momentáneo y los rodamientos del motor deben estar diseñados para manejar el empuje hacia arriba continuo.

Disposición de los rodamientos

Los rodamientos de empuje en los motores VTP pueden ser de bolas de contacto angular, de rodillos esféricos o cojinetes hidrodinámicos tipo “Kingsbury”. Además, los motores VTP tendrán un rodamiento guía que puede ser un rodamiento rígido de bolas, un rodamiento de rodillos cilíndricos o un cojinete de deslizamiento. Existen distintas combinaciones y disposiciones de rodamientos para manejar el empuje hacia arriba. Las disposiciones de rodamientos más comunes usan rodamientos de bolas de contacto angular (rodamientos 7xxx). Si se utiliza un solo rodamiento 7xxx, este estará orientado para soportar solo el empuje hacia abajo. En este caso, se utiliza un rodamiento rígido de bolas como rodamiento guía, que puede estar diseñado para manejar el empuje momentáneo hacia arriba. Si se incluye un segundo rodamiento 7xxx, este puede estar orientado hacia abajo (rodamientos en tándem) para así aumentar la capacidad total de empuje hacia abajo o puede estar orientado hacia arriba para controlar más las condiciones momentáneas de empuje hacia arriba. En este caso, los dos rodamientos 7xxx pueden estar dispuestos de forma consecutiva espalda con espalda o cara a cara.  Ver Figura 3. En cualquiera de los casos, el muñón del eje y el alojamiento del rodamiento deben estar diseñados para proporcionar una retención adecuada de la pista interna y externa y una precarga del rodamiento. Algunas veces, se utilizan tres rodamientos 7xxx, en los que por lo general, dos están orientados hacia abajo y uno hacia arriba.

Rodamientos de rodillos esféricos
Para obtener una mayor capacidad de empuje hacia abajo, se utilizan rodamientos de rodillos esféricos. Los rodamientos de rodillos esféricos tienen un requisito de carga mínima significativo y se dañan fácilmente con cualquier movimiento de empuje hacia arriba. Cuando el empuje hacia arriba es posible en un rodamiento de rodillos esféricos de una VTP, los rodamientos se montan sobre resortes; durante las condiciones de empuje, los resortes mantienen un contacto total entre los rodillos y las pistas hacia arriba y absorben el impacto, cuando el empuje hacia abajo normal se restablece.

Con los cojinetes hidrodinámicos de elementos deslizantes(tipo “Kingsbury”) se puede lograr una capacidad de empuje hacia abajo aún mayor. Para estas aplicaciones de alto empuje hacia abajo, los problemas por las condiciones de empuje hacia arriba son poco comunes, y cuando es necesario, se diseñan disposiciones especiales de empuje hacia arriba según la aplicación específica.

En todos los casos en los que se utiliza un rodamiento rígido de bolas como rodamiento guía, el ajuste del juego axial del motor es crítico. En la Sección 8 del Manual Técnico de EASA: Bearings, se describen varias técnicas para ajustar el juego final en los motores de las VTP. Con la variedad de las configuraciones de rodamientos posibles y las condiciones de empuje hacia arriba potenciales, es importante que los reparadores de los motores VTP tengan un conocimiento profundo de cómo una determinada máquina está diseñada para manejar empuje hacia abajo y empuje hacia arriba. Una discusión más extensa sobre el tema está incluida en el seminario de EASA:  Fundamentals of Pump Repair y en otros seminarios de EASA. 

DISPONIBLE EN INGLÉS

Categories: Bearings, Pumps

Tags: Vertical turbine pumps

Rate this article:

5.0

Print