¿Qué es el empuje axial?

El empuje axial, un factor crítico en el diseño y funcionamiento de las bombas centrífugas, se refiere a la fuerza neta que actúa paralela al eje de la bomba. Este artículo profundiza en las causas, consecuencias y estrategias de gestión del empuje axial en bombas centrífugas, proporcionando información valiosa tanto para ingenieros como para usuarios de bombas.

Componentes clave que contribuyen al empuje axial

1. Fuerzas hidráulicas axiales sobre las cubiertas del impulsor: La distribución de presión en las cubiertas delantera y trasera del impulsor crea una fuerza axial.
2. Fuerzas de momento debidas al cambio en la velocidad axial del fluido.: A medida que el fluido acelera o desacelera en la dirección axial, ejerce una fuerza sobre el impulsor, lo que contribuye al empuje axial.
3. Fuerzas debidas a diferencias de presión entre sellos y cojinetes: Los desequilibrios de presión entre los sellos del eje y los cojinetes pueden generar fuerzas axiales adicionales en el rotor de la bomba.
4. Peso de los componentes del rotor (para bombas verticales): En configuraciones de bomba vertical, el peso del conjunto del rotor, incluidos los impulsores, el eje y otros componentes, contribuye al empuje axial general.

Ecuación para calcular el empuje axial

El empuje axial (F) que actúa sobre el impulsor de una bomba centrífuga se puede calcular mediante la siguiente ecuación:

F = (P1 – P2) × A + ρ × Q × (V2 – V1)

Dónde:

• P1 y P2 son las presiones que actúan sobre las cubiertas delantera y trasera del impulsor, respectivamente.
• A es el área de la cubierta del impulsor
• ρ es la densidad del fluido
• Q es el caudal volumétrico
• V1 y V2 son las velocidades axiales del fluido en la entrada y salida del impulsor, respectivamente.

Esta ecuación tiene en cuenta tanto las fuerzas de presión como las fuerzas de momento que actúan sobre el impulsor en la dirección axial.

Causas del empuje axial en diferentes diseños de bombas

Bombas de una etapa

En las bombas centrífugas de una sola etapa, el empuje axial surge principalmente de la diferencia de presión entre las cubiertas delantera y trasera del impulsor. La mayor presión en el lado de descarga del impulsor crea una fuerza neta que empuja el impulsor hacia el lado de succión. Este empuje axial puede verse influenciado por factores como el diseño del impulsor, las condiciones de funcionamiento y las holguras de los anillos de desgaste.

Bombas multietapa

Las bombas centrífugas multietapa, que cuentan con múltiples impulsores dispuestos en serie, enfrentan desafíos adicionales en la gestión del empuje axial. La presión aumenta en cada compuesto de etapa, lo que resulta en una fuerza axial significativamente mayor en comparación con las bombas de una sola etapa. Además, la presencia de tambores de equilibrio, discos de equilibrio o pistones de equilibrio, que se utilizan para contrarrestar el empuje axial, introduce una complejidad adicional al sistema.

Consecuencias del empuje axial excesivo

1. Sobrecarga y falla prematura de los cojinetes de empuje.: Las fuerzas axiales elevadas pueden hacer que los cojinetes de empuje funcionen más allá de su capacidad nominal, lo que provoca un desgaste acelerado y fallas prematuras.
2. Deflexión y vibración excesivas del eje: Las fuerzas axiales desequilibradas pueden hacer que el eje de la bomba se desvíe, lo que genera mayores niveles de vibración y una reducción de la vida útil del rodamiento.
3. Desgaste acelerado de las holguras internas de la bomba.: El empuje axial puede provocar contacto entre componentes giratorios y estacionarios, como anillos de desgaste y tambores de equilibrio, lo que provoca un desgaste acelerado y mayores holguras.
4. Fugas y fallas del sello mecánico: El movimiento axial excesivo del rotor de la bomba puede provocar fugas o fallas prematuras en los sellos mecánicos.
5. Reducción de la eficiencia y confiabilidad de la bomba: Los efectos combinados del aumento de la vibración, el desgaste y el daño de los componentes debido a un empuje axial excesivo pueden reducir significativamente la eficiencia de la bomba y la confiabilidad general.

Métodos para equilibrar y controlar el empuje axial

1. Cojinetes de empuje y su tamaño.: Los cojinetes de empuje seleccionados y dimensionados adecuadamente, como los cojinetes de bolas de contacto angular o los cojinetes de almohadilla basculante, pueden soportar eficazmente las cargas axiales generadas por la bomba. Se debe prestar especial atención a la capacidad de carga, la velocidad nominal y los requisitos de lubricación del rodamiento.
2. Disposiciones del impulsor: El uso de impulsores de doble succión o disposiciones de impulsores espalda con espalda puede ayudar a equilibrar las fuerzas axiales que actúan sobre el rotor de la bomba, reduciendo el empuje axial neto.
3. Equilibra tambores, discos y pistones.: Estos dispositivos, montados en el eje de la bomba, crean una fuerza axial contraria al utilizar la diferencia de presión entre la descarga y la succión de la bomba.
4. Orificios de equilibrio y contraálabes en impulsores.: Los orificios o contraálabes colocados estratégicamente en las cubiertas del impulsor pueden ayudar a igualar la distribución de presión, reduciendo la fuerza axial neta que actúa sobre el impulsor.
5. Dispositivos de equilibrio hidráulico automático.: Los dispositivos de equilibrio hidráulico autoajustables, como el sistema de “flujo equilibrado” de ITT Goulds Pumps, pueden mantener automáticamente un equilibrio de empuje axial óptimo en diferentes condiciones operativas.
6. Efecto de las holguras de los anillos de desgaste: Mantener las holguras adecuadas de los anillos de desgaste es esencial para controlar el empuje axial. A medida que aumentan las holguras de los anillos de desgaste debido al desgaste normal, la distribución de presión alrededor del impulsor cambia, lo que potencialmente aumenta el empuje axial.

Preguntas frecuentes

¿Cuál es la diferencia entre rodamientos de empuje axiales y radiales?

Los rodamientos axiales (de empuje) están diseñados para soportar cargas que actúan paralelamente al eje del eje, mientras que los rodamientos radiales soportan cargas que actúan perpendicularmente al eje del eje.

En las bombas centrífugas, los cojinetes de empuje axial se utilizan para contrarrestar las fuerzas axiales generadas por los impulsores de la bomba y la distribución de presión dentro de la carcasa de la bomba. Los cojinetes radiales soportan el peso del rotor de la bomba y cualquier fuerza radial que surja de las interacciones entre el impulsor y la carcasa o la desalineación del eje.

Conclusión

Comprender y gestionar eficazmente el empuje axial es fundamental para garantizar el funcionamiento fiable y eficiente de las bombas centrífugas. Al considerar los diversos factores que contribuyen al empuje axial, como el diseño del impulsor, la configuración de la bomba y las condiciones de operación, los ingenieros pueden diseñar y seleccionar estrategias apropiadas de equilibrio del empuje.

El monitoreo, el mantenimiento y el cumplimiento regulares de las mejores prácticas operativas pueden ayudar aún más a minimizar el impacto del empuje axial en el rendimiento y la longevidad de la bomba.