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BOMBAS DE PISTONES COMET - FUNCIONAMIENTO Y COMPOSICIÓN
Las bombas de pistones Comet forman parte de la categoría de bombas volumétricas alternativas de pistones, es decir, dotadas de características técnicas por lo cual el desplazamiento del líquido se produce en virtud de las variaciones de una o más capacidades, que aspiran e impulsan el líquido alternativamente. La diferencia entre volumen máximo y mínimo de la capacidad variable, representa el volumen teórico de líquido bombeado.
Las bombas de pistones Comet se subdividen en dos categorías:
1) Bombas de pistones en línea (o Triplex)
2) Bombas de pistones axiales
Ambos tipos de bombas están formados esencialmente por dos elementos constructivos fundamentales, ensamblados entre sí de modo fijo:
- el cabezal, que encierra en su interior la parte hidráulica de la bomba
- el cárter, que encierra en su interior la parte mecánica-cinemática (en baño de aceite).
Los demás elementos principales, comunes a ambas categorías de bombas, son:
- el sistema de estanqueidad hidráulica en los pistones, constituido por pistones bombeantes, anillos y juntas
- las válvulas de aspiración e impulsión
Todos estos elementos se encuentran ubicados en el cabezal
La diferencia fundamental entre los dos tipos de bombas de pistones (en línea y axiales) está constituida por la parte mecánica-cinemática,
que determina el movimiento alternativo de los pistones.
Bomba de pistones en línea (Triplex)
La bomba de pistones en línea (Triplex) Comet está estructurada en tres elementos bombean-
tes, dispuestos a lo largo de ejes que yacen en el mismo plano horizontal. Dichos elementos bombeantes están formados cada uno por un pistón (constituido por un tramo “de guía” y un tramo “bombeante”), movido en modo alternativo por un sistema biela-manivela, que es responsable de las acciones de aspiración y de presión. La bomba de pistones prevé el sistema de estanqueidad del líquido bombeado de tipo fijo, mientras el pistón se desplaza en su interior. Por lo tanto, los elementos bombeantes son movidos por un eje de tres excéntricas desfasadas 120° entre sí. El eje de tres excéntricas está sostenido por dos rodamientos y tiene una extremidad que sobresale del cárter para tomar el movimiento del motor que acciona la bomba. Cada elemento bombeante está realizado como se describe a continuación.
El movimiento alternativo del pistón de guía lo produce la biela a través del pasador, la cual es
accionada al mismo tiempo por uno de los tres ejes excéntricos que pertenece al cigüeñal que
proporciona el movimiento a la bomba. Al pistón de guía está conectado el pistón bom-
beante, que se puede realizar con un casquillo, de material cerámico, aplicado al pistón de guía y sostenido por una tuerca, o bien realizando un tramo de aplicación cerámica directamente en el pistón deslizante. En el pistón bombeante interviene el sistema de estanqueidad, con la función de garantizar la estanqueidad del líquido bombeado durante el desplazamiento alternativo del pistón bombeante.
Bomba de pistones axiales
La bomba de pistones axiales Comet está siempre estructurada en tres elementos bombeantes, dispuestos paralelamente en este caso
posicionados sobre tres generadores equidistantes de un cilindro geométrico. Dichos elementos bombeantes están formados cada uno por un pistón (también en este caso, constituido por un tramo “de guía” y un tramo “bombeante”), movido en modo alternativo por un sistema de empuje de platillo inclinado y por un sistema de retorno por muelle. Le bomba de pistones prevé siempre el sistema de estanqueidad del líquido bombeado de tipo fijo, mientras el pistón se desplaza en su interior. El platillo, inclinado respecto al eje de los pistones, da el empuje al pistón de guía a través de un tejuelo (o chapa), que interviene en la extremidad del pistón con la interposición de un rodamiento axial entre el tejuelo y el platillo. El platillo es solidario al cigüeñal que proporciona el movimiento a la bomba y que es coaxial con los tres pistones. El cigüeñal a su vez está sostenido por un cojinete de empuje, alojado en el soporte bomba, y tiene una extremidad que sobresale del Soporte para tomar el movimiento del motor que acciona la bomba. Al pistón de guía está conectado el pistón bombeante, que está realizado con un tramo de aplicación cerámica o con un tratamiento superficial especial realizado directamente en el pistón de guía. En el pistón bombeante interviene el sistema de estanqueidad, cuya función es garantizar la estanqueidad del líquido bombeado durante el desplazamiento alternativo del pistón bombeante.
Sistema de estanqueidad sobre los
pistones bombeantes
El sistema de estanqueidad, en ambos tipos de bombas, está constituido esencialmente por dos juntas: una junta de alta presión, con la función de estanqueidad del líquido bombeado, y una junta de baja presión, con la función de estanqueidad del líquido que pierde la junta de alta presión. Las dos juntas están separadas entre sí, interponiendo una cámara anular que está en comunicación, a través de un orificio de conexión, con el colector de aspiración. Las funciones de esta configuración constructiva son dos:
- crear un depósito de recuperación de la eventual pérdida de líquido de la junta de alta presión, impidiendo que éste salga al exterior
- garantizar la presencia de líquido entre las dos juntas, también en caso de inexistencia de pérdidas de la junta de alta presión; esto para mantener mojada la junta de baja presión y, por lo tanto, impedir que ésta se caliente excesivamente debido a la ausencia de lubricación.
Generalmente forman parte del Sistema de estanqueidad también otros elementos accesorios a las juntas, concretamente los anillos de presión, los anillos de sujeción de las juntas y los anillos anti-extrusión. La presencia y la forma constructiva de estos elementos accesorios están vinculados a distintos factores, entre los cuales, los más importantes a tener en cuenta son el tipo de junta adoptada y la presión de trabajo de la bomba.
Válvulas de aspiración e impulsión
Cada elemento bombeante de ambos tipos de bombas (de pistones en línea y de pistones axiales) va acompañado de una válvula de aspiración y de una válvula de impulsión, normalmente iguales entre sí y colocadas en sentido opuesto una respecto a la otra. La función de las válvulas consiste en interceptar el líquido permitiendo la acción bombeante en el ciclo de trabajo correspondiente a la rotación del cigüeñal.
El funcionamiento de las válvulas es de tipo automático, es decir, la apertura y el cierre están determinados por la diferencia de presión del fluido en el platillo de la válvula, mantenido en posición por la fuerza de contraste de un muelle.Una rotación completa del cigüeñal de la bomba determina una fase de aspiración (retorno del pistón hasta el punto muerto inferior) y otra de impulsión (avance del pistón hasta el punto muerto superior) por cada elemento bombeante. En la fase de aspiración, el líquido se aspira a través de la válvula de aspiración en la cámara de bombeo obtenida en el cabezal, mientras la válvula de impulsión está cerrada. En la fase de mpulsión, el líquido es empujado fuera de la cámara de bombeo a través de la válvula de impulsión, mientras la válvula de aspiración está cerrada. Los elementos bombeantes están conectados transversalmente entre sí por los colectores de aspiración e impulsión obtenidos en el cabezal.
Prestaciones
Las prestaciones de las Bombas de Pistones se identifican por las magnitudes físicas siguientes:
- Caudal
- Presión
- Potencia
El caudal es el volumen bombeado en la unidad de tiempo, pudiéndose distinguir un Caudal teórico Qt (caudal teóricamente suministrado
por la bomba) y un caudal efectivo Qe (caudal efectivamente suministrado por la bomba). El Caudal normalmente se expresa con las unida-
des de medida l/min (sistema métrico) o gpm (sistema anglosajón). El Caudal Qt para las bombas de tres pistones en línea se calcula con la fórmula siguiente (válida para las unidades métricas):
Donde:
D [mm] = diámetro pistón
e [mm] = excentricidad cigüeñal bomba
n [rmp] = velocidad de rotación
En cambio, el Caudal Qt para las bombas de tres pistones axiales se calcula con la fórmula siguiente (válida para las unidades métricas):
Donde:
D [mm] = diámetro pistón
i [mm] = entre eje pistones (distancia entre el eje de la bomba y el eje de un pistón)
a [rad] = ángulo de inclinación platillo bomba
n [rmp] = velocidad de rotación
De dichos valores en unidades métricas, se obtiene el caudal en unidades anglosajonas con la fórmula:
La relación entre los dos caudales, teórico y efectivo, define el rendimiento volumétrico Nv de la bomba:
Los valores de caudal que aparecen en las prestaciones en el catálogo son los del caudal efectivo Qe.El caudal de las bombas volumétricas de pistones es proporcional a la velocidad de rotación y es tendencialmente independiente de la presión de impulsión, tendiendo a disminuir conforme aumenta ésta última.
La presión es el valor máximo que se puede obtener en el cabezal de la bomba en condiciones de trabajo. Aquí es necesario precisar que las bombas volumétricas de pistones no desarrollan intrínsecamente presión en su movimiento, pero desplazan líquido en virtud de sus características constructivas, tal como se describe en el capítulo anterior.
Pero si detrás de la bomba, en el circuito de impulsión, hay una obstrucción (por ejemplo, una boquilla), en el cabezal de la bomba se genera la presión necesaria de manera que la bomba pueda atravesar la obstrucción encontrada.Por lo tanto, es necesario que en el circuito de impulsión se encuentre una válvula de máxima presión que no permita que se instaure una presión superior a la máxima, establecida en base a las características de resistencia de la bomba. Efectivamente, si la obstrucción citada arriba fuera total (por ejemplo, el cierre total del circuito de impulsión), la presión tendría un valor infinitamente grande con la consiguiente rotura del cabezal. La introducción de una válvula de by-pass regulable, permite además establecer un determinado valor de presión en función de las exigencias de uso.La Presión se expresa en unidades métricas, en bar, en MPa, y en unidades del sistema anglosajón en PSI. Las relaciones entre dichas unidades de medida son las siguientes:
La potencia útil Nu de una bomba es la energía suministrada al líquido bombeado en la unidad de tiempo, mientras la potencia absorbida Na es la energía en la unidad de tiempo que la bomba pide a su fuente de energía (motor eléctrico, térmico, oleodinámico, etc.) para realizar el trabajo de bombeo requerido. Las unidades de medida utilizadas para expresar la Potencia son kW, CV y HP.
La potencia útil Nu se calcula con la fórmula:
Las relaciones entre las demás unidades de medida de la potencia son las siguientes:
La potencia absorbida está vinculada a la potencia útil con la relación:
donde nt es el rendimiento total de la bomba producido de los tres rendimientos nv (volumétrico), nm (mecánico) e ni (hidráulico).
El rendimiento volumétrico nv normalmente asume valores de 0,85 a 0,95. Los valores inferiores se obtienen para las bombas de pistones axiales y con el aumento de la velocidad de rotación, mientras los valores más altos se obtienen en las bombas de pistones en línea y con bajas velocidades de rotación. El rendimiento hidráulico ni expresa las pérdidas para las resistencias opuestas al flujo a través del cabezal y para las presiones elevadas, típicas de las bombas de pistones, tiene valores próximos a la unidad. El rendimiento mecánico nm expresa las pérdidas de potencia en la parte mecánica-cinemática: tiene valores superiores en las bombas de pistones en línea (0,94÷0,96) y valores inferiores en las bombas de pistones axiales (0,90÷0,92). En base a lo anteriormente citado, el rendimiento total nt asume los valores más bajos (0,78÷0,80) en las bombas de pistones axiales a alta velocidad de rotación (3400 rpm) y los valores más altos (0,90÷0,92) en las bombas de pistones en línea a baja velocidad de rotación (1000÷1400 rpm). Los valores de potencia que aparecen en las prestaciones en el catálogo son aquellos de la potencia absorbida Nu. La potencia absorbida en las bombas volumétricas de pistones, con velocidad de rotación constante (y por tanto con caudal constante) es proporcional a la presión.