Cavitación en bombas de carcasa dividida de doble succión: causas, diseño del impulsor y soluciones

La cavitación es uno de los problemas hidráulicos más comunes que afectan a las bombas centrífugas, particularmente en aplicaciones que involucran altos caudales, condiciones de succión exigentes u operación continua. Para las bombas de carcasa dividida de doble succión, la cavitación puede reducir el rendimiento hidráulico, aumentar la vibración y el ruido, dañar las superficies del impulsor y acortar la vida útil de los componentes críticos.

Aunque la cavitación a menudo se asocia con una presión de succión insuficiente, el problema no está determinado únicamente por las condiciones de succión. La geometría de entrada del impulsor, la velocidad del flujo, el punto de operación, la temperatura del fluido y la resistencia de la tubería de succión influyen en la probabilidad de cavitación.

Por lo tanto, mejorar la resistencia a la cavitación requiere una combinación de selección adecuada de la bomba, optimización del diseño hidráulico y funcionamiento correcto del sistema.

Este artículo explica cómo se desarrolla la cavitación en bombas de carcasa dividida de doble succión, examina dos mejoras importantes en el diseño del impulsor e introduce métodos prácticos para prevenir la cavitación en sistemas de bombeo industriales.

 

 

1. ¿Qué es la cavitación en una bomba de carcasa dividida?

La cavitación ocurre cuando la presión local de un líquido cae por debajo de su presión de vapor, lo que hace que parte del líquido se vaporice y forme pequeñas burbujas de vapor.

A medida que estas burbujas se mueven hacia regiones de mayor presión dentro de la bomba, colapsan rápidamente. El colapso repetido de las burbujas puede generar impactos de presión localizados y dañar las superficies metálicas cercanas.

En una bomba de carcasa dividida de doble succión, la cavitación comúnmente se desarrolla alrededor de la entrada del impulsor, particularmente cerca de los bordes de ataque de las palas donde la aceleración local del flujo puede producir una reducción de presión.

Los síntomas típicos incluyen:

Crujidos inusuales o ruidos parecidos a grava durante el funcionamiento.

Mayor vibración y funcionamiento inestable.

Picaduras o erosión en las superficies del impulsor.

Cabezal de bomba y eficiencia hidráulica reducidos.

Caudal y presión de descarga fluctuantes.

Daño prematuro a rodamientos y sellos mecánicos en casos severos.

La cavitación debe distinguirse del aire que ingresa a la tubería de succión. Ambos pueden producir ruido y funcionamiento inestable, pero sus causas y medidas correctivas son diferentes. Un diagnóstico adecuado debe considerar la presión de succión, las condiciones del fluido, los datos operativos y los resultados de la inspección interna.

 

2. ¿Por qué las bombas de carcasa dividida de doble succión son susceptibles a la cavitación?

Una bomba de carcasa dividida de doble succión normalmente utiliza una carcasa dividida horizontalmente y un impulsor de doble entrada. El líquido ingresa al impulsor por ambos lados, dividiendo el flujo total entre dos conductos de entrada.

Esta disposición ofrece ventajas para aplicaciones de gran flujo y puede ayudar a equilibrar las fuerzas hidráulicas axiales. Sin embargo, no elimina automáticamente la cavitación.

La presión en la entrada del impulsor depende de varios factores:

Alta velocidad del flujo de entrada

Cuando el líquido pasa a través de un conducto de entrada restringido o mal diseñado, su velocidad puede aumentar y la presión estática local puede disminuir. Si la presión local cae por debajo de la presión de vapor del líquido, se pueden formar burbujas de vapor.

Condiciones de funcionamiento inadecuadas

Operar demasiado lejos del rango operativo recomendado puede causar patrones de flujo desfavorables, mayores pérdidas hidráulicas, separación del flujo y fluctuaciones de presión locales.

Condiciones de succión insuficientes

Una altura de succión alta, una tubería de succión larga, una tubería de tamaño insuficiente, una válvula parcialmente cerrada o un filtro bloqueado pueden aumentar las pérdidas de succión y reducir la presión disponible en la entrada de la bomba.

Alta temperatura del líquido

A medida que aumenta la temperatura del líquido, generalmente aumenta su presión de vapor. Esto reduce el margen de presión disponible antes de que se produzca la formación de vapor.

Distribución desigual del flujo de entrada

Una mala disposición de las tuberías de succión, codos cercanos, cambios abruptos en el diámetro de la tubería u otras perturbaciones aguas arriba pueden producir un perfil de velocidad no uniforme. Esto puede causar condiciones de flujo desfavorables en la entrada del impulsor, incluso cuando la presión de succión general parece aceptable.

Comprender estos factores es esencial antes de decidir si el problema requiere una modificación del sistema, un rediseño de la bomba o una combinación de ambos.

 

3. Dos mejoras importantes en el diseño del impulsor para la resistencia a la cavitación

Mejorar el diseño hidráulico de la entrada del impulsor puede ayudar a reducir la aceleración del flujo local y la pérdida de presión. Dos parámetros de diseño que vale la pena evaluar son el perfil de la cubierta frontal y el diámetro del cubo del impulsor.

3.1 Optimice el radio de giro de la cubierta delantera

La cubierta frontal, también conocida como placa de cubierta frontal, forma parte del paso de flujo de entrada del impulsor.

Cerca del borde de ataque de la pala del impulsor, la geometría de la cubierta frontal influye en cómo el líquido gira y entra en los conductos de la pala. Una transición abrupta o una curvatura inadecuada pueden contribuir a una aceleración local, una separación del flujo y una distribución desfavorable de la presión.

Optimizar el radio de giro de la cubierta frontal puede ayudar a crear un paso de entrada más suave.

Los beneficios potenciales incluyen:

Reducir los cambios bruscos en la dirección del flujo.

Mejora de la distribución de la velocidad del líquido cerca de la entrada de la pala.

Reducción de pérdidas hidráulicas locales.

Ayudando a prevenir regiones desfavorables de baja presión cerca de la entrada del impulsor.

Durante el proceso de diseño, el radio de giro debe evaluarse junto con el ancho de entrada, la geometría del borde de ataque de la pala y el paso general del impulsor.

Un radio mayor no es automáticamente mejor en todas las bombas. Los cambios geométricos excesivos pueden afectar el paso del flujo, el rendimiento hidráulico o la viabilidad de fabricación. El perfil final debe determinarse mediante cálculos de diseño hidráulico, dinámica de fluidos computacional (CFD) y pruebas de rendimiento adecuadas.

3.2 Reducir adecuadamente el diámetro del cubo del impulsor

El cubo es la parte central del impulsor que se conecta al eje de la bomba y transfiere potencia de rotación al impulsor.

En la etapa de diseño, reducir el diámetro del cubo mientras se mantiene sin cambios el diámetro de entrada del impulsor puede aumentar el área de flujo de entrada disponible.

Un área de flujo efectiva más grande puede ayudar a reducir la velocidad de entrada promedio en condiciones adecuadas, mejorando potencialmente la distribución de presión cerca del ojo del impulsor.

Sin embargo, el diámetro del cubo también está estrechamente relacionado con la resistencia mecánica.

Se deben considerar los siguientes factores antes de cambiar la geometría del cubo:

Diámetro del eje y resistencia mecánica.

Espesor de la pared del cubo e integridad estructural.

Material del impulsor y velocidad de rotación.

Concentración de tensiones alrededor de la conexión del cubo y el eje.

Requisitos de fijación y montaje del impulsor.

Rendimiento hidráulico en todo el rango operativo previsto.

Reducir el diámetro del cubo sin una evaluación estructural adecuada puede debilitar el impulsor o afectar la confiabilidad del conjunto giratorio.

Por lo tanto, esta modificación debe tratarse como una optimización a nivel de diseño en lugar de una reparación de campo de rutina. Las dimensiones finales deben satisfacer los requisitos tanto hidráulicos como mecánicos.

 

4. La importancia del NPSH en la prevención de la cavitación

La geometría del impulsor es sólo una parte de la prevención de la cavitación. También se debe evaluar la relación entre la altura de succión positiva neta disponible del sistema y la altura de succión positiva neta requerida por la bomba.

NPSH significa altura de succión neta positiva. Se utiliza para evaluar si hay suficiente presión disponible en la succión de la bomba para limitar la formación de vapor.

Hay dos parámetros importantes:

NPSHa (Cabezal de succión positiva neta disponible):El NPSH proporcionado por el sistema de bombeo en condiciones reales de operación.

NPSHr (altura de succión positiva neta requerida):El requisito de NPSH de la bomba a un caudal y velocidad específicos, determinado mediante pruebas de rendimiento de la bomba.

Una condición básica de selección es:

NPSHa > NPSHr

En la ingeniería práctica también debería mantenerse un margen de seguridad adecuado. El margen requerido depende del diseño de la bomba, las condiciones de operación, la norma aplicable y las recomendaciones del fabricante.

NPSHa se puede reducir mediante:

Pérdidas excesivas por fricción en la tubería de succión.

Alta elevación de succión.

Nivel bajo de líquido en el tanque de suministro.

Alta temperatura del líquido.

Válvulas de succión restringidas o filtros bloqueados.

Condiciones desfavorables de presión del sistema.

Una bomba puede tener un impulsor bien diseñado pero aun así experimentar cavitación si el NPSH disponible es insuficiente. Por lo tanto, se deben considerar tanto los requisitos del lado de la bomba como las condiciones del lado del sistema.

 

5. Medidas prácticas para reducir la cavitación en los sistemas de bombeo existentes

Además de mejorar el diseño hidráulico de la bomba, varios ajustes a nivel del sistema pueden ayudar a reducir la cavitación.

Mejorar la tubería de succión

Utilice una tubería de succión del tamaño adecuado para evitar una velocidad de flujo excesiva y pérdidas por fricción. Mantenga la tubería de succión lo más corta y directa posible y evite codos innecesarios, cambios bruscos de diámetro y accesorios restrictivos.

Asegúrese de que las válvulas de succión estén completamente abiertas durante el funcionamiento normal y que los coladores o filtros se inspeccionen y limpien periódicamente.

Mantenga un suministro de líquido adecuado

Verifique el nivel de líquido en el tanque de suministro y revise la elevación de instalación de la bomba. Cuando las condiciones lo permitan, reducir la altura de succión o aumentar el nivel de líquido estático puede mejorar la NPSHa.

Para sistemas cerrados, verifique que la presión del sistema sea adecuada para la temperatura del fluido y los requisitos operativos.

Opere cerca del rango operativo recomendado

Verifique el caudal real con la curva de rendimiento de la bomba del fabricante.

Evite el funcionamiento prolongado con caudales excesivamente bajos o altos, donde se puede desarrollar inestabilidad hidráulica. Seleccione una bomba cuyo punto de mejor eficiencia y rango de operación permitido sean apropiados para el trabajo esperado del sistema.

Monitorear la temperatura y las condiciones de los fluidos

Para líquidos calientes, evalúe su presión de vapor a la temperatura de funcionamiento real. Los cambios en la temperatura, composición, viscosidad o contenido de gas del líquido pueden influir en el rendimiento de la succión.

El requisito de NPSH de la bomba debe evaluarse para el fluido real y las condiciones de operación en lugar de confiar únicamente en datos de referencia basados ​​en agua.

Inspeccionar impulsores y conductos de flujo internos

Durante el mantenimiento programado, inspeccione los bordes de ataque, las cubiertas y otras superficies mojadas de las palas del impulsor en busca de picaduras, erosión, corrosión y depósitos.

Si se encuentran daños, determine si están asociados con cavitación, desgaste abrasivo, corrosión u otro mecanismo antes de seleccionar un método de reparación.

 

6. Cómo seleccionar una bomba de carcasa dividida con mejor resistencia a la cavitación

Seleccionar una bomba con características de succión adecuadas es particularmente importante para aplicaciones de suministro de agua de gran caudal, circulación de agua de refrigeración, riego y procesos industriales.

Antes de seleccionar una bomba de carcasa dividida de doble succión, los ingenieros deben evaluar la siguiente información:

Factor de selección	Información para confirmar
Caudal	Flujo de operación normal, mínimo y máximo.
Cabeza dinámica total	Altura requerida en condiciones reales del sistema
Propiedades liquidas	Tipo, temperatura, densidad, viscosidad y presión de vapor.
Condiciones de succión	Nivel del tanque de suministro, presión, elevación de succión y pérdidas en la tubería
NPSH	NPSHa disponible y NPSHr requerido por la bomba
Velocidad de la bomba	Velocidad del motor y condiciones de funcionamiento esperadas.
Instalación	Cimientos, disposición de tuberías y condiciones del flujo de entrada.
Materiales	Resistencia a la corrosión e idoneidad para el líquido bombeado.

La bomba debe evaluarse utilizando sus curvas de rendimiento completas, incluyendo flujo, altura, eficiencia, potencia y NPSHr.

Para aplicaciones con presión de succión limitada o condiciones de entrada exigentes, una bomba con características hidráulicas adecuadas de bajo NPSH puede ser más apropiada que simplemente seleccionar un motor más grande o un modelo de mayor capacidad.

 

Conclusión

La cavitación en bombas de carcasa dividida de doble succión está influenciada tanto por el sistema de bombeo como por el diseño hidráulico interno. Un NPSH insuficiente, una velocidad de entrada excesiva, una distribución de flujo desfavorable y condiciones operativas inadecuadas pueden contribuir a su desarrollo.

A nivel de diseño, optimizar el radio de giro de la cubierta frontal y reducir adecuadamente el diámetro del cubo del impulsor puede ayudar a mejorar las condiciones del flujo de entrada. Sin embargo, estas modificaciones deben evaluarse junto con la resistencia del impulsor, el diseño del eje, el rendimiento hidráulico y los requisitos de fabricación.

Para las instalaciones existentes, es igualmente importante mejorar las condiciones de la tubería de succión, mantener un suministro de líquido adecuado, operar dentro del rango recomendado y monitorear el NPSH.

Un enfoque sistemático que combine un diseño hidráulico sólido, una selección precisa de la bomba y el funcionamiento adecuado del sistema puede ayudar a reducir el daño por cavitación y mejorar la confiabilidad a largo plazo de las bombas centrífugas industriales.