M A N U A L D E D I S E Ñ O BOMBAS VERTICALES TIPO TURBINA BOMBAS

Transcripción

1 M A N U A L D E D I S E Ñ O BOMBAS VETICALES TIPO TUBINA BOMBAS

2 MANUAL DE DISEÑO DE BOMBAS VETICALES TIPO TUBINA AUTO: ING. AUL SUAEZ GONZALEZ EDICION Y DIBUJO: ALEJANDO JAALILLO HEEA BOMBAS INDICE INTODUCCION SECCION Conceptos de hidráulica 1.2. Definiciones basicas SECCION 2 de PASO 1. Elementos basicos para el diseño y calculo de un equipo bombeo y obtenciòn de la informacion necesaria. PASO 2. Calculo de la carga dinamica total (C.D.T) PASO 3. Calculo de cuerpo de tazones o ensamble de tazones 3.1.Calculo de la Carga por paso y no. de pasos 3.2.Calculo de Potencia consumida. 3.3.Analisis de la flecha de tazones PASO 4. Calculo de la columna de equipo 4.1.Tubo. de columna 4.2.Transmisión 4.3.Analisis d empuje axial y juego axial (Estiramiento) PASO 5. Determinacion del cabezal de descarga PASO 6. Calculos del elemento motriz PASO 7. Consideraciones de ingenieria 7.1Analisis del NPSH (Carga Neta de Succión Positiva). SECCION 3 Ejemplo de calculo 1

3 INTODUCCION El agua para ser utilizable no siempre la tenemos en el punto donde la necesitamos, por lo que en la mayor parte de los casos es necesario transportarla y/o elevarla al sitio donde la requerimos, y cada vez más frecuente es necesario también darle una determinada presión para su adecuada utilización. Para ello necesariamente tenemos que agregarle cierta cantidad de energia, la cual nos permite lograr colocar el agua donde nos es util. La mejor manera que ha encontrado el hombre hasta el momento de lograr esto es a travez de una bomba, cuya función es generar la presión necesaria para vencer la altura a la que queremos tenerla, asì como subsanar todas las perdidas de presión generadas por la fricción en las tuberias y accesorios para su transporte, esto se logra a travez de un intercambio de energia el cual se lleva a cabo haciendo girar un impulsor mediante una flecha o eje, y el cual por su geometría es decir el diseño de sus alabes generará dicha presión. El objetivo del presente manual de diseño, es dar una guiá lo mas objetiva y accesible posible para aprender a diseñar adecuadamente un equipo de bombeo. Contiene una sección de hidráulica básica, la cual es muy importante comprender para generar un buen diseño y cálculo, y recomendamos al estudiante nuevo medite con cuidado estos conceptos que son basicos para comprender el transporte de agua, que como ya mencionamos SECCION 1 CONCEPTOS DE HIDAULICA Se define a la Hidráulica como una rama de la fisica que estudia el comportamiento de los fluidos. En nuestro caso el fluido a estudiar siempre sera agua, y se conoce como hidrostatica el estudio del comportamiento de agua en reposo e hidrodinámica el estudio del agua en movimiento. El agua siempre toma la forma del recipiente que la contiene y se toma para fines prácticos, como incompresible, es decir no la puedo comprimir o cambiar el volumen que ocupa en el recipiente que la contiene. El agua tambien tiene un peso el cual siendo destilada es decir limpia y sin gases ni solidos disueltos en ella es de 1kg por cada litro o decimetro cubico de agua, a este concepto se le conoce como densidad, es decir, es el peso por unidad de volumen de liquido. Otro concepto interesante es la gravedad especifica, la cual es el valor relativo del peso de cualquier liquido con respecto al agua que pesa 1 kg/lt. Es decir si un liquido tiene una gravedad especifica de 1.2, significa que hablamos de un liquido que es % mas pesado que el agua destilada, dicho liquido puede ser tambien agua pero con sales disueltas como es el agua de mar, o bien si la gravedad especifica es 0.9 se trata de Otro concepto basico para entender el comportamiento del agua es la Presión que se define como: La fuerza que ejerce el agua en una determinada area. Es decir, el agua confinada en un recipiente, necesariamente ejerce una fuerza contra las paredes y base de dicho recipiente. Debido a su peso mismo, esta fuerza dividida entre el area donde la ejerce se conoce como presion y su formula matemática es : P= F/A y sus unidades comunes son kg/cm2 En donde: P = presión F = fuerza A = area Esta fuerza es el peso del agua sobre el punto donde se está midiendo, por lo que dependemos de la altura de la columna de agua en dicho punto. 2

4 EJEM. Si nosotros tomamos un recipiente de 1 cm x 1 cm y lo llenamos de agua a una altura de digamos 1 mt. la presión sera igual a: P = Peso/Area Para obtener el peso debemos sacar cuantos decímetros cubicos de agua hay en el recipiente que sera: 0.1 x 0.1 x = 0. dm3 y si sabemos que la densidad del agua es 1 kg/dm3, deduzco que el peso o fuerza ejercida es 0.1 kg y como el area es 1 cm2, la presion sera 0.1Kg/cm2 por cada metro de columna de agua. Esto no cambia si el agua a 1 mt de profundidad esta contenida en este pequeño deposito, a que si esta en un lago y al mismo metro de profundidad, el area analizada es solo un centímetro cuadrado del fondo de ambos recipientes, ambos sienten una Si fuerza en lugar de 0.1 de kg 1 por metro centímetro de profundidad cuadrado. tengo dos metros, la presión sera lo doble pues tengo el doble de peso de agua en el mismo centímetro cuadrado del fondo. Esto significa que para obtener una presión de 1kg/cm2 yo necesito una columna de mts y a esta relación entre presión y elevación se le conoce como: METOS DE CAGA. Por lo que con este simple factor de conversión yo puedo saber que presión puedo esperar en la parte inferior de un tanque elevado con agua en reposo, o en un tubo que viene desde un deposito en la cima de una colina de determinada altura (fig. 1), esta es la misma presión que requiero para empujar el agua hacia la cima de una colina o hacia la superficie si la tengo dentro de un pozo de cierta profundidad, presión que me la tiene que dar la bomba diseñada para elevar el agua a la altura necesaria. Presión estatica se refiere a los kgs/cm2 de presión en un sistema cerrado y sin movimiento. En una linea de tuberia, cuando nosotros tenemos agua dentro de ella y estan cerradas todas las válvulas de salida, esta linea puede tener una presión estática, esta presión estática es una presión potencial disponible para operar un sistema. Hay dos maneras de crear esta presión estática en la linea, llevando el agua a un tanque o deposito a un punto mas alto del que la necesitamos ó mediante una bomba, presurizando directamente Cuando en el sistema cerrado anterior nosotros abrimos una valvula, el agua fluye por la tuberia, esta lo hace a una cierta velocidad, la cual depende de dos variables basicas: 1. El gasto o sea los lts/seg que quiero que fluyan en esa tuberia. 2. El diámetro de la misma, es decir entre menor sea el diámetro de la tuberia de conducción tengo una menor area y la velocidad aumenta y entre mayor sea el gasto que V1 quiero D1 pasar por un V2 diámetro dado, D2 también tengo una mayor velocidad. Para un mismo gasto en L/s, V1 > V2 debido a que D1 < D2 fig. 2 Es decir, yo requiero, de 1 kg/cm2 de presión para elevar mts de carga de desnivel desde un punto de referencia. Por lo que defino la velocidad con la siguiente formula: Por lo que nosotros no vamos a poder llevar agua a 50 mts de altura, con una bomba que nos de, digamos mts de carga. V= Q/(A x 00) donde: V = velocidad a la que pasa un fluido en mts/seg Q = gasto que esta pasando en lts/seg Presión en el manometro: P= h En Kg/cm2 fig. 1 3

5 Entendiendo el concepto de velocidad ahora trataremos de definir el de fricción. La fricción es una perdida de presión o carga al transportar agua en una tuberia y se debe a la resistencia al flujo que ofrecen las paredes del tubo, asi también como cualquier tipo de accesorio o elemento que oponga resistencia al flujo como: válvulas, conecciones, etc. por donde circula dicha agua. Esta resistencia depende de la velocidad a la que pasa el agua por el tubo o accesorio y a la rugosidad del tubo mismo. Esta rugosidad significa que entre mas rugosa sea la pared mayor fricción tengo en la tuberia y entre mas velocidad del agua mayor fricción tengo también. En este momento podemos hablar ya de lo que se conoce como: Presión dinamica ó presión de operación Esta presión es variable en diferentes puntos de la tuberia debido a estas perdidas por fricción por la tuberia y accesorios, así como la perdida o ganancia por elevación. Debemos calcular nuestra bomba para obtener una presión minima necesaria, que sea capaz de vencer todos los desniveles desde donde tengo el agua hasta donde la necesito llevar, así como vencer todas las perdidas y asì tener por fricciòn la presión tanto necesaria en la tuberia en el de punto conducción de salida como de en linea los para accesorios, que un sistema de distribución de agua funcione adecuadamente. Ejem. un sistema de riego agricola o sistema de agua potable), presión que pudiera ser cero si yo Para calcular las perdidas por fricción en tuberias existen formulas, las cuales a travez de una computadora las podemos calcular, y existen tambien tablas basadas en dichas formulas, que nos ayudan a determinar dicha fricción. Tanto la ecuación como un nomograma de calculo (pag. 8) lo presentamos en el presente manual, así como tambien existen tablas obtenidas experimentalmente que nos indican la fricción en accesorios, tabla que tambien presentamos. (tabla 1), y desde fuego la tabla 2 que nos indica la fricción o perdida de carga que se experimenta en la columna de la bomba vertical tipo turbina de Una regla de diseño en base a experiencia es: Diseñar con una velocidad igual o menor a 1.50 mts/seg. en la tuberia de conducción posterior al cabezal de descarga de la bomba. Y en la columna de la bomba podemos diseñar hasta velocidades de 4 mts/seg dado que para fines de fricción se considera corta la columna con respecto a la TAMAÑO PULG. 1/8 1/4 3/8 1/2 3/4 1 11/4 11/2 2 21/2 3 31/ VALVULA DE COMPUETA ABIETA /4 CEADA /2 CEADA /4 CEADA VALV. GLOBO ABIETA VALV. ANGULO ABIETA VALVULA CHECK ABIETA CAMBIOS DE DIAMETO CODO 90º STANDAD CODO 90º CUVA MEDIA CODO 90º CUVA LAGA Tabla No. 1 Fricción en accesorios. CODO 45º CODO 90º CUADADO LONGITUD EQUIVALENTE DE TUBO ECTO (EN PIES) CUVA CEADA TEE EN LINEA TEE EN ANGULO Usando los 3 primeros diametros para el tamaño del tubo. EDUCCION ABUPTA AMPLIACION ABUPTA d D d D d D Diametro menor = Diametro mayor d D 1/4 1/2 3/4 1/4 1/2 3/ d D d D d D

6 PAG. 5 BOMBAS BOMBAS TUBO 8" TUBO " TUBO 12" TUBO 14" TUBO 16" TUBO " TUBO 24" TUBO " PEDIDAS PO FICCION A CADA 0 PIES DE TUBEIA (EN PIES) BASADA EN LA FOMULA DE WILLIAMS & HAZEN TAMAÑOS DE TUBO DE FIEO STANDAD EN PULG. Vel. x Seg. Vel. x Seg. Vel. x Seg. Vel. x Seg. Vel. x Seg. Vel. x Seg. Vel. x Seg. Vel. x Seg. Vel. x Seg. Vel. x Seg. Vel. x Seg. Perd. Carga Perd. Carga Perd. Carga Perd. Carga Perd. Carga Perd. Carga Perd. Carga Perd. Carga Perd. Carga Perd. Carga Perd. Carga 1/2" 3/4" 1" 11/4" 11/2" 2" 21/2" 3" 4" 5" 6" DIAMETO GPM

7 PEDIDAS PO FICCION A CADA 0 `PIES DE TUBEIA (EN PIES) BASADA EN LA FOMULA DE WILLIMS & HAZEN TAMAÑOS DE TUBO DE PVC STANDAD EN PULG. D. NOM. 1/2 3/4 1 11/4 11/2 D.I. (mm) D.I. (plg) gasto vel. carga vel. carga vel. carga vel. carga vel. carga GPM LPS pps pies pps pies pps pies pps pies pps pies 2 21/ vel. carga vel. carga vel. carga vel. carga vel. carga pps pies pps pies pps pies pps pies pps. pies D.NOM. 8 D.I.(m m) D.I. (plg) 7.57 D.NOM. D.I.(m m) D.I. (plg) 9.47 D.NOM. 12 D.I.(m m)3.00 D.I. (plg) D.NOM. D.I.(m m) D.I. (plg) D.NOM. 18 D.I.(m m) D.NOM. 21 D.I. (plg) D.I.(m m) D.I. (plg) D.NOM. 24 D.I.(m m) D.I. (plg) D.NOM. 27 D.I.(m m) D.I. (plg) BOMBAS 6

8 TABLA No. 2 FICCION EN TUBEIA DE COLUMNA Capacidadm /h Friccion en tubo de columna@ 0 pies (en pies) 0 mts. (en mts) x11/4 4 x 2 4x11/2 4x11/4 5 x 2 5x11/2 5x11/4 6x21/2 6 x 2 6x11/2 8 x 3 8x21/2 8 x 2 x31/2 x 3 x21/2 x 2 12x31/2 12 x 3 12x21/2 12 x 2 14 x 4 14x31/2 14 x 3 14x21/2 16 x 4 16x31/2 16 x 3 16x21/ Factor de Conversión: 1 L.P.S. =.85 G.P.M. Capacidadgpm TABLA DE FICCION EN TUBEIA DE COLUMNA Nota: La frcicción fue determinada en pruebas de laboratorio con tubo nuevo (C=140) Las etiquetas sobre las lineas diagonales muestran el diametro nominal (en plg.) exterior del tubo de columna, y el diametro exterior del tubo de cubierta, en su caso. Para el tubo de columna, se tomo el diametro interior para la construccion de la tabla mostrada, este valor fue redondeado al tamaño nominal del tubo, esto hasta 12 plg. solamente. (por ejemplo, plg. =.2 plg. ID). Para tubo de 14 pulgadas y mayor, el diametro importante es el equivalente al diámetro exterior del tubo menos 3/8" de espesor de pared (por ejemplo, 16 plg. = 1/4" ID). Para la cubierta interior ( en caso de lubricacion aceite), El calculo fue basado en el diametro exterior de tubo standard (acero al carbon). De este modo 8" x 2" en la tabla, realmente seria 8.071" x 23/8", y 16" x 3" es 1/4" x 31/2" Capacidadm 3/h Friccion(pies) / 2 Diametro de la Descarga pulg Friccion(mts) TABLA No. 3 FICCION EN CABEZALES DE DESCAGA Capacidadgpm Factor de Conversión: Plg. x = mm 7

9 NOMOGAMA PAA CALCULO DE PEDIDAS PO FICCION A TAVES DE TUBO DE PVC 3 GASTO EN GALONES PO MINUTO DIAMETO INTEIO DEL TUBO EN PULG A FICCION PO CADA 0 PIES DE TUBO EN PSI FICCION EN 0 PIES DE TUBO EN PIES DE CAGA 4B VELOCIDAD EN PIES PO SEGUNDO LOS VALOES DE ESTA GAFICA SON BASADOS SEGUN LA FOMULA DE HAZEN WILLIANS: COMO USA ESTE NOMOGAMA: EJEMPLO: 1 2 TUBO TIPO 2 PV160 (I.D ) CON UN GASTO DE 40 GPM q 1.85 or f = q c x d d f = 0.83 ( ) (1) SE COLOCA UNA EGLA ENTE LA GAFICA DE GASTO Y DIA. DE TUBO, SEGUN LOS DATOS INDICADOS. (1) SELECCIONE EL DIAMETO DE TUBO (Diametro Interior). (2) DETEMINE EL FLUJO TOTAL DE AGUA QUE PASAA A TAVES DEL TUBO. (3) COLOQUE UNA EGLA EN ESTOS DOS PUNTOS. (4) LOS PUNTOS INTECEPTADOS EN LAS GAFICAS DE FICCION A CADA 3 f = Fricción por cada 0 pies de tuberia. d = Diametro interior del tubo en pulg. q = Flujo en Galones por Minuto. c = Constante por rugosidad interior del tubo (0 para PVC) (2) SE LEE 0.95 (or 2.2 ft) EN LA GAFICA DE PEDIDAS PO FICCION. 4A 0 PIES DE TUBO Y DE VELOCIDAD, NOS DAAN LOS VALOES COESPONDIENTES. 4B (3) Y EN LA GAFICA DE VELOCIDAD SE LEE 3.49 ft PO SEGUNDO 8

10 DEFINICIONES BASICAS DESCAGA LIBE TUBEIA DE CONDUCCION A LA DESCAGA NIVEL DE EFEENCIA ELEVACION TOPOGAFICA NIVEL ESTATICO NIVEL DINAMICO IMPULSO TIPO CEADO IMPULSO TIPO SEMIABIETO ABATIMIENTO POFUNDIDAD DEL POZO 1.1. GASTO Este se da en LTS/SEG y es la razón a la cual el volumen de agua cruza la sección transversal del tubo en una unidad de tiempo NIVEL DINAMICO Es la distancia vertical desde el nivel de referencia hasta la superficie del agua cuando se encuentra en operación el equipo de bombeo NIVEL ESTATICO Es la distancia vertical desde el nivel de referencia hasta la superficie del agua cuando se encuentra apagado el equipo de bombeo DIAMETO DEL ADEME Es el diametro máximo disponible para colocar el equipo de 1.4. TIPO DE LUBICACION Esto se refiere al tipo de lubricación para la transmision, puede ser agua ó aceite TIPO DE IMPULSO Los tipos de impulsor pueden ser semiabierto ó cerrado. DIAMETO DE ADEME 1.6. VELOCIDAD (PM) Es el numero de.p.m. que necesita la bomba para cumplir las condiciones de diseño, las mas comunes son ( PM. o 3600 PM ). Estos datos nos los da el cliente, pero nosotros podemos dar algunas sugerencias para que el sistema de bombeo sea mas eficiente. 9

11 SECCION 2 PASO 1 ELEMENTOS BASICOS PAA EL DISEÑO Y CALCULO DE UN EQUIPO DE BOMBEO Y OBTENCION DE LA INFOMACION NECESAIA Lo primero con lo que debemos contar para poder realizar el diseño de un sistema de bombeo son los siguientes datos: Gasto. Nivel dinámico. Diámetro del ademe. Tipo de lubricación que se desea. Tipo de impulsor ( Semiabierto ó Cerrado ). Velocidad de operaciòn (.P.M.). Gravedad especifica del agua a bombear Temperatura del agua a bombear. Altitud Presión de operación a la descarga de la bomba. Elevación topográfica Datos que ya definimos en la SECCION 1 de este manual y que es indispensable analizar y comprender, al menos los mencionados en la lista de arriba, y que se obtienen de la siguiente manera: Cuando se trata de un pozo nuevo, lo correcto es practicar un aforo en dicho pozo, es decir determinar cuanta agua es capaz de dar y a que profundidad, lo cual se logra con una bomba de prueba diseñada para tal fin y un motor de combustión al que podamos variar las revoluciones y experimentalmente tomamos los datos que arroje dicho aforo, que es básicamente el gasto que nos da el pozo a una determinada profundidad y a determinadas revoluciones por minuto que gira la flecha de la bomba. En este Si se trata de un pozo que no es nuevo debemos tener los datos del equipo anterior o aforo anterior. Si hablamos de una bomba para uso industrial, un carcamo de rebombeo, o disponemos de toda el agua que queramos, nos basaremos en el gasto deseado o de diseño. esumiendo: 1.1 Gasto: del aforo o gasto de diseño (explicado anteriormente). 1.2.Nivel Dinámico: del aforo o nivel de bombeo en el caso de un carcamo. 1.3.Diámetro del ademe: del aforo directamente o checandolo del carcamo de bombeo. 1.4.Tipo de lubricación: Lo sugerimos nosotros o directamente el usuario 1.5.Tipo de impulsor: Lo sugerimos nosotros o dierctamente el usuario 1.6.Velocidad (rpm): Se sugiere inicialmente 1760 rpm que es la velocidad normal y posteriormente si de acuerdo a las condiciones de operación del equipo no se logran con esa velocidad se escogera otra. 1.7Gravedad especifica: Se obtiene pesando un decimetro cùbico del agua a bombear. 1.8.Temperatura del agua: Se toma directamente con termometro. 1.9.Altitud sobre el nivel del mar: Se debe conseguir si estamos bombeando en un lugar de excesiva altitud pues puede afectar el NPSH. 1..Presión de operación a la descarga de la bomba: Esta información puede estar previamente definida por el cliente o bien la calculamos en el paso 2 de este manual Elevación Topografica: Es el desnivel topografico desde el PASO cabezal 2 de descarga hasta la descarga del agua. CALCULO DE LA CAGA DINAMICA TOTAL (C.D.T.) A continuación se procede a calcular la carga dinámica total ( CDT ), esta la obtenemos de la siguiente manera. CDT = Nivel dinamico + Elevación + Fricciones en columna + Fricciones en descarga o conducción + presión de operación. Estos conceptos ya se explicaron en la sección de definiciones y conceptos de hidráulica pero podemos revisarlos nueva y brevemente de la siguiente manera: Nivel Dinámico Es la distancia vertical desde el cabezal de descarga ó nivel de superficie, hasta el nivel del agua cuando se encuentra en operación el equipo de bombeo. (ver pag. 3 y 9) Elevación Es el nivel máximo al cual deseamos llevar el agua con respecto al cabezal de descarga. (pag. 3 y 9) Fricciones en columna Son las perdidas de carga, generadas por el rozamiento que existe entre las paredes del tubo debido a la velocidad del agua que circula dentro de el y a la rugosidad Fricciones en conducción Son las perdidas de carga, generadas por el rozamiento que existe entre las paredes del tubo de descarga debido a la velocidad del agua que circula dentro de el, así como en los accesorios que existan en el trayecto de la descarga o conducción despues del cabezal de descarga. (ver pg. 9)

12 4.1.5.Presión de operación Es la presión que se requiere en el ultimo punto de salida del agua, expresada en: MTS o PIES (ecordemos que: 1 kg/cm2= mts y 1 Lb/Plg2 = 2.31 ) puede esta presión de operación ser cero si deseamos el agua a descarga libre. (Para estos conceptos revisados y los calculos posteriores, es necesario ver y analizar los diagramas de las pags. 3,5,6,8 y 9, así como las tablas 1 y 2 de las pags. 4 y 7. Para fines de calcular la fricción en la columna de la bomba proponemos un diametro inicial de acuerdo a la tabla 4 que luego ratificaremos en el diseño del tubo de columna. Y para la conducción posterior al cabezal longitud adicional, normalmente nos vamos a un diametro mayor al de columna de la bomba, aunque todo depende de un analisis de fricciones y ecónomico entre el costo de la tuberia y el costo de energia de caballaje adicional con un GASTO (L/s) DIAMETO DEL TUBO DE COLUMNA TABLA No. 4 Diámetro inicial propuesto PASO 3 DISEÑO DEL CUEPO O ENSAMBLE DE TAZONES 3.1 CALCULO DE LA CAGA PO PASO Y No. DE PASOS Con el gasto de diseño, buscamos la curva de operación que nos de mejor eficiencia, y tratando de quedar en el lado izquierdo del punto de mejor eficiencia. Debemos siempre, tomar en cuenta el diametro del ademe, para así poder localizar la curva de operaciòn de acuerdo a la familia del modelo de tazón que corresponde, tomando en cuenta el diámetro máximo disponible. 3.1.Calculo de la Carga por paso y no. de pasos En la curva de operación seleccionada nos posicionamos en el gasto de diseño y trazamos una linea vertical hasta tocar la curva de operaciòn, de mayor diámetro, obteniendo el porcentaje de eficiencia de ese punto de operación, luego trazamos una linea horizontal en dirección a la carga total, la cual nos va a dar el número de metros que eleva un paso de dicho modelo de tazónimpulsor, y obtenemos el No. de pasos dividiendo la CDT 1 2 CUVA DE OPEACION 1 Carga teórica por paso diámetro nominal. 2. Carga teórica por paso diámetro recortado. 11

13 entre la carga que nos da por paso a la eficiencia del punto de operación, esa eficiencia sin embargo no es la real a la que trabajara nuestra bomba, por lo que hay que hacer algunas consideraciones al respecto. La Eficiencia real es a la que va a trabajar realmente nuestra bomba, hasta ahora solo tenemos el punto de eficiencia obtenido en el inciso anterior, la cual es una eficiencia con tazón esmaltado y con un numero de pasos tal, que no hay necesidad de corregir dicha eficiencia. Pero debemos analizar, los puntos de eficiencia que hay que disminuir por no. de pasos y por no ser esmaltado, dato que podemos ver en las tablas de la curva de operación. La eficiencia de la curva de operación menos los puntos restados nos dara la nueva eficiencia o eficiencia real. Para saber cual es la carga real por paso obtengo un factor de corrección el cual es la división de la eficiencia real entre la eficiencia de la curva de operación, con este factor lo multiplico por la carga por paso sin corregir, para obtener la carga real por paso y de aqui obtenemos el no de pasos real. También tenemos que hacer la corrección por concepto de gravedad especifica, es decir que si la gravedad especifica del agua es diferente a 1.0 tenemos que obtener un segundo factor de correcciòn que es igual a la gravedad especifica del agua destilada (1.0) entre la gravedad especifica del agua que se pretende bombear. Lo anterior matemáticamente hablando sera: c.p.p.2 = F1 x F2 x c.p.p. 1 (ecn 2.1) Donde F1 = (ef2/ef1) y F2 = (g1/g2) c.p.p.2 = carga real o ajustada por paso. ef2 = ef1 menos los puntos por tazón no esmaltado y menos los puntos por los numeros de pasos de nuestra bomba. ef1 = Es la eficiencia obtenida en las curvas de operación. g1 = Gravedad especifica del agua destilada = 1.0 g2 = Gravedad especifica del agua que se pretende bombear. c.p.p.1 = Carga por paso téorica obtenida en las curvas de operación. No. de pasos = CDT/(c.p.p.2) (el entero mayor de esta división)(ecn 2.2) ECOTE DEL IMPULSO Si la carga real por paso multiplicada por el no. de pasos es muy diferente a la C.D.T. requerida, (esto es porque se toma el entero mayor de la división), debemos corregirla y la manera de hacerlo es mediante un recorte del diametro del impulsor. Es decir disminuir un poco el diametro del impulsor para que disminuya su carga por paso y la CDT sea más cercana a la que requerimos realmente. Para calcular el recorte de un impulsor debemos hacer un proceso inverso o sea: partir primero de obtener la carga real por paso, es decir la carga dinamica total dividida entre el no de pasos obtenidos anteriorment (ecn 2.2), con esa carga real por paso obtenemos la carga teórica por paso dividiendo la carga real por paso entre los factores de corrección obtenidos en la ecn 2.1. O sea: c.p.p2 = CDT/No de pasos c.p.p1 = c.p.p2 / (F1 x F2). Con esta carga teórica por paso, cruzada con el gasto del Es decir obtenemos una solución de tipo grafica Solo debemos de tomar en cuenta los factores de corrección F1 y F2 mencionados anteriormente basados en disminuir la eficiencia a una eficiencia real y en la gravedad especifica real del agua a bombear. 3.2 CALCULO DE LA POTENCIA CONSUMIDA Siempre las curvas de operación nos muestran ciertos diámetros tipicos de operación de impulsor a ciertos diámetros tipicos, a medida que el impulsor tiene menor diametro, la curva tiene menor carga a un determinado gasto. La primera curva es la que corresponde al diámetro nominal del impulsor, debemos ubicar o interpolar la curva en la que nuestro impulsor operara, esto se logra ubicando de una manera relativa el diámetro nuevo (determinado en la sección anterior), contra el diámetro nominal en la curva de Existe una curva de caballaje por paso (Tabla "A" pag. 13), también de acuerdo al diámetro del impulsor, con la cual obtenemos los caballos de potencia consumidos por el equipo, en la parte inferior de la curva de operación del modelo seleccionado. Estos caballos se obtienen, trazando una linea vertical del gasto en dirección a la curva elegida, tomando en cuenta tambien el recorte si lo hubo, de este punto trazamos una obtenemos los HP que nos consume un paso de dicho modelo de tazónimpulsor. Este valor lo multiplicamos por el no. de pasos obtenidos en la sección anterior y obtendremos los hp totales consumidos por nuestra bomba en cuestión. Esta potencia obtenida es la potencia que requiere la bomba en la flecha. A esta potencia se debera agregar la potencia perdida en la flecha de acuerdo a la tabla "B" de la pag. 13 Hasta este momento tenemos el siguiente cuadro resuelto: * Modelo de tazón e impulsor y el no. de pasos * Diametro al que va a operar nuestro impulsor. * Carga dinamica total real a obtener * Caballos de potencia que nos va a consumir nuestro equipo. 12

14 TABLA "A" CUVA DE POTENCIA CONSUMIDA Diametromm Prdidas en la 0 pies de columna (en h.p.) Nota: kw = x hp DiametroPlg. TABLA "B" PEDIDAS DE POTENCIA EN LA FLECHA 13

15 Debemos tener en cuenta que la potencia que nos consume nuestra bomba, no debe exceder los limites de resistencia a la torsiòn que tiene la flecha del ensamble de tazones. Esta resistencia depende del diámetro de la misma flecha, la velocidad de rotación a la que funciona, el empuje axial máximo a que está sometida dicha flecha y del material de 3.3 ANALISIS DE LA FLECHA DE TAZONES Para analizar nuestra flecha de tazones, en la tabla No.5 nos indica a que diámetro de flecha corresponde cada modelo de tazónimpulsor, tenemos que tomar en cuenta la potencia en la flecha que ya calculamos en el punto anterior, y el empuje axial, ya que el diámetro de flecha del ensamble de tazones debera ser mayor o igual la diámetro mínimo permisible que aparece en la tabla 6, de otro modo se tendra que consultar a la fábrica para realizar un diseño especial o un CUADO DE ESPECIFICACIONES PAA EL CALCULO DE LA FLECHA DE TAZONES Modelo Flecha Diámetro Altura Flecha Altura Longitud Columna Paso Tazones Máximo Succión Succión Descarga Cuerda Descarga Adicional Longitud Flecha 1er. Paso L. Agua L.Aceite S E D C T L1 L2 Empuje Axial Kg/Mt Peso Elemento otativo Kg 6lsc 3/4 5 / " 4" STD hxhc 7/8 5 5/ " STD hhc 1 5 3/ " STD hxhc " STD lsc 1 3/16 7 5/ " STD msc 1 3/16 7 3/ " STD hxhc 1 3/16 7 3/ " STD hhc 1 3/16 7 3/ " STD mfhc 1 3/16 7 3/ " STD lsc 1 3/16 9 / " STD msc 1 3/16 7 3/ " STD hxhc 1 1/2 9 11/ " STD hhc 1 1/2 9 11/ " STD lsc 1 1/2 11 / " STD msc 1 1/ / " STD hxhc 1 / / " STD msc 1 / / " STD hhc 1 / " STD hhc 1 / / C/Brida Brida 12" STD msa 1 7 7/ " STD mfha 1 3/16 7 3/ " STD msa 1 1/2 6 5/ " STD hxha 1 1/2 9 11/ " STD hha 1 1/2 9 11/ " STD msa 1 1/2 11 5/ " STD hxha 1 / / " STD msa 1 / / " STD TABLA No. 5 CALCULO DE LA FLECHA DE TAZONES PAA BOMBAS VETICALES P Lubricación Aceite L2 = (SE) + (TxNo. Pasos) + (DC) + P' Lubricación Agua L1 = (SE) + (TxNo. Pasos) + (DC) + P P' D T S C E L1 donde: L1 = Longitud flecha de tazones lubricación agua L2 = Longitud flecha de tazones lubricación aceite P = Proyección lubricación agua Pulg. P' = Proyección lubricación aceite Pulg. T = Altura tazón intermedio S = Altura succión E = Distancia inicio de succión a inicio flecha D = Altura descarga C = Longitud de la cuerda de la descarga D T S C E L2 Esquema 1er. Paso L. Agua Esquema 1er. Paso L. Aceite 14

16 TABLA 6 CABALLAJE ACEPTADO EN FUNCION DEL DIAMETO DE FLECHA Y EMPUJE AXIAL EN FLECHA DE LINEA OSCADA 1760 PM EMPUJE AXIAL Para material diferente a C45 multiple por el siguiente factor. Para velocidad diferente a 1760 PM multiplique por el siguiente factor: BOMBAS

17 CALCULO DEL EMPUJE AXIAL. Debemos calcular el empuje axial al que está sometida la flecha del cuerpo de tazones, el cual es el empuje hacia abajo ocasionado por la reacción al girar los impulsores, dato que aparece en la tabla en kg/mt de carga y depende del modelo del tazón, más el peso del impulsor mismo que aparece en la misma tabla 5. Ejem. 12ms de 6 pasos con CDT de 125 mts, su empuje axial sera: 125 mts x kg/mt = 1, kg de empuje. 6 pasos x 6 kg/paso = 36 kg de peso. Empuje axial total = 1, kg = 3, Lbs. Con este empuje entramos en la tabla 6 y nos da el caballaje máximo que resiste una flecha de ½" (es la que viene en el 12ms) C45, el cual es alrededor de 235 h.p.. ruptura debido al efecto de torsión por los que la potencia máxima que resiste esta flecha de tazones de 11/2" es en realidad 235 x = h.p. Nótese que la tabla 6 aplica con mayor exactitud en casos criticos para el análisis de diseño de flecha para la transmisión intermedia, solo que el empuje axial debera incluir también el peso mismo de todas las flechas intermedias. La longitud de la flecha de tazones, esta dada por: Longitud de la flecha = Longitud de flecha en la succión (A) + Longitud de tazon intermedio x No. de tazones intermedios (B) + Longitud de la flecha en descarga (C) + Proyección. Hay que notar que el No. de tazones intermedios es el no. de pasos totales menos 1.0 Ahora debemos mencionar que la flecha de tazones es de Proyección. En el caso de lubricación agua es de " En material T416 de acero inoxidable y tiene un factor de el caso de lubricación aceite es de " de los cuales los primeros " incremento de C45 antes de que experimente una lleva una funda o cubierta. PASO 4 De acuerdo al gasto que nos solicitan, elegimos el diametro de tubo con la tabla No. 4, (pag. 11). El diametro de tubo elegido debe acoplar con el tazón de descarga, si no coincidieran, se hace un acoplamiento mixto Aqui el unico problema es calcular el diámetro de la flecha de nuestra transmisión, y el diámetro a seleccionar va en relación a los H.P. que va a consumir nuestra bomba. DISEÑO DE LA COLUMNA DEL EQUIPO 4.1 TUBO DE COLUMNA 4.2 TANSMISION checando con la fabrica, ya que es una restricción que debemos tomar en cuenta. La longitud de la rosca del tazón de descarga (C) lo encontramos en la tabla No. 5 (pag. 14). En el caso de que nuestros Hp se encuentren muy cerca de los valores que nos limitan el diámetro de nuestra flecha se recomienda a criterio seleccionar el diametro siguiente. Lubricación agua. Nombre de la Parte Material Estandar Tubo de columna. Acero al carbón Coples de tubo. Acero al carbón Flecha intermedia. C45 Coples de flecha. C18 Mariposas. Bronce SAE 40 Hule P/Mariposa. Neopreno. Lubricación Aceite. Nom. de la Parte. Mat. Estandar Longitud. Tubo de columna. Acero al carbón 3.05 Mts. Coples de tubo. Acero al carbón Varios. Flecha intermedia. C Mts. Coples de flecha. C18 Varios. Cubiertas Acero al Carbón 1.52 Mts. Chumaceras Bronce, SAE 40. Estabilizador Neopreno. La tabla No.7, nos indica los caballos de potencia máximos que resiste una flecha a un determinado diámetro, estos HP ya fueron calculados en el paso 3, lo único que debemos hacer es escoger un diámetro que este dentro del rango de resistencia de la flecha. Se debe tener mucho cuidado al escoger nuestra transmisión ya que es un elemento muy importante de nuestra bomba. SELECCION DEL DIAMETO DE LA FLECHA EN ELACION A LOS H.P. (Maximos) EN ACEO C45 ECTIFICADO Y PULIDO A 1760.P.M. DIAMETO (Pulg) FLECHA 3/4 1 13/16 11/2 111/16 1/ CUBIETA /2 2 21/2 21/2 3 FLECHA H.P. Maximos /4 1/ / TABLA No FACT. PAA MAT. ESPECIALES CMS. PULG 316SS 416SS Para un diseño más preciso debemos tener en cuenta el empuje axial en los tazones y el peso mismo de las flechas, para obtener los kg de fuerza a los que esta sometida dicha flecha, y con la tabla 6 (ya analizada) obtenemos el caballaje máximo que resiste la flecha involucrando también el material y velocidad a la que gira. Dependiendo del tipo de lubricación, los componentes y funcionamiento de la columna se analizan en las proximas paginas. 16

18 TANSMISION EN CASO DE LUBICACION AGUA Nuestra flecha tiene una longitud 1.5 pulgadas ( 3.06 Mts ), las cuales se unirán a otra flecha del mismo diámetro por medio de un cople. 8" Esta flecha tiene un metalizado donde deberan trabajar las mariposas, estas mariposas o porta chumacera tienen en su interior un buje o chumacera de hule cuya función es la de lubricar con el agua misma a la flecha. La función de la mariposa es la de estabilizar la flecha cuando gira y se encuentra esta Metalizado TUBO DE COLUMNA de Acero al carbon COPLES DE TUBO de Acero al carbón MAIPOSAS de Bronce SAE 40 FLECHA INTEMEDIA de C45 Metalizado COPLES DE FLECHA de C18 HULE PAA MAIPOSAS de Neopreno TAZON DE DESCAGA Metalizado 17

19 TANSMISION EN CASO DE LUBICACION ACEITE. Nuestra transmisión intermedia cuando es lubricación aceite consta de una flecha cuya longitud es 3.05 MTS. y se une por medio de un cople a otra flecha. Cada transmisión o columna interior, tiene dos chumaceras, dichas chumaceras tienen la función de unir las cubiertas y lubricar las flechas. Las cubiertas tienen una longitud de 1.52 MTS que es la mitad para que de una no este flecha en y contacto su función con es el la agua, de alojar y pueda a la flecha lubricarse con el aceite, que viene desde el gotero que esta en el cabezal de descarga, y para que las chumaceras por medio de las venas que se encuentran en su interior permitan ir lubricando dicha flecha. Al mismo tiempo tiene una funcion de estabilización, evitando vibracions que pudiera ocurrir. Entre las cubiertas y el tubo de columna se colocan cada tres tramos de cubierta un estabilizador, el cual es de neopreno y su función es la de amortiguar los movimiento radiales de las cubiertas, al estar en movimiento la flecha. TUBO DE COLUMNA de Acero al carbon COPLES DE TUBO de Acero al carbón ESTABILIZADO de neopreno FLECHA INTEMEDIA de C45 COPLES DE FLECHA de C18 CUBIETAS Acero al carbón CHUMACEAS de bronce SAE 40 TAZON DE DESCAGA 18

20 Transmision motriz. Nuestra transmision motriz tiene una longitud de 3.05 mts., la cual tiene la particularidad que en un extremo de ella cuenta con un cuerda acme, la cual nos permite ajustar el juego axial en los impulsores por medio de la tuerca de ajuste, esta tuerca tiene en cada una de sus caras un opresor para asi evitar que se descalibre nuestra bomba cuando ya esta perfectamente En la cuerda acme calibrada. tiene la flecha por uno de sus lados un cuñero y una cuña de arrastre, esta permite que el movimiento de motor se trasmita a nuestra flecha. También cuenta con un metalizado que se encuentra a la altura del estopero (cuando se trata de lubricaciòn agua) y por ultimo tiene un cople y un niple para unirse a nuestra flecha intermedia. Cuando es lubricación aceite, se tiene una cubierta superior que esta roscada en su exterior, y que sirve para tensar la totalidad de la cubierta, por medio de una tuerca tensora alojada en el cabezal de descarga. Flecha motriz Cople Tuerca de ajuste rosca acme para juego axial Cuña Tapa Flecha motriz Cople Tuerca de ajuste rosca acme para juego axial Cuña Tapa TAMSMISION MOTIZ PAA LUBICACION AGUA 8" Elemento motriz Cabezal de descarga Estopero Metalizado Tubo de columna Flecha Motriz Cople de flecha Niple Cople de flecha Metalizado Cople de Tubo Mariposa TAMSMISION MOTIZ PAA LUBICACION ACEITE Elemento motriz Flecha Motriz Cabezal de descarga Estopero Tensor Cubierta superior roscada al cabezal de deescarga Tubo de columna Cople de flecha Chumacera Cople de tubo Estabilizador Flecha intermedia Flecha intermedia 19

21 DISTANCIA DEL METALIZADO SUPEIO Y LONGITUD DE NIPLE FLECHA MOTIZ LUBICACION AGUA DE 3/4", 1", 13/16", 11/2", 111/16", 1/16" M A C A &. P. M. US / 1800 PM IEM / PM SIEMENS /1800 PM US / 3600 PM MOTO H P M ALTUA DEL MOTO CABEZALES EST. C E C E C E C E C E DISTANCIA DEL INICIO DE LA FLECHA MOTIZ AL INICIO DEL METALIZADO Y = (M + E) Notas: Todas las unidades estàn en Pulgadas. El cálculo de la longitud de esta medida está basado en la siguiente ecuación: 12 EST. C E Y = M + E M C T 1" E Flecha motriz Cople En donde: M = Altura del motor Tuerca de ajuste Cuña Tapa Metalizado E = Dist. de la base superior del cabezal al inicio del estopero Y = Long. del inicio del metalizado al final de la flecha motríz Y X Longitud Niple N P " DIAMETO FLECHA MOTIZ 3/ /16 1 1/2 1 11/16 1 /16 X CABEZALES EST. C E C E C E C E C E LONGITUD DEL NIPLE LUBICACION AGUA N = C + T P E X EST. C E Notas: Todas las unidades estàn en Pulgadas. El cálculo de la longitud de esta medida está basado en la siguiente ecuación: N=C+TPEX En donde: N = Longitud del niple C = Altura del cabezal T = Longitud del tubo P = Proyección Lubricación Agua = " E = Distancia de la base superior del cabezal inicio del estopero. X =Longitud del final del metalizado al inicio de la flecha motríz