1. Definición e impactos clave de la separación del impulsor

La holgura del impulsor se refiere a la holgura radial entre el impulsor y la carcasa de la bomba (o anillo de álabes guía), que suele oscilar entre 0.2 mm y 0.5 mm. Esta holgura afecta significativamente el rendimiento de la bomba.  bombas de turbina verticales multietapa en dos aspectos principales:

● Pérdidas hidráulicas: Los espacios excesivos aumentan el flujo de fuga, reduciendo la eficiencia volumétrica; los espacios excesivamente pequeños pueden provocar desgaste por fricción o cavitación.

● Características del flujo: El tamaño del espacio influye directamente en la uniformidad del flujo en la salida del impulsor, lo que afecta las curvas de altura y eficiencia.

2. Base teórica para la optimización de la holgura del impulsor

2.1 Mejora de la eficiencia volumétrica

La eficiencia volumétrica (ηₛ) se define como la relación entre el caudal de salida real y el caudal teórico:

ηₛ = 1 − QQfuga

Donde Qfuga es el caudal de fuga causado por la holgura del impulsor. Optimizar la holgura reduce significativamente las fugas. Por ejemplo:

● Reducir el espacio de 0.3 mm a 0.2 mm disminuye las fugas entre un 15 y un 20 %.

● En bombas multietapa, la optimización acumulativa entre etapas puede mejorar la eficiencia total entre un 5 y un 10 %.

2.2 Reducción de pérdidas hidráulicas

La optimización del entrehierro mejora la uniformidad del flujo a la salida del impulsor, reduciendo la turbulencia y, por lo tanto, minimizando la pérdida de carga. Por ejemplo:

● Las simulaciones de CFD muestran que reducir el espacio de 0.4 mm a 0.25 mm reduce la energía cinética turbulenta en un 30%, lo que corresponde a una reducción del 4 al 6% en el consumo de energía del eje.

2.3 Mejora del rendimiento de la cavitación

Las holguras grandes exacerban las pulsaciones de presión en la entrada, lo que aumenta el riesgo de cavitación. Optimizar la holgura estabiliza el flujo y aumenta el margen de NPSHr (altura neta positiva de succión), lo cual resulta especialmente efectivo en condiciones de bajo caudal.

3. Verificación experimental y casos de ingeniería

3.1 Datos de pruebas de laboratorio

Un instituto de investigación realizó pruebas comparativas en un bomba de turbina vertical multietapa (parámetros: 2950 rpm, 100 m³/h, 200 m de altura).

3.2 Ejemplos de aplicaciones industriales

● Modernización de bombas de circulación petroquímicas: una refinería redujo la distancia entre los impulsores de 0.4 mm a 0.28 mm, logrando un ahorro energético anual de 120 kW·h y una reducción del 8 % en los costos operativos.

● Optimización de la bomba de inyección de plataforma costa afuera: al utilizar interferometría láser para controlar el espacio (±0.02 mm), la eficiencia volumétrica de la bomba mejoró del 81 % al 89 %, solucionando los problemas de vibración causados ​​por espacios excesivos.

4. Métodos de optimización y pasos de implementación

4.1 Modelo matemático para la optimización de brechas

Según las leyes de similitud de las bombas centrífugas y los coeficientes de corrección, la relación entre el espacio y la eficiencia es:

η = η₀(1 − k·δD)

donde δ es el valor del espacio entre ellos, D es el diámetro del impulsor y k es un coeficiente empírico (normalmente entre 0.1 y 0.3).

4.2 Tecnologías clave de implementación

●Fabricación de precisión: Las máquinas CNC y las herramientas de rectificado alcanzan una precisión micrométrica (IT7-IT8) para impulsores y carcasas.

●Medición in situ: Las herramientas de alineación láser y los medidores de espesor ultrasónicos monitorean los espacios durante el ensamblaje para evitar desviaciones.

● Ajuste dinámico: Para medios corrosivos o de alta temperatura, se utilizan anillos de sellado reemplazables con ajuste fino mediante pernos.

4.3 Consideraciones

● Equilibrio fricción-desgaste: Los espacios demasiado pequeños aumentan el desgaste mecánico; la dureza del material (por ejemplo, Cr12MoV para impulsores, HT250 para carcasas) y las condiciones operativas deben equilibrarse.

● Compensación de expansión térmica: Se necesitan espacios reservados (0.03–0.05 mm) para aplicaciones de alta temperatura (por ejemplo, bombas de aceite caliente).

5. Tendencias futuras

●Diseño digital: Los algoritmos de optimización basados ​​en IA (por ejemplo, algoritmos genéticos) determinarán rápidamente las brechas óptimas.

●Fabricación aditiva: La impresión 3D de metal permite diseños integrados de impulsor y carcasa, lo que reduce los errores de ensamblaje.

●Monitoreo inteligente: Los sensores de fibra óptica combinados con gemelos digitales permitirán el monitoreo de brechas en tiempo real y la predicción de la degradación del rendimiento.

Conclusión

La optimización del espacio entre impulsores es uno de los métodos más directos para mejorar la eficiencia de las bombas de turbina vertical multietapa. La combinación de fabricación de precisión, ajuste dinámico y monitorización inteligente permite lograr aumentos de eficiencia del 5 al 15 %, reducir el consumo de energía y los costes de mantenimiento. Con los avances en fabricación y análisis, la optimización del espacio evolucionará hacia una mayor precisión e inteligencia, convirtiéndose en una tecnología clave para la modernización energética de las bombas.

Nota:  Las soluciones de ingeniería prácticas deben integrar las propiedades del medio, las condiciones operativas y las restricciones de costos, validadas mediante el análisis del costo del ciclo de vida (LCC).