1. Generación de fuerza axial y principios de equilibrio

Las fuerzas axiales en etapas múltiples  bombas de turbina verticales  se componen principalmente de dos componentes:

● Componente de fuerza centrífuga:El flujo radial de líquido debido a la fuerza centrífuga crea una diferencia de presión entre las cubiertas delantera y trasera del impulsor, lo que genera una fuerza axial (normalmente dirigida hacia la entrada de succión).

● Efecto diferencial de presión:La diferencia de presión acumulada en cada etapa aumenta aún más la fuerza axial.

Métodos de equilibrio:

● Disposición simétrica del impulsor:El uso de impulsores de doble succión (el líquido ingresa por ambos lados) reduce la diferencia de presión unidireccional, bajando la fuerza axial a niveles aceptables (10%-30%).

● Diseño del orificio de equilibrio:Los orificios radiales u oblicuos en la tapa trasera del impulsor redirigen el líquido a alta presión hacia la entrada, equilibrando las diferencias de presión. El tamaño de los orificios debe optimizarse mediante cálculos de dinámica de fluidos para evitar pérdidas de eficiencia.

● Diseño de cuchilla inversa:La adición de álabes inversos (en el lado opuesto a los álabes principales) en la última etapa genera una fuerza contracentrífuga para compensar las cargas axiales. Se utiliza comúnmente en bombas de alta presión (p. ej., bombas de turbina verticales multietapa).

2. Generación y equilibrio de carga radial

Las cargas radiales se originan por las fuerzas de inercia durante la rotación, la distribución desigual de la presión dinámica del líquido y el desequilibrio residual en la masa del rotor. Las cargas radiales acumuladas en bombas multietapa pueden causar sobrecalentamiento de los rodamientos, vibración o desalineación del rotor.

Estrategias de equilibrio:

● Optimización de la simetría del impulsor:

o La combinación de palas pares e impares (por ejemplo, 5 palas + 7 palas) distribuye las fuerzas radiales de manera uniforme.

o El equilibrio dinámico garantiza que el centroide de cada impulsor se alinee con el eje de rotación, minimizando el desequilibrio residual.

● Refuerzo estructural:

o Las carcasas de cojinetes intermedios rígidos restringen el desplazamiento radial.

o Los rodamientos combinados (por ejemplo, rodamientos axiales de bolas de doble hilera + rodamientos de rodillos cilíndricos) manejan cargas axiales y radiales por separado.

● Compensación hidráulica:

o Los álabes guía o cámaras de retorno en los espacios libres del impulsor optimizan las trayectorias de flujo, reduciendo los vórtices locales y las fluctuaciones de la fuerza radial.

3. Transmisión de carga en impulsores multietapa

Las fuerzas axiales se acumulan etapa por etapa y deben gestionarse para evitar concentraciones de tensión:

● Equilibrio por etapas:La instalación de un disco de equilibrio (por ejemplo, en bombas centrífugas multietapa) aprovecha las diferencias de presión en el espacio axial para ajustar automáticamente las fuerzas axiales.

● Optimización de la rigidez:Los ejes de las bombas están hechos de aleaciones de alta resistencia (por ejemplo, 42CrMo) y validados mediante análisis de elementos finitos (FEA) para los límites de deflexión (normalmente ≤ 0.1 mm/m).

4. Estudio de caso de ingeniería y verificación de cálculos

Ejemplo:Bomba de turbina vertical multietapa química (6 etapas, altura total 300 m, caudal 200 m³/h):

● Cálculo de fuerza axial:

o Diseño inicial (impulsor de succión simple): F=K⋅ρ⋅g⋅Q2⋅H (K=1.2−1.5), lo que resulta en 1.8×106N.

o Después de la conversión a impulsor de doble succión y la adición de orificios de equilibrio: la fuerza axial se redujo a 5×105 N, cumpliendo con los estándares API 610 (≤1.5× torque de potencia nominal).

● Simulación de carga radial:

El análisis CFD de ANSYS Fluent reveló picos de presión locales (de hasta 12 kN/m²) en impulsores no optimizados. La introducción de álabes guía redujo los picos en un 40 % y el aumento de temperatura de los cojinetes en 15 °C.

5. Criterios y consideraciones clave de diseño

● Límites de fuerza axial: típicamente ≤ 30 % de la resistencia a la tracción del eje de la bomba, con una temperatura del cojinete de empuje ≤ 70 °C.

● Control de holgura del impulsor: se mantiene entre 0.2 y 0.5 mm (si es demasiado pequeño, provoca fricción; si es demasiado grande, provoca fugas).

● Pruebas dinámicas: Las pruebas de equilibrio a máxima velocidad (grado G2.5) garantizan la estabilidad del sistema antes de la puesta en servicio.

Conclusión

Equilibrar las cargas axiales y radiales en bombas de turbina verticales multietapa es un complejo desafío de ingeniería de sistemas que involucra dinámica de fluidos, diseño mecánico y ciencia de materiales. Optimizar la geometría del impulsor, integrar dispositivos de equilibrado y procesos de fabricación precisos mejora significativamente la fiabilidad y la vida útil de la bomba. Los avances futuros en simulaciones numéricas basadas en IA y fabricación aditiva facilitarán aún más el diseño personalizado de impulsores y la optimización de la carga dinámica.

Nota: El diseño personalizado para aplicaciones específicas (por ejemplo, propiedades del fluido, velocidad, temperatura) debe cumplir con estándares internacionales como API e ISO.