Manual ilustrado para ingenieros y equipos de mantenimiento, con ejemplos de cálculo y referencias

Construcción · Principio de funcionamiento · Tipos · Cómo detectar y prevenir la cavitación y el bloqueo por aire

Ideas Clave

  1. El principio en una frase: un motor hace girar el rodete, que transfiere energía mecánica al líquido; la voluta (o los álabes difusores) convierte después la energía de velocidad del líquido en presión.
  2. Dos problemas clásicos: la cavitación (la presión local cae por debajo de la presión de vapor del líquido y se forman burbujas que luego implosionan) y el bloqueo por aire (gas atrapado en la bomba que impide aspirar líquido). Sus causas, síntomas y remedios son distintos.
  3. Una regla de selección: el NPSH disponible del sistema (NPSHA) debe superar el NPSH requerido por la bomba (NPSHR) con un margen; que NPSHA sea solo algo mayor que NPSHR no garantiza un funcionamiento sin cavitación.
  4. Una regla de operación: mantenga la bomba aproximadamente entre el 70 % y el 120 % del caudal de su punto de máxima eficiencia (BEP); el intervalo es más estrecho en algunas bombas de alta velocidad específica.
  5. Una regla de mantenimiento: sustituya los anillos de desgaste cuando la holgura de funcionamiento llegue a unas dos veces el mínimo de una pieza nueva, o cuando el rendimiento haya bajado claramente.
  6. Bombas multietapa: varios rodetes en serie sobre un mismo eje; la altura total es aproximadamente la suma de las alturas de cada etapa. Las claves son el equilibrado del empuje axial (rodetes opuestos o tambor / disco de equilibrado) y las holguras entre etapas.

1. Qué es una Bomba Centrífuga

Una bomba centrífuga es una máquina rotodinámica: un rodete en giro cede energía al líquido que lo atraviesa. Se emplea en plantas químicas, refinerías, centrales eléctricas, redes municipales de agua y saneamiento, riego y climatización. Es popular porque es mecánicamente sencilla, da un caudal continuo y suave, cubre una amplia gama de servicios, es compacta y su compra y operación son relativamente baratas. Sus límites son igual de importantes: en general no se autocebna, pierde eficiencia con líquidos viscosos y resulta menos eficiente y fiable cuando trabaja lejos de su punto de diseño.

Esta guía mantiene el hilo clásico «construcción → principio → clasificación → cavitación / bloqueo por aire» y añade notas de selección y mantenimiento, cálculos resueltos, listas de verificación de arranque y tablas de diagnóstico. En la sección 10 se precisan algunas afirmaciones populares pero imprecisas.

2. Cómo Funciona en Cuatro Pasos

  1. Cebar la bomba. La carcasa y la tubería de aspiración deben estar llenas de líquido antes del arranque. El rodete mueve líquido, no aire; el gas en la bomba provoca bloqueo por aire.
  2. El rodete realiza el trabajo. El rodete gira a alta velocidad y los álabes arrastran el líquido. La acción centrífuga lo lanza desde el ojo del rodete hacia la periferia, aumentando su presión y su velocidad.
  3. La voluta recupera presión. El líquido entra en un conducto de la carcasa cuya sección crece de forma gradual; la velocidad disminuye y la mayor parte de la energía cinética se convierte en presión antes de salir por la descarga.
  4. La aspiración rellena el ojo. Al lanzarse el líquido hacia fuera, baja la presión en el ojo del rodete. La diferencia entre la presión sobre la superficie del líquido de alimentación (atmosférica, en un depósito abierto) y la del ojo empuja el líquido por la tubería de aspiración y mantiene el ciclo.

Figura 1. Cómo funciona una bomba centrífuga

Cálculo rápido — velocidad periférica del rodete: u = π·D·n / 60. Para D = 0,20 m y n = 2 900 rpm, u ≈ 30,4 m/s. La altura de una etapa crece aproximadamente con el cuadrado de la velocidad periférica, por lo que los cambios de velocidad o de diámetro del rodete influyen tanto en la altura (véanse las leyes de semejanza en la sección 8).

Idea errónea frecuente: ¿es el ojo del rodete un «vacío»?

Decir que el centro del rodete es un vacío es una forma abreviada de hablar. Lo que ocurre es que la presión en el ojo se reduce (puede bajar de la atmosférica, pero no es un vacío). La altura a la que una bomba puede aspirar el líquido depende de la presión atmosférica, de la presión de vapor del líquido, de las pérdidas en la aspiración y del NPSHR de la propia bomba, no de «cuánto vacío» genere. Cuando la presión baja hasta la de vapor, empieza la cavitación (sección 6). [3][4]

3. Construcción y notas Sobre los Componentes

Las bombas centrífugas pueden ser muy distintas entre sí, pero sus piezas principales son las mismas: rodete, eje, carcasa (voluta), cojinetes y soporte de cojinetes, cierre del eje, anillos de desgaste y, en las bombas multietapa, difusores (álabes directrices). La tabla sirve de consulta rápida.

Pieza

Función principal

Materiales habituales

Fallos típicos / qué vigilar

Rodete

Realiza el trabajo sobre el líquido; es la pieza central de transferencia de energía
Fundición, bronce, acero inoxidable u otras aleaciones resistentes a la corrosión, según el líquido
Picaduras por cavitación, erosión, obstrucción, pérdida de equilibrado

Eje

Transmite el par y mantiene el rodete en su posición
Acero al carbono, acero inoxidable
Flexión, rotura por fatiga, fijación axial floja

Camisa del eje

Protege el eje; el desgaste se produce en una pieza reemplazable
Acero inoxidable y variantes endurecidas superficialmente (cementadas, nitruradas, cromadas, proyectadas)
Ranuras bajo la empaquetadura que provocan fugas

Cojinetes

Soportan el peso del rotor y las cargas radiales / axiales
Sobre todo rodamientos, lubricados con grasa o aceite
Sobrecalentamiento, lubricante contaminado, desalineación, vibración inducida por cavitación

Cierre del eje

Sella por donde el eje sale de la carcasa; evita fugas (o entrada de aire)
Empaquetadura o cierre mecánico
Fugas, funcionamiento en seco, lavado insuficiente

Carcasa (voluta)

Recoge el líquido del rodete y lo difunde
Fundición; acero inoxidable, plástico o PRFV para servicio corrosivo; acero fundido para multietapa de alta presión
Corrosión, erosión, carga radial excesiva

Difusor (álabes directrices)

En bombas multietapa seccionales, guía el líquido y recupera presión antes de la etapa siguiente
Acorde con el material de la carcasa
Una holgura inadecuada con el rodete causa vibración y ruido

Anillos de desgaste

Limitan la fuga interna desde la descarga del rodete hacia la aspiración; protegen la carcasa
Anillos renovables resistentes al desgaste
El aumento de la holgura reduce el caudal y la eficiencia

3.1 Rodetes: tres construcciones y sus compromisos

Figura 2. Rodetes cerrado, semiabierto y abierto

Tipo

Construcción

Eficiencia / Líquidos adecuados

Observaciones

Cerrado

Las tapas delantera y trasera encierran los álabes
La más alta / Líquidos limpios con pocos o ningún sólido / fibras
Necesita anillos de desgaste para limitar las fugas; la eficiencia disminuye al crecer la holgura de los anillos; los canales se obstruyen y son difíciles de limpiar [17][19]

Semiabierto

Solo tapa trasera
Intermedia / Líquidos con sólidos o fibras en suspensión, o que sedimentan
La holgura álabe-carcasa se desgasta y requiere ajuste axial; suele tener mayor fuerza axial desequilibrada que el cerrado [17][20]

Abierto

Sin tapas
Más baja / Líquidos con alto contenido de sólidos (aguas residuales, lodos)
Los álabes son mecánicamente más débiles, por lo que los rodetes realmente abiertos son poco comunes en bombas industriales; casi no hay superficie de tapa sobre la que actúe la presión, por lo que la fuerza axial es baja [17][19]

Nota: los rodetes para sólidos usan menos álabes (normalmente de uno a cuatro) para mantener amplios los pasos, mientras que los rodetes cerrados para agua limpia suelen tener más; el número de álabes varía con el diseño, así que no conviene tomar ninguna cifra como regla. [18]

3.2 Eje, Camisa y Cojinetes

  • Fijación axial: la chaveta transmite el par pero no fija el rodete axialmente, por lo que se usan una camisa del eje y una tuerca de bloqueo para situarlo.
  • Evitar el giro inverso: cuando la tuerca de bloqueo se retiene por el sentido de la rosca, el giro inverso puede aflojarla. Tras el primer montaje o cualquier revisión general, compruebe que el sentido de giro del motor coincide con la flecha de la bomba (normalmente dando un impulso al motor con el acoplamiento desconectado).
  • La camisa es una pieza de desgaste: con empaquetadura, la camisa soporta el rozamiento y suele estar endurecida superficialmente. Sustituya una camisa ranurada; por mucho que apriete el prensaestopas no detendrá la fuga a su través. [16]
  • Cojinetes: predominan los rodamientos. La limpieza y el nivel del lubricante son los factores que más influyen en su vida; siga los planos del fabricante y el catálogo del rodamiento para ajustes y holguras.

3.3 Cierres del eje: ¿empaquetadura o cierre mecánico?

Donde el eje sale de la carcasa, la bomba debe sellarse; de lo contrario, el líquido a presión escapa a lo largo del eje y, en el lado de aspiración, puede entrar aire. Las dos soluciones habituales son:

Aspecto

Empaquetadura

Cierre Mecánico

Principio

Un prensaestopas comprime anillos trenzados contra la camisa del eje
Una cara giratoria y otra estacionaria se mantienen unidas por resortes y por la presión del fluido

Fuga

Está diseñada para gotear ligeramente (lubricación y refrigeración); el objetivo es un goteo lento [16]
Muy pequeña, a menudo invisible

Fricción / Potencia

Mayor fricción y pérdida de potencia
Menor fricción; un fabricante indica que los cierres mecánicos equilibrados consumen mucha menos potencia que la empaquetadura [15]

Efecto Sobre el Eje

Puede ranurar la camisa
Muy poco desgaste de la camisa

Comportamiento ante Fallo

La fuga crece poco a poco y puede reajustarse sin parar la bomba
El fallo puede obligar a parar la bomba

Coste / Mantenimiento

Bajo coste inicial, requiere ajuste periódico
Mayor coste inicial, mantenimiento menos frecuente

Uso Típico

Baja presión, líquidos no peligrosos, o cuando se valora el fallo gradual y el ajuste en campo
Poca fuga, líquidos peligrosos o valiosos, funcionamiento continuo prolongado

Consejos para la empaquetadura: demasiado floja, la fuga es excesiva; demasiado apretada, puede quemarse en el arranque y rayar la camisa. Si se usa lavado, debe ser limpio y estar algo por encima de la presión de la caja de empaquetadura. [15][16]

3.4 Carcasa: voluta, doble voluta y difusor

La conversión de la energía de velocidad del rodete en presión se hace con una voluta (conducto en espiral de área creciente) o con un difusor (álabes fijos alrededor del rodete que forman pasos divergentes). La voluta es fácil de fabricar, tiene una zona amplia de alta eficiencia y es la forma más común. [5][8]

El problema de la carga radial: una voluta simple da presión uniforme alrededor del rodete solo cerca del punto de máxima eficiencia. Lejos del BEP la presión deja de ser uniforme y carga radialmente el rodete y el eje, lo que puede curvar el eje y acortar la vida de cojinetes y cierres. El HI señala que el empuje radial es mínimo cerca del BEP y mayor tanto con caudales reducidos como aumentados. [6] Entre los remedios están la doble voluta (dos lengüetas a 180° para que las dos fuerzas radiales se compensen en gran parte), un difusor, o un eje más rígido con cojinetes mayores. [5][8]

Figura 3. Tendencia de la fuerza radial con el caudal (esquema). Una doble voluta reduce mucho la fuerza radial, pero no la elimina.

Un estudio experimental (bomba de ensayo a 500–900 rpm) informó de que, frente a una voluta simple, la doble voluta redujo el empuje radial más de un 55 % con la válvula cerrada y más de un 40 % con caudales altos, aunque la mejor eficiencia seguía obteniéndose con la voluta simple. [7] Fuentes del sector coinciden en que las fuerzas radiales en una doble voluta están «muy reducidas, pero no eliminadas por completo» y en que su álabe divisor puede obstruirse con sólidos, como en aguas residuales. [5] En bombas multietapa es habitual usar carcasas de voluta en la primera y la última etapa y difusores en las intermedias; las carcasas con difusor son más fáciles de fabricar y convierten la energía algo más eficientemente, pero son más difíciles de montar y revisar.

3.5 Anillos de desgaste: holguras diminutas, gran efecto

Los anillos de desgaste se sitúan en el ojo del rodete (y a veces en la tapa trasera) y utilizan una holgura muy pequeña para limitar la fuga desde el lado de alta presión hacia la aspiración. Una holgura menor significa menos fuga interna y más eficiencia, pero una holgura demasiado pequeña arriesga el roce y el agarrotamiento; por eso hay que seguir siempre el plano del fabricante y la norma aplicable.

  • Holgura radial frente a diametral: la holgura real de funcionamiento es la mitad de la holgura diametral. [9] Compruebe siempre a cuál se refiere una tabla o un manual.
  • Valores típicos (manual de un fabricante): holgura diametral mínima de 0,25 mm (0,010 in) para diámetros de anillo del rodete inferiores a 50 mm, y 0,33 mm para 80–89,99 mm. [11] La tabla de «holguras internas mínimas de funcionamiento» de API 610 abarca diámetros de anillo de unos 50–650 mm (2–26 in); sus valores son mínimos para funcionamiento metal contra metal, no holguras máximas admisibles. [9][10]
  • Cuándo sustituir: ese manual aconseja sustituir cuando la holgura diametral supera el doble del mínimo de la tabla o cuando el rendimiento hidráulico resulta inaceptable. [11] Las guías para bombas de aguas residuales dan la misma regla práctica: sustituir cuando la tolerancia de fábrica se ha duplicado. [18]
  • Por qué importa: los ensayos muestran que la holgura de los anillos de desgaste influye notablemente en el rendimiento de la bomba, sobre todo en bombas de menor velocidad específica. [12]

Tres formas habituales de anillo: plano (sencillo y barato, pero el peor cierre); en L (la fuga debe girar 90°; mejor que el plano y muy usado); laberinto (el mejor sellado, pero complejo y costoso; rara vez se usa en bombas centrífugas ordinarias).

4. Bombas Centrífugas Multietapa

La altura que puede dar un único rodete está limitada por su velocidad periférica (la altura crece aproximadamente con el cuadrado de esta). Cuando un servicio exige decenas, cientos o incluso miles de metros de altura, se montan varios rodetes en serie sobre un mismo eje y el líquido que sale de una etapa se conduce al ojo de la siguiente. El resultado es una bomba centrífuga multietapa: todas las etapas manejan el mismo caudal y la altura total es aproximadamente la suma de las alturas de cada etapa, menos las pérdidas entre etapas. [23]

Figura 4. Bomba centrífuga de cuatro etapas, corte longitudinal (secciones anulares, rodetes en línea; esquema original simplificado).

Figura 5. Animación: el líquido gana presión etapa a etapa (Azul = baja presión → rojo = alta presión).

4.1 Por qué usar multietapa: un ejemplo resuelto

Figura 6. La presión crece etapa a etapa: la altura total es la suma de las alturas de cada etapa.

Ejemplo resuelto (datos ilustrativos): cinco etapas de 60 m cada una dan una altura total ideal de unos 5 × 60 = 300 m (en la práctica las pérdidas entre etapas la reducen algo). Para Q = 30 m³/h = 0,00833 m³/s de agua limpia (ρ ≈ 998 kg/m³), la potencia hidráulica P_h = ρ·g·Q·H ≈ 998 × 9,81 × 0,00833 × 300 ≈ 24,5 kW; con una eficiencia de bomba del 65 %, la potencia en el eje es de unos 24,5 / 0,65 ≈ 37,7 kW. Alcanzar 300 m con un solo rodete exigiría una velocidad muy alta o un diámetro muy grande, con esfuerzos, cavitación y ruido inaceptables; por eso existen las bombas multietapa.

Usos típicos: alimentación de calderas, sobrepresión para edificios altos y largas conducciones de agua, desagüe de minas, alimentación de ósmosis inversa, impulsión en oleoductos y muchos servicios de proceso de alta altura.

4.2 Recorrido del flujo y Piezas Principales

  • Cámara de aspiración: conduce el líquido de forma uniforme al ojo del rodete de la primera etapa. El requisito de NPSH de una bomba multietapa lo determina sobre todo la entrada de la primera etapa, por lo que sigue siendo necesario comprobar el NPSHR (sección 6).
  • Rodetes: montados uno tras otro en el mismo eje; cada etapa aporta su parte de altura.
  • Difusor / canal de retorno: frena el líquido rápido que sale del rodete para recuperar presión y lo guía radialmente hacia dentro, al ojo del siguiente rodete. [8][23]
  • Diafragmas y cierres entre etapas: separan etapas vecinas con presiones distintas; los casquillos de estrangulamiento o anillos de desgaste limitan la fuga de alta a baja presión, y su desgaste reduce la eficiencia igual que en los anillos de desgaste ordinarios. [24]
  • Dispositivo de equilibrado: anula el empuje axial acumulado (véase 4.4).
  • Carcasa de descarga: recoge el flujo de la última etapa y lo envía a la tubería de descarga.

4.3 Tres Construcciones Habituales de Carcasa

Figura 7. Tres construcciones habituales de carcasa multietapa

Tipo (código API 610)

Construcción

Ventajas

Limitaciones

De secciones anulares / segmentada (BB4)

Un segmento de carcasa por etapa, apilados y apretados con tirantes entre las carcasas de aspiración y descarga
Compacta; económica de fabricar y de mantener en stock
El sellado metal con metal entre segmentos restringe el uso a alta temperatura; las bombas de secciones anulares son una excepción a los criterios de API 610 [24]

Partida axialmente (horizontal) (BB3)

Carcasa dividida en el plano horizontal que pasa por el eje; los rodetes suelen ir en dos grupos opuestos
Los rodetes opuestos equilibran el empuje directamente; basta levantar la tapa para extraer el rotor y revisarlo [24][25]
Tiene un límite de presión; por encima de él se usan normalmente diseños de barril

De barril / doble carcasa (BB5)

Cartucho interior (carcasa interna más rotor) dentro de un barril exterior
Soporta presiones muy altas; adecuada para servicios pesados de alta presión [24]
Mayor coste inicial; es difícil disponer rodetes opuestos, por lo que se suele usar un tambor de equilibrado [25]

4.4 Equilibrado del empuje axial: el punto clave del diseño

Las presiones que actúan sobre las dos caras de cada rodete son distintas y generan una fuerza axial hacia el lado de aspiración. En una bomba multietapa, con alta presión y muchos rodetes, estas fuerzas se acumulan en una carga muy grande que destruiría rápidamente el cojinete de empuje si no se trata. [23] Se usan dos soluciones principales:

Figura 8. Dos formas de equilibrar el empuje axial en una bomba multietapa

Método

Cómo funciona

Observaciones

Rodetes opuestos (espalda con espalda)

La mitad de los rodetes se monta en sentido contrario, de modo que los dos grupos empujan en sentidos opuestos y se anulan
Normalmente la opción más económica en bombas partidas axialmente; el cojinete de empuje solo soporta una pequeña carga residual [24][25]

Tambor / disco de equilibrado

Todos los rodetes miran en el mismo sentido; un tambor (o disco) situado tras la última etapa genera una fuerza opuesta gracias a la diferencia de presión a ambos lados, y la fuga se devuelve a la aspiración por una línea de equilibrado [23][25]
Adecuado para bombas de barril de alta presión; en el tambor la caída de presión se produce a través de una holgura radial y en el disco a través de una cara axial [25]

Nota de mantenimiento: el dispositivo de equilibrado funciona con holguras muy pequeñas; cuando se desgastan, aumenta la fuga, disminuye la fuerza de equilibrado y crece la carga del cojinete de empuje. Las fuentes técnicas advierten de que, si falla el tambor / disco de equilibrado, es probable que el cojinete de empuje falle a continuación. [25] Vigile el caudal de la línea de equilibrado, la temperatura del cojinete de empuje y la posición axial del eje, y compruebe las holguras según exija el fabricante.

4.5 Puntos de operación y mantenimiento

Punto

Explicación

Cebar y purgar antes del arranque

Muchas etapas implican muchas cámaras donde puede acumularse gas; purgue todos los puntos de venteo como indique el fabricante o la bomba podría quedar bloqueada por aire (véase 6.4)

Caudal mínimo continuo

Las bombas multietapa consumen mucha potencia y, con caudal bajo, la mayor parte se convierte en calor. No trabaje mucho tiempo con caudal bajo; instale una línea de recirculación de caudal mínimo cuando haga falta y respete el caudal mínimo continuo estable indicado por el fabricante [13]

Control de velocidad

Las leyes de semejanza siguen siendo válidas (véase 8.2): en una bomba de 300 m nominales, funcionar al 90 % de la velocidad da aproximadamente el 81 % de la altura (unos 243 m)

Holguras entre etapas

En la revisión, compruebe los anillos de desgaste / casquillos de estrangulamiento y las holguras del dispositivo de equilibrado, y sustituya las piezas que superen los límites [11][24]

Vibración y posición del eje

Vigile la vibración, la temperatura del cojinete de empuje y la posición axial; son avisos tempranos del desgaste del dispositivo de equilibrado y de la cavitación

4.6 ¿Monoetapa o multietapa?

Aspecto

Monoetapa

Multietapa

Altura

Baja a media
Alta (se suma con el número de etapas)

Complejidad

Sencilla
Más compleja (diafragmas, difusores, dispositivo de equilibrado)

Espacio y coste

Compacta, menor coste
Mayor tamaño, mayor coste de compra y de mantenimiento

Empuje axial

Más fácil de tratar (doble aspiración, álabes traseros, orificios de equilibrado)
Debe equilibrarse expresamente (rodetes opuestos o tambor / disco)

Usos típicos

Suministro de agua, circulación, trasiego general de procesos
Alimentación de calderas, suministro a edificios altos / larga distancia, procesos de alta presión

5. Clasificación de las bombas centrífugas

Las bombas pueden clasificarse de varias maneras, y una selección real suele usar varias a la vez.

Criterio

Tipos

Observaciones

Número de rodetes

Monoetapa / multietapa
Las bombas multietapa colocan dos o más rodetes en serie; la altura total es aproximadamente la suma de las alturas de cada etapa

Entrada del rodete

Simple aspiración / doble aspiración
Un rodete de doble aspiración admite líquido por ambos lados (aproximadamente dos rodetes de simple aspiración espalda con espalda), con cerca del doble de caudal a igual velocidad y un empuje axial en gran parte equilibrado

Orientación del eje

Horizontal / vertical
Las bombas verticales ahorran espacio y sirven para pozos y fosas profundas

Junta de la carcasa

Partida horizontal / partida vertical (radial)
Las bombas de carcasa partida se abren por el plano horizontal que pasa por el eje, de modo que el rotor puede extraerse sin tocar las tuberías

Recogida del flujo

Voluta / difusor
Véase 3.4; las bombas multietapa suelen usar volutas en los extremos y difusores entre ellos

Clase de presión (convención de los libros de texto)

Baja / media / alta
Algunos libros agrupan las bombas por altura (p. ej., baja < unos 100 m, alta > unos 650 m), pero no existe un límite aceptado en toda la industria; en la práctica las bombas se clasifican por servicio y por tipo normalizado

Líquido manejado

Bombas para agua limpia, aceite, resistentes a la corrosión, para lodos, etc.
El líquido determina los materiales, el tipo de cierre y el estilo de rodete

En las industrias del petróleo, petroquímica y del gas, API 610 / ISO 13709 agrupa las bombas centrífugas en términos generales en tipos en voladizo (OH), entre cojinetes (BB) y de suspensión vertical (VS), y luego las subdivide. [22]

6. Cavitación y bloqueo por aire: síntomas parecidos, problemas distintos

6.1 Cavitación

  • Mecanismo: cuando la presión local en la entrada del rodete cae por debajo de la presión de vapor del líquido a su temperatura de trabajo, se forman burbujas de vapor. Arrastradas a una zona de mayor presión, implosionan violentamente; el líquido circundante se precipita en cada hueco y produce cargas de choque localizadas. Los impactos repetidos sobre el rodete y la carcasa causan picaduras, grietas y, en casos graves, una pérdida de material de aspecto esponjoso. [2][3]
  • Síntomas: ruido (a menudo descrito como grava traqueteando dentro de la bomba), vibración, caída de caudal / altura / eficiencia (en casos extremos, ausencia total de impulsión) y picaduras cerca de la entrada del rodete.

6.2 Entender el NPSH: NPSHA frente a NPSHR

  • NPSHA (disponible): lo fija la instalación; es cuánto supera la altura total del líquido en la entrada de la bomba a su altura de presión de vapor.
  • NPSHR (requerido): lo fija la bomba, se determina mediante ensayo y se publica en la curva característica. En el ensayo normalizado del HI, la presión de aspiración se reduce paso a paso, con velocidad y caudal constantes, hasta que la altura de la bomba cae un 3 % respecto al valor sin cavitación; el NPSH correspondiente es el NPSHR (NPSH3%). [1][3]

Cálculo del NPSHA (depósito de alimentación abierto, bomba por encima del nivel del líquido)

NPSHA = (p_atm − p_v) / (ρ·g) − Z_s − h_f

p_atm: presión absoluta sobre la superficie del líquido; p_v: presión de vapor a la temperatura de bombeo; ρ: densidad; g = 9,81 m/s²; Z_s: altura del centro de la entrada de la bomba sobre la superficie del líquido (positiva si aspira en altura, negativa si está en carga); h_f: pérdidas totales en la tubería de aspiración, incluidas válvulas, codos y filtros.

Figura 9. Curva de ensayo de cavitación: altura frente a NPSHA con velocidad y caudal constantes (esquema).

Corrección importante: NPSHA > NPSHR no significa «ninguna cavitación en absoluto»

El Hydraulic Institute afirma que los rodetes pueden cavitar aunque NPSHA supere NPSHR, si bien eso no daña necesariamente el rodete; el daño depende también de las propiedades termodinámicas del líquido, de los materiales, del tiempo de funcionamiento y de otros factores. [1] Autores del sector indican que la cavitación puede empezar con 2 a 20 veces el NPSHR, con una media de unas 4–5 veces. Esto no significa que NPSHA deba ser 4–5 veces NPSHR, pero hace falta un margen razonable. [2] El HI publica además recomendaciones de margen de NPSH según el tipo de aplicación y la energía de aspiración; consúltelas al seleccionar bombas.

6.3 Ejemplo resuelto: misma tubería, agua a 20 °C frente a 80 °C

Datos (ejemplo): depósito de alimentación abierto, p_atm = 101,3 kPa; entrada de la bomba 3,0 m por encima de la superficie del líquido; pérdidas en la aspiración h_f = 0,8 m; NPSHR de la bomba = 3,5 m en el caudal de servicio. La presión de vapor y la densidad del agua se toman de las tablas de vapor. [21]

Caso

Agua, 20 °C

Agua, 80 °C

p_v

2.34 kPa
47.4 kPa

ρ

998 kg/m³
972 kg/m³

(p_atm − p_v)/(ρg)

10.11 m
5.66 m

NPSHA

10.11 − 3.0 − 0.8 ≈ 6.3 m
5.66 − 3.0 − 0.8 ≈ 1.9 m

Frente a NPSHR = 3,5 m

Unas 1,8 veces el NPSHR: margen holgado
Por debajo del NPSHR: cavitación segura

Conclusión: solo con subir la temperatura, la presión de vapor aumenta tanto que el NPSHA cae de unos 6,3 m a unos 1,9 m, por debajo de lo que necesita la bomba. Soluciones: enfriar el líquido, bajar la bomba (o pasar a aspiración en carga, de modo que Z_s sea negativo), aumentar el diámetro de la tubería de aspiración para reducir h_f, o elegir una bomba con menor NPSHR.

Temperatura del agua

Presión de saturación (kPa, aprox.)

20 °C

2.34

60 °C

19.9

80 °C

47.4

100 °C

101.3

6.4 Bloqueo por aire

Mecanismo: si queda aire atrapado en la bomba en el arranque, su densidad muy baja hace que el rodete genere poca fuerza centrífuga y poca diferencia de presión; la baja presión en el ojo no basta para aspirar líquido, y la bomba gira sin impulsar. Por eso una bomba centrífuga ordinaria no se autocebna y debe llenarse de líquido antes de arrancar (o tener la aspiración por debajo del nivel del líquido para que este entre por gravedad).

6.5 Cavitación frente a bloqueo por aire

Aspecto

Cavitación

Bloqueo por aire

Naturaleza

El líquido se vaporiza, se forman burbujas y estas implosionan
Aire / gas atrapado en la bomba; no se genera aspiración suficiente

Cuándo ocurre

Durante la operación; depende del servicio, la temperatura y el caudal
Sobre todo en el arranque o cuando la tubería de aspiración deja entrar aire

Signos típicos

Ruido, vibración, caída de altura y caudal, picaduras en el rodete
Sin impulsión o con muy poca, presión baja o fluctuante, sin el ruido de grava propio de la cavitación

Remedio básico

Aumentar el NPSHA, reducir el NPSHR, trabajar en un intervalo de caudal razonable
Cebar y purgar antes de arrancar, mantener estanca la tubería de aspiración, evitar la entrada de aire por la boca de aspiración

¿Daña el rodete?

Sí, si se prolonga
Normalmente no, pero el funcionamiento prolongado en seco puede sobrecalentar y dañar los cierres mecánicos

7. Lista de verificación preventiva

7.1 Cavitación: causas y remedios

Causa frecuente

Remedio

Gran resistencia en la tubería de aspiración, diámetro insuficiente, filtro obstruido
Elimine obstrucciones; aumente el diámetro de la tubería de aspiración si hace falta; acorte la línea y quite codos y válvulas innecesarios; limpie los filtros con regularidad
Temperatura del líquido demasiado alta (mayor presión de vapor)
Enfríe el líquido o aumente la presión / nivel del depósito de alimentación; recalcule el NPSHA
Caudal demasiado alto (válvula de descarga demasiado abierta)
Estrangule algo la válvula de descarga, nunca la de aspiración; mantenga la bomba entre el 70 % y el 120 % aprox. del caudal del BEP [13][14]
Bomba instalada demasiado alta
Baje la bomba o suba el nivel del líquido, idealmente hasta tener aspiración en carga; reduzca la altura estática de aspiración
Mala selección
Elija una bomba de menor NPSHR (p. ej., ojo de rodete mayor, menor velocidad, inductor); use materiales resistentes a la cavitación en las piezas que deban tolerarla

7.2 Bloqueo por aire: causas y remedios

  • Llene la carcasa de líquido y purgue todo el aire antes de arrancar; las válvulas y conexiones de cebado deben ser estancas.
  • Instale una válvula de pie en la tubería de aspiración (para retener el líquido de cebado) y un filtro (para detener sólidos); compruebe que las bridas de aspiración y la caja de empaquetadura no dejen entrar aire.
  • Sitúe la entrada de la bomba por debajo del nivel del líquido para que este fluya por gravedad (aspiración en carga).
  • Mantenga suficiente sumergencia en la boca de aspiración para que los remolinos de la superficie no arrastren aire.
  • Instale una válvula reguladora en la tubería de descarga para arrancar, parar y ajustar el caudal.

8. Arranque, parada y ajustes de operación

8.1 Lista de verificación de arranque

  1. Compruebe la bomba, el motor, los pernos de cimentación y la alineación del acoplamiento; el eje debe girar libremente a mano.
  2. Confirme el tipo y el nivel de lubricante; revise el cierre del eje (apriete del prensaestopas o lavado del cierre mecánico).
  3. Abra del todo la válvula de aspiración; cebe la bomba y purgue todo el gas.
  4. Con el acoplamiento desconectado, dé un impulso al motor y confirme que el sentido de giro coincide con la flecha de la carcasa (una bomba que gire al revés puede aflojar una tuerca de bloqueo).
  5. La mayoría de las bombas de flujo radial se arrancan con la válvula de descarga cerrada o ligeramente abierta (mínima demanda de potencia); tras el arranque, ábrala despacio hasta el caudal de servicio. No funcione mucho tiempo con la válvula cerrada: el líquido se calienta.
  6. En marcha, vigile la corriente, la presión de descarga, la temperatura de los cojinetes, la vibración, el ruido y la fuga del cierre. No use nunca la válvula de aspiración para ajustar el caudal.
  7. Para parar, cierre gradualmente la válvula de descarga y después pare el motor; trate el líquido que quede en la bomba según exija el servicio.

Estas son prácticas generales; siga siempre el manual de instalación, operación y mantenimiento (IOM) del fabricante de la bomba.

Estas son prácticas generales; siga siempre el manual de instalación, operación y mantenimiento (IOM) del fabricante de la bomba.

8.2 Ajuste del servicio: leyes de semejanza

Cuando se cambia la velocidad n de una misma bomba, el caudal, la altura y la potencia en el eje siguen aproximadamente: Q₂/Q₁ = n₂/n₁; H₂/H₁ = (n₂/n₁)²; P₂/P₁ = (n₂/n₁)³. Reducir la velocidad un 20 % (n₂/n₁ = 0,8) da aproximadamente el 80 % del caudal, el 64 % de la altura y el 51 % de la potencia, que es la base del ahorro de energía con variadores de velocidad. El NPSHR también baja al reducir la velocidad. Son aproximaciones; para grandes cambios de velocidad o sistemas dominados por la altura estática, compruebe con la curva del sistema.

Figura 10. Curvas características típicas y región de operación preferida (esquema normalizado; *región preferida según ANSI/HI 9.6.3, aprox. 70 %–120 % del caudal del BEP en la mayoría de las bombas).

Cómo leer el gráfico: (1) la intersección de la curva de altura con la curva del sistema es el punto de operación real; (2) el máximo de la curva de eficiencia es el BEP, cerca del cual debe mantenerse el punto de operación; (3) el NPSHR aumenta con el caudal, de modo que los caudales altos hacen más probable la cavitación. La región de operación preferida (POR) del HI es en general del 70 % al 120 % del caudal del BEP, y se reduce al 80 %–120 % en bombas de mayor velocidad específica; API 610 exige además que el caudal nominal esté entre el 80 % y el 110 % del BEP. [13]

9. FAQ

P1: La bomba no impulsa. ¿Qué compruebo primero? Confirme que está cebada y purgada (bloqueo por aire); después busque entradas de aire en la aspiración, una válvula de pie o un filtro obstruidos, el sentido de giro correcto del motor y un nivel de alimentación demasiado bajo.

P2: Se oye un traqueteo como de grava y el caudal ha bajado. ¿Qué es? Cavitación clásica. Recalcule NPSHA frente a NPSHR y revise la resistencia en la aspiración, la temperatura del líquido y si el caudal es demasiado alto.

P3: ¿Puedo estrangular la válvula de aspiración para reducir el caudal? No. Manténgala totalmente abierta; estrangularla reduce la presión de entrada y favorece la cavitación. Ajuste el caudal con la válvula de descarga, la velocidad o el recorte del rodete.

P4: ¿Qué ocurre cuando se desgastan los anillos de desgaste? Aumenta la fuga interna, por lo que bajan el caudal entregado y la eficiencia; sustitúyalos cuando la holgura supere el límite especificado (por ejemplo, unas dos veces el mínimo de una pieza nueva).

P5: ¿Voluta simple o doble? La voluta simple es habitual cuando importan la alta eficiencia y el líquido limpio; considere la doble voluta para amplios intervalos de caudal o para reducir las cargas radiales sobre cojinetes y cierres, recordando que su álabe divisor puede obstruirse con sólidos. [5]

10. Correcciones a afirmaciones comunes

Para que cada afirmación pueda verificarse, las siguientes afirmaciones frecuentes se han corregido o matizado, indicando su fundamento:

Afirmación común

Cómo se trata aquí

«En el centro del rodete se forma un vacío»
Reformulada como «la presión en el ojo del rodete se reduce»; cuando la presión baja hasta la de vapor empieza la cavitación: más «vacío» no es mejor
«Si NPSHA > NPSHR no hay cavitación»
Corregida: NPSHR es el criterio de caída de altura del 3 % y puede haber cavitación ya por encima de él [1][2]
Confundir «cavitación» con «bloqueo por aire»
Se mantienen separados: la cavitación es el líquido que se vaporiza; el bloqueo por aire es gas atrapado en la bomba
Holgura de los anillos de desgaste «0,1–0,2 mm»
Matizada: hay que distinguir holgura radial y diametral, y los valores varían con el diámetro, el material y la velocidad; se usa como ejemplo la tabla de un fabricante [9][11]
Clases de presión (baja < 100 m, etc.)
Señalada como convención de libros de texto, no como norma universal
Velocidad de salida del rodete «15–25 m/s»
Sustituida por la fórmula de la velocidad periférica y un ejemplo resuelto (30,4 m/s); el valor real depende de la velocidad y del diámetro
Los rodetes cerrados tienen «4–6 álabes»
Matizada: el número de álabes varía con el diseño

Sobre las figuras y las fuentes

Las figuras 1–10 son esquemas originales, no fotografías; las curvas muestran tendencias normalizadas, no datos medidos de una bomba concreta. Para datos reales, use las curvas características del fabricante.

Referencias

[1] Hydraulic Institute. Pump FAQs (January 2007) — cavitation when NPSHA > NPSHR, the 3% head-drop criterion for NPSHR, and ANSI/HI 1.6. Pumps & Systems. https://www.pumpsandsystems.com/?p=4547

[2] Budris, A. R. Understanding Pump Cavitation and Its Impact on Pump Reliability. WaterWorld. https://www.waterworld.com/wastewater/treatment/article/16193748/understanding-pump-cavitation-and-its-impact-on-pump-reliability

[3] KSB. Centrifugal Pump Lexicon: NPSH. https://ksb.com/en-global/centrifugal-pump-lexicon/article/npsh-1116954

[4] Ruhrpumpen. Understanding Pump Cavitation. https://www.rcworst.com/blog/Understanding-Pump-Cavitation

[5] Budris, A. R. Pump Protection: The Pros and Cons of Various Centrifugal Pump Casing Types. WaterWorld. https://www.waterworld.com/wastewater-treatment/article/16190692/pump-protection-the-pros-and-cons-of-various-centrifugal-pump-casing-types

[6] Hydraulic Institute. HI Pump FAQs (February 2014): Single-Volute & Double-Volute Casings. Pumps & Systems. https://pumpsandsystems.com/hi-pump-faqs-february-2014

[7] Mina, E. M.; Abdelmessih, R. N.; Matbouly, M. E. Reduction of Radial Thrust by Using Triple-Volute Casing Centrifugal Pump. Journal of Al-Azhar University Engineering Sector, 11(38), 2016, 115–124. https://journals.ekb.eg/article_19501.html

[8] Pump Industry (Australia). Centrifugal pump basics (casings, radial thrust, diffusers). https://www.pumpindustry.com.au/?p=7513

[9] EASA. Wear ring considerations for centrifugal pumps. https://easa.com/resources/resource-library/wear-ring-considerations-for-centrifugal-pumps

[10] Pumps & Systems (2019). Wear Ring Clearance for Centrifugal Pumps. https://pumpsandsystems.com/wear-ring-clearance-centrifugal-pumps

[11] Goulds Pumps 3700 IOM — Minimum running clearances / replace wear rings. https://www.manualsdir.com/manuals/461697/goulds-pumps-3700-iom.html?page=75

[12] Pumps & Systems. Effect of Internal Clearances on NPSHR. https://www.pumpsandsystems.com/effect-internal-clearances-npshr

[13] Pumps & Systems. Pump Selection: Understanding Manufacturer Family Performance Charts, Part 1 (POR/AOR in ANSI/HI 9.6.3 and API 610). https://www.pumpsandsystems.com/pump-selection-understanding-manufacturer-family-performance-charts-part-1

[14] Wilo USA. Best Efficiency Point (Pump Basics). https://wilo.com/us/en_us/Training/On-Demand-Resources/Pump-Basics/Best-Efficiency-Point/

[15] AESSEAL. Why use mechanical seals (packing vs. mechanical seal). https://www.aesseal.com/en/resources/academy/why-use-mechanical-seals/

[16] SEPCO. What Is a Stuffing Box? A Beginner’s Guide to Pump Maintenance. https://empoweringpumps.com/sepco-what-is-a-stuffing-box-a-beginners-guide-to-pump-maintenance

[17] Pumps & Systems. Impeller types: semi-open impellers, axial force and pump-out vanes. https://www.pumpsandsystems.com/?p=7489

[18] Pump Industry (Australia). Selecting the correct sewage pump impeller. https://www.pumpindustry.com.au/selecting-the-correct-sewage-pump-impeller/

[19] Wikipedia. Impeller. https://en.wikipedia.org/wiki/Impeller

[20] Carver Pump Company. Impeller Selection: Semi-open vs. Enclosed. Environmental Expert, 2021. https://www.environmental-expert.com/articles/impeller-selection-semi-open-vs-enclosed-1019451

[21] NIST Chemistry WebBook / IAPWS-IF97: saturation properties of water (steam tables). https://webbook.nist.gov/chemistry/fluid/

[22] Related standards (consult the official texts): ANSI/HI 1.6 (centrifugal pump tests); ANSI/HI 9.6.1 (NPSH margin guideline); ANSI/HI 9.6.3 (allowable / preferred operating region); API 610 / ISO 13709 (centrifugal pumps for petroleum, petrochemical and natural gas industries); API 682 (shaft sealing systems).

[23] EPO patent publication EP 3889434 A1. Multistage centrifugal pump with a balancing line… (background on multistage construction, ring-section / barrel types, balance drum and balance line). https://data.epo.org/publication-server/rest/v1.2/publication-dates/20211006/patents/EP3889434NWA1/document.html

[24] Pumps & Systems. Multistage pump types (BB3 axially split, BB4 ring-section, barrel) and thrust balancing. https://www.pumpsandsystems.com/?p=8274

[25] Eng-Tips Forums FAQ. Balance drum / disc and opposed impellers in multistage pumps (engineers’ forum — reference only). https://www.eng-tips.com/faqs.cfm?fid=1306