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Bombas de engranaje externo

¿Qué es una bomba de engranaje externo?


Las bombas de engranaje externo son un tipo de bomba rotativa de desplazamiento positivo que se remonta a finales del siglo XVI. A menudo eran impulsadas por ruedas hidráulicas, ya que pueden utilizar la simple rotación de los engranajes para transferir fluidos. Las bombas de engranaje externo han avanzado hasta convertirse en el tipo más simple y común de bomba rotativa de desplazamiento positivo. Generalmente, las bombas de engranaje externo tienen dos engranajes en ejes separados con un eje conectado a un motor. Los tipos de accionamiento, tamaño y materiales de construcción varían ampliamente según la industria y la aplicación. Se pueden encontrar bombas de engranaje externo con caudales desde 20 ml/min hasta más de 50 L/min, con presiones de hasta 500 bar.

Engranajes de una bomba de engranajes acoplada magnéticamente

Cómo funcionan las bombas de engranaje externo


El ciclo de una bomba de engranajes puede dividirse en tres acciones distintas:

  1. El desengrane de los engranajes expande el volumen en la entrada de la bomba. El volumen expandido crea un vacío, permitiendo que la presión externa empuje el fluido hacia la bomba.

  2. A medida que los engranajes giran, el fluido queda atrapado entre los dientes del engranaje y la pared de la cavidad de la carcasa. Esto transfiere el fluido del lado de entrada de la bomba al lado de salida. Las holguras estrechas y la velocidad de rotación minimizan la fuga interna hacia atrás del fluido.

  3. El fluido adicional suministrado al lado de salida, junto con el volumen decreciente creado a medida que los engranajes se entrelazan, descarga el fluido por la salida.

Ciclo de la bomba de engranajes

Tipos de engranajes


Los diseños de bombas de engranaje externo utilizan uno de los tres tipos de engranajes:

  • Rectos: Los engranajes rectos son la geometría más simple. Pueden fabricarse a partir de numerosos métodos de fabricación, incluido el moldeo por inyección. La geometría de engranajes rectos también se presta bien para el rectificado o la electroerosión por hilo, lo que hace que los materiales endurecidos sean una opción. Sin embargo, toda la longitud del engranaje recto se engrana simultáneamente, lo que lleva a un funcionamiento más ruidoso, una mayor sensibilidad a la cavitación y una vida útil reducida.
  • Helicoidal: Los engranajes helicoidales son engranajes rectos pero en espiral en cuanto a su eje a lo largo del engranaje. Esto reduce el ruido y la vibración porque los dientes se enganchan y desenganchan gradualmente a lo largo de la rotación, lo que resulta en una vida útil más larga. Sin embargo, la forma helicoidal induce una fuerza axial que puede causar desgaste entre los engranajes y la carcasa. Esto debe ser abordado a través de un diseño preciso y una selección cuidadosa de materiales. Los engranajes helicoidales son un poco más difíciles de producir que los engranajes rectos; también pueden ser moldeados, aunque con una precisión reducida.
  • Espiga de engranajes: La espiga de engranajes ofrece las ventajas de las ruedas dentadas helicoidales sin la fuerza axial resultante. La hélice se refleja en el plano central del engranaje, generando un patrón de «espiga» en forma de V. Si bien esto es funcionalmente superior a los otros tipos de engranajes, es considerablemente más difícil de producir y, por lo tanto, se trata de la opción más costosa.


Recto Helicoidal Espiga de engranajes

Ventajas/desventajas


¿Cuáles son las principales características y ventajas de una bomba de engranaje externo?

Las bombas de engranajes son compactas y sencillas, con un número limitado de piezas móviles. Las bombas de engranaje externo pequeñas funcionan normalmente a 4000 rpm, lo que permite altos caudales en entornos reducidos. Son totalmente reversibles, lo que facilita los complejos procedimientos hidráulicos. A diferencia de las bombas centrífugas, las bombas de engranajes son autocebantes y pueden levantar alturas significativas.

Dado que la salida es directamente proporcional a la velocidad y es un flujo suave y libre de impulsos, las bombas de engranaje externo se utilizan comúnmente para operaciones de medición, mezcla y retroalimentación de control simple. Pueden manejar fluidos de alta y baja viscosidad, pero es importante consultarlo con los ingenieros de la bomba para asegurarse de que esta esté funcionando en condiciones óptimas. Las bombas de engranajes se encuentran entre las bombas de desplazamiento positivo más silenciosas y son ideales para aplicaciones en las que existe preocupación por el ruido.

Una subcategoría importante de bombas de engranajes la ocupan las bombas de engranajes acopladas magnéticamente. Estas bombas no tienen un sello dinámico, lo que resulta en una larga vida útil sin riesgo de fugas externas.


¿Cuáles son las limitaciones de una bomba de engranaje externo?

Los engranajes y sus cojinetes de deslizamiento se lubrican por el fluido bombeado y no deben quedar secos durante períodos prolongados. El bombeo de fluidos con abrasivos desgastará rápidamente tanto los flancos de los engranajes como los cojinetes internos, ya que el fluido bombeado es también el fluido lubricante.

Las estrechas tolerancias entre los engranajes y la carcasa, la estrecha malla del engranaje y los limitados volúmenes de los dientes dificultan el bombeo de líquidos con sólidos suspendidos de gran tamaño. Si se prevén sólidos en suspensión, se puede instalar un filtro en el lado de entrada. Sin embargo, crear un vacío demasiado alto en la entrada puede conducir a cavitación.

Una bomba de engranajes no debe ser operada muy lejos de su rango de velocidad recomendado. Los cojinetes de deslizamiento hidrodinámicos de las bombas de engranajes están optimizados para rangos de velocidad específicos. Un funcionamiento demasiado lento de la bomba puede, sorprendentemente, provocar un desgaste acelerado.

Para aplicaciones de alta temperatura, es importante asegurarse de que el rango de temperatura de funcionamiento sea compatible con la especificación de la bomba. La expansión térmica de la carcasa y los engranajes puede cambiar las holguras dentro de la bomba, alterando el rendimiento y acelerando potencialmente el desgaste.

Dada la potencia suficiente, las bombas de engranajes continuarán bombeando contra una presión trasera si están sujetas a un bloqueo descendiente. Esto puede conducir a una sobrepresurización y provocar la ruptura del sistema. La fuga interna de una bomba de engranajes limita su presión máxima. Además, las válvulas de alivio de presión (bypass) pueden integrarse en la bomba para cortocircuitar la salida a la entrada a las presiones prescritas.

Las altas velocidades, las holguras estrechas y la malla del engranaje de las bombas de engranaje externo las hacen inadecuadas para líquidos sensibles al cizallamiento como la pintura y los jabones.


Materiales de construcción/Opciones de configuración


Como se indica en la siguiente lista, las bombas de engranajes pueden construirse en una amplia variedad de materiales. Se puede lograr una vida útil superior y un coste optimizado si se combinan los materiales de construcción con el líquido de manera precisa. Mientras que las bombas de engranaje externo se encuentran comúnmente con el hierro fundido, los nuevos materiales permiten que estas bombas manejen líquidos como el ácido sulfúrico, hipoclorito de sodio, cloruro férrico, hidróxido de sodio y cientos de otros líquidos corrosivos.

  • Partes externas (cabeza, carcasa, soporte): hierro, hierro dúctil, acero, acero inoxidable, aleaciones altas, compuestos, PPS, ETFE
  • Ejes: acero, acero inoxidable, aleaciones altas, cerámica de alúmina, PEEK
  • Engranajes: acero, acero inoxidable, carburos, PTFE, PPS, PEEK
  • Bujes/rodamientos: carbono, bronce, carburo de silicio, cojinetes de aguja, PEEK
  • Sello del eje: empaquetadura, sello de labios, sello mecánico de componentes, acoplamiento magnético

 

Por qué no todas las bombas de engranajes son iguales


Vida útil

La vida útil de la bomba resulta de una combinación de los detalles de diseño, la precisión en la fabricación y la colaboración entre ingenieros:

  • El tamaño y la disposición de los rodamientos son cruciales para reducir los índices de desgaste.
  • Las trayectorias de lubricación adecuadas son sutiles pero importantes para mantener los rodamientos lubricados, frescos y con suficiente líquido para desarrollar una capa hidrodinámica adecuada.
  • El mantenimiento de holguras pequeñas y consistentes en los cojinetes de deslizamiento reduce el contacto, pero requiere una alta precisión de mecanizado repetible.
  • Una calidad deficiente del perfil del engranaje, ya sea debido al moldeo o a prácticas de mecanizado deficientes, acelerará el desgaste.
  • Incluso el mejor diseño y las bombas de la más alta calidad pueden funcionar mal si no se utilizan correctamente. Para lograr una larga vida útil, es preciso trabajar junto con los ingenieros de las bombas.
  • Selección de material adecuado

Consistencia

Para aplicaciones OEM, la repetibilidad de bomba a bomba es una característica crítica, pero que a menudo se pasa por alto. Varios factores influyen en la repetibilidad de las bombas de engranajes, incluyendo las tolerancias de los engranajes, las tolerancias de la carcasa, las tolerancias de los rodamientos, la alineación de los ensamblajes y la consistencia del motor. Si no hay controles adecuados, la variación de bomba a bomba puede superar el 20 % a presiones elevadas. Es esencial asegurarse de que el fabricante de la bomba tenga un sistema de control de calidad sólido, realice ensayos al 100 % de la capacidad de la bomba y una reputación establecida.

Sellos

Los sellos entre el eje del motor y el alojamiento son el componente que más limita la vida útil de una bomba. Se requiere una cuidadosa selección y ensayo de los sellos utilizando los fluidos reales del diseñador del sistema. Un sello que bombee agua funcionará de manera muy diferente a uno que bombee un ácido agresivo. Además, el fallo de un sello puede resultar en daños al equipo circundante y no solo a la bomba. La mejor solución consiste en utilizar un acoplamiento magnético si la presión y la velocidad lo permiten.