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Internal Leakage

Qué es una fuga interna


Como se discutió en la visión general de las bombas de desplazamiento positivo, el desplazamiento fijo, independientemente de la presión de salida, es solo teórico. La flexión del material, las fugas internas ("blow-by"), el desgaste y otras variables dan como resultado diferentes cantidades de dependencia de la presión. Aquí veremos los detalles de las fugas internas.

Fugas internas en las puntas de una bomba de engranajes

Las fugas internas son el resultado de un ajuste imperfecto entre los componentes en un ensamblaje de bomba. Independientemente de lo bien que se ajusten los dos componentes entre sí, existirán huecos microscópicos y los fluidos se moverán a través de ellos. Las fugas internas están típicamente relacionadas linealmente con la viscosidad dinámica de un fluido y, por lo tanto, se vuelven más pronunciadas para los fluidos de baja viscosidad.

Las fugas internas no siempre son indeseables. La lubricación de los cojinetes de la bomba de engranajes requiere flujo de las áreas de alta presión a baja presión para establecer un rodamiento hidrodinámico correcto. En algunas bombas, las fugas internas se utilizan para limitar la presión máxima y evitar la sobrepresión del sistema.

Algunos diseños de bombas eliminan las fugas internas mediante el uso de materiales compatibles con ajustes de interferencia (por ejemplo, sellos). Estas estrategias pueden eliminar casi todas las fugas internas. Sin embargo, introducen un desgaste por deslizamiento, lo que crea otros problemas. Este artículo no se centrará en los sellos deslizantes.


Bombas rotativas de desplazamiento positivo


Las dos fuentes comunes de fugas internas en las bombas rotativas son las holguras en las puntas y las caras. No todas las bombas tienen ambos tipos, por ejemplo, las bombas de paletas no tienen holgura en las puntas punta porque las paletas se deslizan activamente pegadas a la pared. Las fugas internas en las bombas rotativas de desplazamiento positivo no solo reducen el caudal, sino que también reducen la presión máxima y la capacidad de cebado.


Holgura en las puntas

La holgura en las puntas de los engranajes, rotores o lóbulos es una fuente importante de fugas internas. Sin presión, el fluido alcanza la velocidad de la punta en la superficie de la misma y la velocidad cero en la pared de la cavidad, con una distribución lineal en el centro. Sin embargo, cuando la salida tiene una presión lo suficientemente alta, el centro de la curva puede invertirse, lo que resulta en que algo de fluido fluya hacia atrás. A una presión de flujo bloqueada (caudal igual a cero), el volumen de fluido que se mueve hacia delante es igual al que se mueve hacia atrás (ignorando otras fuentes de fuga). 

Flujo de fluido en las puntas del engranaje

A diferencia de otras formas de fuga interna, es extremadamente complicado moldear la holgura en las puntas. Estudios tanto de datos experimentales como de modelos físicos sugieren que el mecanismo de fuga es un híbrido de flujo laminar (dependiente de la viscosidad) e inercia del fluido (dependiente de la densidad). Los datos sugieren una dependencia de la fuga interna entre h2 y h3, donde h es la holgura radial, y lineal a la inversa de la longitud de la punta.

Los diseñadores de bombas de engranaje externo e interno, bombas gerotor y bombas de lóbulos disponen de tres métodos para reducir el efecto de las fugas en las puntas:

  1. Reducir la holgura en las puntas. Para ello se requiere una precisión elevada y repetible, un excelente control de calidad y el uso de materiales con una distorsión mínima debido a la absorción de fluidos, las diferencias de temperatura, las tensiones residuales y la fluencia. Estas consideraciones deben aplicarse a los engranajes, carcasas, rodamientos y ejes.
  2. Aumentar la longitud de la holgura en las puntas. Esta es una elección de diseño porque conduce a una disminución en el volumen por revolución. Sin embargo, las fugas internas son proporcionales a y pueden serlo en un 75 % en muchos casos.

     
    Punta optimizada para el desplazamiento   Punta optimizada para una baja fuga interna


  3. Aumentar el número de dientes en los engranajes. Al igual que el aumento de la longitud de la punta, tener más dientes resulta en un menor volumen por revolución. Más dientes cerca de la cavidad crean más «sellos de presión», como se muestra en los resultados de presión de una simulación de dinámica de fluidos que se presentan a continuación. El aumento del número de dientes puede tener ventajas añadidas, como un flujo más suave y una reducción del ruido.

Simulación computacional de dinámica de fluidos de fugas de las puntas del engranaje

Holgura en caras

La fuga interna a través de las caras de los elementos giratorios es el mayor contribuyente a las fugas internas de muchas bombas rotativas de desplazamiento positivo. La holgura en esta dirección es más fácil de controlar que la holgura de las puntas (menos componentes en el apilamiento de tolerancia), pero el área superficial es mayor y el caudal es proporcional al cubo de la separación (h3). El flujo a través de las caras también carece de la ventaja de numerosos dientes a lo largo de la trayectoria de fuga y de la alta velocidad de avance en las puntas de los dientes del engranaje. La única opción para reducir las fugas en las caras es aumentar la precisión y la calidad de los componentes para que se pueda reducir la holgura.

Fugas internas a través de las caras del engranaje

Algunas bombas colocan juntas de PTFE entre las piezas de la carcasa. Estas juntas forman un sello contra fugas externas. El grosor de estas juntas, sin embargo, influye directamente en la holgura de la cara. Con el tiempo o la temperatura, el espesor de estas juntas puede cambiar, lo que puede modificar el rendimiento de la bomba.


Bombas alternativas de desplazamiento positivo


Las bombas alternativas de desplazamiento positivo son ideales para dosificar o dispensar cantidades precisas de líquidos. No es de extrañar que estas bombas tengan la menor fuga interna de las dos clases de bombas de desplazamiento positivo. Sin embargo, la precisión requerida para muchas aplicaciones hace que las fugas internas sean un aspecto importante del diseño y la producción de la bomba.


Válvulas de retención

La fuente de fugas internas común a casi todas las bombas alternativas son las válvulas de retención integradas en la entrada y salida. La mayoría de las válvulas de retención de las bombas son válvulas de retención de diafragma (1) o válvulas de retención de bola (no confundir con válvulas de bola) (2). Las fugas en la entrada pueden provocar una presión positiva accidental en la admisión. Las fugas en la salida pueden hacer que el líquido retroceda ligeramente desde el puerto de descarga. En cualquier caso, el volumen efectivo de dispensación se reducirá.

Ejemplos de válvulas de retención en una bomba de diafragma

Las válvulas de retención de diafragma utilizan caucho flexible que se coloca sobre un orificio y se cierra en estado estacionario. El sellado se basa en la forma no estresada del diafragma junto con la contrapresión para evitar las fugas por la parte posterior. Las diferentes formas de las válvulas de retención de diafragma incluyen: disco de flotación libre, elastómero flexible, pico de pato y paraguas. La fuga hacia atrás puede ocurrir a medida que el diafragma se flexiona con el tiempo, los residuos interfieren con la superficie de sellado o las partículas abrasivas en el fluido desgastan el sello o las superficies del asiento.

Las válvulas de bola accionadas por resorte sellan al crear un ajuste hermético entre la bola y el asiento. A menudo el asiento es cónico, lo que guía a la bola hacia el asiento para obtener un sello de calidad. La construcción es típicamente a partir de materiales duros para maximizar la vida útil. Sin embargo, los materiales rígidos carecen de la conformidad necesaria para ajustarse entre sí, lo que da lugar a trayectorias microscópicas por las que el fluido se filtra.

Muchas compañías se especializan en el diseño y producción de válvulas de retención de calidad. Los materiales, diseños y métodos de fabricación están bien desarrollados. Sin embargo, las características inherentes descritas anteriormente no se pueden evitar. Las bombas de pistón sin válvula ofrecen un diseño libre de válvulas de retención, aunque tienen una fuente adicional de fugas internas.


Holgura del pistón

Las bombas de pistón y las bombas de pistón sin válvula tienen un pistón que se desliza dentro de un cilindro. Las desviaciones en la rectitud, el tamaño, la circularidad y la cilindricidad dan lugar a huecos por los que el fluido puede fluir. La cantidad de fuga depende linealmente de la presión de salida y se restará del volumen dispensado.

Fugas internas en una bomba de pistón

La fuga, como función de la presión, entre un pistón y un cilindro es , donde:

P = presión de salida
µ = viscosidad dinámica
D = diámetro del pistón
h = holgura radial
L = longitud

Típicamente, la única variable disponible para los diseñadores de bombas es la holgura. El caudal es proporcional a h3, por lo que una bomba de pistón de alto rendimiento requiere una holgura muy reducida. Para ilustrar esto, a continuación se muestra una aplicación común de una bomba con agua, con una holgura que varía de 0 a 20 µm. Para aplicaciones de precisión, la fuga debe ser significativamente menor al 1 % del desplazamiento deseado.

Fuga interna de una bomba de pistón en función de la holgura

Obtener holguras de micrómetros de un solo dígito (micras) no es sencillo. Las variables, tales como la forma, el tamaño, el acabado de la superficie, la expansión térmica y las técnicas de mecanizado deben ser evaluadas cuidadosamente. Los materiales cerámicos tienen características que se prestan perfectamente a esta aplicación:

  • Baja expansión térmica
  • Capacidad de ser rectificado con precisión
  • Tamaño de grano pequeño
  • Sin cambios dimensionales con una amplia gama de fluidos

La elección del material correcto es solo el comienzo de la solución. A continuación, se deben implementar prácticas de mecanizado de precisión y control de calidad altamente controladas. Esto va más allá de las prácticas típicas de ISO 9001 y requiere un profundo conocimiento y experiencia en la entrega de alta calidad a escala microscópica.


Resumen


Las fugas internas son una realidad que no se puede ignorar en las bombas de desplazamiento positivo a menos que el usuario acepte utilizar componentes de desgaste de vida útil limitada como sellos deslizantes. La clave para un diseño hidráulico eficiente y repetible es utilizar materiales adecuados, mecanizado de alta precisión, ensayos de bomba al 100 % y un proceso disciplinado de control de calidad. Si una aplicación requiere precisión, repetibilidad y fiabilidad, la comunicación entre ingenieros es crucial para evitar sorpresas en el ciclo de desarrollo o producción.