Universidad de Carabobo

Facultad de Ingeniera

Escuela de Mecnica

Departamento de Trmica y Energtica

Laboratorio de Trmica

Bomba de Engranajes Rectos

Integrantes:

Aneiros Angel C.I. 21.457.428

Cardoza Jackson C.I. 22.186.262

Gallardo Samuel C.I. 16.977.764

Len Yurik C.I. 24.553.116

16/06/2015

Bombas de engranajes rectos

Aneiros Angel, Cardoza Jackson, Gallardo Samuel, Len Yurik.

Universidad de Carabobo, Facultad de Ingeniera, Escuela de Ingeniera Mecnica.

21.457.428, Seccin: 51, angel.1992.02@gmail.com. 22.186.262, Seccin: 51,

cardozajackson@gmail.com. 16.977.764, Seccin: 51, samu990@hotmail.com. 24.553.116

Seccin: 51, yuriklyaitzkiy@hotmail.com.

RESUMEN

En el presente informe, se estudiara el comportamiento de las distintas variables principales

que describen el funcionamiento de una bomba de engranajes externos. Se proceder con el

ensayo de la bomba de engranajes externos del banco de ensayo que encontramos en el

laboratorio de trmica de la escuela de mecnica. Variaremos en el banco de trabajo la vlvula a

la descarga de la bomba, de forma que iremos aumentando la presin de descarga hasta su valor

mximo, obteniendo as la magnitud de las distintas variables para su posterior estudio, a travs

de frmulas y levantamientos de graficas que permitan un mayor entendimiento y comprensin

del principio de funcionamiento de estas bombas. Las bombas de engranajes se usan en todo tipo

de industrias, para el transporte de lquidos densos y/o ligeros, desde chocolate a combustible.

INTRODUCCIN

Las bombas de engranajes rectos impulsan el fluido al ejercer presin entre los dientes de los

engranes y la carcasa. La bomba de engranajes funciona por el principio de desplazamiento; un

pin es impulsado y hace girar al otro en sentido contrario. En la bomba, la cmara de

admisin, por la separacin de los dientes, en la relacin se libera los huecos de dientes. Esta

depresin provoca la aspiracin del lquido desde el depsito. Los dientes llenados transportan el

lquido a lo largo de la pared de la carcasa hacia la cmara de impulsin. En la cmara los

piones que engranan transportan el lquido fuera de los dientes e impiden el retorno del lquido.

Por lo tanto el lquido de la cmara tiene que salir hacia el receptor, el volumen del lquido

suministrado por revolucin se designa como volumen suministrado. Ya luego se observan y

discuten los resultados de las actividades planteadas se procede a la etapa de anlisis, y

finalmente concluiremos el trabajo realizado.

OBJETIVO GENERAL

Comprender el comportamiento de las variables fundamentales que describen el

funcionamiento de una bomba de engranajes externos (Caudal Volumtrico, Potencia, Eficiencia

y Presin de descarga, entre otras).

OBJETIVOS ESPECIFICOS

Verificar los resultados de las variables calculadas por el programa de captura y procesamiento de datos.

Analizar el comportamiento de las principales variables funcionales en la bomba de engranajes externos ensayada.

Analizar el comportamiento de la eficiencia volumtrica contra presin de descarga para la bomba de engranajes externos ensayada.

MARCO TERICO

Una mquina absorbe energa de una clase y la restituye en energa de otra clase o de la

misma clase pero transformada, las maquinas se clasifican en grupos mquinas elctricas,

maquinas herramientas, etc. y la inters en este trabajo, las mquinas de fluido.

Las maquinas hidrulicas pertenecen a un gran y variado grupo perteneciente a las mquinas

de fluido, en las que solo clasifican las maquinas de fluidos en que el fluido que intercambia su

energa no vara sensiblemente de densidad a su paso a travs de la maquina, por lo cual en el

diseo y estudio de la misma se hace la hiptesis de = ctte. Las maquinas hidrulicas segn el principio de funcionamiento se clasifican en dos grupos, turbomquinas y maquinas de

desplazamiento positivo o tambin llamada maquinas volumtricas (MDP).

En las MDP el rgano intercambiador de energa cede energa al fluido o el fluido a l en

forma de energa de presin creada por la variacin de volumen. Los cambios en la direccin y

valor absoluto de la velocidad no juegan un papel esencial alguno.

Clasificacin de las MDP: el rgano principal de las MDP, le designaremos el nombre

genrico de desplazador, tiene la misin de intercambiar energa con el liquido, lo que implica

un desplazamiento del mismo, este rgano admite infinidad de diseos, sin embargo, es fcil

clasificar estos diseos atendiendo a dos criterios distintos.

Primer Criterio, segn del tipo de movimiento del desplazador de las maquinas se clasifican

en: maquinas alternativas y maquinas rotativas o roto-estticas.

Segundo Criterio, segn la variabilidad del desplazamiento se clasifican en: maquinas de

desplazamiento fijo y maquinas de desplazamiento variable. La variacin del desplazamiento en

una maquina alternativa es sencillo, basta variar la carrera del embolo, en algunas maquinas

rotativas tambin es fcil, puede hacerse variando la excentricidad del rotor.

Desplazamiento D, es el volumen desplazado en una revolucin, por tanto el caudal Q, en las maquinas de desplazamiento positivo ser as:

(1)

El principio de desplazamiento positivo consiste en el movimiento de un fluido causado por la

disminucin del volumen de una cmara y no como en las turbomquinas que se basan en la

ecuacin de Euler, por lo tanto:

El rgano intercambiador de energa no tiene necesariamente movimiento alternativo

(embolo), sino que puede tener movimiento rotativo (rotor). Sin embargo, en las maquinas de

desplazamiento positivo tanto alternativas como rotativas, siempre hay una cmara que aumenta

de volumen (succin de una bomba) y disminuye de volumen (impulsin). Si el rgano

transmisor tiene movimiento rotativo, la maquina se llama Rotoesttica.

El intercambio de energa de fluido se hace siempre en forma de presin, en contraposicin a

las turbomquinas, en que los cambios de la direccin y valor absoluto de la velocidad del fluido

juegan un papel esencial.

La curva caracterstica o curva HvsQ de una turbomquina, por ejemplo una bomba solo

puede alcanzar una altura (presin) mxima que, segn la ecuacin de Euler depende de la forma

del rodete. Por el contrario una bomba de embolo tericamente el caudal Q no depender de la

resistencia en la tubera de impulsin, que se reflejara en un aumento de la presin P que reine en

el cilindro, ya que dada una velocidad de embolo v, el desplazamiento ser el mismo, y el caudal

tambin. Adems, si las paredes del embolo son suficientemente robustas, y el motor de

accionamiento suficientemente potente, la bomba proporcionara toda la presin que se pide.

Tericamente la curva H vs Q de una bomba de desplazamiento positivo ser una paralela al eje

H. En las turbomquinas al variar la presin vara el caudal. Como el suministro terico de la

bomba volumtrica no depende de la altura de carga creada por ella, su curva caracterstica

terica en un diagrama (Hm vs Q) para, n = cte., es una recta paralela al eje de ordenadas, figura

1.

Fig.1 Curva caracterstica terica y real.

Las bombas de engranajes externos son, sin duda, las ms ruidosas del mercado. Por ello no

suelen emplearse en aplicaciones fijas e interiores, donde su nivel sonoro puede perjudicar a los

operarios que trabajen cerca, pero si son ampliamente utilizadas en aplicaciones mviles en

maquinaria mvil de obras pblicas y minera.

Estas bombas pueden crear presiones entre 100 y 150 atm. Para obtener presiones ms

elevadas, se utilizan a veces bombas de engranajes de etapas mltiples, es decir, se hace un

montaje de varias bombas de engranajes acopladas en serie, originndose as una Hm igual a la suma de las alturas manomtricas correspondientes a las diversas etapas; para garantizar el

llenado, el suministro de cada etapa anterior debe ser mayor que el caudal impulsado por la

siguiente.

Si hay un exceso de suministro, se puede extraer parte de l mediante vlvulas de desage

especiales dispuestas en cada etapa y calculadas para una presin determinada.

Se emplean en la construccin de maquinaria; su desventaja radica en la imposibilidad de

poder regular el volumen de trabajo, por cuanto no se permite ningn desplazamiento de los ejes.

Suelen utilizarse tambin bombas de engranajes con engranaje interior, en las que el rotor es una

corona, mientras que el pin es el rgano que se desplaza, existiendo entre corona y pin,

segn se muestra en la figura 4, la parte fija del estator de la bomba, en forma de hoz, que

asegura el cierre de las cmaras de trabajo, es decir, los espacios entre los dientes de ambos

engranajes.

Por cada vuelta del engranaje conductor se suministra un volumen de lquido igual al

correspondiente a dos veces el nmero de dientes de dicho engranaje, no dependiendo del

nmero de dientes del engranaje conducido.

Estas bombas con engranaje interior disponen de un paso algo mayor que las de engranaje

exterior, para las mismas dimensiones; su ventaja consiste en la disposicin simtrica del rbol

de impulsin respecto al cuerpo; la fabricacin de estas bombas es ms complicada, y su altura

de carga es menor a las de las bombas con engranajes exteriores, hecho que se explica porque en

ellas, la va de traslacin de las cmaras de trabajo es mucho ms corta que en las bombas con

engranaje exterior, y por consiguiente, con menor grado de hermeticidad. Se emplean en grupos

que no precisan de altas presiones.

Fig. 2. Bomba de engranes interiores

Fig.3 Bomba de engranes exteriores.

Teora de Bombas de Engranaje:

Esta mquina tiene dos rotores.

En ella el desplazamiento D, o volumen desplazado por revolucin, A es el rea del espacio ocupado por un diente (m

2); b altura del diente [m] y z el numero de dientes.

El caudal til de la bomba ser:

(2)

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

1. Encender el equipo con la vlvula de descarga de la bomba completamente abierta. 2. Ajustar el regulador de potencia del motor, seleccionar la mxima velocidad de giro. 3. Cuando el sistema se estabilice, seleccionar este punto como el inicial. 4. Cerrar la vlvula de descarga hasta que la presin de descarga (po), aumentar un 20%.

Esperar que el sistema se estabilice para tomar este nuevo punto como dato.

5. Repetir el paso (3), hasta obtener la toma de datos correspondiente a la vlvula de descarga completamente cerrada.

6. Revisar los datos obtenidos. Imprimir los resultados.

Equipos Utilizados en el Banco

Vlvula de descarga, reguladora del caudal.

Vlvula, solo permite un sentido del flujo, en este caso hacia arriba, y a cierta presurizacin de la tubera se abre y libera la presin, como medida de seguridad.

Tanque de Etilenglicol.

Es el medidor de caudal tipo turbina, SFT1 es el sensor encargado de enviar el valor en m3/s al computador.

SPH3 es el sensor encargado de enviar al computador el valor de la presin de descarga en kPa, y su respectivo instrumento en la tubera.

Motor Elctrico de 2 polos

STS1 sensor de temperatura, enva al computador el valor de la temperatura del etilenglicol en C y su respectivo instrumento que censa la temperatura en la tubera.

Carcasa de la Bomba de Engranajes Externos, dentro encontramos la bomba como tal.

SS01 sensor ptico de la velocidad del motor, enva al computador la frecuencia

de giro del eje de la bomba en Hz.

Tabla de Dato Obtenida e Impresa del Programa

Tabla 1. Datos obtenidos del programa.

Fluido: Etilenglicol, Peso Especifico = 10.9368 KN/m3

Po: presin de la bomba a la descarga, Qv: caudal real, n: velocidad de giro de la bomba, Tg:

temperatura del etilenglicol, Pgr: potencia que entra al motor, H: altura total de la bomba, Pu:

potencia de salida o potencia til, Egr: eficiencia global y Ev: rendimiento volumtrico.

Desarrollo de los Ejercicios Prcticos

Ejercicio Practico 1. Trminos Bsicos.

La tabla 2 se completa para una presin en la descarga (Po) correspondiente al 60

% del mximo.

La presin de descarga mxima segn la tabla 1 es 688.981 kPa, el 60% de este valor es 413.3886 kPa, se hace uso de las graficas entonces, en el eje de las abscisas correspondiente a Po

(presin a la descarga) se corta el valor de 413.3886 kPa con las distintas graficas en los valores

de H, Pu, Egr y Ev. Y as se completa la tabla obteniendo los resultados del programa para el

valor de Po de 413.3886.

Tabla 2. Presin de descarga correspondiente al 60% de Po.

Con las formulas planteadas en el marco terico y datos obtenidos de los elementos de la

bomba y del motor elctrico se inicia el clculo de los valores tericos de H, Pu, Egr.

Revoluciones por minuto de la mquina:

Volumen desplazado por revolucin:

Caudal terico:

(5)

Po = 413.3886 kPa, Hm = 37.81 m.c.etilenglicol

Entonces la Potencia til es definida por:

Y el rendimiento global es definido:

Obteniendo el Qv (caudal real), interceptando en la grafica Qv vs Po a Po = 413.3886 kPa, y

usando la ecuacin de rendimiento volumtrico, con el caudal terico calculado en la seccin

anterior, obtenemos as el Ev.

Tabla3. Valores de la bomba de engranajes externos calculados vs. Valores arrojados por el programa

Ejercicio Practico 2. Curvas caractersticas de las bombas de engranajes externos.

Fig. 3. Grafico de caudal vs. Presiones de descarga.

En el grfico 1, es visible una tendencia decreciente, a medida que cerramos la vlvula de

descarga y por ende aumenta la presin de descarga (Po), se puede apreciar una disminucin en

el caudal presente en la red (Qv). El caudal real disminuye al aumentar la presin de descarga.

Fig.4 Potencia vs Presin de descarga

De la grafica se observa que a medida que es cerrada la vlvula de descarga y con esto

aumenta la presin de descarga, demanda una mayor potencia de accionamiento del motor, pero

tambin obtenemos una mayor potencia til en el fluido descargado. Ambas graficas son

crecientes en medida que aumenta el valor de la presin de descarga. Solo resalta un punto que

no sigue la tendencia y es a 130.384 kPa en el que hay una disminucin de la potencia de entrada

al motor.

Fig.5 Eficiencia global vs. Presin de descarga.

La curva presenta un crecimiento acelerado a medida que aumenta la presin de descarga, ya

a valores ms elevados de presin de descarga comienza a estabilizarse ms la curva. El valor

mximo de eficiencia global es 14.597% a una presin de descarga de 688.81 kPa. No presenta

puntos de inflexin la curva, es solo ascendente.

Ejercicio Practico 3. Eficiencia volumetra.

Fig.6 Eficiencia volumtrica vs. Presin de descarga.

En los valores ms bajos de presin de descarga se obtienen los valores ms altos de

eficiencia volumtrica, un 94% a medida que se cierra la vlvula de descarga y se aumenta con

esto la presin de descarga es visible una diminucin progresiva de la eficiencia, dndole a la

curva una tendencia decreciente hasta obtener su mnimo valor de 77.65%. Entonces el valor de

la eficiencia volumtrica disminuye con el aumento de la presin de descarga.

ANLISIS DE RESULTADOS

En el ejercicio prctico 1, donde se usan las formulas bsicas del estudio de una bomba de

engranajes externos extradas de la bibliografa, los datos suministrados por el laboratorio del

banco de ensayo, y apoyndose de algunos datos sacados de la tabla 1, que arrojo la computadora del banco de ensayo de la bomba, se logra obtener los valores de H, Pu Egr, Qv y

Ev y a un valor determinado de presin de descarga, en este caso al 60% de la Po mxima que

nos dio un valor de 413.3886 kPa.

Los resultados por no decir exactos, fueron muy aproximados los calculados con los del

programa, algunas desviaciones en los valores debido a que en el aspecto terico no se toman en

cuenta algunos factores que estn presentes en la realidad del proceso, adems de que los datos

de los engranajes fueron suministrados, no fueron medidos directamente, estos datos los se

comparan en la tabla 3. En el ejercicio prctico 2, donde se estudian las distintas graficas ya observadas, en el punto

anterior y discutido someramente. Ahora se analiza el porqu de estas tendencias.

En el grfico 1, se obtiene la recta justo como se esperaba, cuando fue consultado el marco

terico. Una curva semi-recta que se acuesta un poco hacia abajo, debido a que los rendimientos

no son del 100%, se comprueba que el suministro terico de la bomba volumtrica no depende

de la altura de carga creada por ella, suministra una cantidad determinada de fluido en cada

revolucin. Su curva caracterstica terica en un diagrama para n = cte., es una recta paralela al

eje de abscisas. Aqu se evidencia una gran diferencia de esta bomba (bomba de desplazamiento

positivo) con las turbomquinas basadas en la ecuacin de Euler (ej. Bombas rotodinmicas ya

estudiadas en informes pasados), que al variar la presin varia en gran medida el caudal.

En el grfico 2, se estudian las potencias, aqu es importante mencionar el mnimo valor de

potencia til comparado con toda la potencia que entra al motor, esto es lo que ocasiona que se

tengan unos valores de eficiencia global tan bajos, haciendo recordar que la eficiencia global

involucra la eficiencia volumtrica, la eficiencia mecnica, es decir los acoples, el eje, la

eficiencia del motor elctrico.

En el grfico 3, se destacan los valores de la eficiencia global, ya mencionado que la

eficiencia aumenta a medida que la presin de descarga de la bomba aumenta y recordando que

la eficiencia global abarca al eficiencia volumtrica, eficiencia hidrulica y las eficiencias

mecnicas y del motor elctrico. Discutiendo se puede observar que el consumo de potencia del

motor es elevado, para la poca potencia que transmite al motor sobre todo a presiones de

descarga muy bajas.

Se desconocen los factores por los cuales el banco dejo de funcionar, posiblemente los datos

suministrados fueron captados en los finales de vida til de la bomba o el motor y resaltan estos

valores de eficiencia bajos. Tambin es importante acotar que se trabaja con un fluido viscoso

que ofrece gran resistencia al flujo, y por eso necesitamos tanta potencia de accionamiento.

En el ejercicio prctico 3, se analiza el comportamiento de la curva Ev vs Po, la bibliografa afirma que el rendimiento volumtrico de las bombas de engranajes puede llegar a ser de un 93%

en condiciones ptimas, esto fue evidente ya que en las condiciones medias de trabajo de la

bomba se obtiene una eficiencia volumtrica de 85% aproximadamente.

Las tolerancias en movimiento entre las caras de los engranajes y las placas de presin, y

entre las crestas de los dientes, crea una fuga casi constante del fluido bombeado a una presin

constante.

El caudal terico es que la bomba debera entregar, sino tuviese fugas internas, a determinada

velocidad de giro y el caudal real es el caudal realmente erogado por una bomba funcionando a

determinado nmero de r.p.m.

Entonces se comprueba que:

Al aumentar la presin de trabajo a un valor casi constante de velocidad giro

aproximadamente 27Hz, la eficiencia volumtrica disminuye. Cuando se trabaja con presiones

mayores aumentamos las fugas volumtricas internas y tambin as las externas, ya que la

diferencia de presin del interior de la bomba con la presin atmosfrica del laboratorio

aumenta, en la figura 8 notamos un trozo de papel que cubre el fluido que en algn momento busco escaparse por los acoples y estopas de la bomba hacia el exterior.

Todos estos factores empobrecen el rendimiento volumtrico de la maquina. Una vez ms se

afianza el hecho de que para obtener mayor presin de descarga, se estrangula la vlvula de

descarga incrementando con esto las perdidas volumtricas.

CONCLUSIONES

La bombas de engranajes son maquinas de desplazamiento positivo dotadas de movimiento rotativo, pero en las que el cambio del momento cintico del fluido no

juega un papel tan importante como los es la disminucin del volumen en la cmara.

En las bombas de engranajes a una velocidad de giro constante, si la presin de descarga aumenta la eficiencia volumtrica disminuye mantenindose un caudal

terico.

La temperatura del fluido no demanda mayor relevancia en el estudio, ya que los efectos viscosos del fluido son ms importantes y notamos una diferencia irrelevante

de aproximadamente 3C, entre la menor y mayor presin de descarga.

La regulacin de caudal no puede hacerse en estas bombas por cierre de vlvula de impulsin, sino variando el numero de revoluciones del motor o bien haciendo el by-

pass de parte del caudal impulsado otra vez al tubo de aspiracin. Este mtodo de

regulacin lo evidenciamos en otro banco de ensayo de bombas de engranajes

externos del laboratorio donde notamos y discutimos la presencia de este sistema by-

pass. En nuestro banco de estudio tambin se tena una vlvula by-pass pero esta

trabajaba de forma que si la vlvula de descarga se cerraba o la tubera tomaba un

determinado valor de presin peligroso para el sistema. Se abra, permitiendo el paso

de fluido y liberando la excesiva presin, esta vlvula tambin controlaba en un solo

sentido el fluido, trabajando como una vlvula check.