¿Qué son las bombas de engranajes?
Una bomba de desplazamiento positivo (también conocida como ‘bomba de desplazamiento’ o ‘bomba PD’) emplea acción mecánica para mover un fluido físicamente; a diferencia de una bomba centrífuga que transforma la velocidad en presión.
Existen dos tipos de bombas de desplazamiento: rotativas y reciprocantes. Una bomba de engranajes es un tipo de bomba de desplazamiento rotativa. Las bombas de desplazamiento reciprocantes son el otro tipo de bomba de desplazamiento; operan con un movimiento lineal y requieren válvulas de succión y descarga para funcionar. Las bombas de desplazamiento se utilizan generalmente para aplicaciones de bajo flujo y alta presión, aunque esto es una generalización amplia.
Inventadas a principios del siglo XVII por Johannes Kepler, las bombas de engranajes se emplean frecuentemente en aplicaciones de potencia hidráulica y para fluidos de alta viscosidad (fluido espeso). Como todas las bombas de desplazamiento positivo, pueden bombear aire, lo que las hace autocebantes.
Aunque existen varios diseños de bombas de engranajes, hay dos diseños principales. Un diseño utiliza dos engranajes idénticos que se acoplan entre sí; este tipo se llama bomba de engranajes externa. El segundo diseño tiene un engranaje colocado dentro de otro; este tipo se llama bomba de engranajes interna.
Diseños de Bombas de Engranajes Externas (izquierda) e Internas (centro y derecha)
Los fluidos descargados de una bomba de engranajes generalmente fluyen con bajas pulsaciones de presión, lo que resulta en un flujo ‘suave’ y constante. La tasa de flujo a través de la bomba se correlaciona directamente con la velocidad a la que giran los engranajes, lo que hace que la bomba de engranajes sea una opción ideal para aplicaciones de dosificación (donde se necesita medir con precisión la cantidad de flujo).
Las bombas de engranajes suelen ser impulsadas eléctricamente mediante un motor eléctrico, pero también pueden ser impulsadas hidráulicamente o mecánicamente, dependiendo del diseño y la aplicación. Por ejemplo, muchos tractores utilizan bombas de engranajes para sistemas hidráulicos a bordo (subir y bajar un arado, etc.), y la bomba está conectada mecánicamente al motor del tractor.
La velocidad de rotación de una bomba de engranajes y las holguras mecánicas ajustadas minimizan la cantidad de fluido que fluye en la dirección incorrecta (fugas); la reducción de fugas conduce a una mayor eficiencia de la bomba.
Conocimiento útil – el fluido o material que es bombeado por una bomba se denomina ‘bombeo’. El bombeo puede incluir sólidos, líquidos, vapores o gases, dependiendo del diseño de la bomba (¡las bombas de tornillo pueden bombear tuercas y tornillos!).
Engranajes de la Bomba de Engranajes
Los engranajes de la bomba de engranajes son a menudo del tipo recto, aunque no son infrecuentes las bombas de engranajes que utilizan engranajes helicoidales o doble helicoidales. Los engranajes helicoidales y doble helicoidales ofrecen una tasa de flujo más suave (menores pulsaciones de presión) que los engranajes rectos; también son preferidos para aplicaciones de mayor capacidad/flujo.
Tipos de Engranajes de Bomba de Engranajes
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Bombas de Engranajes Externas
Una bomba de engranajes externa consta de un puerto de succión, un puerto de descarga, engranajes, rodamientos y una carcasa.
Componentes de la Bomba de Engranajes Externa
Los engranajes en una bomba de engranajes externa están instalados en paralelo entre sí. Un eje se instala a través del eje central de cada engranaje y los rodamientos mantienen cada eje en posición. Ambos engranajes se clasifican como engranajes externos porque los dientes del engranaje están ubicados en la superficie externa de cada engranaje. Típicamente, un engranaje es un engranaje impulsor (‘maestro’, ‘líder’) mientras que el otro es un engranaje loco (‘esclavo’, ‘seguidor’). Los engranajes locos giran solo si su engranaje impulsor asociado gira. Una carcasa con dos penetraciones rodea los engranajes, estas penetraciones forman los puertos de succión y descarga.
Animación de la Bomba de Engranajes Externa
Otro diseño de bomba de engranajes externa utiliza engranajes que son ambos impulsados por engranajes de sincronización, pero este diseño es más complicado, más caro y, en consecuencia, menos común. Sin embargo, tiene la ventaja de que los engranajes no se contactan entre sí, lo que significa que se pueden bombear fluidos con menores cualidades de lubricación (baja lubricidad).
Bombas de Engranajes Internas
Las bombas de engranajes internas operan bajo la misma teoría que las bombas de engranajes externas, pero las bombas de engranajes internas tienen un engranaje instalado dentro de otro. A diferencia de los engranajes en una bomba de engranajes externa, los dos engranajes acoplados no son del mismo tamaño. El engranaje interno más pequeño se llama rotor y el engranaje externo más grande se llama engranaje loco.
Animación de la Bomba de Engranajes Interna
Las bombas de engranajes internas tienen dientes de engranaje en las superficies internas del engranaje loco para que puedan interactuar con los dientes del engranaje externo del rotor. Los dos conjuntos de engranajes (rotor y engranaje loco) se entrelazan/acoplan entre sí de la misma manera que los de una bomba de engranajes externa.
¿Cómo Funcionan las Bombas de Engranajes?
Las bombas de engranajes atrapan el fluido en el lado de succión y lo descargan a una presión más alta en el lado de descarga. El principio de funcionamiento de una bomba de engranajes externa es muy similar al de una bomba de engranajes interna; ambos principios de funcionamiento se discutirán por separado para mayor claridad.
Cómo Funcionan las Bombas de Engranajes Externas
El fluido entra en la bomba por el lado de succión. A medida que los engranajes en el lado de succión giran, el espacio volumétrico entre sus dientes de engranaje aumenta. El fluido entra en los espacios/cavidades entre los dientes debido a la presión negativa de succión dentro de las cavidades. A medida que los engranajes giran más, el fluido dentro de las cavidades queda atrapado entre los engranajes y la carcasa.
Operación de la Bomba de Engranajes Externa
Después de una mayor rotación, los engranajes se acercan al lado de descarga. El espacio entre los engranajes y la carcasa aumenta y el fluido escapa de las cavidades. Una mayor rotación de los engranajes lleva a que se acoplen (entrelacen), lo que lleva a que cualquier fluido restante dentro de las cavidades sea ‘exprimido’ hacia afuera. Así, cuando los engranajes comienzan a separarse nuevamente en el lado de succión, el fluido puede entrar en las cavidades vacantes, y el proceso puede repetirse.
Cómo Funcionan las Bombas de Engranajes Internas
El mecanismo de accionamiento (motor eléctrico, etc.) proporciona movimiento rotatorio al engranaje rotor (el engranaje interno). A medida que el engranaje rotor gira, hace que el engranaje loco (engranaje externo) también gire. El fluido entra por el lado de succión de la bomba y fluye hacia las cavidades entre el rotor y el engranaje loco. Un sellado de media luna estacionario separa los dos engranajes mientras continúan su rotación. El fluido queda atrapado en las cavidades entre el engranaje rotor y la superficie interna de la media luna, y entre el engranaje loco y la superficie externa de la media luna. Una mayor rotación de los engranajes acerca los dientes de los engranajes entre sí. A medida que los engranajes comienzan a acoplarse, el fluido es expulsado de las cavidades y se descarga de la bomba; el proceso luego se repite.
Operación de la Bomba de Engranajes Interna (con media luna)
Los diseños alternativos de bombas de engranajes internas no utilizan sellado de media luna, pero el principio de funcionamiento es muy similar al de una bomba de engranajes interna con sellado de media luna.
Operación de la Bomba de Engranajes Interna (sin media luna)
Aplicaciones de las Bombas de Engranajes
Las bombas de engranajes son adecuadas para fluidos de alta viscosidad (espesos) con un bajo número de sólidos suspendidos. Los fluidos de alta viscosidad incluyen sustancias como pinturas y jabones, etc. Debido a que las bombas de engranajes tienen holguras mecánicas ajustadas, los sólidos suspendidos dentro de un fluido pueden causar abrasión de las partes de una bomba de engranajes, lo que lleva a una reducción en la eficiencia de la bomba y una vida útil reducida de la bomba.
Las aplicaciones típicas de las bombas de engranajes incluyen:
- Combustibles y aceites automotrices.
- Aceites hidráulicos.
- Alcohol y solventes.
- Circulación a pequeña escala de aceite caliente.
- Pinturas, resinas y polímeros.
- Jabón líquido.
- Alimentos comestibles como jarabe de maíz, alimentos para animales y mantequilla de maní.
Características de Operación
Para mejorar el funcionamiento de una bomba de engranajes, es importante reducir la fricción entre sus partes. La fricción conduce a calor, lo que causará que los componentes de una bomba de engranajes se expandan físicamente. Las bombas de engranajes tienen holguras mecánicas ajustadas, particularmente las bombas de engranajes externas, por lo que cualquier expansión térmica puede causar daños a la bomba. Por ejemplo, los dientes de los engranajes podrían desalinearse, lo que llevaría a desgaste, fugas y una consecuente reducción en la eficiencia. En casos extremos, una bomba de engranajes severamente desalineada puede bloquearse (ya no poder girar).
Típicamente, el fluido que se bombea sirve para lubricar los componentes internos de la bomba. Por esta razón, la mayoría de las bombas de engranajes no son adecuadas para operación en seco (sin flujo de fluido) durante períodos prolongados.
Las bombas de engranajes son más eficientes cuando operan a su velocidad de diseño máxima; revoluciones por minuto (rpm) más bajas llevarán a eficiencias de bomba más bajas.
Ventajas Generales de las Bombas de Engranajes
Las bombas de engranajes en general son útiles debido a su tamaño compacto y diseño simplista. Debido a que tienen un bajo número de partes móviles, son más confiables que otros diseños de bombas más complejos. A menudo son auto-lubricantes porque el fluido que bombean también lubrica las partes internas de la bomba. La mayoría de las bombas de engranajes no deben operarse en seco por períodos prolongados, ya que esto probablemente llevará a daños en los componentes de la bomba debido a la fricción/calor.
Desventajas Generales de las Bombas de Engranajes
Debido a las holguras ajustadas que son necesarias por su diseño (particularmente para las bombas de engranajes externas), las bombas de engranajes son susceptibles al desgaste. A medida que sus partes se desgastan/degradan, ocurren fugas y la eficiencia de la bomba se reduce. Si se debe usar una bomba de engranajes con sólidos abrasivos (no recomendado), la presión debe ser baja, el flujo alto y la velocidad de operación baja.
Como con todos los diseños de bombas de desplazamiento positivo, se deben instalar dispositivos de alivio de presión para proteger la bomba y los componentes aguas abajo.
Ventajas y Desventajas de las Bombas de Engranajes Externas
Una bomba de engranajes externa puede operar a presiones más altas que algunos otros tipos de bombas y a menudo proporciona un diseño más compacto y menos costoso. Las bombas de engranajes externas funcionan bien a bajas a medianas temperaturas, mientras mantienen una tasa de flujo relativamente alta. El diseño de la bomba de engranajes externa requiere holguras internas ajustadas, lo que la hace ideal para aplicaciones por lotes, ya que tiene una tasa de flujo precisa; también es capaz de manejar fluidos de menor viscosidad ya que hay pocas fugas debido a las holguras ajustadas entre las partes. Sin embargo, debido a las holguras ajustadas entre sus partes móviles, una bomba de engranajes externa a menudo tiene una tasa de desgaste más alta en comparación con otros tipos de bombas.
Ventajas y Desventajas de las Bombas de Engranajes Internas
La bomba de engranajes interna funciona mejor bajo presiones moderadas. Típicamente es más voluminosa y más costosa que su contraparte externa. Sin embargo, tiene varias ventajas sobre una bomba de engranajes externa:
- Tiene una mayor capacidad de succión, por lo que es más adecuada para manejar fluidos de mayor viscosidad.
- Es más robusta porque tiene holguras mecánicas más relajadas.
- Las holguras mecánicas relajadas le permiten manejar mejor temperaturas de fluidos más altas (más espacio para la expansión térmica de las partes), lo que la convierte en una buena opción de bomba para sistemas de alta temperatura, por ejemplo, aceite térmico.
Las bombas de engranajes internas son capaces de flujo de fluido bidireccional (flujo en dos direcciones). Esto las hace útiles si se requiere una sola bomba para un propósito dual, por ejemplo, llenar y vaciar un recipiente.
Aunque no se recomienda usar ninguna bomba de engranajes con sustancias abrasivas o sólidos, las bombas de engranajes internas son más adecuadas para este tipo de operación que las bombas de engranajes externas, esto se debe a sus tolerancias mecánicas relajadas. Sin embargo, las bombas de engranajes internas son menos capaces de manejar fluidos de menor viscosidad porque la tasa de fugas es comparativamente alta (las tolerancias relajadas conducen a tasas de fugas más altas, especialmente para fluidos de menor (más delgada) viscosidad).
Recursos Adicionales
https://kammash.com/learn-gear-pumps-characteristics-and-applications/