O que é bomba centrífuga – definição

Bombas centrífugas

Partes principais de uma bomba centrífuga

Cada bomba centrífuga é composta por centenas de peças. Existem alguns componentes que praticamente todas as bombas centrífugas têm em comum. Esses componentes podem ser subdivididos na extremidade úmida e na extremidade mecânica .

A extremidade úmida da bomba inclui as peças que determinam o desempenho hidráulico da bomba . As duas extremidades úmidas primárias são o impulsor e a carcaça . Em alguns casos, o primeiro rolamento radial pode ser lubrificado com água. Neste caso, também a lata de rolamentos pertence a extremidades úmidas.

A extremidade mecânica inclui as peças que suportam o impulsor dentro da carcaça . A extremidade mecânica da bomba inclui o eixo , a vedação, os rolamentos e a luva do eixo .

Esses componentes foram projetados para executar tarefas específicas:

• Impulsor. O impulsor é um rotor usado para aumentar a energia cinética do fluxo.
• Embalagem (Voluta). O invólucro contém o líquido e atua como um recipiente de contenção de pressão que direciona o fluxo de líquido para dentro e para fora da bomba centrífuga. A voluta é um funil curvo que aumenta de área à medida que se aproxima da porta de descarga. A voluta de uma bomba centrífuga é o invólucro que recebe o fluido sendo bombeado pelo impulsor, diminuindo a taxa de fluxo do fluido. Portanto, de acordo com o princípio de Bernoulli, a voluta converte energia cinética em pressão, reduzindo a velocidade e aumentando a pressão. Algumas bombas centrífugas contêm difusores. Um difusor é um conjunto de pás estacionárias que circundam o impulsor. O difusor direciona o fluxo, permite uma expansão mais gradual e, portanto, aumenta a eficiência da bomba centrífuga.
• Eixo (rotor). O impulsor é montado em um eixo. O eixo é um componente mecânico para a transmissão de torque do motor para o impulsor.
• Vedação do eixo. As bombas centrífugas são fornecidas com anéis de vedação ou vedação mecânica, o que ajuda a evitar o vazamento do líquido bombeado.
• Rolamentos. Os rolamentos restringem o movimento relativo do eixo (rotor) e reduzem o atrito entre o eixo rotativo e o estator. Existem pelo menos 5 tipos comuns de rolamentos, cada um dos quais opera com princípios diferentes:
  • Rolamento liso
  • Rolamento do elemento rolante
  • Rolamento de jóias
  • Rolamento de fluido
  • Rolamento magnético

Tipos de impulsores em bombas centrífugas

O design do impulsor é o fator mais significativo para determinar o desempenho de uma bomba centrífuga. Um impulsor adequadamente projetado otimiza o fluxo , minimizando a turbulência e maximizando a eficiência .

O impulsor de uma bomba centrífuga pode ser de três tipos básicos :

• Impulsor aberto.  Os impulsores abertos têm as palhetas livres dos dois lados. Os impulsores abertos são estruturalmente fracos. Eles são normalmente usados ​​em bombas de baixo diâmetro e de baixo custo e bombas que manuseiam sólidos em suspensão.
• Impulsor semiaberto . As palhetas são livres de um lado e fechadas do outro. A cobertura acrescenta força mecânica. Eles também oferecem maior eficiência do que impulsores abertos. Eles podem ser usados ​​em bombas de diâmetro médio e com líquidos contendo pequenas quantidades de sólidos em suspensão. Devido à minimização da recirculação e outras perdas, é muito importante que exista uma pequena folga entre as palhetas do impulsor e a carcaça.
• Impulsor fechado . As palhetas estão localizadas entre os dois discos, todos em uma única peça fundida. Eles são usados ​​em bombas grandes, com alta eficiência e baixa cabeça de sucção positiva líquida necessária . As bombas centrífugas com impulsor fechado são as bombas mais usadas no manuseio de líquidos transparentes. Eles contam com anéis de desgaste de folga estreita no impulsor e na carcaça da bomba. O impulsor fechado é um projeto mais complicado e caro, não apenas por causa do impulsor, mas também são necessários anéis de desgaste adicionais.

As pás do impulsor podem ser:

• Design da lâmina com curvatura para trás (design preferido devido à inclinação negativa da curva de desempenho)
• Design radial da lâmina
• Projeto de lâmina com curvatura para a frente (devido às condições de inclinação positiva, esse projeto pode causar oscilação da bomba)

Os impulsores podem ser:

• Sucção única . Um impulsor de sucção única permite que o líquido entre no centro das pás apenas de uma direção.
• Sucção dupla . Um impulsor de sucção dupla permite que o líquido entre no centro das pás do impulsor de ambos os lados simultaneamente. Isso reduz as forças exercidas no eixo.

A pressão de saída muda levemente de acordo com o design usado. As lâminas podem estar abertas ou fechadas. Além disso, o difusor pode ser equipado com palhetas fixas para ajudar a guiar o fluxo em direção à saída. A energia transferida para o líquido corresponde à velocidade na borda do impulsor. Quanto mais rápido o impulsor gira ou quanto maior o impulsor, maior será a velocidade.

Em geral, as bombas centrífugas podem ser classificadas com base na maneira pela qual o fluido flui através da bomba. Não é uma classificação baseada apenas no impulsor, mas sim no projeto da carcaça da bomba e do impulsor . Os três tipos de fluxo através de uma bomba centrífuga são:

• fluxo radial
• fluxo misto (parte radial, parte axial)
• fluxo axial (tipo hélice)

Características de desempenho de bombas centrífugas

Embora a teoria das bombas centrífugas dê muitos resultados qualitativos, o indicador mais importante do desempenho de uma bomba está em extensos testes hidráulicos .

Na indústria, as características de todas as bombas geralmente são lidas a partir de sua curva QH  ou curva de desempenho  (vazão – altura). Como pode ser visto, os gráficos de desempenho usam uma descarga – Q (geralmente em m ³ / h) e a cabeça da bomba – H (geralmente em m) como variáveis ​​básicas de desempenho.

Cabeça do sistema

No capítulo sobre perda de carga , determinou-se que as perdas maiores e as perdas menores nos sistemas de tubulação são proporcionais ao quadrado da velocidade do fluxo . É óbvio que a perda de carga do sistema deve ser diretamente proporcional ao quadrado da vazão volumétrica, porque a vazão volumétrica é diretamente proporcional à velocidade do fluxo.

Deve-se acrescentar que os sistemas hidráulicos abertos contêm não apenas a cabeça de atrito, mas também a cabeça de elevação , que deve ser considerada. A cabeça de elevação (cabeça estática) representa a energia potencial de um fluido devido à sua elevação acima de um nível de referência.

Em muitos casos, a cabeça total de um sistema é uma combinação de cabeça de elevação e cabeça de fricção, conforme mostrado na figura.

Na engenharia nuclear, a maioria dos sistemas hidráulicos são laços hidráulicos fechados e esses sistemas possuem apenas cabeçote de fricção (sem cabeçote estático).

Cabeça da bomba – curva de desempenho

Na dinâmica de fluidos, o termo cabeça da bomba é usado para medir a energia cinética que uma bomba cria. Cabeça é uma medida da altura da coluna de fluido incompressível que a bomba poderia criar a partir da energia cinética que a bomba fornece ao líquido. A cabeça e a taxa de fluxo determinam o desempenho de uma bomba, que é mostrado graficamente na figura como a curva de desempenho ou curva característica da bomba . O principal motivo para usar a cabeça em vez da pressão para determinar o desempenho de uma bomba centrífuga é que oa altura da coluna de fluido não depende da gravidade específica (peso) do líquido , enquanto a pressão de uma bomba muda. Em termos de pressão, a cabeça da bomba ( _bomba ΔP ) é a diferença entre a contrapressão do sistema e a pressão de entrada da bomba.

A cabeça máxima da bomba de uma bomba centrífuga é determinada principalmente pelo diâmetro externo do impulsor da bomba e pela velocidade angular do eixo  – velocidade do eixo rotativo. A cabeça também muda à medida que a vazão volumétrica através da bomba é aumentada.

Quando uma bomba centrífuga está operando a uma velocidade angular constante , um aumento na cabeça do sistema (contrapressão) na corrente de fluxo causa uma redução na taxa de fluxo volumétrica que a bomba centrífuga pode manter.

A relação entre a cabeça da bomba e a vazão volumétrica (Q) , que uma bomba centrífuga pode manter, depende de várias características físicas da bomba como:

• a energia fornecida à bomba
• a velocidade angular do eixo
• o tipo e diâmetro do impulsor

e o fluido usado:

• densidade do fluido
• viscosidade do fluido

Essa relação é muito complicada e sua análise está em extensos testes hidráulicos de certas bombas centrífugas. Como pode ser visto na figura abaixo.

Características de operação de um circuito hidráulico

Quando reunimos as características de atrito  (cabeça do sistema) de um circuito hidráulico e a curva de desempenho, o resultado descreve as características de todo o sistema (por exemplo, um circuito do circuito primário ). A figura a seguir mostra a curva de desempenho típica de uma bomba centrífuga relacionada à cabeça de atrito do sistema.

A cabeça da bomba , no eixo vertical, é a  diferença entre a contrapressão do sistema e a pressão de entrada da bomba ( _bomba ΔP ). A vazão volumétrica (Q) , no eixo horizontal, é a taxa na qual o fluido está fluindo através da bomba. Como pode ser visto, a cabeça é aproximadamente constante em baixa descarga e depois cai para zero em Q _max . Em baixa descarga, as características podem ser instáveis ​​(com inclinação positiva da cabeça da bomba). Essas são características indesejáveis, porque uma bomba instável pode começar a oscilar entre as duas combinações possíveis de vazão e a tubulação pode vibrar.

Na vazão Q1, a bomba ganha mais pressão do que consome as perdas por atrito; portanto, a vazão através do sistema aumentará . A vazão se estabilizará no ponto em que as perdas por atrito cruzam as características da bomba .

Para caracterizar o desempenho de bombas centrífugas, são definidos os seguintes termos:

Operação em série de bombas centrífugas (booster)

Para aumentar a vazão volumétrica em um sistema ou compensar grandes perdas maiores ou menores , as bombas centrífugas são frequentemente usadas em paralelo ou em série .

A operação em série de bombas centrífugas é usada para superar uma grande perda de carga do sistema ou para obter um grande aumento de pressão quando o líquido é injetado em um sistema de pressão muito alta (por exemplo, Sistemas de Injeção de Segurança de Alta Pressão em PWRs , onde são usadas bombas de vários estágios).

Quando uma bomba centrífuga é operada em um circuito fechado, a pressão de descarga resultante será simplesmente a soma da pressão de sucção e da pressão normalmente desenvolvida pela bomba ao operar na pressão de sucção zero. Portanto, é adequado para uso como uma bomba auxiliar quando operada em série. A cabeça produzida por duas ou mais bombas é igual à soma das cabeças individuais . A vazão volumétrica da entrada da primeira bomba até a saída da segunda permanece a mesma. Na aplicação prática, as bombas de vários estágios ( bomba de múltiplos impulsores ) são construídas para atingir uma cabeça de bomba mais alta.

Operação paralela de bombas centrífugas

Para aumentar a vazão volumétrica em um sistema ou compensar grandes perdas maiores ou menores, as bombas centrífugas são frequentemente usadas em paralelo ou em série .

A operação paralela de bombas centrífugas é usada para aumentar a vazão através do sistema. As bombas que operam em paralelo tomam sua sucção de um cabeçalho comum e descarregam em uma descarga comum . Embora a cabeça mude apenas um pouco, o fluxo quase dobrou em qualquer ponto. Deve-se notar que a vazão volumétrica é na verdade inferior a duas vezes a vazão alcançada usando uma única bomba. Isso é causado por uma maior perda de carga do sistema resultante de maior vazão.

Modos principais de falha de bombas centrífugas

Como as bombas centrífugas são um dos tipos de bombas mais utilizados no mundo, seus parâmetros operacionais e também suas vulnerabilidades são bem conhecidos. Este artigo analisa os principais modos de falha encontrados nas bombas centrífugas . Em geral, as falhas da bomba resultam em alterações operacionais que reduzem a eficiência ou podem resultar em uma avaria da bomba. A confiabilidade dos sistemas hidráulicos e também das bombas centrífugas é da maior importância na engenharia nuclear .

Os modos de falha das bombas centrífugas podem ser agrupados em três categorias:

Modos de falha hidráulica

• Cavitação. A cavitação é, em muitos casos, uma ocorrência indesejável. Nas bombas centrífugas, a cavitação causa danos aos componentes (erosão do material), vibrações, ruídos e perda de eficiência.
• Pulsação por pressão.  Pulsações de pressão são flutuações na pressão básica. Para bombas de cabeçote alto, as pulsações de pressão de sucção e descarga podem causar instabilidade nos controles da bomba, vibração da tubulação de sucção e descarga e altos níveis de ruído da bomba.
• Recirculação da bomba. Uma bomba operando com capacidade inferior aos limites projetados pode sofrer recirculação que ocorre internamente nas bombas. A recirculação da bomba pode causar surtos e cavitação, mesmo quando o NPSHa disponível excede o NPSHr do fornecedor por uma margem considerável.
• Impulso radial e axial. Um alto impulso radial que resulta em deflexões excessivas do eixo pode levar a problemas persistentes de vedação ou vedação mecânica e, possivelmente, falha do eixo. O impulso axial é imposto ao longo do eixo do eixo. Um impulso axial alto pode impor uma carga excessiva no rolamento.

Modos de falha mecânica

• Apreensão ou ruptura do eixo
• Falha no rolamento
• Falha no selo
• Vibrações
• Fadiga

Outros modos de falha

• Erosão
• Corrosão

Cavitação em Bombas Centrífugas

Principais locais onde a cavitação ocorre são em bombas, em turbinas ou hélices . Nas bombas centrífugas, a cavitação resulta de uma redução na pressão de sucção , um aumento na temperatura de sucção ou um aumento na vazão acima daquela para a qual a bomba foi projetada.

Existem dois tipos básicos de cavitação da bomba :

Número de cavitação

O número de cavitação (Ca) ou o parâmetro de cavitação é um número sem dimensão usado nos cálculos de fluxo. É convencional caracterizar a proximidade da pressão no fluxo do líquido com a pressão do vapor (e, portanto, o potencial de cavitação) por meio do número da cavitação.

O número da cavitação pode ser expresso como:

Onde

CA = número de cavitação

p = pressão local (Pa)

p _v = pressão de vapor do fluido (Pa)

ρ = densidade do fluido (kg / m ³ )

v = velocidade do fluido (m / s)

Danos por cavitação

A cavitação é, em muitos casos, uma ocorrência indesejável. Nas bombas centrífugas, a cavitação causa danos aos componentes (erosão do material), vibrações, ruídos e perda de eficiência.

Talvez o problema de engenharia mais importante causado pela cavitação seja o dano material que as bolhas de cavitação podem causar quando colapsam nas proximidades de uma superfície sólida. O colapso das bolhas de cavitação é um processo violento que gera ondas de choque e microjatos altamente localizados . Eles forçam o líquido energético em volumes muito pequenos, criando pontos de alta temperatura e esses distúrbios intensos geram tensões superficiais transitórias e altamente localizadas em uma superfície sólida. Os sinais de erosão aparecerão como pontinhos devido à ação de golpe de água das bolhas de vapor em colapso. Verificou-se que as taxas de danos por cavitação aumentam rapidamente com o aumento da vazão do volume.

Materiais mais macios podem ser danificados mesmo pela ocorrência de cavitação a curto prazo . Pontuações individuais podem ser observadas após um único colapso da bolha. Portanto, materiais mais duros são usados ​​para bombas centrífugas . Porém, com os materiais mais duros usados ​​na maioria das aplicações, o estresse cíclico devido a colapsos repetidos pode causar falha na fadiga da superfície local . Assim, os danos causados ​​pela cavitação aos metais geralmente têm a aparência de falha por fadiga .

Quando as bolhas de cavitação colapsam, elas forçam o líquido energético a volumes muito pequenos, criando pontos de alta temperatura e emitindo ondas de choque, as quais são uma fonte de ruído. Embora o colapso de uma pequena cavidade seja um evento de energia relativamente baixa, colapsos altamente localizados podem corroer metais, como o aço, ao longo do tempo. A picada causada pelo colapso das cavidades produz um grande desgaste dos componentes e pode reduzir drasticamente a vida útil da hélice ou da bomba.

A cavitação é geralmente acompanhada também por:

• Ruído. O ruído típico é causado por cavidades em colapso. O nível do ruído resultante da cavitação é uma medida da gravidade da cavitação.
• Vibração . As vibrações da bomba devido à cavitação são caracteristicamente baixas vibrações de frequência, geralmente encontradas na faixa de 0 a 10 Hz.
• Redução na eficiência da bomba . Uma diminuição na eficiência da bomba é um sinal mais confiável de cavitação.