Una bomba de pistones axiales es una bomba de desplazamiento positivo que tiene varios pistones en una disposición circular dentro de un bloque de cilindros .
Diagrama de vista lateral en corte de una bomba de pistones axialesRepresentación 3D de una bomba de pistones axiales con las piezas etiquetadasAnimación de una bomba de pistones axiales en funcionamiento.
Una bomba de pistones axiales tiene varios pistones (generalmente un número impar) dispuestos en una matriz circular dentro de una carcasa que comúnmente se conoce como bloque de cilindros , rotor o cilindro . Este bloque de cilindros es impulsado a girar alrededor de su eje de simetría mediante un eje integral que está, más o menos, alineado con los pistones de bombeo (generalmente paralelos , pero no necesariamente).
Superficies de apareamiento . Un extremo del bloque de cilindros es convexo y se desgasta contra una superficie de contacto en un plato de válvula estacionario . El fluido de entrada y salida de la bomba pasa a través de diferentes partes de la interfaz deslizante entre el bloque de cilindros y el plato de válvula. La placa de válvula tiene dos puertos semicirculares que permiten la entrada del fluido operativo y la salida del fluido de salida, respectivamente.
Pistones que sobresalen . Los pistones de bombeo sobresalen del extremo opuesto del bloque de cilindros. Se utilizan numerosas configuraciones para los extremos expuestos de los pistones, pero en todos los casos se apoyan contra una leva. En las unidades de desplazamiento variable, la leva es móvil y comúnmente se la conoce como plato cíclico , yugo o colgador . Para fines conceptuales, la leva se puede representar mediante un plano, cuya orientación, en combinación con la rotación del eje, proporciona la acción de la leva que conduce al movimiento alternativo del pistón y, por tanto, al bombeo. El ángulo entre un vector normal al plano de la leva y el eje de rotación del bloque de cilindros, llamado ángulo de la leva , es una variable que determina el desplazamiento de la bomba o la cantidad de fluido bombeado por revolución del eje. Las unidades de desplazamiento variable tienen la capacidad de variar el ángulo de la leva durante la operación, mientras que las unidades de desplazamiento fijo no.
Pistones alternativos . A medida que el bloque de cilindros gira, los extremos expuestos de los pistones se ven obligados a seguir la superficie del plano de leva. Dado que el plano de la leva forma un ángulo con el eje de rotación, los pistones deben oscilar axialmente a medida que realizan precesión alrededor del eje del bloque de cilindros. El movimiento axial de los pistones es sinusoidal . Durante la parte ascendente del ciclo alternativo del pistón, el pistón se mueve hacia el plato de la válvula. Además, durante este tiempo, el fluido atrapado entre el extremo enterrado del pistón y la placa de la válvula se ventila al puerto de descarga de la bomba a través de uno de los puertos semicirculares de la placa de la válvula: el puerto de descarga . A medida que el pistón se mueve hacia el plato de la válvula, el fluido es empujado o desplazado a través del puerto de descarga del plato de la válvula.
Efecto de la precesión . Cuando el pistón está en la parte superior del ciclo alternativo (comúnmente conocido como punto muerto superior o simplemente TDC), la conexión entre la cámara de fluido atrapado y el puerto de descarga de la bomba está cerrada. Poco después, esa misma cámara se abre al puerto de entrada de la bomba. A medida que el pistón continúa precediendo alrededor del eje del bloque de cilindros, se aleja del plato de válvula, aumentando así el volumen de la cámara atrapada. Cuando esto ocurre, el fluido ingresa a la cámara desde la entrada de la bomba para llenar el vacío. Este proceso continúa hasta que el pistón alcanza la parte inferior del cilindro alternativo, comúnmente conocido como punto muerto inferior o BDC. En BDC, la conexión entre la cámara de bombeo y el puerto de entrada está cerrada. Poco después, la cámara vuelve a abrirse al puerto de descarga y el ciclo de bombeo comienza de nuevo.
Desplazamiento variable . En una bomba de caudal variable , si el vector normal al plano de la leva (plato oscilante) se establece paralelo al eje de rotación, no hay movimiento de los pistones en sus cilindros. Por lo tanto no hay salida. El movimiento del plato cíclico controla la salida de la bomba de cero al máximo. Hay dos tipos de bombas de pistones axiales de caudal variable:
Bomba de control de desplazamiento directo, una especie de bomba de pistones axiales con control de desplazamiento directo. Un control de desplazamiento directo utiliza una palanca mecánica unida al plato cíclico de la bomba de pistones axiales. Las presiones más altas del sistema requieren más fuerza para mover esa palanca, lo que hace que el control de desplazamiento directo solo sea adecuado para bombas de servicio liviano o mediano. Las bombas de servicio pesado requieren servocontrol. [1] Una bomba de control de desplazamiento directo contiene conexiones y resortes y, en algunos casos, imanes en lugar de un eje para un motor ubicado fuera de la bomba (reduciendo así la cantidad de piezas móviles ), manteniendo las piezas protegidas y lubricadas y reduciendo la resistencia contra el flujo de líquido.
bomba de servocontrol.
Presión . En una bomba típica con presión compensada, el ángulo del plato oscilante se ajusta mediante la acción de una válvula que utiliza retroalimentación de presión para que el flujo de salida instantáneo de la bomba sea exactamente suficiente para mantener una presión designada. Si el flujo de carga aumenta, la presión disminuirá momentáneamente pero la válvula de compensación de presión detectará la disminución y luego aumentará el ángulo del plato oscilante para aumentar el flujo de salida de la bomba de modo que se restablezca la presión deseada. En realidad, la mayoría de los sistemas utilizan la presión como control para este tipo de bomba. La presión de operación alcanza, digamos, 200 bar (20 MPa o 2900 psi) y el plato oscilante se impulsa hacia un ángulo cero (la carrera del pistón es casi cero) y con las fugas inherentes en el sistema permite que la bomba se estabilice en el volumen de entrega que mantiene. la presión establecida. A medida que aumenta la demanda, el plato oscilante se mueve a un ángulo mayor, la carrera del pistón aumenta y el volumen de fluido aumenta; si la demanda disminuye, la presión aumentará y el volumen bombeado disminuirá a medida que aumenta la presión. A la presión máxima del sistema, la potencia vuelve a ser casi nula. Si la demanda de fluido aumenta más allá de la capacidad de entrega de la bomba, la presión del sistema caerá casi a cero. El ángulo del plato oscilante permanecerá en el máximo permitido y los pistones funcionarán a toda su carrera. Esto continúa hasta que la demanda de flujo del sistema disminuye y la capacidad de la bomba es mayor que la demanda. A medida que aumenta la presión, el ángulo del plato cíclico se modula para tratar de no exceder la presión máxima y al mismo tiempo satisfacer la demanda de flujo. [2]
Dificultades de diseño
Los diseñadores tienen que superar una serie de problemas al diseñar bombas de pistones axiales. Se está logrando poder fabricar una bomba con las finas tolerancias necesarias para un funcionamiento eficiente. Las caras de contacto entre el conjunto de cilindro y pistón giratorio y el cuerpo de la bomba estacionaria deben formar un sello casi perfecto mientras la parte giratoria gira quizás a 3000 rpm . Los pistones suelen tener menos de media pulgada (13 mm) de diámetro y longitudes de carrera similares. Mantener hermético el sello entre la pared y el pistón significa que se requieren espacios muy pequeños y que los materiales deben coincidir estrechamente para lograr un coeficiente de expansión similar .
Los pistones deben ser arrastrados hacia afuera en su cilindro de alguna manera. En bombas pequeñas, esto se puede hacer por medio de un resorte dentro del cilindro que fuerza al pistón hacia arriba del cilindro. La presión del fluido de entrada también se puede disponer de manera que el fluido empuje los pistones hacia arriba en el cilindro. A menudo, se ubica una bomba de paletas en el mismo eje de transmisión para proporcionar esta presión y también permite que el conjunto de la bomba extraiga fluido contra alguna cabeza de succión del depósito, lo cual no es un atributo de la bomba de pistones axiales sin ayuda.
Otro método para subir pistones por el cilindro es unir las culatas a la superficie del plato oscilante. De esta forma la carrera del pistón es totalmente mecánica. Sin embargo, el problema del diseñador de lubricar la cara del plato oscilante (un contacto deslizante) se vuelve aún más difícil.
La lubricación interna de la bomba se logra mediante el uso del fluido operativo, normalmente llamado fluido hidráulico . La mayoría de los sistemas hidráulicos tienen una temperatura máxima de funcionamiento , limitada por el fluido, de aproximadamente 120 °C (250 °F), por lo que utilizar ese fluido como lubricante trae sus propios problemas. En este tipo de bomba, la fuga de la cara entre la carcasa del cilindro y el bloque del cuerpo se utiliza para enfriar y lubricar el exterior de las piezas giratorias. Luego, la fuga se conduce nuevamente al depósito o al lado de entrada de la bomba. El fluido hidráulico que se ha utilizado siempre se enfría y pasa a través de filtros de tamaño micrométrico antes de recircular a través de la bomba.
Usos
A pesar de los problemas indicados anteriormente, este tipo de bomba puede contener integralmente la mayoría de los controles del circuito necesarios (el control del ángulo del plato cíclico) para regular el flujo y la presión, ser muy confiable y permitir que el resto del sistema hidráulico sea muy simple y económico.
Las bombas de pistones axiales se utilizan para impulsar los sistemas hidráulicos de los aviones a reacción, siendo impulsadas por engranajes desde el eje principal del motor de turbina. El sistema utilizado en el F-14 utilizó una bomba de 9 pistones que producía una presión operativa estándar del sistema de 3000 psi. y un flujo máximo de 84 galones por minuto.
Hoy en día, los compresores de aire acondicionado de automóviles para la refrigeración de la cabina se basan principalmente en el diseño de bombas de pistones axiales (otros se basan en compresores scroll o bombas de paletas rotativas ) para contener su peso y requisitos de espacio en el compartimento del motor del vehículo y reducir las vibraciones. Están disponibles en variantes de desplazamiento fijo y desplazamiento variable ajustado dinámicamente y, dependiendo del diseño del compresor, el plato cíclico giratorio real impulsa directamente un conjunto de pistones acoplados a sus bordes a través de un conjunto de zapatas metálicas hemisféricas, o una placa nutante en en el que se montan un conjunto de pistones mediante bielas.
También se utilizan en algunas lavadoras a presión . Por ejemplo, Kärcher tiene varios modelos propulsados por bombas de pistones axiales de tres pistones. [3]
Los motores alternativos axiales también se utilizan para alimentar muchas máquinas . Funcionan según el mismo principio descrito anteriormente, excepto que el fluido en circulación se proporciona bajo una presión considerable y la carcasa del pistón se hace girar y proporcionar potencia del eje a otra máquina. Un uso común de un motor alternativo axial es alimentar pequeñas plantas de movimiento de tierras, como máquinas cargadoras compactas . Otro uso es accionar las hélices de los torpedos .
Historia
El primer ejemplo se puede encontrar en la página 213 (o página 89 por paginación del libro) en Le diverse et artificiose machine de Agostino Ramelli .
Referencias
^ Danfoss. "Manual de aplicaciones: Recomendaciones de circuitos de transmisión". pag. 6
^ "Una gama de potencia rotativa: bombas y motores hidráulicos". www.rotarypower.com . Archivado desde el original el 4 de julio de 2010.
^ "Guía definitiva de bombas de lavado a presión". Lavadora a presión . Consultado el 13 de agosto de 2015 .
enlaces externos
www.rotarypower.com, Fabricante de bombas de pistones axiales
Tecnapol, Reparación/Reconstrucción de Bombas de Pistones Axiales
