Bomba de pistón axial

Una bomba de pistones axiales es una bomba de desplazamiento positivo que tiene varios pistones dispuestos en una configuración circular dentro de un bloque de cilindros .

Puede utilizarse como bomba independiente, motor hidráulico o compresor de aire acondicionado para automóviles .

Una bomba de pistones axiales tiene varios pistones (generalmente un número impar) dispuestos en círculo dentro de una carcasa conocida como bloque de cilindros , rotor o cilindro . Este bloque de cilindros gira sobre su eje de simetría mediante un eje integrado que está, más o menos, alineado con los pistones de bombeo (normalmente paralelo , pero no necesariamente).

• Superficies de acoplamiento . Un extremo del bloque de cilindros es convexo y roza contra una superficie de acoplamiento en una placa de válvulas fija . El fluido de entrada y salida de la bomba pasa por diferentes partes de la interfaz deslizante entre el bloque de cilindros y la placa de válvulas. La placa de válvulas tiene dos orificios semicirculares que permiten la entrada del fluido de trabajo y la salida del fluido de salida, respectivamente.
• Pistones salientes . Los pistones de bombeo sobresalen del extremo opuesto del bloque de cilindros. Existen 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 se conoce comúnmente como plato oscilante , horquilla o soporte . Para fines conceptuales, la leva puede representarse mediante un plano, cuya orientación, en combinación con la rotación del eje, proporciona la acción de leva que produce el movimiento alternativo del pistón y, por lo tanto, el bombeo. El ángulo entre un vector normal al plano de la leva y el eje de rotación del bloque de cilindros, denominado ángulo de 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 leva durante el funcionamiento, mientras que las unidades de desplazamiento fijo no.
• Pistones alternativos . A medida que el bloque de cilindros gira, los extremos expuestos de los pistones están obligados a seguir la superficie del plano de leva. Dado que el plano de leva está en ángulo con respecto al eje de rotación, los pistones deben moverse alternativamente de forma axial mientras precesan alrededor del eje del bloque de cilindros. El movimiento axial de los pistones es sinusoidal . Durante la parte ascendente del ciclo alternativo del pistón, este se mueve hacia la placa de válvulas. Además, durante este tiempo, el fluido atrapado entre el extremo enterrado del pistón y la placa de válvulas se ventila al puerto de descarga de la bomba a través de uno de los puertos semicirculares de la placa de válvulas: el puerto de descarga . A medida que el pistón se mueve hacia la placa de válvulas, el fluido es empujado o desplazado a través del puerto de descarga de la placa de válvulas.
• Efecto de la precesión . Cuando el pistón se encuentra en la parte superior del ciclo de reciprocación (comúnmente conocido como punto muerto superior o PMS), la conexión entre la cámara de fluido atrapado y el puerto de descarga de la bomba se cierra. Poco después, dicha cámara se abre al puerto de entrada de la bomba. A medida que el pistón continúa precesando alrededor del eje del bloque de cilindros, se aleja de la placa de válvulas, aumentando así el volumen de la cámara atrapada. Al mismo tiempo, el fluido entra en 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 de reciprocación, comúnmente conocido como punto muerto inferior o PMI. En el PMI, la conexión entre la cámara de bombeo y el puerto de entrada se cierra. Poco después, la cámara se abre nuevamente al puerto de descarga y el ciclo de bombeo comienza de nuevo.
• Bomba de desplazamiento variable . En una bomba de desplazamiento 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 oscilante controla la salida de la bomba desde cero hasta el máximo. Existen dos tipos de bombas de pistones axiales de desplazamiento variable:
  • Bomba de control de desplazamiento directo, un tipo de bomba de pistón axial con control de desplazamiento directo. El control de desplazamiento directo utiliza una palanca mecánica unida al plato oscilante de la bomba de pistón axial. Las presiones más altas del sistema requieren más fuerza para mover esa palanca, por lo que el control de desplazamiento directo solo es adecuado para bombas de servicio ligero o medio. Las bombas de servicio pesado requieren servocontrol. ^{[ 1 ]} Una bomba de control de desplazamiento directo contiene varillajes y resortes y, en algunos casos, imanes en lugar de un eje para un motor ubicado fuera de la bomba (reduciendo así el número de piezas móviles ), manteniendo las piezas protegidas y lubricadas y reduciendo la resistencia al flujo de líquido.
  • Bomba con servocontrol.
• Presión . En una bomba típica con compensación de presión, el ángulo del plato oscilante se ajusta mediante una válvula que utiliza retroalimentación de presión para que el caudal instantáneo de salida de la bomba sea justo lo suficiente para mantener una presión determinada. Si el caudal de carga aumenta, la presión disminuirá momentáneamente, pero la válvula de compensación de presión detectará esta disminución y aumentará el ángulo del plato oscilante para incrementar el caudal de salida de la bomba y restablecer la presión deseada. En la práctica, la mayoría de los sistemas utilizan la presión como control para este tipo de bomba. La presión de funcionamiento alcanza, por ejemplo, 200 bar (20 MPa o 2900 psi) y el plato oscilante se desplaza hacia un ángulo cero (carrera del pistón casi cero), lo que, con las fugas inherentes al sistema, permite que la bomba se estabilice en el volumen de suministro 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 salida es nuevamente casi cero. Si la demanda de fluido aumenta más allá de la capacidad de la bomba, la presión del sistema caerá a casi cero. El ángulo del plato oscilante se mantendrá en el máximo permitido y los pistones funcionarán a máxima carrera. Esto continúa hasta que la demanda de flujo del sistema disminuya y la capacidad de la bomba sea mayor que la demanda. A medida que aumenta la presión, el ángulo del plato oscilante se modula para intentar no exceder la presión máxima mientras se satisface la demanda de flujo. ^{[ 2 ]}

Los diseñadores deben superar varios problemas al diseñar bombas de pistón axial. Uno de ellos es lograr fabricar una bomba con las tolerancias precisas necesarias para un funcionamiento eficiente. Las superficies de contacto entre el conjunto pistón-cilindro giratorio y el cuerpo fijo de la bomba deben ser prácticamente un sellado perfecto mientras la parte giratoria rota a unas 3000 rpm . Los pistones suelen tener un diámetro inferior a media pulgada (13  mm) con longitudes de carrera similares. Mantener un sellado hermético entre la pared y el pistón implica tolerancias muy pequeñas y que los materiales deben coincidir con precisión para lograr un coeficiente de expansión similar .

Los pistones deben ser empujados hacia afuera dentro del cilindro mediante algún mecanismo. En bombas pequeñas, esto se puede lograr mediante un resorte dentro del cilindro que empuja el pistón hacia arriba. La presión del fluido de entrada también se puede ajustar para que el fluido empuje los pistones hacia arriba. A menudo, se ubica una bomba de paletas en el mismo eje de transmisión para proporcionar esta presión, lo que también permite que el conjunto de la bomba aspire fluido del depósito contra una cierta presión de succión , una característica que no poseen las bombas de pistones axiales convencionales.

Otro método para elevar los pistones dentro del cilindro consiste en fijar las culatas a la superficie del plato oscilante. De esta forma, el movimiento del pistón es totalmente mecánico. Sin embargo, esto complica aún más el problema de lubricación de la superficie del plato oscilante (un contacto deslizante).

La lubricación interna de la bomba se logra mediante el fluido de operación , normalmente denominado fluido hidráulico . La mayoría de los sistemas hidráulicos tienen una temperatura máxima de operación , limitada por el fluido, de aproximadamente 120  °C (250  °F), por lo que usar dicho fluido como lubricante presenta sus propios problemas. En este tipo de bomba, la fuga que se produce en la superficie entre la carcasa del cilindro y el bloque del cuerpo se utiliza para enfriar y lubricar la superficie exterior de las piezas giratorias. Posteriormente, esta fuga se dirige al depósito o a la entrada de la bomba. El fluido hidráulico utilizado siempre se enfría y se filtra mediante filtros micrométricos antes de recircular a través de la bomba.

A pesar de los problemas indicados anteriormente, este tipo de bomba puede contener de forma integral la mayoría de los controles de circuito necesarios (el control del ángulo del plato oscilante) para regular el caudal y la presión, ser muy fiable y permitir que el resto del sistema hidráulico sea muy sencillo y económico.

Las bombas de pistones axiales se utilizan para alimentar los sistemas hidráulicos de los aviones a reacción, y son accionadas por engranajes desde el eje principal del motor de la turbina. El sistema utilizado en el F-14 empleaba una bomba de 9 pistones que producía una presión de funcionamiento estándar de 3000 psi y un caudal máximo de 84 galones por minuto.

Actualmente, los compresores de aire acondicionado para automóviles, destinados a la refrigeración del habitáculo, se basan principalmente en el diseño de bomba de pistón axial (aunque también existen compresores scroll o de paletas rotativas ) para minimizar su peso y espacio en el compartimento del motor y reducir las vibraciones. Están disponibles en versiones de desplazamiento fijo y de desplazamiento variable con ajuste dinámico. Según el diseño del compresor, el plato oscilante acciona directamente un conjunto de pistones acoplados a sus bordes mediante zapatas metálicas hemisféricas, o bien una placa nutante sobre la que se montan los pistones mediante varillas.

También se utilizan en algunas hidrolimpiadoras . Por ejemplo, Kärcher tiene varios modelos que funcionan con bombas de pistón axial de tres pistones. ^{[ 3 ]}

Los motores axiales alternativos también se utilizan para accionar numerosas máquinas . Funcionan según el mismo principio descrito anteriormente, con la diferencia de que el fluido circulante se suministra a una presión considerable y la carcasa del pistón gira, proporcionando así potencia al eje de otra máquina. Un uso común de un motor axial alternativo es accionar maquinaria pequeña para movimiento de tierras, como minicargadoras . Otro uso es para accionar las hélices de torpedos .

• 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 .

• www.rotarypower.com, Fabricante de bombas de pistón axial
• Reparación/reconstrucción de bombas de pistón axial Tecnapol