Empuje radial y axial en bombas centrífugas: guía para rodamientos y sellos

Ruta de carga: qué muestra el diagrama conceptual

El diagrama sirve para separar la carga radial de la axial y seguir su posible transmisión desde el impulsor hacia eje, rodamientos y zona de sello. La disposición real cambia con el modelo y la configuración; por eso una fuga o un rodamiento caliente no bastan para atribuir la causa al empuje. Antes de reemplazar componentes, confirme punto de operación, alineación, cargas de tubería, lubricación y evidencia de desgaste.

Empuje radial y axial: no son la misma carga

Qué revisar: los rodamientos reaccionan según el arreglo de la bomba; el movimiento del eje y el fluido también pueden afectar el sello.

El término “empuje” suele utilizarse de forma general en planta, pero para diagnosticar una bomba conviene separar la dirección de la fuerza.

El empuje radial actúa en el plano del impulsor, transversalmente al eje. En una carcasa de voluta, la distribución de presión alrededor del impulsor no es idéntica en todas las condiciones de caudal, por lo que aparece una fuerza hidráulica resultante sobre el rotor.

El empuje axial actúa en la dirección longitudinal del eje. En una bomba centrífuga puede resultar de diferencias de presión entre las caras del impulsor, cambios de cantidad de movimiento y otras fuerzas propias de la configuración del rotor.

Ambos tipos de carga llegan finalmente al sistema de soporte del rotor. El diseño de los rodamientos y los mecanismos de balanceo debe mantener el movimiento del eje dentro de condiciones compatibles con la hidráulica, las holguras y el sistema de sellado.

La dirección de una medición ayuda al diagnóstico, pero una lectura radial o axial de vibración no equivale automáticamente a una medición directa de empuje hidráulico.

Cómo se genera el empuje radial

En una bomba de voluta, el impulsor descarga contra una carcasa cuya distribución de presión cambia con el punto de operación. Cerca del punto de diseño, la resultante hidráulica radial suele ser menor. Cuando la bomba trabaja alejada de esa región, la distribución puede hacerse menos equilibrada y aumentar la fuerza lateral sobre el rotor.

Como modelo de referencia en unidades SI, KSB expresa la fuerza radial como R = K · ρ · g · H · D₂ · B₂, donde K es el coeficiente radial, ρ la densidad, g la aceleración gravitacional, H la carga, D₂ el diámetro exterior del impulsor y B₂ el ancho de salida. El coeficiente depende del caudal relativo q = Q/Q_BEP, la velocidad específica y la geometría. Para una voluta con impulsor centrado, la fuerza suele ser menor cerca de q = 1 y aumenta al operar a bajo caudal o en sobrecarga. Use unidades coherentes y los datos del modelo; esta ecuación no sustituye el cálculo del fabricante.

La magnitud real depende del diseño de la bomba, geometría del impulsor y carcasa, diámetro y ancho de salida, carga desarrollada, densidad del fluido, velocidad y punto de operación. Por eso no existe un valor universal de “empuje radial aceptable” aplicable a todas las bombas.

Relación con el punto de operación

La curva Q–H no es sólo una referencia de caudal y presión. También ayuda a entender si la bomba está trabajando en una región para la cual la hidráulica fue diseñada. Operar de forma sostenida muy lejos del punto de mejor eficiencia puede aumentar fuerzas hidráulicas, recirculación, vibración y movimiento del eje.

Profundizar: Empuje radial a bajo caudal. Esa guía desarrolla el efecto específico del bajo caudal sin duplicarlo aquí.

Simple voluta, doble voluta y otros diseños

La geometría de la carcasa puede utilizarse para reducir o redistribuir las fuerzas radiales. Diseños como la doble voluta pueden reducir la resultante radial en determinadas bombas, pero esto no significa que eliminen toda fuerza dinámica ni que hagan indiferente el punto de operación. No asuma una reducción fija de 80%: debe confirmarse para la geometría y el punto de operación del modelo. Los rangos de K citados en algunas referencias tampoco son universales; para aplicarlos hace falta conocer, como mínimo, la definición del coeficiente, la velocidad específica y q.

Cómo se genera el empuje axial

El empuje axial es la resultante de las fuerzas que actúan a lo largo del rotor. En una bomba de succión simple, las presiones sobre las superficies del impulsor no necesariamente se equilibran entre sí. A esto pueden sumarse efectos de cantidad de movimiento, presión sobre áreas del eje y condiciones transitorias.

El fabricante controla esta carga mediante la geometría del impulsor, holguras, anillos, cámaras de balance, agujeros de balance, álabes posteriores u otros recursos de diseño según la familia de bomba. Los álabes posteriores aceleran el líquido detrás del impulsor y reducen la presión sobre esa cara; los orificios de balance permiten un flujo controlado hacia la succión. El resultado depende del diseño y del caudal, por lo que el rodamiento de empuje debe soportar la carga residual.

Como ejemplos de modelos —no como regla para todas las bombas— Flowserve documenta impulsores de álabes inversos con orificios de balance para configuraciones Durco Mark 3; el manual Goulds CV 3196 i-FRAME indica reemplazar los álabes de bombeo posterior si están desgastados o doblados más de 1/32 in (0.8 mm). Esa medida es un criterio específico de inspección de ese manual, no una holgura universal. No use 0.030 in como límite general de separación sin confirmar el manual de la bomba instalada.

Balancear no significa eliminar

Un mecanismo de balanceo reduce la carga que debe absorber el sistema de soporte, pero no debe interpretarse como “cero empuje” en todas las condiciones. Desgaste, cambios de holgura, cavitación, velocidad y punto de operación pueden modificar la carga residual.

El arreglo de rodamientos importa

La reacción axial debe llegar a un elemento capaz de controlarla. Dependiendo del diseño, pueden utilizarse rodamientos de contacto angular, arreglos apareados u otras configuraciones. No cambie el tipo, orientación o ajuste de un rodamiento basándose únicamente en sus dimensiones exteriores.

Del impulsor al sello: siga la ruta de carga

1. El fluido carga el impulsor. La distribución de presión hidráulica crea fuerzas radiales y axiales.
2. El impulsor transmite la fuerza al eje. El eje transmite torque y también reacciona a las cargas hidráulicas y mecánicas.
3. Los rodamientos soportan y localizan el rotor. Restringen el movimiento radial y axial conforme al diseño de la bomba.
4. El eje puede moverse o flexionarse. Si la carga, el soporte, la alineación o la operación son desfavorables, la posición del eje en la zona del sello puede cambiar dinámicamente.
5. El sello trabaja sobre ese eje. Las caras del sello mecánico requieren un entorno mecánico y de fluido controlado. El movimiento del eje es sólo uno de los posibles factores de fuga.

Esta secuencia explica por qué cambiar únicamente un sello o un rodamiento puede no resolver una falla repetitiva. Si el mecanismo que mueve o carga el eje permanece activo, el componente nuevo vuelve a trabajar bajo la misma condición.

Deflexión del eje: modelo y límite aplicable

Para una viga ideal en voladizo con una carga puntual en el extremo, la deflexión en el extremo es y = F·L³/(3EI). F es la fuerza, L la longitud libre, E el módulo elástico e I el segundo momento de área. En un eje circular sólido, I = πD⁴/64; por eso, con material y condiciones iguales, la flexibilidad varía aproximadamente con L³/D⁴. Es un modelo didáctico: el eje real de la bomba tiene rodamientos, geometría escalonada y condiciones de apoyo que requieren un cálculo específico.

El valor 0.002 in (0.05 mm) no debe citarse como límite dinámico de deflexión en las caras del sello bajo ASME B73.1. En la edición B73.1-2020 consultada, el límite de deflexión dinámica es 0.005 in (0.13 mm) en la línea central del impulsor; la nota indica que en ese caso la deflexión en las caras primarias del sello normalmente será 0.003 in (0.08 mm) o menor. En esa edición, 0.002 in también aparece asociado a tolerancias de diámetro y runout, que son magnitudes distintas. ASME lista B73.1-2026 como edición vigente; confirme la cláusula de esa edición y las condiciones del modelo antes de tratar estas cifras como requisitos actuales.

Síntoma no es causa: matriz de diagnóstico

Use la matriz para generar hipótesis de inspección, no para emitir un diagnóstico remoto definitivo.

Secuencia práctica de diagnóstico en campo

1. Registre la condición antes de desmontar. Reúna caudal, presión de succión y descarga, velocidad, temperatura del líquido, posiciones de válvula, estado de bombas en paralelo, corriente del motor si está disponible, tendencia de vibración, temperatura de rodamientos y condición de fuga. Una bomba desmontada ya no puede mostrar cómo respondía el sistema en operación.
2. Ubique el punto real sobre la curva. Compare el punto real con la curva y con el rango de operación recomendado por el fabricante. No dependa sólo de la placa del motor o de la posición de la válvula. Consulte también la guía de selección de bombas ANSI.
3. Separe hidráulica, instalación y condición mecánica. En hidráulica revise Q/H, succión, cavitación, recirculación y cambios de proceso. En instalación revise alineación, pie cojo, base, soportes y carga de tubería. En mecánica revise rodamientos, runout, holguras, impulsor, sello y lubricación.
4. Compare direcciones y tendencias. La tendencia suele ser más útil que una lectura aislada. Compare vibración radial horizontal, radial vertical y axial bajo condiciones operativas equivalentes. Para criterios y ubicaciones de medición, consulte la guía de vibración ANSI/HI 9.6.4; esta página no reproduce sus límites numéricos.
5. Documente el desmontaje. Conserve patrón de desgaste, condición de rodamientos, eje y camisa, impulsor, anillos de desgaste, caras del sello, juego axial, evidencia de roce y condición del lubricante.
6. Corrija la causa antes de volver a montar. La reparación debe incluir una acción sobre el mecanismo identificado: operación, alineación, tubería, holguras, rotor, lubricación, sello o selección de bomba. Cambiar una pieza sin hipótesis técnica deja el mismo riesgo activo.

Seguridad: las mediciones, inspecciones y desmontajes deben realizarse conforme a los procedimientos de bloqueo, aislamiento de energía, despresurización y seguridad de la planta. Esta guía no sustituye el manual del fabricante ni los procedimientos del sitio.

Qué revisar en los rodamientos

El rodamiento no “sabe” si la carga nació en la hidráulica, en un impulsor desbalanceado, en la tubería o en la alineación. Sólo recibe la reacción transmitida por el rotor y su montaje.

Un rodamiento de mayor capacidad no corrige automáticamente una bomba que opera fuera de su condición, un eje desalineado o una carcasa deformada por cargas de tubería.

Para rodamientos de bolas y rodillos a velocidad constante, la vida básica nominal se estima con L_10h = (10⁶/(60n))(C/P)^p: C es la capacidad dinámica, P la carga dinámica equivalente, n la velocidad en rpm y p = 3 para bolas o 10/3 para rodillos. L₁₀ corresponde a 90% de confiabilidad bajo condiciones de referencia; no equivale a una garantía de servicio.

Ejemplo condicional: si P se duplica y C y n permanecen iguales, la vida básica calculada queda en 12.5% para un rodamiento de bolas y aproximadamente 9.9% para uno de rodillos. Esto no demuestra que una bomba operada por debajo de 20% del BEP duplique automáticamente P: la carga equivalente debe calcularse según las cargas radial y axial, la geometría del rodamiento y el arreglo instalado.

Qué revisar en el sello mecánico

El sello mecánico no debe presentarse como un sensor directo de empuje radial o axial. Una fuga puede aparecer por movimiento del eje, pero también por condición del fluido, presión, temperatura, sólidos, operación en seco, flush inadecuado, montaje, elastómeros o daño de caras.

Para revisar la interfaz completa, consulte la guía de sellos mecánicos para bombas ANSI.

Cargas externas que pueden parecer “empuje de bomba”

No todas las fuerzas que llegan al eje y rodamientos se originan en la hidráulica interna. Antes de concluir que existe un problema de diseño de bomba, revise las cargas externas.

• Carga de tuberíaRevise soportes y esfuerzos de montaje; la carcasa puede deformarse o perder alineación.
• DesalineaciónCompruebe alineación angular y paralela del acoplamiento en condición estable.
• Base y pie cojoBusque deformación; observe si la alineación cambia al apretar pernos.
• DesbalanceInspeccione depósitos, erosión, daño del impulsor y evidencia de balanceo.
• Eje y runoutMida el descentramiento según procedimiento; no lo deduzca sólo de la vibración.
• Cavitación o succiónRelacione vibración con presión y estabilidad de succión; consulte la guía de NPSH y prevención de cavitación.

Qué cambia cuando la bomba opera lejos del BEP

El punto de mejor eficiencia no es sólo un número de consumo energético. En muchas bombas centrífugas coincide con una región de mejor equilibrio hidráulico. Cuando el sistema obliga a trabajar de manera sostenida muy a la izquierda o muy a la derecha, pueden cambiar la distribución de presión, la recirculación y las fuerzas dinámicas.

Esta página sólo resume el efecto. Para el caso específico de bajo caudal y recirculación interna, utilice la guía Empuje radial a bajo caudal: diagnóstico específico.

Reparar, ajustar el sistema o reseleccionar la bomba

Una bomba “más robusta” no necesariamente resuelve una carga creada por el sistema. Del mismo modo, una reparación bien ejecutada no corrige una selección que trabaja permanentemente fuera de su rango útil.

Cuando se busca una bomba o power end de reemplazo

Para un reemplazo ANSI, verificar sólo las bridas no es suficiente cuando el problema original involucra rodamientos, eje o sello. También deben revisarse la curva hidráulica, velocidad, geometría del rotor, eje o camisa, arreglo de rodamientos, cámara de sello, impulsor, holguras y las interfaces dimensionales relevantes.

• Fabricante, modelo, tamaño y frame.
• Serie o número de identificación.
• Curva de la bomba y punto de operación real.
• Velocidad y diámetro de impulsor, si se conocen.
• Arreglo de rodamientos.
• Detalles de eje, camisa, cámara de sello y sello.
• Plano general, plano seccional y fotografías.
• Historial de falla y hallazgos del desmontaje.

La compatibilidad exacta depende de las dimensiones críticas y la configuración. Revise las opciones de bombas de proceso ANSI y refacciones sólo después de confirmar los datos del equipo instalado.

Datos para una revisión técnica útil

Operación

• Caudal normal, mínimo y máximo.
• Presión de succión y descarga.
• Velocidad.
• Temperatura del líquido.
• Densidad o viscosidad, cuando sean relevantes.
• Condición de válvulas y control.

Monitoreo de condición

• Vibración radial horizontal, radial vertical y axial.
• Tendencia.
• Temperatura de rodamientos.
• Corriente del motor, si está disponible.
• Historial de ruido o fuga.

Mecánica e instalación

• Reporte de alineación y pie cojo.
• Soportes y cargas de tubería.
• Runout del eje.
• Juego axial.
• Condición de rodamientos y lubricante.
• Configuración de sello y holguras de desgaste.

Identificación y documentos

• Placa de datos, modelo, tamaño y frame.
• Curva, plano general, BOM o plano seccional.
• Reportes de reparación y fotografías del desmontaje.

No es necesario disponer de todos los datos para iniciar una revisión. Lo importante es separar las mediciones reales, los documentos disponibles y las hipótesis pendientes. Envíe los datos para revisión de ingeniería.

Errores frecuentes

Error 1: Culpar al rodamiento porque es la pieza dañada

La ubicación del daño no necesariamente identifica la causa raíz.

Error 2: Llamar “empuje axial” a toda vibración axial

La dirección es evidencia, no diagnóstico.

Error 3: Llamar cavitación a todo ruido o erosión

Use evidencia de succión y proceso.

Error 4: Cambiar el sello sin revisar movimiento del eje

El sello puede ser consecuencia y no origen.

Error 5: Usar una sola lectura de vibración

Importan la tendencia y la condición de operación.

Error 6: Ignorar carga de tubería y alineación

Las cargas externas pueden imitar problemas internos.

Error 7: Repetir el mismo tamaño de bomba después de un cambio del sistema

La selección original puede ya no corresponder al servicio actual.

Error 8: Comprar un power end sólo por el nombre del frame

Verifique la configuración real y las interfaces.

Preguntas frecuentes

¿Qué es el empuje radial en una bomba centrífuga?

Es la fuerza resultante que actúa transversalmente sobre el rotor. En bombas de voluta, una parte importante proviene de la distribución no uniforme de presión alrededor del impulsor y cambia con el punto de operación.

¿Qué es el empuje axial?

Es la resultante de las fuerzas que actúan a lo largo del eje. Incluye diferencias de presión sobre el impulsor y otras contribuciones que dependen de la geometría y condición de la bomba.

¿El empuje radial es mínimo en el BEP?

En una bomba de voluta correctamente diseñada y centrada, la carga radial hidráulica suele ser menor cerca del punto de diseño o BEP que en condiciones muy alejadas. La magnitud real depende de la bomba y no debe reducirse a una regla universal.

¿Un rodamiento caliente significa exceso de empuje?

No necesariamente. También deben revisarse lubricación, contaminación, montaje, alineación, velocidad, carga externa y condición del rodamiento.

¿Una fuga de sello demuestra que el eje se está flexionando?

No. La deflexión o movimiento del eje puede contribuir, pero el sello también depende del fluido, presión, temperatura, sólidos, flush, montaje y condición de sus caras.

¿Por qué el bajo caudal aumenta el riesgo de carga radial?

Porque al alejarse la bomba de su región hidráulica de diseño puede aumentar la distribución desigual de presión y aparecer recirculación. Consulte la guía específica de bajo caudal para profundizar.

¿Una doble voluta elimina el empuje radial?

Puede utilizarse para reducir la resultante radial, pero no elimina todas las fuerzas hidráulicas o dinámicas en todas las condiciones.

¿Qué debo enviar para revisar una falla repetitiva?

Envíe modelo, curva, punto de operación real, presiones, velocidad, fluido, temperatura, tendencias de vibración y temperatura, alineación, fotografías y hallazgos del desmontaje.

Referencias técnicas

• KSB: Radial thrust, para la relación entre impulsor, carcasa y punto de diseño.
• KSB: Axial thrust, para componentes de carga axial y arreglos de balance.
• Pumps & Systems: The Silent Pump Killer: Radial Thrust, como lectura industrial complementaria sobre operación fuera de diseño, deflexión y componentes.
• Goulds: manual IOM CV 3196 i-FRAME, para inspección de sus pumpout vanes.
• Flowserve: catálogo Durco Mark 3, para sus configuraciones de impulsor reverse-vane con orificios de balance.
• SKF: vida básica de rodamientos, para L10h y los exponentes por tipo de rodamiento.
• ISO 281:2007, para la definición y confiabilidad de vida nominal básica.
• ASME B73.1, para el alcance y la edición vigente de la norma.

Estas referencias se utilizan para orientar conceptos. La configuración, carga y compatibilidad de una bomba concreta requieren revisión contra su documentación y equipo instalado.

Artículos técnicos relacionados

• Empuje radial a bajo caudal
• ANSI/HI 9.6.4: límites de vibración
• Mantenimiento predictivo de bombas
• NPSH y cavitación