La holgura de ajuste de una bomba de paletas rotativas tiene tres puntos que reciben el nombre de «holgura», pero sus efectos son completamente diferentes: la holgura lateral entre la paleta y la ranura del rotor determina si la paleta puede extenderse libremente y si puede quedar atascada en la ranura; la holgura de punta entre la cabeza de la paleta y la cámara de la bomba, y la holgura axial entre la cara frontal del rotor y la tapa lateral, son los canales por los que el gas se escapa desde la cámara de alta presión hacia la cámara de baja presión. Atribuir en campo toda caída de «velocidad de bombeo» a la holgura no es exacto: en la etapa de vacío grueso a 500 mbar, una holgura axial de 40 µm solo resta algo más del uno por ciento de la velocidad de bombeo; por debajo de 1 mbar, esa misma holgura basta para elevar la presión límite un orden de magnitud. Este artículo separa las tres holguras y utiliza tres ejemplos de cálculo para mostrar en qué tramo de presión actúa cada una y por qué los problemas de vida útil acaban manifestándose como «aumento de holgura».
1. Las tres holguras: posición, orden de magnitud y consecuencias
| Holgura | Posición | Orden de referencia habitual (en frío) | Consecuencia principal |
|---|---|---|---|
| Holgura lateral | Caras laterales de la paleta y pared de la ranura del rotor | 0.02–0.08 mm | Inclinación de la paleta, ruido de golpeteo, fuga de presión en el fondo de la ranura; si es excesiva, oscilación de la paleta y desgaste desigual en la punta |
| Holgura de punta | Cabeza de la paleta y pared interior de la cámara de la bomba | Decenas de micrómetros | Reflujo por la punta; tras el desgaste se manifiesta directamente como elevación de la presión límite |
| Holgura axial | Caras frontales del rotor y de las paletas hasta la tapa lateral | 10–30 µm | Canal principal de reflujo por la cara frontal; en bombas con sello de aceite la película de aceite la bloquea aquí, y en bombas sin aceite solo se controla por precisión geométrica |
Los órdenes de magnitud de la tabla son intervalos de referencia de modelos habituales y no representan el valor de plano de una bomba concreta. El valor real debe medirse según el modelo y, además, debe medirse en caliente; en la sección 4 se explica el motivo.
2. Ejemplo de cálculo 1: el volumen muerto fija el techo de 90–100 mbar en una bomba sin aceite de una etapa
La presión de vacío nominal de las bombas de paletas rotativas sin aceite de una etapa suele estar en 90–150 mbar; DPL-V15L y DPL-V25L son de 90 mbar, y DPL-V8, DPL-V10 y DPL-V16 son de 100 mbar. Este valor se interpreta a menudo de forma errónea como «holgura mal ajustada»; en realidad, el término dominante es el volumen muerto: en el instante en que termina el escape, el gas que queda en el volumen muerto queda encerrado a 1 atmósfera y, cuando el rotor sigue girando, primero se expande y solo empieza a admitir gas cuando la expansión lo lleva por debajo de la presión de entrada.
Para una expansión isotérmica, la relación entre la presión límite y la relación de volumen muerto es:
p_u = p_exh × V_c / (V_c + V_cyc)
p_exh se toma como 1013 mbar, V_c es el volumen muerto y V_cyc es el volumen de aspiración por revolución. Calculando la relación de volumen muerto:
| Modelo | Presión de vacío nominal | Relación de volumen muerto calculada V_c / V_cyc |
|---|---|---|
| DPL-V8 / V10 / V16 | 100 mbar | 100 ÷ (1013 − 100) = 11.0% |
| DPL-V15L / V25L | 90 mbar | 90 ÷ (1013 − 90) = 9.8% |
| DPL-V25 / V40 | 150 mbar (850 mbar de presión manométrica) | 150 ÷ (1013 − 150) = 17.4% |
Los tres valores calculados caen en 10%–17%, lo que coincide con las características geométricas de una bomba de paletas: la boca de escape y el pequeño volumen cerca del punto muerto ocupan ese orden de magnitud. Esto también muestra que, para bajar la presión en una bomba sin aceite de una etapa, no se trata de «pulir la holgura otros 5 µm», sino de reducir el volumen muerto o pasar a dos etapas.
Si se aplica el mismo modelo a una bomba de una etapa con sello de aceite, se obtienen resultados absurdos: la presión límite de V0040A a V0100 es de 0.1 mbar (página de productos V0025A–V0100), y la relación de volumen muerto calculada sería de solo 0.01%, algo que la geometría real no puede lograr. La razón es que en las holguras de una bomba con sello de aceite hay una película de aceite, parte del gas comprimido se disuelve en el aceite y el volumen muerto de las clapetas de escape también puede hacerse muy pequeño. Los 0.1 mbar de una bomba con sello de aceite no se obtienen solo con precisión geométrica.
3. Ejemplo de cálculo 2: la misma holgura pesa de forma muy distinta en la etapa de vacío grueso y en la etapa límite
Si se considera la holgura axial como una rendija estrecha, la conductancia en flujo viscoso se estima con la fórmula de rendija rectangular:
C = b · h³ / (12 η L) Q = C · (p₂² − p₁²) / 2 ΔS = Q / p₁
b es el ancho de la cara de sellado (se toma 45 mm), L es la longitud de sellado en la dirección de giro (se toma 45 mm), h es la holgura axial, η es la viscosidad del aire a 20 ℃, 1.85×10⁻⁵ Pa·s, y p₂ se toma como 1013 mbar. Una bomba tiene dos paletas y cada paleta dos caras frontales, por lo que se consideran 4 trayectorias en paralelo.
Primero, en el tramo de trabajo de 500 mbar (p₁ = 50 000 Pa): con h = 40 µm, el reflujo de una sola trayectoria referido a la entrada es de unos 0.08 m³/h; las 4 trayectorias suman unos 0.32 m³/h, lo que representa el 1.3% de la velocidad de bombeo de 25 m³/h del V25L. Con h = 10 µm, esa proporción es del 0.02%, imposible de medir.
Ahora, en el tramo límite (p₁ tiende a 0, p₂ sigue siendo 1 atmósfera), el caudal pV de reflujo ya casi no cambia con p₁; al dividirlo por la velocidad de bombeo se obtiene el límite inferior de presión límite que permite la holgura:
| Holgura axial h | Reflujo de una trayectoria Q | Equivalente para bomba de 25 m³/h (4 trayectorias) | Equivalente para bomba de 100 m³/h (4 trayectorias) |
|---|---|---|---|
| 10 µm | 0.023 Pa·m³/s | 0.13 mbar | 0.03 mbar |
| 20 µm | 0.19 Pa·m³/s | 1.1 mbar | 0.27 mbar |
| 40 µm | 1.5 Pa·m³/s | 8.5 mbar | 2.1 mbar |
| 60 µm | 5.0 Pa·m³/s | 29 mbar | 7.2 mbar |
Esta tabla explica un tipo de fallo habitual: una bomba de una etapa con sello de aceite cuya ficha técnica indica 0.1 mbar, tras varios años de uso se queda con una presión límite de 1–2 mbar y no baja más, aunque se hayan cambiado la tubería de aspiración y el aceite. Cuando la holgura axial se desgasta hasta 40 µm, aritméticamente solo se puede llegar a ese orden de magnitud. Obsérvese que h interviene al cubo: de 10 µm a 20 µm, la conductancia se multiplica por 8; al pasar a 40 µm, se multiplica otra vez por 8.
También hay que indicar los límites de aplicación: a 500 mbar, el recorrido libre medio del gas es de unos 0.13 µm; frente a una holgura axial de 10 µm, el número de Knudsen es de unos 0.013, cerca del límite inferior del flujo viscoso, y la fórmula anterior es aplicable; cuando la presión baja por debajo de unos pocos mbar se entra en flujo de transición y flujo molecular, la conductancia deja de cambiar con la presión y el caudal pV de reflujo tiende a un valor constante. Esto explica exactamente otro fenómeno: después del desgaste de la holgura, la presión límite empeora primero, mientras que la velocidad de bombeo en la etapa de vacío grueso casi no muestra cambios.
4. Ejemplo de cálculo 3: la dilatación térmica redistribuye la holgura en frío
La holgura de montaje en frío no es igual a la holgura de trabajo. Tomando como ejemplo un rotor de 100 mm de longitud (fundición, α = 11.5×10⁻⁶/K, aumento de temperatura 50 K) y una tapa lateral y un cuerpo de bomba de la misma longitud (aluminio fundido, α = 23.5×10⁻⁶/K, aumento de temperatura 35 K):
- Alargamiento del rotor: 100 mm × 11.5×10⁻⁶ × 50 = 57.5 µm
- Alargamiento del cuerpo de bomba: 100 mm × 23.5×10⁻⁶ × 35 = 82.3 µm
- Cambio de la holgura axial: 82.3 − 57.5 = +24.8 µm
Las piezas de aluminio se dilatan más que las de hierro; la holgura axial en caliente es unos 25 µm mayor que en frío y, como la fuga va con h³, el reflujo en caliente equivale a 3 veces el de frío. La holgura de punta también varía: con un diámetro de cilindro de 80 mm y fundición con aumento de temperatura de 40 K, el diámetro interior aumenta 36.8 µm, mientras que una paleta de grafito o resina (α aproximadamente 4×10⁻⁶/K) con aumento de temperatura de 60 K solo crece 19.2 µm; por tanto, la holgura de punta por lado aumenta otros 8.8 µm, y una holgura de punta de 20 µm en frío pasa a 28.8 µm en caliente.
De aquí se obtienen dos conclusiones prácticas: no conviene que la holgura en frío sea demasiado pequeña, ya que si es demasiado pequeña aumentan el par de arranque y el riesgo de fricción en seco; para decidir si una bomba debe repararse hay que usar la holgura medida tras 2 horas de funcionamiento en caliente y la presión límite en ese momento, no el valor en frío de la hoja de montaje. La presión límite de una bomba caliente es algo peor que la de una bomba fría; de ahí viene esta diferencia.
5. Vida útil: cómo el aumento de holgura se convierte en caída de velocidad de bombeo
El desgaste en sí es gradual, y en campo se pueden medir tres etapas de cambio: la primera es la elevación de la presión límite (el reflujo por holgura de punta y axial gana peso en el tramo de baja presión), la segunda es la caída de velocidad de bombeo en el tramo de vacío medio y la tercera es el empeoramiento del ruido y la vibración. Según la tabla de la sección 3, cuando la holgura axial pasa de 10 µm a 40 µm, la presión límite pasa del orden de 0.03 mbar al orden de 2.1 mbar; el mismo desgaste en el tramo de vacío medio solo hace caer la velocidad de bombeo unos pocos puntos porcentuales, por lo que «la velocidad de bombeo todavía va bien» no debe tomarse como «la holgura no tiene problema».
Para decidir si hay que cambiar las paletas, las cinco señales medibles (proporción de caída de velocidad de bombeo, presión límite, mirilla de aceite, espectro de ruido y ancho de la banda de desgaste en la cara frontal) se describen en Cómo juzgar el desgaste de las paletas; el orden de diagnóstico que consiste en medir primero la velocidad de bombeo efectiva y después desmontar la bomba se explica en Orden de diagnóstico de la caída de velocidad de bombeo. Aquí solo se añade un punto: en condiciones de polvo, el desgaste de la holgura de punta se acelera; si el filtro de entrada está bien configurado, la diferencia en la vida útil de las paletas es mayor que la diferencia en el intervalo de cambio de aceite.
6. Con y sin aceite: cuánto hace la película de aceite por la holgura
En las bombas con sello de aceite, la holgura axial se confía a la película de aceite: la película llena los intersticios micrométricos y reduce la conductancia viscosa varios órdenes de magnitud; por eso una bomba de una etapa con sello de aceite puede alcanzar 0.1 mbar, y la de dos etapas DPL-2V18 puede llegar a 1×10⁻³ mbar. Las bombas sin aceite no tienen esa película de aceite; la holgura axial y la de punta dependen por completo de la precisión geométrica y de la capacidad de autolubricación del material de las paletas, de modo que la presión límite se queda en el escalón de 90–150 mbar y además son más sensibles al polvo y a la fricción en seco. Las tolerancias de holgura de los dos tipos de bomba no pueden intercambiarse: si se aplica a una bomba sin aceite la holgura axial admisible de una bomba con sello de aceite, el reflujo se come directamente todo el tramo límite; si se traslada la tolerancia de una bomba sin aceite a una bomba con sello de aceite, la película de aceite no tendrá carga suficiente y la cara frontal se rayará.
7. Tres puntos en campo
- Después de una reparación general, registrar primero los valores en frío de las tres holguras; tras 2 horas de funcionamiento, volver a medir los valores en caliente y decidir con los valores en caliente.
- No «compensar» el desgaste de la holgura axial con arandelas de ajuste más gruesas: las arandelas modifican a la vez el volumen muerto y la extensión de la paleta, y la velocidad de bombeo y la presión límite cambian juntas; lo adecuado es rectificar de nuevo la cara frontal según la dilatación térmica.
- Si baja la velocidad de bombeo, diagnosticar primero según la velocidad de bombeo efectiva y después desmontar la bomba; antes de desmontar, descartar el filtro de entrada y la conductancia de la tubería.
Para exportar a regiones de 60 Hz hay que confirmarlo por separado: al aumentar la velocidad de giro, la temperatura en caliente es mayor, los valores en caliente de la holgura axial y de punta difieren de los de 50 Hz y la temperatura del aceite de una bomba con sello de aceite también es mayor. La ficha técnica indica que algunos modelos no son aptos para regiones de 60 Hz; antes de pedir, hay que confirmar con la fábrica la configuración correspondiente.
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