Bomba de flujo axial frente a bomba centrífuga: altura, caudal y potencia

La comparación entre una bomba de flujo axial y una bomba centrífuga empieza por el agua que debe transportarse (caudal y altura manométrica total) y por los cambios que se producen durante el funcionamiento. Las bombas axiales se utilizan con caudales elevados y presiones bajas. Las centrífugas radiales cubren muchas aplicaciones que requieren presión. La decisión de compra depende de que las curvas ofertadas cubran todas las condiciones de servicio.

Flujo axial y radial: qué cambia dentro de la bomba

El flujo axial y el radial describen cómo sale el líquido del rodete con respecto al eje de la bomba. Una bomba de flujo axial mueve el fluido en paralelo al eje; una bomba radial lo impulsa hacia el exterior. Ambos tipos transfieren energía de rotación al líquido, pero la geometría de sus rodetes produce distintas combinaciones de caudal, altura manométrica y potencia absorbida.

La terminología varía. Algunos proveedores clasifican las bombas centrífugas de flujo axial como un tipo de bomba centrífuga; otros reservan el término «centrífuga» para los diseños radiales. En este artículo se utiliza centrífuga radial para establecer la comparación. La clasificación de bombas de University of Florida incluye los flujos radial, axial y mixto en la familia centrífuga. Para conocer la construcción básica, consulte el principio de funcionamiento de las bombas de flujo axial y sus disposiciones de BBP.

¿Qué diferencia hay entre las bombas centrífugas radiales y axiales?

La diferencia está en la dirección del flujo a través del rodete: los rodetes radiales impulsan el líquido hacia el exterior, mientras que los axiales lo mueven a lo largo del eje. Las bombas centrífugas radiales utilizan un rodete giratorio y una voluta o un difusor para generar presión útil. El rodete, similar a una hélice, de una bomba axial genera sustentación con sus palas y suele manejar caudales elevados con una altura manométrica baja.

El principio de funcionamiento de una bomba axial se asemeja al de una hélice en un conducto de agua. El fluido entra por un extremo, gana energía al pasar por las palas giratorias y continúa aguas abajo a través de los álabes guía. Las bombas rotodinámicas mueven los fluidos convirtiendo el trabajo del eje en energía hidráulica. En el flujo centrífugo radial, el líquido se desplaza hacia el exterior por la acción de la fuerza centrífuga. Una voluta o los conductos que rodean el rodete recuperan parte de la energía cinética en forma de presión. Ambos tipos de bomba impulsan el fluido por el sistema, pero la orientación de la tubería de salida, por sí sola, no identifica la familia hidráulica.

La familia hidráulica y la disposición de la instalación son aspectos distintos. Las bombas se clasifican según las características del flujo; «vertical» o «sumergible» describe su construcción. Una bomba vertical puede tener hidráulica radial o de flujo mixto. Reducir las opciones a partir de una foto del codo de impulsión no permite saber qué ocurre dentro de la bomba.

Altura manométrica y caudal: compare todo el rango de servicio

Para comparar bombas, conviene asociar cada caudal requerido con la altura manométrica dinámica total. La altura total tiene en cuenta la elevación, la presión, las pérdidas por fricción y cualquier requisito neto de altura de velocidad del sistema. El funcionamiento normal, un nivel bajo en la toma y los cambios en las condiciones de impulsión pueden exigir distintas condiciones de servicio. Por eso, la bomba adecuada debe cubrir las condiciones reales, no máximos de catálogo que no se dan simultáneamente.

Prepare una envolvente de servicio de 2 estados antes de comparar ofertas. Incluya el funcionamiento habitual y la condición modificada más exigente; añada otros estados de funcionamiento si hace falta. Para cada estado, indique el caudal, la altura manométrica, las horas previstas y las condiciones de entrada. Los valores máximos de caudal y altura manométrica indicados por separado rara vez describen una prestación simultánea.

Ejemplo: Una necesidad habitual de riego de 3.000 m³/h con una altura manométrica total de 4 m describe una condición que podrían cubrir bombas axiales de distintas series. Si baja el nivel del río, la altura manométrica requerida aumenta a 6 m, mientras que el caudal necesario se mantiene en 3.000 m³/h. Una oferta que solo alcanza la nueva altura con un caudal mucho menor no cumple los requisitos. Conviene considerar ofertas axiales que cubran ambas condiciones, así como alternativas de flujo mixto y radiales. El operador del canal puede comparar ahora la potencia de entrada y el agua suministrada en las dos condiciones definidas, en lugar de pagar por una etiqueta de familia o por una oferta con un caudal máximo elevado que resulte llamativo.

En su revisión de 2021 sobre el rendimiento de las bombas axiales, Moifatswane, Madushele y Ahmed explican por qué centrarse únicamente en el punto de máximo rendimiento no tiene en cuenta los cambios en la demanda del sistema. Comparar familias resulta útil cuando todas las bombas candidatas deben cubrir las mismas condiciones de servicio.

Criterio de servicio: 3.000 m³/h a 4 m y 3.000 m³/h a 6 m son dos condiciones distintas. Cada pareja de valores debe constar en la documentación de la oferta. Si una propuesta solo cumple la primera, hace falta otra configuración o revisar el plan de funcionamiento antes de comparar precios.

Eficiencia y potencia: compare en las mismas condiciones de servicio

Compare la eficiencia para el mismo caudal y altura manométrica requeridos, indicando el límite de entrada considerado. La eficiencia de la bomba mide la potencia hidráulica de salida respecto a la potencia de entrada de la bomba; la eficiencia del conjunto desde la red hasta el agua incluye los equipos eléctricos que suministran esa potencia. Si se cumple la misma condición de servicio con un consumo eléctrico menor, la factura energética baja, aunque el porcentaje de eficiencia de la bomba aislada parezca menos favorable.

El tutorial sobre curvas del Hydraulic Institute explica las curvas de altura manométrica, eficiencia, potencia de entrada y aspiración. El rendimiento máximo de la bomba corresponde a una velocidad y un diámetro del rodete determinados. Bombas distintas pueden funcionar a diferentes velocidades y cumplir la misma función; imponer las mismas RPM a equipos diferentes distorsionaría la selección.

¿Qué tipo de bomba es mejor?

Las bombas axiales son una buena opción inicial para trasladar grandes caudales con poca altura manométrica; las centrífugas radiales son una buena opción inicial para aplicaciones que requieren presión. Si ambos tipos cubren todo el rango de servicio, compare la potencia eléctrica de entrada, el coste de instalación y la facilidad de mantenimiento. La mejor oferta suministra el caudal de agua requerido durante todo el rango de funcionamiento al menor coste total.

El registro de costes de la red al agua permite comparar el coste económico. El consumo energético anual se calcula multiplicando la potencia eléctrica de entrada en kW por las horas de funcionamiento. Multiplique los kWh obtenidos por el precio de la electricidad. La serie de instalaciones de bombeo de Arkansas Extension explica por qué es importante considerar el sistema completo junto con el rendimiento de la bomba.

Datos previstos: dos equipos viables suministran 3.000 m³/h con 4 m de altura manométrica. El equipo A consume 50 kW de la red eléctrica; el B, 46 kW. Con 4.000 h/año y $0.12/kWh, el equipo A consume 50 × 4.000 = 200.000 kWh/año, con un coste de $24,000. El equipo B consume 184.000 kWh/año, con un coste de $22,080. La diferencia es de $1,920/año. Por tanto, la inversión adicional de $5.000 en el equipo B se recuperaría en unos 2.6 años solo con ese ahorro energético. Para calcularlo con precisión, el departamento financiero aún necesita los datos de instalación, mantenimiento y tarifas. Compras también debe comparar el funcionamiento en condiciones modificadas: ahorrar en el punto habitual aporta poco si el equipo no suministra el caudal requerido cuando baja el nivel del río.

Las horas de funcionamiento pueden cambiar las prioridades de compra. Con 150 h/año, la misma diferencia de 4 kW supone un ahorro de solo 600 kWh/año, o $72/año con la tarifa indicada. En una estación de respuesta ante inundaciones, la disponibilidad y la facilidad de acceso pueden aportar más que una pequeña mejora de eficiencia cuyo coste adicional rara vez se recupera.

Criterio de costes: reducir la potencia de entrada en 4 kW supone un ahorro de $1,920/año con 4.000 h/año y $0.12/kWh, pero de solo $72/año con 150 h/año. Indique las horas de funcionamiento anuales junto a la comparación de eficiencia para evaluar de forma distinta una bomba de drenaje que apenas se utiliza y un equipo de circulación de agua en funcionamiento continuo.

Por qué reducir el caudal puede aumentar la carga de una bomba axial

A una velocidad y un paso de pala determinados, reducir el caudal de impulsión de una bomba axial puede aumentar la potencia absorbida. La relación entre altura manométrica y caudal, junto con la caída de eficiencia, puede contrarrestar la reducción del caudal suministrado. Por ello, al seleccionar el motor hay que tener en cuenta el funcionamiento permitido y la curva de potencia ofertada, en lugar de dar por hecho que un caudal menor supone una carga más baja.

Las recomendaciones de NDSU para bombas de hélice desaconsejan estrangular la impulsión para reducir el caudal y señalan que el aumento de la altura manométrica dinámica total puede elevar la potencia requerida. Las bombas radiales pueden tener un comportamiento distinto: algunas se sobrecargan con caudales altos. La curva real resulta más útil que una regla universal sobre motores para bombas axiales frente a centrífugas.

«Las bombas de hélice no son adecuadas cuando es necesario estrangular la impulsión para reducir el caudal».

Con caudal cero no hay potencia hidráulica útil, pero las pérdidas mecánicas y la recirculación interna siguen consumiendo potencia. Sustituir el caudal cero en una fórmula de potencia de salida no permite determinar el tamaño del accionamiento ni describe la condición de cierre.

¿Son compatibles los variadores de velocidad con todos los tipos de bomba?

Es posible variar la velocidad del motor mediante un variador en bombas radiales, axiales y de flujo mixto, siempre que el variador y la bomba con su motor sean adecuados para el rango de velocidades requerido. La compatibilidad depende también de la refrigeración del motor y de los límites de funcionamiento hidráulico. El variador modifica las curvas ofertadas; no elimina la necesidad de alcanzar la altura manométrica requerida ni de mantener unas condiciones adecuadas en la toma.

Los controles y las instrucciones de arranque del fabricante corresponden a la configuración especificada. Copiar de otros tipos de bomba procedimientos genéricos de arranque con una válvula de impulsión puede entrar en conflicto con la curva de carga prevista. Para que la bomba funcione dentro de los límites permitidos, la curva de carga, el accionamiento y la secuencia de control deben responder a las mismas condiciones de servicio.

Criterio de carga: reducir el caudal de 3.000 m³/h a 1.500 m³/h no demuestra que la carga del accionamiento se reduzca un 50 %. En aplicaciones axiales de velocidad y paso fijos, utilice toda la curva de potencia en el eje permitida. El caudal por sí solo no permite determinar la carga del motor, especialmente cuando el cambio del punto de funcionamiento modifica la altura manométrica y reduce el rendimiento del equipo.

Cuándo convienen las bombas de flujo mixto y otras disposiciones

Una bomba de flujo mixto combina elementos de transferencia de energía axial y radial; el líquido sale del rodete en una dirección intermedia. Estas bombas se utilizan para caudales considerables con alturas manométricas intermedias. Si cambia el nivel del agua, conviene comparar varias condiciones de servicio; eso no implica automáticamente que deba elegirse esta familia.

La relación entre caudal y altura manométrica depende del diseño de la bomba elegida. Las bombas centrífugas y las axiales también pueden tener rangos de aplicación coincidentes. La etiqueta «flujo mixto» no demuestra que todos los modelos ofrezcan un rango eficiente más amplio, permitan el paso de más sólidos o requieran menos altura en la entrada. Una bomba funciona con eficiencia cuando su selección hidráulica se ajusta a las condiciones reales; la etiqueta, por sí sola, no lo demuestra.

La velocidad específica permite entender las diferencias entre las formas de los rodetes axiales y radiales. La referencia sobre principios de bombeo del Hydraulic Institute distingue las convenciones estadounidenses de las métricas, así como los cálculos con caudal total y con caudal por ojo del rodete. El índice habitual en rpm-gpm-ft no se puede comparar directamente con el índice en rpm-m³/s-m. Un umbral sin unidades ni base de cálculo no es un criterio de compra fiable.

Para los primeros productos preseleccionados, compare las opciones de bombas de flujo mixto de BBP con su gama de bombas centrífugas radiales. Incluya los diseños de turbina vertical o sumergibles si lo requieren el nivel de origen o las condiciones de mantenimiento.

Condiciones de aspiración y limitaciones de instalación

Las condiciones de entrada pueden descartar una bomba antes de que la eficiencia se convierta en el factor decisivo. La altura de aspiración disponible y la requerida, por un lado, y la sumergencia física de la toma, por otro, describen condiciones o limitaciones distintas. El nivel más bajo de la fuente, las pérdidas en la rejilla y la geometría del flujo de aproximación deben ser compatibles con la instalación ofertada. Las condiciones de servicio también deben especificar los residuos, la temperatura y las propiedades del agua.

NPSH3 identifica una condición de ensayo de cavitación asociada a una reducción del 3 % en la altura manométrica. La sumergencia mínima indica la profundidad de agua necesaria alrededor de la toma o la disposición del rodete. Una sumergencia adecuada limita los vórtices y la entrada de aire; un cálculo satisfactorio de NPSH, por sí solo, no resuelve la geometría de la toma. NDSU analiza las instalaciones de bombas de hélice sumergidas y las recomendaciones de sumergencia específicas de cada fabricante.

El caso práctico del proyecto de Xylem en El Paso describe el uso de bombas axiales de hélice con tomas de aspiración moldeadas y una disposición con sifón en un espacio reducido. El caso muestra por qué la geometría de entrada y la disposición de la estación pueden ser tan importantes como la tendencia habitual de la familia en cuanto a caudal y altura manométrica.

También hay que definir las condiciones del agua. La arena, los residuos fibrosos o los componentes corrosivos cambian los requisitos de selección. Un problema habitual en la toma de una bomba es la entrada de aire cuando la sumergencia o el flujo de aproximación no son adecuados. Si la densidad o la viscosidad difieren, hay que ajustar como corresponda la curva de una bomba centrífuga radial para agua limpia; las preguntas frecuentes sobre bombas del Hydraulic Institute explican estos efectos. El paso de sólidos y la idoneidad de los materiales requieren especificaciones propias.

Criterio de aspiración: el criterio de caída del 3 % de altura manométrica de NPSH3 y la sumergencia necesaria en una toma de agua son parámetros de diseño distintos. Anote ambos en la misma hoja de datos del punto de funcionamiento, junto con el nivel mínimo del agua y las pérdidas en la rejilla. Una propuesta puede cumplir los requisitos de altura manométrica y caudal y, aun así, requerir una disposición de aspiración diferente.

Opciones para riego, drenaje y circulación

Las bombas axiales y radiales se utilizan en riego, drenaje y circulación; sin embargo, la condición de servicio determina la opción hidráulica. El riego puede implicar una elevación corta en un canal o presión en la boquilla. En el drenaje, la prioridad es la disponibilidad y la variación de los niveles; los sistemas de refrigeración y circulación de agua requieren distinguir con claridad entre la elevación y la resistencia del circuito.

En riego, la altura manométrica total incluye la presión en el equipo. NDSU indica que 20 psi equivalen a 46,2 ft de altura de columna de agua, antes de añadir los demás requisitos del sistema. Por tanto, una elevación corta no implica necesariamente una condición de servicio de baja altura manométrica si la impulsión alimenta equipos a presión.

Ejemplo: Una planta debe comparar ofertas de bombas para circulación que cubran un servicio de 1.000 m³/h con 8 m de altura manométrica total. La oferta existente describe una bomba de «gran caudal», pero no especifica las horas de funcionamiento ni la disposición de entrada. El equipo de mantenimiento espera tener acceso periódico sin vaciar el sistema; el departamento financiero prevé un funcionamiento de 6.000 h/año. La bomba axial puede mantenerse entre las opciones solo si su curva ofertada cubre esa condición de servicio y la instalación permite el acceso requerido. Las alternativas radiales o de flujo mixto también deben cumplir los requisitos de acceso y demás condiciones. Lo decisivo es el funcionamiento de la instalación completa, no que el catálogo denomine a la máquina bomba de circulación.

El tratamiento de aguas residuales y la gestión de grandes volúmenes de agua también pueden requerir caudales elevados, pero esas denominaciones no especifican el contenido de sólidos ni la composición química del líquido. Las bombas de hélice suelen considerarse para trasvases con poca elevación. Las bombas de desplazamiento positivo trasladan el fluido mediante la captura y transferencia sucesivas de volúmenes; las fugas internas afectan al caudal real. Conviene distinguir los tipos de bomba utilizados para inyección, drenaje de grandes caudales y aumento de presión.

Utilice la guía de selección de bombas para riego de BBP para organizar la conversación y, a continuación, concrete las alternativas de bombas de flujo axial ofertadas en función de las condiciones de servicio.

Criterio de aplicación: un requisito de presión de impulsión de 20 psi añade aproximadamente 46,2 ft de altura manométrica de agua, antes de tener en cuenta la elevación y las pérdidas por fricción. Por tanto, para el mismo caudal del canal, el trasvase de agua del canal y el riego a presión pueden requerir selecciones de bomba distintas. Incluya explícitamente la presión de salida al clasificar un punto de funcionamiento como de baja altura manométrica.

Comparación de proveedores basada en curvas verificadas

Una oferta comparable distingue los requisitos de servicio del cliente de los datos de rendimiento que aporta el proveedor. Empiece por indicar los puntos de funcionamiento normal y modificado, así como las características del líquido; después, identifique la configuración exacta de la bomba y las condiciones del ensayo. Los gráficos de selección delimitan una gama de productos; las curvas publicadas describen esa gama con mayor precisión. Las curvas certificadas corresponden a la bomba adquirida y al recorte del rodete.

El Hydraulic Institute distingue estos tipos de curvas. Entre las bombas centrífugas de una misma gama puede haber diferencias en el diámetro del rodete y en el tamaño. La tabla siguiente permite al departamento de compras convertir una selección plausible en una oferta definida. «Verificada» debería referirse a una configuración y un tipo de datos expresamente indicados, no a un gráfico comercial genérico.

La norma ISO 9906:2012 especifica los ensayos de aceptación del rendimiento hidráulico de las bombas rotodinámicas. El contrato de compra debe indicar el grado de aceptación elegido y la disposición del ensayo, junto con los requisitos de rendimiento. El ensayo de aceptación de la bomba y la certificación de calidad del fabricante son actividades de compra distintas.

Las partidas que no figuran en una oferta siguen sin tener precio. Por ejemplo, una oferta que excluya la estructura de captación no puede considerarse más barata en términos de instalación hasta que se calcule el coste de ese alcance. Pida a los proveedores, al mismo tiempo, que indiquen la curva exacta, las prestaciones en condiciones de funcionamiento modificadas y las exclusiones. Después, compare ofertas completas.

Perspectivas del sector: márgenes de NPSH y opciones de control

La revisión de 2024 de la directriz del Hydraulic Institute sobre el margen de NPSH hace que revisar las condiciones de entrada según cada aplicación sea una prioridad de compra más útil que aplicar un margen fijo de un proyecto a otro. Conviene incluir el valor de referencia del NPSHR facilitado por el fabricante y tener en cuenta las condiciones del líquido, de la bomba y de la instalación. Esto resulta especialmente pertinente cuando cambian el nivel del agua o la estrategia de control.

En su explicación de marzo de 2025 sobre ANSI/HI 9.6.1:2024, el Hydraulic Institute analiza el cambio respecto a la edición de 2017 y las recomendaciones basadas en el NPSHR del fabricante, que debe ser al menos igual al NPSH3 ensayado. La revisión tiene en cuenta factores como el líquido bombeado, el desgaste, las condiciones de entrada, los transitorios y el funcionamiento en paralelo. Añadir 1 metro de altura en todos los proyectos no responde a este enfoque específico para cada aplicación.

Para el proyecto de 2026, relacione el requisito de aspiración del fabricante con el nivel mínimo disponible y el intervalo de funcionamiento requerido. Incluya en el alcance de los trabajos la inmersión necesaria, el diseño de la rejilla y los requisitos ambientales de captación específicos de la instalación. Actualizar el criterio del margen es un cambio razonable en el alcance, aunque se seleccione la misma familia de bombas.

Los controles también requieren una base de cálculo clara para el sistema. Un variador de velocidad puede reducir las pérdidas de control, pero la elevación estática sigue formando parte de la altura manométrica requerida aunque disminuya la velocidad. En sus preguntas frecuentes, el Hydraulic Institute indica que las ventajas del control de velocidad variable se reducen cuando el sistema tiene una curva característica y una altura estática. Por tanto, aplicar la relación cúbica entre velocidad y potencia para prever el consumo eléctrico anual puede exagerar el ahorro.

Las configuraciones en paralelo plantean otra decisión. Al poner en marcha una segunda bomba, el punto de funcionamiento suele desplazarse a lo largo de las curvas combinadas de las bombas y del sistema; el caudal suministrado no se duplica automáticamente. El sistema de control debe contemplar las combinaciones pertinentes de bombas en marcha, así como las zonas de funcionamiento y la potencia absorbida de cada una. Un precio unitario más bajo puede dejar de ser ventajoso si la secuenciación lleva una bomba a una zona de funcionamiento inadecuada.

El paso fijo, el paso ajustable y el control de velocidad son distintas opciones de diseño. Su conveniencia depende del servicio requerido, del intervalo de control y del mantenimiento. El siguiente paso útil es solicitar una oferta que contraste esas opciones con todo el intervalo de funcionamiento y, después, comparar el coste de instalación con un número realista de horas anuales.

Preguntas frecuentes

¿Qué es una bomba de flujo mixto?

¿Se puede instalar una bomba de flujo mixto en vertical?

¿Qué bomba es más adecuada para alta presión?

¿Qué es una bomba de desplazamiento positivo?

¿Qué relación tiene la velocidad específica con el tipo de bomba?

¿Qué diferencia hay entre las bombas autocebantes y las no autocebantes?

¿Qué ventajas tiene una bomba axial?

Facilite a BBP los pares de caudal y altura manométrica de funcionamiento normal y modificado, los niveles de la fuente y las condiciones del líquido de su proyecto. Empiece por la gama de bombas de riego y compare las configuraciones con un límite eléctrico y un alcance de instalación comunes. Un pliego completo de condiciones de funcionamiento facilita la valoración económica y la revisión de la elección entre una bomba centrífuga radial y una axial.

Por GW. La orientación técnica se basa en las fuentes que figuran a continuación. La comparación de costes desarrollada utiliza los datos supuestos indicados; la instalación de El Paso se atribuye a Xylem. Los límites de selección e instalación de la bomba dependen del equipo ofertado y de las condiciones de la instalación.