Bomba de engranajes

Una bomba de engranajes mueve un líquido con dos ruedas dentadas que engranan dentro de una carcasa muy ajustada. Donde los dientes se separan, el líquido entra en los huecos entre ellos; da la vuelta a cada rueda por fuera y sale donde los dientes vuelven a engranar. Johannes Kepler ideó una bomba de engranajes sin válvulas para desaguar minas: en 1602 encargó un modelo de latón a dos artesanos de Augsburgo, que nunca lo entregaron, y Jost Bürgi hizo uno en 1604; un libro impreso en Lyon en 1719 describe una, sumergida en un pozo y movida desde una rueda de mano para subir agua. Hoy las bombas de engranajes hacen circular el aceite de los motores, impulsan el combustible y mueven la hidráulica de tractores y máquinas de obra.

Qué es

Una bomba de engranajes es una bomba sin válvulas y sin pistón. Dos ruedas dentadas del mismo tamaño engranan entre sí dentro de una carcasa que ciñe la punta de sus dientes y sus caras planas. Una de las ruedas va fija en un eje que sale de la carcasa y que hace girar una manivela, un motor eléctrico o un motor de combustión; esa rueda arrastra a la otra. Un tubo entra en la carcasa a un lado del punto donde se encuentran los dientes y otro sale por el lado opuesto.

Es una bomba volumétrica: en cada vuelta entrega más o menos el mismo volumen de líquido, el de los huecos entre los dientes, de modo que su caudal sigue la velocidad del eje. Funciona mejor con líquidos lo bastante espesos para llenar las pequeñas holguras entre las piezas móviles, como el aceite. También sube agua, como la bomba descrita en 1719, y puede aspirar un líquido por un tubo de aspiración igual que empujarlo por un tubo de impulsión.

Cómo funciona

Vista de frente, con la entrada debajo del punto de engrane y la salida encima, la rueda de la izquierda gira en el sentido de las agujas del reloj y la de la derecha en sentido contrario. En el centro, los dientes de ambas ruedas bajan juntos. Abajo se desengranan: cada diente abandona el hueco que ocupaba en la otra rueda, el espacio se agranda y el líquido que llega por la entrada lo llena.

Cada hueco entre dos dientes queda entonces cerrado por la pared de la carcasa y lleva su pequeña carga de líquido hacia arriba, dando la vuelta a su rueda por fuera: la rueda izquierda a lo largo de la pared izquierda y la derecha a lo largo de la pared derecha. Arriba los dientes vuelven a engranar. Cada diente entra en un hueco de la otra rueda y expulsa el líquido, que no tiene más salida que el tubo de impulsión. No puede volver por el centro, porque los dientes engranados cierran el paso. Si se gira el eje al revés, la bomba trabaja en sentido contrario y la salida pasa a ser la entrada.

Una bomba de engranaje interno: un piñón pequeño mueve una corona dentada por dentro, y una media luna fija cierra el espacio entre ambos.

La bomba pierde algo de líquido por dentro, por las estrechas holguras entre la punta de los dientes y la carcasa y a lo largo de las caras de las ruedas. La fuga crece con la presión de salida y con los líquidos más fluidos; por eso las bombas de engranajes se fabrican con tolerancias pequeñas y van bien con aceite. Donde el eje sale de la carcasa, un prensaestopas o un retén impide que el líquido escape. Como cada vuelta expulsa un volumen fijo, una bomba de engranajes con la salida tapada sigue subiendo la presión hasta que cede un tubo o una pieza; por eso los circuitos hidráulicos que la llevan tienen también una válvula de alivio que se abre y devuelve el líquido al depósito. Un segundo tipo, la bomba de engranaje interno, pone un piñón pequeño dentro de una corona con dientes en su cara interior. Los dos están descentrados, de modo que sus dientes engranan por un lado y quedan muy separados por el otro, donde una media luna fija llena el espacio entre ellos. El líquido viaja en los huecos a lo largo de las dos caras de la media luna, igual que da la vuelta a la carcasa en la bomba externa.

Cómo hacerlo

Esta maqueta transparente deja ver el líquido dando la vuelta a las ruedas. Hacen falta dos engranajes rectos iguales de plástico, de tienda de modelismo, de unos 4 cm de diámetro y con agujero para un eje de 4 mm, una pieza de contrachapado o acrílico exactamente igual de gruesa que los engranajes, dos placas iguales de acrílico transparente de 3 mm, una broca Forstner alrededor de 1 mm mayor que el diámetro exterior de los engranajes, un taladro en soporte, varilla de acero de 4 mm, pegamento epoxi, ocho pernos pequeños con tuercas, tubo de plástico transparente de 6 mm, vaselina, un listón de madera para la manivela, dos vasos y agua teñida con colorante alimentario.

La manivela hace girar los engranajes y el agua coloreada sube del vaso de abajo al de arriba.

Ponga los dos engranajes sobre la mesa, con los dientes engranados, y mida la distancia entre los centros de sus agujeros. Marque dos puntos a esa distancia en la pieza central y taladre un agujero con la broca Forstner en cada uno, de modo que los dos agujeros se solapen formando un ocho. Los engranajes deben girar dentro sin tocar la pared. Sujete juntas las tres piezas y taladre agujeros de 4 mm a través de todas en los dos centros. En la placa trasera, haga un agujero justo debajo del centro del ocho y otro justo encima, y pegue un trozo corto de tubo en cada uno. Pegue un engranaje a un trozo largo de varilla y el otro a uno corto. Unte con vaselina las dos caras de la pieza central, coloque los engranajes y atornille las tres piezas alrededor de la cavidad, con la varilla larga saliendo por delante. Pegue la manivela al extremo de la varilla larga.

Llene la cavidad de agua por el tubo de arriba, meta el tubo de abajo en el agua coloreada y lleve el de arriba hasta el segundo vaso, más alto. Gire la manivela de manera que los dientes del centro bajen. Tras unas vueltas, el agua coloreada sube por el tubo y se la ve dar la vuelta a cada engranaje por fuera. Gire al revés y el agua vuelve atrás.

Seguridad. Sujete bien el acrílico al soporte del taladro y póngase gafas de protección: una broca Forstner puede enganchar la plancha y hacerla girar, o rajarla y lanzar astillas cortantes.

Historia y evolución

Johannes Kepler escribió que desde 1597 trabajaba en una bomba sin válvulas que funcionaría girando en círculo, en lugar de pararse y volver a arrancar como una bomba corriente. El 24 de octubre de 1602, en Praga, firmó un acuerdo con Hans y Balthasar Miller, dos hermanos de Augsburgo, que debían terminar en unos dos meses un modelo de latón; Kepler les adelantó 27 florines y el modelo nunca se entregó. En una carta fechada el 22 de diciembre de 1604 recordó un primer modelo hecho de madera y contó que el constructor de instrumentos Jost Bürgi había fabricado ya una versión de latón. Fritz Staudacher, estudioso de Bürgi, fecha también en 1604 el prototipo metálico de Bürgi y describe la máquina como una bomba de engranajes para sacar el agua de las galerías de las minas. La Oficina Alemana de Patentes y Marcas atribuye asimismo a Kepler una bomba de engranajes sin válvulas, ideada para el dueño de una mina que necesitaba sacar el agua de ella. También aparece una bomba de engranajes en un libro impreso en Lyon en 1719, en el que Gaspard Grollier de Servière describió el gabinete de máquinas y modelos que había dejado su abuelo Nicolas. Entre las máquinas para elevar agua hay una presentada como muy sencilla, para subir el agua de un pozo o de un depósito a una altura considerable. Dos piñones macizos, de madera o de metal, llenan una caja ovalada en la que giran libremente engranando el uno con el otro. La caja está sumergida y cerrada por todas partes salvo abajo, por donde entra el agua, y arriba, de donde sale un tubo.

La máquina del gabinete Servière: dos piñones en una caja ovalada bajo el agua, movidos desde una rueda de mano sobre el pozo, empujan el agua por un tubo.

Un hombre giraba una gran rueda con un mango, y unos ejes acodados unidos por una pieza de hierro hacían girar uno de los piñones. El texto explica que el agua atrapada entre los dientes en la parte baja de la caja sube hasta arriba, donde el agua que no deja de llegar la empuja al tubo, y que no puede volver por donde vino. Thomas Ewbank reprodujo la figura en una historia de las máquinas para elevar agua publicada en Nueva York en 1850. Le añadió un tubo de aspiración, hizo salir el eje de la caja por un prensaestopas o un collarín de cuero, contó la bomba entre las más antiguas y mejores bombas rotativas y anotó que se la creía más antigua que la colección que la conservó. También recogió que las caras de los dientes llevaban a veces una ranura para alojar tiras de cuero que cerraban las holguras, y que la máquina de vapor rotativa de William Murdoch copiaba la misma disposición.

Para trabajar contra una presión alta, una bomba de engranajes necesita ruedas y alojamientos de metal hechos con holguras pequeñas. Las bombas de engranajes son compactas, tienen pocas piezas y toleran líquidos espesos; hoy sirven de bombas de aceite y de combustible en los motores y de bombas hidráulicas en tractores y máquinas de obra, donde alimentan los cilindros de un brazo hidráulico. La bomba de engranajes usa los mismos engranajes que los relojes y los molinos para hacer el trabajo de una bomba de pistón, sin válvulas.