FUERZAS EN BOMBAS CENTRÍFUGAS
Prof. Jesús DE ANDRADE
Prof. Miguel ASUAJE
Febrero 2010
Bomba Centrífuga Rodete Simple
Bomba Centrífuga Simple Succión
Bomba Centrífuga Doble Succión
Bomba Centrífuga Doble Succión
Un detalle en el rotor doble
Bomba Centrífuga Doble Succión
Bombas multietapas
Empuje Radial
Fuerzas Radiales sobre el Rodete
0pF
A Caudal Nominal Fuera del Caudal Nominal
0pF
Campos de Velocidad y Presión dentro de una Bomba Centrífuga
Obtenidos por Mecánica de Fluidos Computacional (CFD)
CFD ó Métodos 3D …
Masa
Cambio de
Cantidad de
Movimiento
Energía
Estado
0Ct
(1) (2) (3) (4) (5) (6)
ij
DC CC C p g
Dt t
Dh DpT
Dt Dt
pr T
Resolvemos las ecuaciones de
Conservación apoyados en métodos
númericos y modelos matemáticos
de fenómenos complejos como la
turbulencia
MFC « Laboratorios Virtuales »
Generación 3D
de la Geometría
CFX-BladeGEN+Malla No-estructurada
CFX-BladeGEN+CFD- Primera Aproximación
CFX-TASCFlow
Solución
Numérica
CFX-Turbogrid Malla Estructurada
CFX 10
CFX-
BladeGEN
Generación
de la malla
Procesamiento
de Resultados
CFX 10Maillage Non-structuré
CFX 10
Las diferentes etapas de la CFD ...
Tiempo = 3 meses aproxTiempo = 3h – 1 Sem Tiempo = 1 Sem –1 mes
Generación de la Geometría
MFC … Fronteras y Condiciones de Cálculo
CaracterísticaCFX-
BladeGEN+CFX-10
Dominio
1 pasaje o canal de álabe
(Condición de periodicidad)
1 pasaje o canal de álabe
(Condición de periodicidad)
MallaNo-Estructurada 51.552 Nodos
Estructurada 49.824 Nodos
Cond. de Borde Entrada
Presión Total = 101325,0 [Pa]
Presión Total = 101325,0 [Pa]
Cond. de Borde Salida
Flujo Másico = Variable [kg/s]
Flujo Másico = Variable [kg/s]
Modelo de Turbulencia
Zéro équation k – k – SST
Esquema Numperico de
ResoluciónSecond ordre Second ordre
Residuo Medio (RSM)
10-4 10-4
Estudio de la bomba CompletaRotor-Voluta
Secciones
Transversales
Superficie
Sólido y
Malla
Tubería de
Succión
Entrada
Voluta
Descarga
Rotor
Dominio de Cálculo
Interfaces
Posiciones de estudio…
Débit relatif
0° 8°16°
24°
32°
40°
48°
56°
64°
0.5
0.7
0.8
0.9
1.0
1.2
1.4
x
8
Posicionamiento
relativo del álabe
con respecto al
pico de la voluta
y
Curvas Características
Altura vs. Caudal
Rendimiento hidráulico vs. Caudal
0
10
20
30
40
50
60
70
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3
q/qv
H [
m]
Heliox
CFX 5.5
Expérimentale
Plano de estudio. Bomba NS32
Position Zéro
Zone
d’accélération
Recirculation 0
Campo de
Velocidades
qv/qn=1.0
Campo de Presión qv/qn=1,0
P-1
= 8°
P-2
= 16° P-3
= 24°
P-4
= 32°
P-5
= 40°
P-6
= 48°P-7
= 56°
P-8
= 64°
Campo de Presión qv/qn=1,0
Fluctuaciones de Presión en la interface Rotor-Voluta
0 45 90 135 180 225 270 315 3603.2 10
5
3.4 105
3.6 105
3.8 105
4 105
4.2 105
4.4 105
4.6 105
4.8 105
5 105
5.2 105
p [
Pa]
5to
álabe
2do
álabe
4to
álabe
3er
álabe1er
álabe
Bec
qv/qn=1,0
Position 1
= 0°
Resultados para caudales parciales qv/qn=0,5
Caudal Nominal qv/qn=1,0
Caudales superiores al nominal qv/qn=1,2
Podemos observar zonas propensas a la cavitación
qv/qn=1,2
Cavitation pompe NS32
Fluctuaciones del Empuje
Fx [N]
Fy
[N]
100 0 100 200 300
400
300
200
100
0
400
Fy
300100 Fx
0
816
24
32
40
minF
maxF
48
56
64
qv/qn =1,0
1200 1000 800 600 400 200 0 200 400 600 800 1000 1200
1200
1000
800
600
400
200
200
400
600
800
1000
1200
q/qv= 0.8
q/qv= 1.0
q/qv= 1.2
F moyenne (q/qv= 0.8)
F moyenne (q/qv= 1.0)
F moyenne (q/qv= 1.3)
1200
1200
Fy_10
Fy_1
Fy_3
moyenne Fy_10( )
moyenne Fy_1( )
moyenne Fy_3( )
1.094 1031200 Fx_10 Fx_1 Fx_3 moyenne Fx_10( ) moyenne Fx_1( ) moyenne Fx_3( )
1200 1000 800 600 400 200 0 200 400 600 800 1000 1200
1200
960
720
480
240
240
480
720
960
1200
q/qv= 0.8
q/qv= 1.0
q/qv= 1.2
F moyenne (q/qv= 0.8)
F moyenne (q/qv= 1.0)
F moyenne (q/qv= 1.3)
1200
1200
Fy_10
Fy_1
Fy_3
moyenne Fy_10( )
moyenne Fy_1( )
moyenne Fy_3( )
1.094 1031200 Fx_10 Fx_1 Fx_3 moyenne Fx_10( ) moyenne Fx_1( ) moyenne Fx_3( )
Fx [N]
Fy
[N]
qv/qn =1,0
qv/qn =0,8
qv/qn =1,2
Diferentes Caudales
y
x
El Empuje Radial en función del caudal …
Comparación con correlación experimental de Stepanoff
Comparación
con
correlaciones
experimentales
Validación experimental
Colacación de Captores de Presión
5 captoresCp5
Cp4
Cp3
Cp2
Cp1
Banco de ensayos …
Fluctuaciones de presión sobre el rotor qv/qn=1,0
0 50 100 150 200 250 300 350 4000.4
0.2
0
0.2
0.4
0.6
Cp1
0 50 100 150 200 250 300 350 4000.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
Cp2
p/p
o
0 50 100 150 200 250 300 350 4002.5
3
3.5
4
4.5
Expérimentale
Simulation
4.043
2.514
P_exp_Cp5
1.50.01
Pdes_Cp5
360.7190 P_exp_C50
Tour
Cp5
0 50 100 150 200 250 300 350 4000.5
1
1.5
2
2.5
Cp3
0 50 100 150 200 250 300 350 4001
1.5
2
2.5
3
3.5
Cp4
Fluctuaciones de presión sobre la voluta qv/qn=1,0
Capteur [ ]
Cp6 120,0
Cp7 160,0
Cp8 200,0
Cp9 337,0
Cp10 45,0
0 50 100 150 200 250 300 350 4003.9
4
4.1
4.2
4.3
4.4
4.5
Cp6
0 50 100 150 200 250 300 350 4004.2
4.25
4.3
4.35
4.4
4.45
4.5
4.55
Cp7
p/p
o
0 50 100 150 200 250 300 350 4002.5
3
3.5
4
4.5
Expérimentale
Simulation
4.043
2.514
P_exp_Cp5
1.50.01
Pdes_Cp5
360.7190 P_exp_C50
Tour
Cp5
Para minimizar el empuje radial
Empuje Axial
Empuje Axial
Esquema simplificado:
Efecto de la presión de Succión en el Empuje Axial
Distribución de Presión
Métodos de Control del Empuje Axial. Rotor de Doble Succión
Bombas multietapas con rotores superpuestos
Métodos de Control del Empuje Axial. Álabes en el Cubo
Métodos de Control del Empuje Axial. Agujeros en el Cubo
Métodos de Control del Empuje Axial. Cámara de Balanceo
Métodos de Control del Empuje Axial. Tambor de Balanceo
Métodos de Control del Empuje Axial. Tambor de Balanceo