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Agustín Ramírez Mata

Diseño de estaciones de bombeo para bombas verticales de superficie

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Diseño de estaciones de bombeo para bombas verticales de superficie El diseño de los pozos/estaciones de bombeo es una de las aportaciones más importantes de la empresa de ingeniería que diseña un sistema de riego, y por ende el trabajo más valorado como aportación para esta aplicación por un fabricante de bombas centrífugas, Dentro de las estaciones de bombeo, y teniendo en cuenta que las más complicadas de definir son las que utilizan las bombas verticales de superficie, debemos indicar que son sustancialmente diferentes las diseñadas para bombas horizontales. Así, centrándonos en aquellas que son el motivo de este artículo, debemos decir que la dificultad del diseño de estas estaciones de bombeo, se basa en:

• la morfología de de las propias bombas (velocidades relativas altas y pasos de impulsor pequeños).

• poca acción de guiado del propio pozo (la succión se produce en condiciones casi de remanso).

Ambas circunstancias afectan de forma muy importante a las características de las máquinas, a través de su rendimiento y, por tanto, su consumo energético. Por tanto, y teniendo en cuenta que el fabricante de bombas debe de participar en el diseño de la estación de bombeo, ya que puede aportar la información de “su” bomba en particular, es conveniente identificar los parámetros a tener en cuenta para definir la estación de bombeo de forma correcta:

1. submergencia de la máquina. 2. distancias fondo y a paredes circundantes. distancias de

interferencia entre bombas. 3. diseño en planta de la estación: distribución de flujo de

entrada y circulación en el pozo. 4. caracterización del fluido: filtros y tamices. 5. modelización de la estación de bombeo.

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1. La Submergencia de la Bomba La submergencia de la bomba es un dato experimental de cada máquina, que está tabulado por el organismo Hydraulic Institute, en función de la presión de trabajo y la velocidad específica en su valor medio. La submergencia, es un valor que se define en función de evitar los límites de cavitación. Además, la correcta definición de este parámetro, evitará la producción de remolinos (vórtices), que serían tragados por la máquina en su acción de bombeo. Cada submergencia para una determinada máquina depende de :

• El propio diseño de la estación. • La velocidad de aproximación a la bomba. • El diseño de la campana de aspiración. • La interferencia con bombas adyacentes.

En cualquier caso la submergencia mínima no podrá ser inferior a 1,5 metros contados desde la línea inmediatamente por encima del cono de aspiración. Como el dimensionamiento de la bomba es importante para la obra civil en cada caso, profundizaremos más en este tema, podremos establecer este parámetro de una forma más precisa: para bombas de aspiración de baja velocidad (0,6 a 0,9 m/s), o bombas de pequeño tamaño (hasta 15 pulgadas como nuestra FG 15): la submergencia mínima puede ser D/2. En donde D es el diámetro del cono de aspiración en su máxima dimensión, que nunca será menos del doble del diámetro del ojo del impulsor. Como criterio práctico, podemos adoptar como valor mínimo de la altura del líquido, aquella que inunde la voluta del impulsor en bombas mono-etapa, y una vez y media la altura de una etapa en las bombas que sean de dos o más etapas. También como dato práctico, las bombas con mejor submergencia, se comportarán mucho más efectivamente en los casos que haya más bombas emplazadas en la misma estación de bombeo.

to be drawn into the pump suction. This depends on the sump layo%& velocity of approach, suction bell design, effect of adjacent pumps, and the like. For these reasons the submergence on an average job should not be less than 5 ft above the suction bell edge. With low suction bell velocity (2 to 3 ft per sec) and small units, this can be reduced to D/2, where D is the suction bell diameter which, on an average pump, should be not less than twice the diameter of the impeller eye. In every case the minimum water level in the suction sump should cover the impeller hub to keep the pump self-priming. When vortices appear in an existing station they can be checked by providing wooden floats around the pump discharge pipe or bafRes in the suction sump. All vortices origi- nate from the impeller; for that reason pumps having a bottom bearing with radial supporting baffles in the suction bell are less likely to set up vortices in the suction sump. Submergence also has an important be2.r- ing on the velocity distribution in the suction bell approach, particularly if there are several pumps in the same sump. With ample submergence, water can a ~ ~ r o a c h the suction bell from all directions with a uniform

num of disturbance from the flow toward several units in the same pit.

F (b) Floor Clearance. The free area between the suction bell and the

k a u m ~ floor should be at least eaual to the area of the bell itself. This

I FIG. 16.5. Pattern of flow with suction bell distance to floor D / 3 and D. 5

requires a distance between the bell and tlie floor equal to D/4, where D is the bell outside diameter. But this will cause the water to make a. sharp turn inside the bell. It has been jound that a distance I) /3 between

e bottum o j the pit and the suction bell is ample fir normal pump per- ~ m a n c e . A further increase in this d ishr~ce may even impair , rather an improve, the velocity distribution in the suction bell approach. 'I'ests the University of California have shown that the best performance obtained with a clearance of D/2. An increase of the clearance to 11

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2. Distancias fondo y a paredes circundantes

Como dato genérico de cálculo, el área libre de obstáculos entre el cono de aspiración y el fondo de pozo, será igual al área de la campana de aspiración. Esa distancia es D/4. Con D el valor del diámetro máximo del cono de aspiración. Este es el valor adecuado cuando la bomba está aislada en su pozo de bombeo, ya que este valor es el de estabilización del caudal en el impulsor (es aceptado un rango de D/3 a D/4 como el más favorable para este efecto). De todas formas, debido a los efectos no estacionarios que se producen en el episodio de la zona de aspiración, en estaciones con más de una bomba, se han obtenido datos experimentales que aconsejan que esa distancia sea de D/2. Quiere decir esto que hay una distancia optima entre campana de aspiración y fondo de pozo, que es la antedicha de D/2, mientras que distancias mayores bajan el rendimiento en la máquina, distancias menores no aseguran episodios transitorios que sean suficientemente cortos.

a. D/2= óptima definición de la interferencia a fondo de pozo Los métodos de análisis en campo numérico complejo han permitido simular las interferencias con otras máquinas que han dado como resultado que :

b. 2D = distancia entre ejes de bombas. c. D = distancia a paredes laterales.

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3. Diseño en planta de la estación El diseño en planta de la estación de bombeo, es particularmente importante en los casos en que hay otras bombas trabajando simultáneamente en la citada estación. El paradigma del diseño de estaciones de bombeo para bombas verticales, es la creación de un reparto de caudal, que sea estacionario, uniforme y continuo. Hay que evitar las interferencias de la máquinas, así como los funcionamientos viciados de la estación de bombeo en función del número de bombas que estén o no funcionando a la vez. Una estación mal diseñada no sólo comporta problemas en el rendimiento hidráulico de la misma sino que además se producen vibraciones que disminuyen la vida de la máquina. En una estación mal diseñada sólo se puede hacer una corrección para un mejor funcionamiento, mediante la variación de la obra civil que permita disminuir las velocidades de aproximación a la bomba, tanto como sea posible, y aumentar la separación entre ejes de las bombas a valores superiores a los determinados en el apartado anterior. Los canales de acceso a cada bomba deben de tener de anchura 2D y la rampa de acceso como mínimo de 7D, para tener un caudal estable de acceso a la máquina.

3 0 ClCNTICIIi'U('IAT4 AN11 AXIAL 1'1,OW PUhII'S

proper baffling and change in the inlet tunnel, all determin testing, normal performance of all pumps was restored.

,ta

The sump plan arrangement shown in Fig. 16.8, where the 4 is s t one end of the sump, will inevitably result in an uneven bution and mutual interference of the several units. Tile 11n

@- &;-;, : FIG. 16.8. A suction sump arrangement to be avoided. .~

to the intake will be d e c t e d most. The example shown in Fig. . % . called to the author's attention. Each pump, A and B, work$j+

.+is

factorily when operating alone. When both were operating, 2$!i , .,

run normally whereas B would develop mechanical vibration when local :$ in capacity (and possibly in efficiency).

permit a favorable station layout ta assure an equal dislributio~?! among several pumps, the adverse eflects of inodepuate sump dti# minimized if ihe velocity of approach to each pump i s kept as low as:

and if spaC2aC2ng betwem & p r m p ~ $ ~ . '

creastd above the minimum sided a$ ,:' , -*5<

All modem pumping stations a&J vided either with manually cleaned:

. :$q$

racks or moving screens. These ark$<% , . :";Y- -.,, ,, u..:,,- .. :.,: <,$*%&~& j %

ferred to the individual suction stra@:wj:. : ::F:,+.,e.:..- ~.

. .. .:,F;:.'

. . . as the latter, even when clean, ?&& : - . . .

1 sump and \,',L , ..:: ' ~. Wh6:fi -....-. ---- proved un- in an appreciable loss of head. . - :,!. .:. ., . , .

satisfactory. clogged up with trash, the resistance .may increase to the extent that cavitation

y appear. The velocity through the trash rack should not exceetl er sec. ;=r+Q &sig ~ ~ & R e r

L ; ~ P J ~ ~ : ~ ally short,

A1 though the loss in

the d the (

large coluxnns Imn should be

ePt to a minimum for low head pumps. All high speed propeller pumps d an increaser next to the pump diffusion casing. The total angle of

e increaser should be about 8' for efficient conversion of velocity into hessure. Fabricated steel elbows should be laid out with a t least five @ions, and a minimum radius of curvature of at least 1.25d, where d

he I: pipe diameter. In no case should a tee be substituted for an elbow-

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4. Caracterización del fluido Evidentemente el agua de las estaciones de riego, no suele estar perfectamente descargada de componentes extraños que empeoran las características de bombeo de las bombas que se instalen. Por ello es importante su análisis y prevención de posibles atascos con filtros y tamices. La velocidad del agua a través del tamiz no debe superar los 0,3 metros por segundo. 5. Modelización de la estación Es frecuente realizar modelizaciones, que indican de forma experimental, cuál va a ser el comportamiento de la estación de bombeo. En la mayoría de los casos, se producen en las estaciones de bombeo fenómenos a nivel microscópico en que hacemos que la capa turbulenta del fluido aumente de forma excesiva provocando desviaciones del comportamiento de la estación frente a los calculados. Para prevenir estos efectos, debemos evitar las siguientes morfologías:

1. evitar altas velocidades de ataque al perfil de la bomba. 2. evitar giros bruscos en el trazado. 3. dimensionar los pasos hidráulicos de la obra civil de forma

adecuada al caudal a vehicular. 4. evitar zonas de posible sedimentación. 5. dar longitudes a los canales de acceso que permitan la

estabilización del caudal a cada bomba. Illescas-Toledo (España), 5 Marzo de 2008

3G2 CENTRIFUGAL AND AXIAL 11'1,OW PUMPS

However, since the sense of forces does not change with the rate of flow, it is advantageous to run tests with exaggerated velocities to intensify the visual characteristics of the flow.

- . - - . - r r

s r r

(4

C

(b)

FIG. 16.10. Suction sump with 90' turn; a, b, c are baffles.

ere are a number of principles suggested by model testing and con- by experience with existing plants which should be observed for

ctory operation of vertical pumps:

intaining the suction bell clearance to the floor a t D/3 is the ective means to stabilize the flow to the impeller. In special s could be reduced to 0 / 4 , with hardly any effect on the pump

performance. he individual cells the clearance between the bell edge and the wall should not exceed D/4.

VJ~;11'l'lCAI, 'I'UlLl~INI!: AND AXIAL l?LOW 1'UMl'S 363

3. A sym~netrical approach to the suction bell is essential for uniform velocity of approach to the impeller. With the channel width equal to 2D, and clearsnces as stated above, if the channel length is 7 0 or more, no special means are necessary to stabilize the flow. With shorter chan- . nels some baming may be necessary for smooth operation of the pumps. Figures 16.10 and 16.1 1 show the baffling which was necessary in one case to eliminate hydraulic noise and vibration.

FIG. 16.11. Suction sump with 180" turn; a, b, c are baffles; tunnel under pressure.

Figures 16.10 (a) and 16.11 (a) show a general appearance of the vortices before the baffling. In a majority of cases it was not necessary to install the baffle c. In every case baffles are so arranged that they cut off from the flow in a tunnel its share for each pump. The individual pump flo is also divided in two by a baffle. In this way, when two streams m a t the dead end of the cell, there is no tendency for vortex formation.

16.3 VERTICAL PROPELLER PUMPS VERSUS HORIZONTAL PUMP

(a) Hydraulic Performance. By referring to Fig. 1G.12 it will noticed that, a t specific speeds above 5000, vertical mined flow and flow pumps have rt better efficiency than horizontal pumps. The diff ence is caused mostly by the adverse effect of the shctiori.aPProa~fi the impeller performance. The relative performance8 of vertical puln even better than it appears from this chart as tllyrltrance loss and in the discharge column, including the elbow, are charged against' pump, whereas in horizontal pumps the head is measured betwee*

Double. suction

I I I I I I I I 1 1 I l l 1 i I l l I .O 1.5 2 3 4 5 6 8 10 '12.5 15

Specific speed X 1000

FIG. 16.12. Pump efficiency is affected by the casing design.

-4 suction and discharge flanges, and the loss in the suction pipe should be . , :a charged to the pump t o put the comparison on the same basis. a Moreover, horizontal pumps usually require an increaser on the dis-

!!I charge nozzle, thus incurring additional loss of head, whereas in pro- peller pump discharge elbow velocities are already reduced to what they are in the discharge pipe.

Horizontul propeller pumps lose part of their advantages if there i s an elbow on the suction or i f the pump h s to work under a suction lijt. I n the

- past, horizontal propeller pumps were invariably used for engine-driven 1: jobs. This resulted in a slow speed pump operating under suction lift,

and required a deep excavation to reduce the static lift of the pump. The ' recent trend i s lo use vertical submerged pumps driven through a right-

angle geared head. This permils freedom of speed selection for the pump, and gives all the advanlages of vertical pumps as lo submergence and impeller approach. The engine Jloor can be located at any convenient level, and thc

ver-all cost of the pumping slation i s lower. (b) Variable Head-Capacity Performance. The eficieilcy curve of tr

PW specific speed centrifugal pump, when plotted against capacity, is ter than that of propeller pumps. When capacity is varied by throt-

ng, this has a definite advantage. But low head pumps are used stly where head varies as a result of suction level variation (tide, onal change in river levels, and so on) and maximum capacity is ted a t any head. In this case propeller pumps with a steep head-

ity curve have a definite advantage and they will deliver more r within a given head rangc, and at a better efficiency, than the

1 . r n l - r - - L L L - L LL.. -LC-:--r... :- L-LC*" :- --"A -.*:-.1--+