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