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FUERZAS EN BOMBAS CENTRÍFUGAS
Prof. Jesús DE ANDRADE
Prof. Miguel ASUAJE
Febrero 2010
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Bomba Centrífuga Rodete Simple
Bomba Centrífuga Simple Succión
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Bomba Centrífuga Doble Succión
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Bomba Centrífuga Doble Succión
Un detalle en el rotor doble
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Bomba Centrífuga Doble Succión
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Bombas multietapas
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Empuje Radial
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Fuerzas Radiales sobre el Rodete
0pF
A Caudal Nominal Fuera del Caudal Nominal
0pF
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Campos de Velocidad y Presión dentro de una Bomba Centrífuga
Obtenidos por Mecánica de Fluidos Computacional (CFD)
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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
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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
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Generación de la Geometría
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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
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Estudio de la bomba CompletaRotor-Voluta
Secciones
Transversales
Superficie
Sólido y
Malla
Tubería de
Succión
Entrada
Voluta
Descarga
Rotor
Dominio de Cálculo
Interfaces
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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
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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
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Plano de estudio. Bomba NS32
Position Zéro
Zone
d’accélération
Recirculation 0
Campo de
Velocidades
qv/qn=1.0
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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°
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Campo de Presión qv/qn=1,0
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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°
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Resultados para caudales parciales qv/qn=0,5
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Caudal Nominal qv/qn=1,0
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Caudales superiores al nominal qv/qn=1,2
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Podemos observar zonas propensas a la cavitación
qv/qn=1,2
Cavitation pompe NS32
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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
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El Empuje Radial en función del caudal …
Comparación con correlación experimental de Stepanoff
Comparación
con
correlaciones
experimentales
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Validación experimental
Colacación de Captores de Presión
5 captoresCp5
Cp4
Cp3
Cp2
Cp1
Banco de ensayos …
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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
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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
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Para minimizar el empuje radial
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Empuje Axial
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Empuje Axial
Esquema simplificado:
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Efecto de la presión de Succión en el Empuje Axial
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Distribución de Presión
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Métodos de Control del Empuje Axial. Rotor de Doble Succión
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Bombas multietapas con rotores superpuestos
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Métodos de Control del Empuje Axial. Álabes en el Cubo
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Métodos de Control del Empuje Axial. Agujeros en el Cubo
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Métodos de Control del Empuje Axial. Cámara de Balanceo
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Métodos de Control del Empuje Axial. Tambor de Balanceo
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Métodos de Control del Empuje Axial. Tambor de Balanceo