Procesos de diseño de bombas centri.

A R T C U L O S T C N I C O S

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El diseo de componentes de turbo-mquinas y, en especial, de bombas hidrulicas de rodete centrfugo est experimentando una evolucin impor-tante, fruto de las nuevas aplicaciones en programas de simulacin o 3D y de la necesidad de realizar la rpida intro-duccin en el mercado del nuevo pro-ducto. Se presenta en este artculo un mtodo basado en programario Con-cepts NREC y resultados en diseo y clculo de rodetes.

Palabras clave:Bombas centrfugas, diseo, impulsor, simulacin, dinmica de fluidos com-puterizada.

Resumen

Design process of centrifugal pumps

The design of turbomachinery com-ponents, particularly for centrifugal pumps have experienced an impor-tant improvement since the new soft-ware applications like simulation or 3D applications have appeared. The need to reduce time-to-market on new products also has contributed to this improvements. In this work a method based on Concepts NREC sofware is introduced, as well as results in centri-fugal impeller design and calculation.

Keywords:Centrifugal pumps, design, impeller, simulation, computational fluid dyna-mics.

Abstract

Proceso de diseo de bombas centrfugasPor: Marc Pelegr, ingeniero industrial1; Marc Font, ingeniero industrial1;

Jaume Palol, director de proyectos estratgicos2

1 Bombas EspaCentro de Competencia en Investigacin y DesarrolloParc Cientfic i Tecnolgic de la Universitat de GironaC/ Pic de Peguera, 15 (La Creueta) - 17003 Girona2 Bombas Esparea de Planificacin Estratgica Ctra. Mieres, s/n - 17820 Banyoles (Girona)

1. Introduccinn los ltimos 20 aos, los procesos de diseo y poste-rior fabricacin de todo tipo

de bienes han sufrido cambios sig-nificativo. Por una parte, los ciclos de fabricacin de productos deben ser cada vez ms cortos, es decir, desde la concepcin de la idea has-ta el producto final comercializado el lapso de tiempo es cada vez me-nor. Por otra parte, los requerimien-tos de calidad actuales son muy superiores a los de hace unas dca-das. Adems, en estos ltimos aos la legislacin europea ha comenza-do a tener en cuenta criterios que hace poco tiempo eran secundarios, como la sostenibilidad, la huella de carbono, el reciclaje de los produc-tos, etc.

La Comisin Europea, en su Energy Efficiency Plan 2011 [1], pretende conseguir una reduccin de energa primaria del 20% para el ao 2020. Para llegar a este objeti-vo, una de las acciones es establecer unos mnimos de eficiencia energ-

Etica para todos los equipos que con-sumen energa de forma intensiva, propiciando un etiquetaje similar al que actualmente tienen los electro-domsticos, e incluso eliminando del mercado los bienes con eficien-cias por debajo de determinados umbrales. A estos factores se une el hecho de que las herramientas de simulacin han experimentado estos ltimos aos un crecimiento en prestaciones impensable hace poco, en paralelo al crecimiento de la ca-pacidad y rapidez de los ordenado-res, y al relativo bajo precio del hardware.

La consecuencia principal de todo esto ha sido que, en mltiples apli-caciones industriales, la simulacin de procesos ha pasado de ser la ex-cepcin a ser indispensable para ofrecer productos adaptados a las exigencias del mercado actual. As mismo, la fabricacin de turboma-quinaria, y en concreto de bombas hidrulicas, necesita actualmente de estas herramientas para poder ofre-cer productos competitivos. En este

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artculo se revisar de forma breve el proceso que se sigue en Espa para el diseo de un rodete utilizando herramientas de simulacin, as como la fabricacin de prototipos para su validacin.

2. El proceso de diseoEl equipo de diseo hidrulico

de Espa trabaja desde el ao 2002 con una suite de diseo de turbo-maquinaria comercializada por la empresa norteamericana Concepts NREC [2], que permite el diseo completo y la simulacin a diferen-tes niveles de rodetes, difusores, volutas, etc.

A grandes rasgos, el proceso que se sigue para la realizacin de un rodete, o cualquier otro componen-te hidrulico, es el siguiente: Especificacin y caractersticas del

rodete: Definicin de la curva caracte-

rstica y de la potencia y rendi-miento esperados.

Campo de aplicacin industrial. Materiales de construccin. Prediseo terico.

Diseo y simulacin mediante pro-gramario Concepts NREC: Estudio preliminar: definicin de

la meanline. Anlisis completo tridimensio-

nal. Anlisis CFD y obtencin de la

geometra definitiva. Mecanizado de la geometra y

pruebas de laboratorio.A continuacin se detalla cada

una de las etapas.

2.1. Especificacin y caractersticas del rodete

Cuando se requiere un nuevo diseo de un rodete, ya sea en fun-cin de las necesidades del merca-do, analizadas por marketing estra-tgico, o bien un rediseo de algn modelo existente, el equipo de di-seo hidrulico recibe normalmen-te unas determinadas especificacio-nes y caractersticas que el rodete debe cumplir.

Las principales son la definicin de la curva caracterstica y la poten-cia del motor adaptado a la nueva hidrulica. Con ello, y mediante un clculo del rendimiento hidrulico aproximado de la nueva bomba, se pueden especificar los inputs que el programa de simulacin necesita para iniciar el diseo.

Otras consideraciones necesarias en esta fase inicial son, por una parte, cul ser el campo de aplica-cin de la nueva bomba (tipo de aplicacin: domstica, industrial, riego, piscinas, etc.; si es para agua limpia o aguas grises, temperaturas de funcionamiento) y, por otra, cu-les sern los materiales de construc-cin del rodete (plstico, acero inoxidable, fundicin). Estas con-sideraciones son importantes por-que muchas de ellas pueden esta-blecer limitaciones al diseo (por ejemplo, los rodetes de chapa de inoxidable no pueden tener espeso-res variables de labe).

Este estudio previo constituye el primer paso del proceso de diseo y, normalmente, va tambin acom-

paado de una bsqueda del estado del arte y una evaluacin de los mo-delos similares de la competencia.

Una vez establecido, se realiza un prediseo, en el que se calculan de forma terica las dimensiones gene-rales del rodete y del cuerpo de la bomba (as como de los difusores y/o voluta en el caso que la bomba diseada tenga tales componentes). El clculo terico se realiza median-te las tcnicas clsicas descritas por Stepanoff [3] y Pfleiderer [4] as como otras fuentes ms modernas (vase Karassik [5], Japikse [6, 7] o Lobanoff [8]).

2.2. Diseo y simulacin mediante programario Concepts NREC

A partir del clculo terico, se pasa a disear el primer prototipo. Para ello, se utiliza el paquete de software de diseo de turbomqui-nas Agile Engineering Design de Concepts NREC. El proceso de di-seo consta de diferentes etapas de complejidad creciente.

2.2.1. Diseo preliminarLa primera fase es un estudio pre-

liminar (meanline design) mediante el programa Pumpal. La velocidad (rpm), caudal y presin requeridos y algunos datos geomtricos obteni-dos de los resultados del prediseo realizado anteriormente se introdu-cen como inputs. El programa dise-a la bomba mediante diferentes modelos tericos avanzados que el usuario puede elegir y manipular.

Figura 1. Resultados de Pumpal (curvas del diseo). Figura 2. Datos de rendimiento y tringulos de velocidad a la salida del rodete.



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Fundamentalmente, se trata de un diseo unidimensional en el que solo se tienen en cuenta determinados puntos de la bomba o estaciones (por ejemplo la entrada de la bomba, el inicio y fin de los labes del rodete, inicio y fin de los labes del difusor, etc.), sin considerar lo que ocurre en los puntos intermedios entre estas estaciones.

El resultado del programa per-mite analizar exhaustivamente lo que ocurre en estas estaciones. As, se conocen las velocidades, las pre-siones estticas y totales, las tem-peraturas y muchos otros parme-tros que informan de cmo se comporta el flujo de fluido en cada estacin. El programa tambin per-mite saber, de forma aproximada, cules son las prdidas de carga entre estaciones y el rendimiento de cada estacin, lo que permite atacar aquellos puntos que presen-tan rendimientos ms bajos. El re-sultado final permite visualizar las curvas caractersticas, de potencia, de rendimiento y NPSH del diseo considerado, siempre teniendo en cuenta que se trata de un diseo preliminar.

La Figura 1 muestra los resul-tados que ofrece el programa con, de izquierda a derecha y de arriba a abajo, la curva caracterstica, el rendimiento hidrulico, la curva de potencia, una vista meridional de la geometra y, en el cuadro peque-o, la curva de NPSH. En la Figu-ra 2 se aprecian otros datos que proporciona el programa, como los

ngulo de labe, su espesor, la inclinacin vertical de los labes, etc. (Figura 3). El diseo obteni-do mediante AxCent es muy pro-bable que obtenga un rendimiento superior al que se obtendra utili-zando nicamente las tcnicas clsicas de Stepanoff comentadas anteriormente. Hay una gran va-riedad de opciones disponibles para la optimizacin del diseo, que incluyen la intervencin ma-nual directa del usuario, el uso de sistemas expertos, o una combi-nacin de los dos.

El diseo se considera completo cuando se cumplen unos determina-dos criterios. Entre estos criterios, el programa evala los relacionados con el rendimiento dinmico del fluido. Esto puede hacerse utilizan-do una variedad de solvers simples pero robustos, que permiten una eva-luacin de las velocidades, presio-nes, parmetros de difusin del flu-jo entre otros. Fundamentalmente, se utilizan dos solvers muy rpidos que permiten un anlisis casi 3D del flujo: Rapid Loading: consiste en una

simulacin muy rpida (menos de un segundo) de las condiciones a la entrada y a la salida de cada elemento de la bomba y en un n-mero determinado de secciones intermedias.

MST (Multi Streamline Tube): es una simulacin rpida (usualmen-te entre 10 y 30 segundos) de l-neas de corriente de flujo a travs de la bomba (Figura 4).

tringulos de velocidad a la salida del rodete (tambin permite verlos en la entrada), y un fichero de tex-to con los resultados del clculo (en la figura solo se muestra un fragmento con los datos del rendi-miento y prdidas en cada esta-cin).

Los resultados del programa son directamente exportables a la si-guiente fase: el diseo completo tridimensional.

2.2.2. Diseo y anlisis completo tridimensional

En esta fase se utiliza el programa AxCent. Este programa permite re-finar el diseo preliminar. En el caso de un rodete, por ejemplo, permite definir con absoluta precisin la for-ma tridimensional de los labes. En general, el programa permite la des-cripcin completa de una bomba en 3D. La transicin desde el diseo preliminar hasta el diseo 3D no es brusca. En los primeros pasos del diseo, el archivo proveniente de Pumpal genera un rodete tridimen-sional completo que puede ser fabri-cado. Sin embargo, AxCent permite su optimizacin utilizando tcnicas que van ms all de las simples re-glas de clculo utilizadas en las fases anteriores.

Algunas de las opciones que permite AxCent respecto al diseo preliminar de Pumpal son la defi-nicin de los contornos de los labes mediante curvas de Bezier, la forma de los labes en la entra-da y salida, la distribucin del

Figura 3. Diseo 3D en AxCent. Figura 4. Simulacin del flujo en AxCent mediante MST.



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2.2.3. Anlisis CFD y obtencin de la geometra definitiva

El diseo avanzado de AxCent se completa con uno o varios anlisis CFD (Computational Fluid Dyna-mics), siglas que se refieren a una muy sofisticada solucin de las ecua-ciones de Navier-Stokes del flujo viscoso tridimensional, con la ob-tencin de una evaluacin detallada (elemento por elemento) del flujo presente en el rodete. Esta capacidad est incluida en el AxCent mediante el programa PushButton CFD, que puede ser activado literalmente apre-tando un solo botn del teclado (Fi-gura 5).

Para el clculo CFD, la bomba se considera una mquina que trabaja con fluidos incompresibles. La ma-lla de clculo comprende la entrada (inlet), el espacio entre dos labes (impeller blade passage) y la salida (outlet). Por razones de simetra y para acelerar el clculo, se simula nicamente el espacio entre dos la-bes (Figura 5).

No es necesaria una gran potencia de clculo. Usualmente, en un orde-nador de sobremesa, la resolucin de un rodete sencillo est entre los 30 y 45 minutos. Si se desea simular la bomba completa (rodete, difusor, canal de retorno), la resolucin pue-de alargarse hasta las 2-3 horas. Con suficiente experiencia, se puede tra-bajar sin problemas de inestabilidad numrica en el clculo y obtener una solucin fiable rpidamente.

2.3. Mecanizado de la geometra y pruebas de laboratorio

Cuando el diseo completo de la bomba ha finalizado y los resultados de las simulaciones son satisfacto-rios, se procede a la generacin de los archivos 3D de diseo para su posterior mecanizado.

Con el prototipo construido, se procede a la realizacin del ensayo correspondiente en el laboratorio. Fundamentalmente, el ensayo con-siste en comprobar que la bomba ofrezca las prestaciones para las cua-

les ha sido diseada, es decir, que sus curvas caracterstica, de potencia y de rendimiento hidrulico sean las que se haban establecido en la fase de prediseo y en las simulaciones.

Si el resultado es positivo, es de-cir, si los ensayos corroboran las predicciones de las simulaciones, el proceso de diseo acaba aqu y se puede pasar ya a la fabricacin de las denominadas preseries. En caso contrario, y en funcin de cul sea el resultado del ensayo, se puede proceder a realizar una modificacin del prototipo (por ejemplo, recortar dimetro de rodete), o si eso no es suficiente, retomar de nuevo el pro-ceso de diseo hidrulico con las modificaciones necesarias.

3. ConclusionesEl diseo de componentes de

bombas hidrulicas de rodete cen-trfugo est experimentando una evolucin importante fruto de las crecientes exigencias de la legisla-cin de la Unin Europea, de la ne-cesidad de una progresiva exigencia en la rpida introduccin en el mer-cado del nuevo producto y de lo nuevos medios tcnicos disponibles, en especial las nuevas aplicaciones en programario de simulacin o 3D. Se ha presentado en este artculo un mtodo basado en el programario de Concepts NREC denominado Pum-

paly los resultados obtenidos en el diseo y el clculo de los rodetes.

4. Bibliografa[1] http://ec.europa.eu/energy/effi-

ciency/action_plan/action_plan_en.htm. En lnea, 2011.

[2] www.conceptsnrec.com. En l-nea, 2011.

[3] Stepanoff, A.J. (1957). Centri-fugal and axial flow pumps - De-sign and application. Krieger Publishing Co., 2 ed., Malabar (Florida, Estados Unidos).

[4] Pfleiderer, C. (1960). Bombas centrfugas y turbocompreso-res. Editorial Labor, 4 ed., Bar-celona.

[5] Karassik, I. et al. (2008). Pump Handbook. McGraw-Hill, 4 ed., New York (Estados Unidos).

[6] Japikse, D.; Baines, N. (1997) Introduction to turbomachi-nery. Concepts ETI, Inc., Whi-te River Junction (Vermont, Es-tados Unidos).

[7] Japikse, D. et al. (2006). Cen-trifugal pump design and perfor-mance. Concepts NREC, White River Junction (Vermont, Esta-dos Unidos).

[8] Lobanoff, V.; Ross, R. (1992). Centrifugal pumps - Design and application. Butterworth-Heine-mann, 2 ed, Woburn (Massa-chussets, Estados Unidos).

Figura 5. Anlisis CFD mediante PushButton.


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