Noticias

Proyecto de optimización de bomba centrífuga de agua

En este proyecto se aborda el diseño optimizado de una bomba centrífuga para que opere en un determinado rango de operación, evaluando distintas modificaciones de manera que se maximice el rendimiento del equipo.

El nuevo diseño parte de una bomba centrífuga ya operativa, cuyas características son las siguientes:

Rango de trabajo nominal: caudal de 13-17 kg/s, altura de 53-57 m.
Eficiencia media en rango de trabajo nominal: 0.72 %.
Potencia consumida en rango de trabajo nominal: 9.5-11.5 kW
Velocidad angular: 1798 rpm
Fluido de operación: agua a temperatura ambiente.

Para facilitar las tareas de bombeo en la instalación donde el equipo está situado, se requiere una nueva bomba que maneje el mismo caudal, pero sea capaz de proporcionar mayor altura:

Nuevo rango de trabajo nominal: caudal de 13-17 kg/s, altura de 60-63 m
Nueva eficiencia media en rango de trabajo nominal: máxima posible en base a los estudios realizados.
Nueva potencia consumida en rango de trabajo nominal: mínima posible en base a los estudios realizados.

Para realizar los estudios CFD, en primer lugar, se construye un modelo 3D paramétrico que permita evaluar de manera exhaustiva el máximo número de modificaciones geométricas posibles. Crear un modelo paramétrico posibilita modificar cualquier dimensión de manera inmediata, sin tener que volver a diseñar todo.

Cómo se observa en la imagen anterior, las características parametrizadas son las siguientes:

Diámetro total del rotor.
Diámetro total de succión.
Diámetro total de impulsión.
Radio de voluta superior
Radio de voluta inferior
Longitud horizontal del álabe.
Longitud tubería de salida.
Anchura de salida del rotor.
Anchura total del rotor.
Anchura del álabe.
Número de alabes.

De entre todas las posibles modificaciones, en este proyecto únicamente se tienen en cuenta el número de alabes y su anchura. Por supuesto, sería posible evaluar cualquiera de las otras modificaciones, pero debido a las restricciones impuestas en este trabajo, no se realiza.

A la hora de modificar el número de álabes, el principal objetivo es conseguir que la bomba sea capaz de impulsar el agua hasta la nueva altura, por lo que es lógico pensar que habrá que aumentar dicho número. Se estudia en este caso su aumento desde 7 hasta 12, siendo el número original de 6.

Como se puede observar en la imagen anterior, hay que aumentar el número de álabes hasta 9 si se desea llegar hasta la altura requerida con cierto margen de seguridad. A partir de aquí, aumentar el número no consigue apenas proporcionar más altura, por lo que el estudio hasta 12 se puede considerar suficiente.

Una vez asegurado que se cumple el criterio de operación de altura, hay que analizar que número de álabes proporcionaría el mayor rendimiento. Se observa claramente como el uso de 9 de estos elementos consigue obtener mayores valores de rendimiento en el nuevo rango de opración del equipo. Este resultado concuerda bastante bien con lo esperado, ya que si a partir de 9 la bomba apenas conseguía proporcionar mayor altuya (en definitiva, la potencia hidráulica transmitida es aproximadamente constante) pero el motor tiene que mover mas elementos, la potencia requerida aumentará y el rendimiento disminuirá. Queda por tanto definido como 9 el número de álabes del nuevo diseño.

Una vez determinado este número, queda por analizar la segunda variante de este proyecto, la anchura de los álabes. Se estudian dos posibles modificaciones del doble y triple de anchura, partiendo ahora del nuevo modelo de 9 álabes.

Los resultados muestran que ninguna de estas modificaciones consigue aumentar el rendimiento, por lo que se concluye que la anchura original es la adecuada.

Se muestran finalmente las características del nuevo diseño: