Proceso de diseño de bombas centrífugas

ARTÍCULOS
Resumen
El diseño de componentes de turbomáquinas y, en especial, de bombas
hidráulicas de rodete centrífugo está
experimentando una evolución importante, fruto de las nuevas aplicaciones
en programas de simulación o 3D y de
la necesidad de realizar la rápida introducción en el mercado del nuevo producto. Se presenta en este artículo un
método basado en programario Concepts NREC y resultados en diseño y
cálculo de rodetes.
Palabras clave:
Bombas centrífugas, diseño, impulsor,
simulación, dinámica de fluidos computerizada.
331 / JULIO-AGOSTO / 2011
Abstract
Design process of centrifugal pumps
The design of turbomachinery components, particularly for centrifugal
pumps have experienced an important improvement since the new software 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 centrifugal impeller design and calculation.
Keywords:
Centrifugal pumps, design, impeller,
simulation, computational fluid dynamics.
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TÉCNICOS
Proceso de diseño de bombas
centrífugas
Por: Marc Pelegrí, ingeniero industrial1; Marc Font, ingeniero industrial1;
Jaume Palol, director de proyectos estratégicos2
1
Bombas Espa
Centro de Competencia en Investigación y Desarrollo
Parc Científic i Tecnològic de la Universitat de Girona
C/ Pic de Peguera, 15 (La Creueta) - 17003 Girona
2
Bombas Espa
Área de Planificación Estratégica
Ctra. Mieres, s/n - 17820 Banyoles (Girona)
E
1. Introducción
n los últimos 20 años, los
procesos de diseño y posterior fabricación de todo tipo
de bienes han sufrido cambios significativo. Por una parte, los ciclos
de fabricación de productos deben
ser cada vez más cortos, es decir,
desde la concepción de la idea hasta el producto final comercializado
el lapso de tiempo es cada vez menor. Por otra parte, los requerimientos de calidad actuales son muy
superiores a los de hace unas décadas. Además, en estos últimos años
la legislación europea ha comenzado a tener en cuenta criterios que
hace poco tiempo eran secundarios,
como la sostenibilidad, la huella de
carbono, el reciclaje de los productos, etc.
La Comisión Europea, en su
Energy Efficiency Plan 2011 [1],
pretende conseguir una reducción
de energía primaria del 20% para el
año 2020. Para llegar a este objetivo, una de las acciones es establecer
unos mínimos de eficiencia energé-
tica para todos los equipos que consumen energía de forma intensiva,
propiciando un etiquetaje similar al
que actualmente tienen los electrodomésticos, e incluso eliminando
del mercado los bienes con eficiencias por debajo de determinados
umbrales. A estos factores se une el
hecho de que las herramientas de
simulación han experimentado estos
últimos años un crecimiento en
prestaciones impensable hace poco,
en paralelo al crecimiento de la capacidad y rapidez de los ordenadores, y al relativo bajo precio del
hardware.
La consecuencia principal de todo
esto ha sido que, en múltiples aplicaciones industriales, la simulación
de procesos ha pasado de ser la excepción a ser indispensable para
ofrecer productos adaptados a las
exigencias del mercado actual. Así
mismo, la fabricación de turbomaquinaria, y en concreto de bombas
hidráulicas, necesita actualmente de
estas herramientas para poder ofrecer productos competitivos. En este
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artículo se revisará de forma breve
el proceso que se sigue en Espa para
el diseño de un rodete utilizando
herramientas de simulación, así
como la fabricación de prototipos
para su validación.
2.1. Especificación
y características del rodete
Cuando se requiere un nuevo
diseño de un rodete, ya sea en función de las necesidades del mercado, analizadas por marketing estratégico, o bien un rediseño de algún
modelo existente, el equipo de diseño hidráulico recibe normalmente unas determinadas especificaciones y características que el rodete
debe cumplir.
Las principales son la definición
de la curva característica y la potencia del motor adaptado a la nueva
hidráulica. Con ello, y mediante un
cálculo del rendimiento hidráulico
aproximado de la nueva bomba, se
pueden especificar los inputs que el
programa de simulación necesita
para iniciar el diseño.
Otras consideraciones necesarias
en esta fase inicial son, por una
parte, cuál será el campo de aplicación de la nueva bomba (tipo de
aplicación: doméstica, industrial,
riego, piscinas, etc.; si es para agua
limpia o aguas grises, temperaturas
de funcionamiento) y, por otra, cuáles serán los materiales de construcción del rodete (plástico, acero
inoxidable, fundición). Estas consideraciones son importantes porque muchas de ellas pueden establecer limitaciones al diseño (por
ejemplo, los rodetes de chapa de
inoxidable no pueden tener espesores variables de álabe).
Este estudio previo constituye el
primer paso del proceso de diseño
y, normalmente, va también acom-
pañado de una búsqueda del estado
del arte y una evaluación de los modelos similares de la competencia.
Una vez establecido, se realiza un
prediseño, en el que se calculan de
forma teórica las dimensiones generales del rodete y del cuerpo de la
bomba (así como de los difusores
y/o voluta en el caso que la bomba
diseñada tenga tales componentes).
El cálculo teórico se realiza mediante las técnicas clásicas descritas por
Stepanoff [3] y Pfleiderer [4] así
como otras fuentes más modernas
(véase Karassik [5], Japikse [6, 7] o
Lobanoff [8]).
2.2. Diseño y simulación
mediante programario
Concepts NREC
A partir del cálculo teórico, se
pasa a diseñar el primer prototipo.
Para ello, se utiliza el paquete de
software de diseño de turbomáquinas Agile Engineering Design de
Concepts NREC. El proceso de diseño consta de diferentes etapas de
complejidad creciente.
2.2.1. Diseño preliminar
La primera fase es un estudio preliminar (meanline design) mediante
el programa Pumpal. La velocidad
(rpm), caudal y presión requeridos
y algunos datos geométricos obtenidos de los resultados del prediseño
realizado anteriormente se introducen como inputs. El programa diseña la bomba mediante diferentes
modelos teóricos avanzados que el
usuario puede elegir y manipular.
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2. El proceso de diseño
El equipo de diseño hidráulico
de Espa trabaja desde el año 2002
con una suite de diseño de turbomaquinaria comercializada por la
empresa norteamericana Concepts
NREC [2], que permite el diseño
completo y la simulación a diferentes niveles de rodetes, difusores,
volutas, etc.
A grandes rasgos, el proceso que
se sigue para la realización de un
rodete, o cualquier otro componente hidráulico, es el siguiente:
– Especificación y características del
rodete:
• Definición de la curva característica y de la potencia y rendimiento esperados.
• Campo de aplicación industrial.
• Materiales de construcción.
• Prediseño teórico.
– Diseño y simulación mediante programario Concepts NREC:
• Estudio preliminar: definición de
la meanline.
• Análisis completo tridimensional.
• Análisis CFD y obtención de la
geometría definitiva.
– M ecanizado de la geometría y
pruebas de laboratorio.
A continuación se detalla cada
una de las etapas.
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Figura 1. Resultados de Pumpal (curvas del diseño).
Figura 2. Datos de rendimiento y triángulos de velocidad a la salida del rodete.
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triángulos de velocidad a la salida
del rodete (también permite verlos
en la entrada), y un fichero de texto con los resultados del cálculo
(en la figura solo se muestra un
fragmento con los datos del rendimiento y pérdidas en cada estación).
Los resultados del programa son
directamente exportables a la siguiente fase: el diseño completo
tridimensional.
2.2.2. Diseño y análisis
completo tridimensional
En esta fase se utiliza el programa
AxCent. Este programa permite refinar el diseño preliminar. En el caso
de un rodete, por ejemplo, permite
definir con absoluta precisión la forma tridimensional de los álabes. En
general, el programa permite la descripción completa de una bomba en
3D. La transición desde el diseño
preliminar hasta el diseño 3D no es
brusca. En los primeros pasos del
diseño, el archivo proveniente de
Pumpal genera un rodete tridimensional completo que puede ser fabricado. Sin embargo, AxCent permite
su optimización utilizando técnicas
que van más allá de las simples reglas de cálculo utilizadas en las fases
anteriores.
Algunas de las opciones que
permite AxCent respecto al diseño
preliminar de Pumpal son la definición de los contornos de los
álabes mediante curvas de Bezier,
la forma de los álabes en la entrada y salida, la distribución del
ángulo de álabe, su espesor, la
inclinación vertical de los álabes,
etc. (Figura 3). El diseño obtenido mediante AxCent es muy probable que obtenga un rendimiento
superior al que se obtendría utilizando únicamente las técnicas
clásicas de Stepanoff comentadas
anteriormente. Hay una gran variedad de opciones disponibles
para la optimización del diseño,
que incluyen la intervención manual directa del usuario, el uso de
sistemas expertos, o una combinación de los dos.
El diseño se considera completo
cuando se cumplen unos determinados criterios. Entre estos criterios,
el programa evalúa los relacionados
con el rendimiento dinámico del
fluido. Esto puede hacerse utilizando una variedad de solvers simples
pero robustos, que permiten una evaluación de las velocidades, presiones, parámetros de difusión del flujo entre otros. Fundamentalmente,
se utilizan dos solvers muy rápidos
que permiten un análisis casi 3D del
flujo:
– Rapid Loading: consiste en una
simulación muy rápida (menos de
un segundo) de las condiciones a
la entrada y a la salida de cada
elemento de la bomba y en un número determinado de secciones
intermedias.
– MST (Multi Streamline Tube): es
una simulación rápida (usualmente entre 10 y 30 segundos) de líneas de corriente de flujo a través
de la bomba (Figura 4).
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Fundamentalmente, se trata de un
diseño 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 álabes del rodete,
inicio y fin de los álabes del difusor,
etc.), sin considerar lo que ocurre en
los puntos intermedios entre estas
estaciones.
El resultado del programa permite analizar exhaustivamente lo
que ocurre en estas estaciones. Así,
se conocen las velocidades, las presiones estáticas y totales, las temperaturas y muchos otros parámetros que informan de cómo se
comporta el flujo de fluido en cada
estación. El programa también permite saber, de forma aproximada,
cuáles son las pérdidas de carga
entre estaciones y el rendimiento
de cada estación, lo que permite
atacar aquellos puntos que presentan rendimientos más bajos. El resultado final permite visualizar las
curvas características, de potencia,
de rendimiento y NPSH del diseño
considerado, siempre teniendo en
cuenta que se trata de un diseño
preliminar.
La Figura 1 muestra los resultados que ofrece el programa con,
de izquierda a derecha y de arriba
a abajo, la curva característica, el
rendimiento hidráulico, la curva de
potencia, una vista meridional de
la geometría y, en el cuadro pequeño, la curva de NPSH. En la Figura 2 se aprecian otros datos que
proporciona el programa, como los
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Figura 3. Diseño 3D en AxCent.
Figura 4. Simulación del flujo en AxCent mediante MST.
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2.3. Mecanizado
de la geometría y pruebas
de laboratorio
Cuando el diseño completo de la
bomba ha finalizado y los resultados
de las simulaciones son satisfactorios, se procede a la generación de
los archivos 3D de diseño para su
posterior mecanizado.
Con el prototipo construido, se
procede a la realización del ensayo
correspondiente en el laboratorio.
Fundamentalmente, el ensayo consiste en comprobar que la bomba
ofrezca las prestaciones para las cua-
Figura 5. Análisis CFD mediante PushButton.
les ha sido diseñada, es decir, que
sus curvas característica, de potencia
y de rendimiento hidráulico sean las
que se habían establecido en la fase
de prediseño y en las simulaciones.
Si el resultado es positivo, es decir, si los ensayos corroboran las
predicciones de las simulaciones, el
proceso de diseño acaba aquí y se
puede pasar ya a la fabricación de
las denominadas preseries. En caso
contrario, y en función de cuál sea
el resultado del ensayo, se puede
proceder a realizar una modificación
del prototipo (por ejemplo, recortar
diámetro de rodete), o si eso no es
suficiente, retomar de nuevo el proceso de diseño hidráulico con las
modificaciones necesarias.
3. Conclusiones
El diseño de componentes de
bombas hidráulicas de rodete centrífugo está experimentando una
evolución importante fruto de las
crecientes exigencias de la legislación de la Unión Europea, de la necesidad de una progresiva exigencia
en la rápida introducción en el mercado del nuevo producto y de lo
nuevos medios técnicos disponibles,
en especial las nuevas aplicaciones
en programario de simulación o 3D.
Se ha presentado en este artículo un
método basado en el programario de
Concepts NREC denominado Pum-
paly los resultados obtenidos en el
diseño y el cálculo de los rodetes.
4. Bibliografía
[1] http://ec.europa.eu/energy/efficiency/action_plan/action_plan_
en.htm. En línea, 2011.
[2] www.conceptsnrec.com. En línea, 2011.
[3] Stepanoff, A.J. (1957). ‘Centrifugal and axial flow pumps - Design and application’. Krieger
Publishing Co., 2ª ed., Malabar
(Florida, Estados Unidos).
[4] Pfleiderer, C. (1960). ‘Bombas
centrífugas y turbocompresores’. Editorial Labor, 4ª ed., Barcelona.
[5] Karassik, I. et al. (2008). ‘Pump
Handbook’. McGraw-Hill, 4ª
ed., New York (Estados Unidos).
[6] Japikse, D.; Baines, N. (1997)
‘Introduction to turbomachinery’. Concepts ETI, Inc., White River Junction (Vermont, Estados Unidos).
[7] Japikse, D. et al. (2006). ‘Centrifugal pump design and performance’. Concepts NREC, White
River Junction (Vermont, Estados Unidos).
[8] Lobanoff, V.; Ross, R. (1992).
‘Centrifugal pumps - Design and
application’. Butterworth-Heinemann, 2ª ed, Woburn (Massachussets, Estados Unidos).
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2.2.3. Análisis CFD y
obtención de la geometría
definitiva
El diseño avanzado de AxCent se
completa con uno o varios análisis
CFD (Computational Fluid Dynamics), siglas que se refieren a una
muy sofisticada solución de las ecuaciones de Navier-Stokes del flujo
viscoso tridimensional, con la obtención de una evaluación detallada
(elemento por elemento) del flujo
presente en el rodete. Esta capacidad
está incluida en el AxCent mediante
el programa PushButton CFD, que
puede ser activado literalmente apretando un solo botón del teclado (Figura 5).
Para el cálculo CFD, la bomba se
considera una máquina que trabaja
con fluidos incompresibles. La malla de cálculo comprende la entrada
(inlet), el espacio entre dos álabes
(impeller blade passage) y la salida
(outlet). Por razones de simetría y
para acelerar el cálculo, se simula
únicamente el espacio entre dos álabes (Figura 5).
No es necesaria una gran potencia
de cálculo. Usualmente, en un ordenador de sobremesa, la resolución
de un rodete sencillo está entre los
30 y 45 minutos. Si se desea simular
la bomba completa (rodete, difusor,
canal de retorno), la resolución puede alargarse hasta las 2-3 horas. Con
suficiente experiencia, se puede trabajar sin problemas de inestabilidad
numérica en el cálculo y obtener una
solución fiable rápidamente.
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