Clase 7 Fuerzas en Bombas Centrífugas

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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
0C
t

(1) (2) (3) (4) (5) (6)
ij
DC C
C C p g
Dt t
 
   
Dh Dp
T
Dt Dt
 
p
r 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 10
Maillage 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
Característica
CFX-
BladeGEN+
CFX-10
Dominio
1 pasaje o canal de 
álabe
(Condición de 
periodicidad)
1 pasaje o canal de 
álabe
(Condición de 
periodicidad)
Malla
No-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 
Resolución
Second ordre Second ordre
Residuo Medio 
(RSM)
10-4 10-4
Estudio de la bomba Completa
Rotor-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 90 135 180 225 270 315 360
3.2 10
5
3.4 10
5
3.6 10
5
3.8 10
5
4 10
5
4.2 10
5
4.4 10
5
4.6 10
5
4.8 10
5
5 10
5
5.2 10
5
p
 [
P
a]
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]
F
y
[N
]
100 0 100 200 300
400
300
200
100
0
400
Fy
300100 Fx
0
8
16
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 10
31200 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 10
31200 Fx_10 Fx_1 Fx_3 moyenne Fx_10( ) moyenne Fx_1( ) moyenne Fx_3( )
Fx [N]
F
y
[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 captores
Cp5
Cp4
Cp3
Cp2
Cp1
Banco de ensayos …
Fluctuaciones de presión sobre el rotor 
qv/qn=1,0
0 50 100 150 200 250 300 350 400
0.4
0.2
0
0.2
0.4
0.6
Cp1
0 50 100 150 200 250 300 350 400
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
Cp2
p
/p
o
0 50 100 150 200 250 300 350 400
2.5
3
3.5
4
4.5
Expérimentale
Simulation
4.043
2.514
P_exp_Cp5
1.5
0.01
Pdes_Cp5
360.7190 P_exp_C5
0
Tour
Cp5
0 50 100 150 200 250 300 350 400
0.5
1
1.5
2
2.5
Cp3
0 50 100 150 200 250 300 350 400
1
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 50 100 150 200 250 300 350 400
3.9
4
4.1
4.2
4.3
4.4
4.5
Cp6
0 50 100 150 200 250 300 350 400
4.2
4.25
4.3
4.35
4.4
4.45
4.5
4.55
Cp7
p
/p
o
0 50 100 150 200 250 300 350 400
2.5
3
3.5
4
4.5
Expérimentale
Simulation
4.043
2.514
P_exp_Cp5
1.5
0.01
Pdes_Cp5
360.7190 P_exp_C5
0
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