Estabilidad de sistemas hidráulicos con bombas centrífugas y gas atrapado en circuito

Abstract

Se presenta un estudio teórico y experimental acerca del fenómeno de inestabilidad en circuitos hidráulicos conocido como oscilaciones de bombeo, que se caracteriza por continuas fluctuaciones a lo largo del tiempo tanto del caudal impulsado por una bomba como de su altura de elevación. Se trata de un modo de operación inaceptable dada la enorme carga dinámica que supone para la propia bomba y para el conjunto de la instalación. Esta inestabilidad se puede desarrollar cuando la bomba tiene una curva característica de altura-caudal con pendiente positiva en algún tramo y cuando el circuito cuenta con algún elemento capaz de actuar como acumulador transitorio de energía mecánica. La presente investigación ha tenido como propósito general el estudio del fenómeno cuando el papel de acumulador energético lo juega una bolsa de aire atrapado. Como caso de estudio se consideró una bomba centrífuga convencional, de oído de aspiración y voluta simples, montada en un banco de pruebas de laboratorio. Esta bomba operaba en un circuito con descarga cerrada (es decir, el caudal neto era nulo) y con una bolsa de aire atrapado de volumen inicial variable. En cada ensayo se recogieron las señales procedentes de varios transductores de presión en distintas posiciones del circuito. Los ensayos demostraron, en efecto, el desarrollo de la inestabilidad hasta llegar a oscilaciones de ciclo límite con valores de amplitud y frecuencia de fluctuación dependientes de la cantidad de aire atrapado. Por otro lado se abordó el modelizado teórico del fenómeno, proponiéndose dos modelos para flujo unidimensional no estacionario en ambos casos, pero con distinto grado de complejidad: un modelo de columna rígida (es decir, de flujo incompresible) y un modelo de flujo compresible, basado en el llamado método de las características. En ambos casos se elaboraron algoritmos de resolución iterativa para su incorporación en sendos programas de cálculo. Especialmente para el caso del modelo de flujo compresible, también se contemplaron otros aspectos destacables del flujo, como la disolución y dispersión del gas en la conducción o el efecto del flujo no estacionario sobre la fricción viscosa en el circuito, en este último caso mediante la inclusión de los principales modelos actuales de fricción no estacionaria. Aunque con ambos modelos de simulación se obtuvieron resultados de comportamiento inestable, el acuerdo entre predicciones y datos experimentales ha sido especialmente satisfactorio para el caso del modelo de flujo compresible. Se concluye, pues, que esta metodología de cálculo empleada puede considerarse validada y adecuada para el estudio de sistemas hidráulicos que operen en modo inestable.