Estructuras de flujo y fluctuaciones fluidodinámicas en bombas centrífugas por interacción Rotor-Estator

Abstract

Esta tesis trata sobre las estructuras del flujo y fluctuaciones de presión debidas a la interacción rotor-estator en bombas centrífugas con voluta. La magnitud de las fluctuaciones de presión depende de la geometría interna de la bomba, de su punto de operación y de la respuesta acústica del sistema hidráulico. Para investigar los fenómenos del flujo mediante PIV (velocimetría por imágenes de partículas) se construyó una bomba transparente 2D con álabes curvados hacia atrás. Se investigó el flujo en el plano medio perpendicular al eje de la bomba mediante el uso de partículas fluorescentes. Se han obtenido los campos de velocidad promediados en fase en la zona de la lengüeta y otras variables fluido- dinámicas para tres caudales, distintas ampliaciones y diferentes posiciones del álabe. Las medidas PIV incluyen PIV estéreo que permitió obtener las tres componentes de la velocidad en el plano de medida. La distribución espacial de las componentes espectrales a la frecuencia de paso de álabe (BPF) y sus armónicos muestran que al 40 % del caudal nominal y al caudal nominal (QN) el contenido espectral más alto se concentra en BPF. Para 150 % QN el segundo armónico es dominante en la zona estrecha de la voluta próxima a la lengüeta. La interacción entre rodete y lengüeta está muy influenciada por intensas capas de vorticidad que se desprenden desde los canales del rodete, especialmente desde los bordes de salida de los álabes. La producción de turbulencia se concentra en las zonas de estela de los bordes de ataque y de salida de los álabes y de la punta de la lengüeta. Para 40 % QN la producción de energía cinética turbulenta (TKE) es máximo en la zona de la lengüeta antes de que la cara de presión del álabe llegue a la punta de la misma, en concordancia con el desarrollo de la vorticidad en la estela de la lengüeta. Para 150 % QN la producción de TKE alcanza su máximo detrás del borde de salida del álabe, cuando este se alinea con la punta de la lengüeta. Se estudió el efecto del acoplamiento acústico de una bomba con su circuito hidráulico utilizando dos bancos de laboratorio: un banco con una bomba industrial de álabes con doble curvatura, y el banco con la bomba transparente que se utilizó para las medidas PIV. Se medió la presión fluctuante en la voluta y en el circuito para cuantificar experimentalmente la influencia de las características acústicas del circuito en las fluctuaciones de presión. Se utilizó un modelo de dos puertos, que incluía un análisis matricial de transferencia, para describir el comportamiento acústico y predecir frecuencias de resonancia. La impedancia acústica se modificó mediante la variación de la velocidad de rotación de la bomba y mediante la apertura de una rama lateral ciega. A una determinada frecuencia de resonancia la amplitud de las fluctuaciones de presión se redujo hasta en un 36 % mediante la activación de dicha rama, sin haber modificado la velocidad de la bomba. Mediante estos modelos se puede predecir la reducción de las fluctuaciones de presión directamente en la bomba y en el circuito.