Application of Fluid Dynamics to the Design of the Centrifugal Pump Model BSC 80/200 (130-65)
iDIng. Isidro Antonio Martínez-BlancoIUniversidad de Granma. Facultad de Ciencias Técnicas. Dpto. de Ingeniería Mecánica, Bayamo, Granma, Cuba.
iDDr.C. Alain Ariel de la Rosa-AndinoIUniversidad de Granma. Facultad de Ciencias Técnicas. Dpto. de Ingeniería Mecánica, Bayamo, Granma, Cuba.
iDMSc. Yusimit Karina Zamora-HernandezIIUniversidad Técnica Estatal de Quevedo. Facultad de Ciencias de la Ingeniería, Quevedo, Ecuador.
iDDr.C. Idalberto Macías-SocarrásIIIUniversidad Estatal Península de Santa Elena, La Libertad, Santa Elena, Ecuador.
iDMSc. René Misael Arias-HidalgoIUniversidad de Granma. Facultad de Ciencias Técnicas. Dpto. de Ingeniería Mecánica, Bayamo, Granma, Cuba.
iDLic. Laida Figueroa-RodríguezIVUniversidad de Granma. Facultad de Humanidades. Manzanillo, Granma. Cuba.
IUniversidad de Granma. Facultad de Ciencias Técnicas. Dpto. de Ingeniería Mecánica, Bayamo, Granma, Cuba.
IIUniversidad Técnica Estatal de Quevedo. Facultad de Ciencias de la Ingeniería, Quevedo, Ecuador.
IIIUniversidad Estatal Península de Santa Elena, La Libertad, Santa Elena, Ecuador.
IVUniversidad de Granma. Facultad de Humanidades. Manzanillo, Granma. Cuba.
*Author for correspondence: Alain Ariel de la Rosa-Andino, e-mail: arosaa@udg.co.cu
ABSTRACT
The
present work was carried out with the aim of simulating the performance
of the BSC 80/200 (130-65) centrifugal pump using the CFD method, thus
obtaining the head-flow, power-flow and efficiency-flow characteristics
curves. To carry out this project, specialized bibliography was taken
into account in the parametric design of centrifugal pumps and in
analysis by finite elements applied to fluids, later the design, 3D
projection and computational simulation were carried out using ANSYS
(CFX). The results include obtaining the three-dimensional models of the
pump body and the three impellers (5 blades, 6 blades and 7 blades) and
that the correlation in all the curves is as expected, corresponding to
what is referred to in the specialized bibliography. It was concluded
that the comparison of the results obtained through the CFD simulations
taking into account the variations in the number of blades showed that
the impeller that generates the best results is the one with 7 blades,
reaching the best efficiency (90%), power (36,25 kW) for a 70% flow of
design.
Keywords:
Flow; Efficiency; Power; Impeller.
INTRODUCTION
Centrifugal pumps are flow machines that convert mechanical energy into pressure energy (Shankar et al., 2016SHANKAR,
V. K. A.; SUBRAMANIAMA, U.; SHANMUGAMB, P.; HANIGOVSZKIC, N.: "A
comprehensive review on energy efficiency enhancement initiatives in
centrifugal pumping system", Applied Energy, 181(1): 495-513, 2016.) with a considerable energy utilization which can be the 20 % of the total consumption (Weidong et al., 2017WEIDONG, C.; LINGJUN, Y.; BING, L.; YINING, Z.: "The influence of impeller eccentricity on centrifugal pump", Advances in Mechanical Engineering, 9(9): 1-17, 2017.; Lai et al., 2019LAI,
F.; ZHU, X.; LI, G.; ZHU, L.; WANG, F.: "Numerical Research on the
Energy Loss of a Single-Stage Centrifugal Pump with Different Vaned
Diffuser Outlet Diameters", Energy Procedia, 158: 5523-5528, 2019.).
In recent years, pump manufacturers have intensified their quest to
develop rapidly cost-effective and high-performance pumps with compact
and robust structures to meet the unlimited consumers´ demands for
high-end centrifugal pumps, as they offer a wide scope steady operation
in both industry and agriculture (Wang et al., 2019WANG,
W.; OSMAN, M. K.; PEI, J.; GAN, X.; YIN, T.: "Artificial Neural
Networks Approach for a Multi-Objective Cavitation Optimization Design
in a Double-Suction Centrifugal Pump", Processes, 7: 2019.).
According to Lai et al. (2019)LAI,
F.; ZHU, X.; LI, G.; ZHU, L.; WANG, F.: "Numerical Research on the
Energy Loss of a Single-Stage Centrifugal Pump with Different Vaned
Diffuser Outlet Diameters", Energy Procedia, 158: 5523-5528, 2019.,
the centrifugal pump internal flow is complex due to its
three-dimensional and unsteady feature. The impeller rotation leads to
periodic flow interference between the impeller and the vane diffuser.
This periodic flow interference produces pressure and vortexes
pulsations, which cause the main energy loss in the centrifugal pumps.
Traditionally,
the information related to rotodynamic pumps behavior has been provided
graphically, through the known characteristic curves of Load-Capacity,
Efficiency-Capacity, Power-Capacity and NPSHr-Capacity (Aranibar, 2016ARANIBAR, C., ALEXANDER, A.: Determinación predictiva de la cavitación por Parámetros Sónicos, 2016.; Iannetti et al., 2016IANNETTI,
A.; STICKLAND, M.; DEMPSTER, W.: "A CFD and experimental study on
cavitation in positive displacement pumps: Benefits and drawbacks of the
‘full’ cavitation model", Engineering Applications of Computational Fluid Mechanics, 10: 57-71, 2016.; Martínez & Riaño, 2018MARTÍNEZ, V. Y.; RIAÑO, V. F.: "Deducción analítica de las curvas características de las bombas rotodinámicas en serie ", Ingeniería Hidraúlica y Ambiental, XXXIX(1): 98-111, 2018.).
Currently,
Computational Fluid Dynamics (CFD) represents a common practice for
designing and optimizing hydraulic pumps, as it can improve the pump
design, while reducing development cost and speeding commercialization
time (Lorusso et al., 2017LORUSSO,
M.; CAPURSO, T.; TORRESI, M.; FORTUNATO, B.; FORNARELLI, F.;
CAMPOREALE, S. M.; MONTERISO, R.: "Efficient CFD evaluation of the NPSH
for centrifugal pumps", Energy Procedia, 126: 778-785, 2017.).
Computational
Fluid Dynamics (CFD) is one of the techniques used to solve
Navier-Sotokes equations, which is rapidly gaining in importance thanks
to the development of high-speed computers. The CFD method uses
numerical approaches to solve the nonlinear differential equations that
describe a fluid behavior under certain geometries and boundary
conditions. The CFD main advantage is that it is a modeling technique,
which allows engineers to evaluate a wide range of computer system
configurations performance with less time consumption (Abo Elyamin et al., 2019ABO
ELYAMIN, G. R. H.; BASSILY, M. A.; KHALIL, K. Y.; GOMAA, M. S.: "Effect
of impeller blades number on the performance of a centrifugal pump", Alexandria Engineering Journal, 58(1): 39-48, 2019.).
Many
numerical models can be found to calculate the Net Positive Suction
Head NPSHr and evaluate the pump head curves. Generally, these models
consider the complete headrace as the computational domain that shows
great predictability of the NPSHr (Lorusso et al., 2017LORUSSO,
M.; CAPURSO, T.; TORRESI, M.; FORTUNATO, B.; FORNARELLI, F.;
CAMPOREALE, S. M.; MONTERISO, R.: "Efficient CFD evaluation of the NPSH
for centrifugal pumps", Energy Procedia, 126: 778-785, 2017.).
The
foregoing shows that the CFD approach has been widely used in
centrifugal pumps as a numerical simulation tool for performance
prediction under design and off-design conditions, parametric study,
cavitation analysis, analysis of interaction effects on different
components, prediction of axial thrust, study of pump performance in
turbine mode, analysis of diffuser pump, etc. (Shah et al., 2013SHAH, S. R.; JAIN, S. V.; PATEL, R. N.; LAKHERA, V. J.: "CFD for Centrifugal Pumps: A Review of the State-of-the-Art", Procedia Engineering, 51: 715-720, 2013.).
In
Cuba, there is a group of mechanical production companies that
manufactures and repairs components to satisfy demands of important
economic branches, such as the sugar industry. The commercialization of
these pieces must compete with a dynamic market, which requires the
development of new design projects with quality, speed and low cost. The
need to adjust to current norms and standards is another factor, which
regulates, as a fundamental parameter, the external dimensions and
rotation frequencies. The power to start a pump is usually supplied by
an electric or internal combustion motor, as long as it meets the
specifications set forth by the manufacturer (Márquez, 2002MÁRQUEZ, D., J, E.: Sistema CAD para Bombas Centrífugas de una etapa y simple admisión., 80pp., Maestria, Centro de Estudios CAD/CAM, Universidad de Holguín, Oscar Lucero Moya, Holguín, 2002.).
The
Industrial Technical Services Company ZETI: "Comandante Manuel Fajardo
Rivero", located in Manzanillo City and belonging to the Business Group
AZCUBA, which has traditionally worked in the manufacture of spare parts
for the Cuban sugar industry and for export, has among its technologies
foundry and is currently in an investment process. The investment plan
includes foundry and machinery, which are the two main technologies of
the company. To achieve its objectives, it has acquired CNC
(Computational Numerical Control) machine tools with the appropriate
software, as well as a high-tech laboratory equipment to guarantee the
quality parameters of both technologies. In short, the company has
increasingly moved its traditional technologies towards what is known as
CAD / CAM technologies. Taking into account the abovementioned, the
present work was aimed at simulate the performance of the BSC 80/200
(130-65) centrifugal pump using the CFD method, thus, obtaining the
head-flow, power-flow and efficiency-flow characteristic curves.
MATERIALS AND METHODS
Operating Specifications
To
analyze the pressures at the pump outlet, the impeller-volute assembly
was studied. The geometric dimensions of each of the components
correspond to the operating specifications shown in Table 1.
TABLE 1.
Operating Specifications for Model BSC 80/200 (130-65) Single Suction Centrifugal Pump
Flow
Head
Rotation frequency
130 m3 h-1
65
3 480 min-1
The design of the parts was initially obtained through the application termed Dipropump (Figure 1)
created for the automation of the design (calculation and drawing) of
the main parts of a model of a radial centrifugal pump of one stage and
single suction, which is executed on AutoCAD.
FIGURE 1.
Main dialog of the Dipropump application for data entry.
The result was the technical documentation in two dimensions (2D) of the pump casing as well as the impeller (Figure 2).
FIGURE 2.
View of the graphical output (2D) of the volute and the impeller of the centrifugal pump.
The casing and impeller of the pump were modeled in the CAD
SolidWorks program, and the dimensions were taken directly from the
results of the execution of the above mentioned application (Figure 3).
FIGURE 3.
Views of the casing and impeller of the centrifugal pump model BSC 80/200 (130-65).
Flow Field
The
flow field depends on the type of analysis to be performed, which can
be external or internal. In this investigation, the analysis was
internal. In the Fluent-CFX calculation complement the liquid region was
used as shown in Figure 4.
FIGURE 4.
Flow field inside the centrifugal pump model BSC 80/200 (130-65).
Fluid Characteristics
The
design calculations took into account water as the fluid to be moved,
which when passing through the interior of a centrifugal pump can
experience phase changes from liquid to vapor and vice versa as a result
of temperature and pressure action. Every fluid has a saturation vapor
pressure for each temperature, water at 25 ° C has the properties shown
in table 2 and a saturation pressure of 0, 03166 bar (Mataix, 1986MATAIX, C.: Mecánica de los Fluidos y Máquinas Hidráulicas, Ed. Ediciones del Castillo, S.A, Segunda Edición ed, España, 1986.).
TABLE 2.
Properties of water at 25 0C
Phase
Molar Mass
Density
Specific heat
liquid
18,02 kg kmol-1
997 kg m3
4181,7 J kg-1 K-1
Vapor
18,02 kg kmol-1
0,02308
Considerations for CFD Analysis
Computational
Fluid Dynamics (CFD) is based on the use of numerical methods to solve
the equations that describe mass conservation, momentum and energy of a
fluid. There are several computer calculation programs for the numerical
simulation of fluids, which require powerful computers not often
available, so the calculation complement termed ANSYS CFX was used for
this analysis (Yao et al., 2016YAO,
Z. F.; YANG, Z. J.; WANG, F. J.: "Evaluation of near-wall solution
approaches for large-eddy simulations of flow in a centrifugal pump
impeller", 10: 454-467, 2016.; Domagała and Momeni, 2017DOMAGAŁA, M. D. M. P. E. P. & MOMENI, H.: "CFD simulation of cavitation over water turbine hydrofoils", Symulacje CFD Zjawiska KawitacjI Przy Opływie Profili Turbin Pływów Morskich., 9: 159-164, 2017.).
Scheme for Simulation
To generate the simulation, the analysis systems and the system components were used in the Project Schematic; Figure 5 shows the scheme to achieve the analysis inside the pump.
FIGURE 5.
Simulation Scheme for the centrifugal pump model BSC 80/200 (130-65).
Physical Definition of the Model
This
interactive procedure was a pre-processing stage used to create the
input required by the solver. The mesh files were loaded into the
physics preprocessor, CFX-pre.
Once defined the domains, the
boundary conditions simulating the different parts of the system (the
mobile part, the fixed part and the interfaces between the different
domains) were added (Figure 6).
FIGURE 6.
Zones in which the system boundary
conditions were located for the simulation of the single suction
centrifugal pump model BSC 80/200 (130-65).
RESULTS AND DISCUSSION
After
carrying out the simulations for the three impellers (5, 6 and 7
blades), it was possible to corroborate the main operating
characteristic of this type of hydraulic machine which consists in
transforming the mechanical energy (from the motor) through the speed
that the impeller communicates to the fluid (figure 7a), in hydraulic energy in the volute, translated into pressure energy at the outlet of the pump (Figure 7b).
The maximum values of fluid speed, approximately 35,2 m s-1,were
found in the edge of the impeller and in the narrowest areas of the
carcass, decreasing considerably in the discharge region. The pressures
reached the top values in the area of the discharge flange, with 14 690
Pa, results that are close to those reported by Abo Elyamin et al. (2019)ABO
ELYAMIN, G. R. H.; BASSILY, M. A.; KHALIL, K. Y.; GOMAA, M. S.: "Effect
of impeller blades number on the performance of a centrifugal pump", Alexandria Engineering Journal, 58(1): 39-48, 2019. for the same number of blades in the impeller.
FIGURE 7.
Single suction centrifugal pump model BSC 80/200 (130-65) with 5 blades. a) Speed vectors and b) Pressure boundaries.
In Figure 8,
the pressure behavior in the three variants of impellers analyzed
considering the number of blades can be observed, showing that as the
number of blades increased, the low pressure area was greater, which
favored that cavitation appeared. Chakraborty & Pandey (2011)CHAKRABORTY,
S.; PANDEY, K.: "Numerical Studies on Effects of Blade Number
Variations on Performance of Centrifugal Pumps at 4000 RPM", International Journal of Engineering and Technology, 3: 410-416, 2011.; Chakraborty et al. (2013)CHAKRABORTY,
S.; CHOUNDHURI, K.; DUTTA, P.; DEBBARMA, B.: "Performance prediction of
centrifugal pumps with variation of blade number", Journal of Scientific and Industrial Research: 373-378, 2013. and Abo Elyamin et al. (2019)ABO
ELYAMIN, G. R. H.; BASSILY, M. A.; KHALIL, K. Y.; GOMAA, M. S.: "Effect
of impeller blades number on the performance of a centrifugal pump", Alexandria Engineering Journal, 58(1): 39-48, 2019., when analyzing the effect of the number of blades on the performance of centrifugal pumps found similar results.
FIGURE 8.
Pressure distribution in the impeller. a) 5 blades. b) 6 blades and c) 7 blades.
Figure 9 shows
the impeller flow direction for the three cases under study, the speed
variation caused by the number of blades can be observed. The fluid
friction with the pump internal walls caused a decrease in the flow
speed, which caused hydraulic losses. The simulation results showed that
as the number of blades increased, the speed in the impeller inlet
region and the blade decreased, increasing loss by friction. Therefore,
the highest speed values in this region (impeller inlet and blade) were
obtained for the impeller with 5 blades (Figure 9a), the mid values for 6 blades (Figure 9b), and the lowest values for 7 blades (Figure 9c).
However, for this case (7 blades) there was the possibility that zones
of turbulence and recirculation might appear near the tongue (Figure 9c).
FIGURE 9.
Speed vectors in the centrifugal pump. a) 5 blades. b) 6 blades and c) 7 blades.
The results emerging from the simulation coincide with those reported by Abo Elyamin et al. (2019)ABO
ELYAMIN, G. R. H.; BASSILY, M. A.; KHALIL, K. Y.; GOMAA, M. S.: "Effect
of impeller blades number on the performance of a centrifugal pump", Alexandria Engineering Journal, 58(1): 39-48, 2019.,
where the highest speed values were obtained for 5 blades and the
lowest ones for 7 blades. However, for 9 blades, there was a loss
increase in the areas near the tongue. Result that corresponds with
those obtained in the present investigation for 7 blades and may have
been conditioned by the fact that the rotation frequency was higher (3
480 min-1) than the one used by Abo Elyamin et al. (2019)ABO
ELYAMIN, G. R. H.; BASSILY, M. A.; KHALIL, K. Y.; GOMAA, M. S.: "Effect
of impeller blades number on the performance of a centrifugal pump", Alexandria Engineering Journal, 58(1): 39-48, 2019. which was 2,800 min-1. Chakraborty & Pandey (2011)CHAKRABORTY,
S.; PANDEY, K.: "Numerical Studies on Effects of Blade Number
Variations on Performance of Centrifugal Pumps at 4000 RPM", International Journal of Engineering and Technology, 3: 410-416, 2011. also found this last tendency with the increase in the number of blades.
Subsequently,
the results of the head-flow, power-flow and efficiency-flow
characteristic curves were presented, for which the results of the
pressure values equivalent to a range of 0 to 100% of the flow design
were used.
As it can be seen in Figure 10, the correlation in all the curves was as expected, according to that reported in the literature (Pfeiderer, 1960PFEIDERER, C.: Bombas centrifugas y volumetricas, Ed. Lobar S. A., Madrid. España, 1960.; Church, 1987CHURCH, A. H.: Bombas y máquinas soplantes centrífugas: su teoría, cálculo, construcción y funcionamiento, 1987.; Karassik et al., 2001KARASSIK, I. J.; MESSINA, J. P.; COOPER, P.; HEALD, C. C.: Pump Handbook, Ed. McGRAW-HILL, Tercera Edición ed, 2001.) and the curve offering the highest values of discharge head was that corresponding to the 7 blades impeller.
FIGURE 10.
Summary of head - flow graph behavior for the three impellers.
As it can be seen in Figure 11,
the impeller that required the highest power value is the one with 7
blades. The increase in the mass of this impeller justified its higher
power consumption compared to the others studied.
FIGURE 11.
Summary of the power - flow graph behavior.
Figure 12
shows the efficiency-flow characteristic curves for the three impellers
analyzed. It can be said that the efficiency also showed a behavior
proportional to the number of blades, since in the 5 blades impeller
this value was over 80%, in 6 blades it was close to 90% and in 7 blades
there were already efficiencies greater than 90%.
FIGURE 12.
Summary of the efficiency - flow graph behavior for the 3 impellers.
CONCLUSIONS
It
was possible to obtain the three-dimensional models of the pump casing
and the three impellers (5, 6 and 7 blades) with the help of the
SolidWorks CAD program, from the 2D graphic information offered by the
Dipropump application, which demonstrated the efficacy of its use.
The
cases studied show the effect caused by the increase in the number of
blades in the impeller on the different regions of the pump. It was
obtained that with the increase in the number of blades the pressure
increased gradually, the losses for friction increased and the fluid
speed values decreased in the areas near the inlet of the impeller and
blade.
The comparison of the results obtained through CFD
simulations, taking into account the variations in the number of
blades, showed that the impeller generating the best results was that of
7 blades, reaching better efficiency (90%) and power (36, 25 Kw) for a
70% of the flow design.
REFERENCES
ABO
ELYAMIN, G. R. H.; BASSILY, M. A.; KHALIL, K. Y.; GOMAA, M. S.: "Effect
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NOTES
The
mention of trademarks of specific equipment, instruments or materials
is for identification purposes, there being no promotional commitment in
relation to them, neither by the authors nor by the publisher.
ARTÍCULO ORIGINAL
Aplicación de la dinámica de fluidos al diseño de la bomba centrífuga modelo BSC 80/200 (130-65)
iDIng. Isidro Antonio Martínez-BlancoIUniversidad de Granma. Facultad de Ciencias Técnicas. Dpto. de Ingeniería Mecánica, Bayamo, Granma, Cuba.
iDDr.C. Alain Ariel de la Rosa-AndinoIUniversidad de Granma. Facultad de Ciencias Técnicas. Dpto. de Ingeniería Mecánica, Bayamo, Granma, Cuba.
iDMSc. Yusimit Karina Zamora-HernandezIIUniversidad Técnica Estatal de Quevedo. Facultad de Ciencias de la Ingeniería, Quevedo, Ecuador.
iDDr.C. Idalberto Macías-SocarrásIIIUniversidad Estatal Península de Santa Elena, La Libertad, Santa Elena, Ecuador.
iDMSc. René Misael Arias-HidalgoIUniversidad de Granma. Facultad de Ciencias Técnicas. Dpto. de Ingeniería Mecánica, Bayamo, Granma, Cuba.
iDLic. Laida Figueroa-RodríguezIVUniversidad de Granma. Facultad de Humanidades. Manzanillo, Granma. Cuba.
IUniversidad de Granma. Facultad de Ciencias Técnicas. Dpto. de Ingeniería Mecánica, Bayamo, Granma, Cuba.
IIUniversidad Técnica Estatal de Quevedo. Facultad de Ciencias de la Ingeniería, Quevedo, Ecuador.
IIIUniversidad Estatal Península de Santa Elena, La Libertad, Santa Elena, Ecuador.
IVUniversidad de Granma. Facultad de Humanidades. Manzanillo, Granma. Cuba.
*Author for correspondence: Alain Ariel de la Rosa-Andino, e-mail: arosaa@udg.co.cu
RESUMEN
El
presente trabajo se efectúo con el objetivo de simular mediante el
método CFD el desempeño bomba centrífuga BSC 80/200 (130-65) obteniendo
así las curvas características altura-caudal, potencia-caudal y
eficiencia-caudal. Para la realización de este proyecto se tuvo en
cuenta bibliografía especializada en el diseño paramétrico de bombas
centrífugas y en análisis por elementos finitos aplicado a fluidos,
posteriormente se realizó el diseño, proyección en 3D y simulación
computacional por medio de ANSYS (CFX). Dentro de los resultados
destacan obtención de los modelos tridimensionales del cuerpo de la
bomba y los tres impelentes (5 álabes, 6 álabes y 7 álabes) y que la
correlación en todas las curvas es la esperada, correspondiéndose con lo
referido en la bibliografía especializada. Concluyendo que la
comparación de los resultados obtenidos mediante las simulaciones CFD
atendiendo a las variaciones del número de álabes arrojó que el
impelente que genera mejores resultados es el de 7 álabes, alcanzando la
mejor eficiencia (90%) y potencia (36,25 kW) para un 70% del caudal de
diseño.
Palabras clave:
caudal; eficiencia; potencia; impulsor.
INTRODUCCIÓN
Las bombas centrifugas son máquinas de fluidos que convierten la energía mecánica en energía de presión (Shankar et al., 2016SHANKAR,
V. K. A.; SUBRAMANIAMA, U.; SHANMUGAMB, P.; HANIGOVSZKIC, N.: "A
comprehensive review on energy efficiency enhancement initiatives in
centrifugal pumping system", Applied Energy, 181(1): 495-513, 2016.) y su consumo energético es considerable, en relación al consumo total, el cual puede llegar a ser 20% (Weidong et al., 2017WEIDONG, C.; LINGJUN, Y.; BING, L.; YINING, Z.: "The influence of impeller eccentricity on centrifugal pump", Advances in Mechanical Engineering, 9(9): 1-17, 2017.; Lai et al., 2019LAI,
F.; ZHU, X.; LI, G.; ZHU, L.; WANG, F.: "Numerical Research on the
Energy Loss of a Single-Stage Centrifugal Pump with Different Vaned
Diffuser Outlet Diameters", Energy Procedia, 158: 5523-5528, 2019.).
En los últimos años, los fabricantes de bombas han intensificado su
búsqueda para desarrollar rápidamente bombas rentables y de alto
rendimiento con estructuras compactas y robustas para satisfacer las
demandas ilimitadas de los consumidores de bombas centrífugas de alta
gama, ya que ofrecen una operación estable de amplio alcance tanto en la
industria como en la agricultura (Wang et al., 2019WANG,
W.; OSMAN, M. K.; PEI, J.; GAN, X.; YIN, T.: "Artificial Neural
Networks Approach for a Multi-Objective Cavitation Optimization Design
in a Double-Suction Centrifugal Pump", Processes, 7: 2019.).
Según Lai et al. (2019)LAI,
F.; ZHU, X.; LI, G.; ZHU, L.; WANG, F.: "Numerical Research on the
Energy Loss of a Single-Stage Centrifugal Pump with Different Vaned
Diffuser Outlet Diameters", Energy Procedia, 158: 5523-5528, 2019.
el flujo interno de la bomba centrífuga es complejo por su carácter
tridimensional e inestabilidad. La rotación del impulsor conduce a una
interferencia de flujo periódica entre el impulsor y el difusor álabes
directrices. Esta interferencia periódica del flujo induce pulsaciones
de presión y vórtices, que provocan la principal pérdida de energía en
las bombas centrífugas.
Tradicionalmente la información
relacionada con el comportamiento de las bombas rotodinámicas ha sido
brindada de forma gráfica, mediante las conocidas curvas características
de Carga-Capacidad, Eficiencia-Capacidad, Potencia-Capacidad y
NPSHr-Capacidad (Aranibar, 2016ARANIBAR, C., ALEXANDER, A.: Determinación predictiva de la cavitación por Parámetros Sónicos, 2016.; Iannetti et al., 2016IANNETTI,
A.; STICKLAND, M.; DEMPSTER, W.: "A CFD and experimental study on
cavitation in positive displacement pumps: Benefits and drawbacks of the
‘full’ cavitation model", Engineering Applications of Computational Fluid Mechanics, 10: 57-71, 2016.; Martínez & Riaño, 2018MARTÍNEZ, V. Y.; RIAÑO, V. F.: "Deducción analítica de las curvas características de las bombas rotodinámicas en serie ", Ingeniería Hidraúlica y Ambiental, XXXIX(1): 98-111, 2018.).
Actualmente,
la Dinámica de Fluidos Computacional (CFD) representa una práctica
común para diseñar y optimizar bombas hidráulicas, ya que puede mejorar
el diseño de la bomba, al tiempo que reduce el costo de desarrollo y
acelera el tiempo de comercialización (Lorusso et al., 2017LORUSSO,
M.; CAPURSO, T.; TORRESI, M.; FORTUNATO, B.; FORNARELLI, F.;
CAMPOREALE, S. M.; MONTERISO, R.: "Efficient CFD evaluation of the NPSH
for centrifugal pumps", Energy Procedia, 126: 778-785, 2017.).
La
dinámica de fluidos computacional (CFD) es una de las técnicas para dar
solucióna las ecuaciones de Navier-Sotokes, la cual ha tomado auge
producto al desarrollo de ordenadores de alta gama. El método CFD
utiliza enfoques numéricos para resolver las ecuaciones diferenciales no
lineales que describen el comportamiento de un fluido para ciertas
geometrías y condiciones de contorno. La principal ventaja de CFD es que
es una técnica de modelado que permite a los ingenieros evaluar el
rendimiento de una amplia gama de configuraciones de sistema en
computadoras con menos consumo de tiempo (Abo Elyamin et al., 2019ABO
ELYAMIN, G. R. H.; BASSILY, M. A.; KHALIL, K. Y.; GOMAA, M. S.: "Effect
of impeller blades number on the performance of a centrifugal pump", Alexandria Engineering Journal, 58(1): 39-48, 2019.).
Se
pueden encontrar varios modelos numéricos para calcular la Carga Neta
Positiva de Succión NPSHr y evaluar las curvas de caída de las bombas.
Generalmente, estos modelos consideran al corredor completo como el
dominio computacional que muestra una gran predictibilidad del NPSHr (Lorusso et al., 2017LORUSSO,
M.; CAPURSO, T.; TORRESI, M.; FORTUNATO, B.; FORNARELLI, F.;
CAMPOREALE, S. M.; MONTERISO, R.: "Efficient CFD evaluation of the NPSH
for centrifugal pumps", Energy Procedia, 126: 778-785, 2017.).
Lo
anteriormente expuesto demuestra que el enfoque CFD se ha utilizado
ampliamente en bombas centrífugas como herramienta de simulación
numérica para la predicción del rendimiento en condiciones de diseño y
fuera de diseño, estudio paramétrico, análisis de cavitación, análisis
de efectos de interacción en diferentes componentes, predicción del
empuje axial, estudio del rendimiento de la bomba en modo turbina,
análisis de la bomba difusora, etc. (Shah et al., 2013SHAH, S. R.; JAIN, S. V.; PATEL, R. N.; LAKHERA, V. J.: "CFD for Centrifugal Pumps: A Review of the State-of-the-Art", Procedia Engineering, 51: 715-720, 2013.).
En
nuestro país existe un grupo de empresas de producciones mecánicas que
fabrican y reparan piezas para satisfacer demandas de renglones
económicos importantes como es el caso de la industria azucarera. La
comercialización de estos componentes debe competir con un mercado
dinámico, lo que obliga a la elaboración de nuevos proyectos de diseño
con calidad, rapidez y bajos costos. Otro factor es la necesidad de
ajustarse a las normas y estándares vigentes; que como parámetro
fundamental regulan las dimensiones externas y las frecuencias de
rotación. La potencia para el accionamiento de una bomba se suele
suministrar comúnmente por un motor eléctrico o de combustión interna,
siempre que este cumpla con las especificaciones expuestas por el
fabricante (Márquez, 2002MÁRQUEZ, D., J, E.: Sistema CAD para Bombas Centrífugas de una etapa y simple admisión., 80pp., Maestria, Centro de Estudios CAD/CAM, Universidad de Holguín, Oscar Lucero Moya, Holguín, 2002.).
La
Empresa de Servicios Técnicos Industriales ZETI: “Comandante Manuel
Fajardo Rivero”, ubicada en la ciudad de Manzanillo y perteneciente al
Grupo Empresarial AZCUBA, la cual tradicionalmente se ha desempeñado en
la fabricación de piezas de repuesto para la industria azucarera cubana y
para la exportación, cuenta, entre sus tecnologías, la de fundición y
en la actualidad se encuentra en un proceso inversionista. El plan
inversionista incluye las dos tecnologías principales de dicha empresa
como son: fundición y maquinado. Para lograr sus objetivos han adquirido
máquinas herramienta CNC (Control Numérico Computacional) con el
software apropiado, así como un equipamiento de laboratorio de última
generación para garantizar los parámetros de calidad de ambas
tecnologías. En fin, la empresa cada vez más se ha acercado a mudar sus
tecnologías tradicionales hacia lo que se conoce como tecnologías
CAD/CAM. Teniendo en cuenta lo anteriormente expuesto se realizó el
presente trabajo que tuvo como objetivo simular mediante el método CFD
el desempeño bomba centrífuga BSC 80/200 (130-65) obteniendo así las
curvas características altura-caudal, potencia-caudal y
eficiencia-caudal.
MATERIALES Y MÉTODOS
Especificaciones de funcionamiento
Para
analizar las presiones a la salida de la bomba se estudió el conjunto
impelente-voluta. Las dimensiones geométricas de cada uno de los
componentes corresponden con las especificaciones de funcionamiento que
se muestran en la Tabla 1.
TABLA 1.
Especificaciones de funcionamiento la bomba centrífuga de simple succión modelo BSC 80/200 (130-65)
Caudal
Altura
Frecuencia de Rotación
130 m3 h-1
65 m
3 480 min-1
El diseño de las piezas inicialmente fue obtenido mediante la aplicación nombrada Diprobomba (Figura 1)
creada para la automatización del diseño (cálculo y dibujo) de las
piezas principales de un modelo de bomba centrífuga radial de una etapa y
simple succión, la cual se ejecuta sobre AutoCAD.
FIGURA 1.
Diálogo principal de la aplicación Diprobomba para la entrada de los datos.
Ofrece como resultado final la documentación técnica en dos dimensiones (2D) del cuerpo de la bomba así como del rodete (Figura 2).
FIGURA 2.
Vista de la salida gráfica (2D) de la voluta y el rodete de la bomba centrífuga.
El cuerpo y el rodete de la bomba fue modelado
posteriormente en el programa CAD SolidWorks, y las dimensiones fueron
tomadas directamente de los resultados de la ejecución de la aplicación
antes mencionada (Figura 3).
FIGURA 3.
Vistas del cuerpo y el rodete de la bomba centrífuga modelo BSC 80/200 (130-65).
Campo de flujo
El
campo de flujo depende del tipo de análisis a realizar, el cual puede
ser externo o interno. En esta investigación el análisis fue interno. En
el complemento de cálculo Fluent-CFX se trabajó con la región líquida,
tal como se muestra en la Figura 4.
FIGURA 4.
Campo de flujo del interior de la bomba centrífuga modelo BSC 80/200 (130-65).
Características del Fluido
Los
cálculos que involucran este diseño tomaron en cuenta como fluido a
trasegar el agua, la cual al pasar por el interior de una bomba
centrífuga puede experimentar cambios de fase, de líquido a vapor y
viceversa por la acción de la temperatura y la presión. Todo fluido
tiene para cada temperatura una presión de saturación de vapor, el agua a
25 0C tiene las propiedades que se muestran en la Tabla 2 y una presión de saturación de 0,03166 bar (Mataix, 1986MATAIX, C.: Mecánica de los Fluidos y Máquinas Hidráulicas, Ed. Ediciones del Castillo, S.A, Segunda Edición ed, España, 1986.).
TABLA 2.
Propiedades del agua a 25 0C
Fase
Masa Molar
Densidad
Calor especifico
líquido
18,02 kg kmol-1
997 kg m3
4181,7 J kg-1 K-1
Vapor
18,02 kg kmol-1
0,02308
Consideraciones para el análisis CFD
La
Dinámica de Fluidos Computacional (CFD) se basa en la utilización de
métodos numéricos para resolver las ecuaciones que describen la
conservación de la masa, el momento y la energía de un fluido. Existen
varios programas informáticos de cálculos para la simulación numérica de
fluidos. Estos requieren de potentes ordenadores, con los cuales muchas
veces no se cuenta, por lo que para este análisis se empleó el
complemento de cálculo nombrado ANSYS CFX (Yao et al., 2016YAO,
Z. F.; YANG, Z. J.; WANG, F. J.: "Evaluation of near-wall solution
approaches for large-eddy simulations of flow in a centrifugal pump
impeller", 10: 454-467, 2016.; Domagała y Momeni, 2017DOMAGAŁA, M. D. M. P. E. P. & MOMENI, H.: "CFD simulation of cavitation over water turbine hydrofoils", Symulacje CFD Zjawiska KawitacjI Przy Opływie Profili Turbin Pływów Morskich., 9: 159-164, 2017.).
Esquema para la simulación
Para generar la simulación se utilizaron los sistemas de análisis y los componentes del sistema en el Project Schematic, en la Figura 5 se muestra el flujo de trabajo para lograr el análisis en el interior de la bomba.
FIGURA 5.
Esquema para la simulación de la bomba centrífuga modelo BSC 80/200 (130-65).
Definición física del modelo
Este
proceso interactivo es una etapa del pre-procesado y es usada para
crear la entrada requerida por el solver. Los archivos de malla son
cargados en el preprocesador de física, CFX-pre.
Una vez definidos
los dominios, se añadieron las condiciones de contorno que simularon
las distintas partes del sistema (la parte móvil, la parte fija y las
interfaces entre los diferentes dominios) (Figura 6).
FIGURA 6.
Zonas en las que se ubicaron las
condiciones de contorno del sistema para la simulación de la bomba
centrífuga de simple succión modelo BSC 80/200 (130-65).
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Efectuadas
las simulaciones para los tres impelentes (5 álabes, 6 álabes y 7
álabes) se pudo corroborar la principal característica de funcionamiento
de este tipo de máquina hidráulica, la cual consiste en transformar la
energía mecánica (proveniente del motor) a través de la velocidad que el
rodete comunica al fluido (Figura 7a), en energía hidráulica en la voluta, traducida en energía de presión a la salida de la bomba (Figura 7b).
Los valores máximos de velocidad del fluido, aproximadamente 35,2 m s-1,
se encuentran en la periferia del rodete y en las zonas más angostas de
la carcasa, disminuyendo considerablemente en la región de descarga.
Las presiones alcanzan los máximos valores en la zona de la brida de
descarga, con 14 690 Pa resultado que se acercan a los reportados por Abo Elyamin et al. (2019)ABO
ELYAMIN, G. R. H.; BASSILY, M. A.; KHALIL, K. Y.; GOMAA, M. S.: "Effect
of impeller blades number on the performance of a centrifugal pump", Alexandria Engineering Journal, 58(1): 39-48, 2019. para igual número de álabes en el rodete.
FIGURA 7.
Bomba centrífuga de simple succión
modelo BSC 80/200 (130-65) con 5 álabes. a) Vectores de velocidades y b)
Contornos de presión.
En la Figura 8,
se puede observar el comportamiento de las presiones en las tres
variantes de rodetes analizados respecto al número de álabes,
apreciándose que en la medida que incrementa el número de álabes la zona
de baja presiones es mayor, lo que favorece a que aparezca la
cavitación. Resultados similares fueron encontrados por Chakraborty & Pandey (2011)CHAKRABORTY,
S.; PANDEY, K.: "Numerical Studies on Effects of Blade Number
Variations on Performance of Centrifugal Pumps at 4000 RPM", International Journal of Engineering and Technology, 3: 410-416, 2011.; Chakraborty et al. (2013)CHAKRABORTY,
S.; CHOUNDHURI, K.; DUTTA, P.; DEBBARMA, B.: "Performance prediction of
centrifugal pumps with variation of blade number", Journal of Scientific and Industrial Research: 373-378, 2013.; Abo Elyamin et al. (2019)ABO
ELYAMIN, G. R. H.; BASSILY, M. A.; KHALIL, K. Y.; GOMAA, M. S.: "Effect
of impeller blades number on the performance of a centrifugal pump", Alexandria Engineering Journal, 58(1): 39-48, 2019., al analizar el efecto del número de álabes en el desempeño de bombas centrífugas.
FIGURA 8.
Distribución de presión en el rodete. a) 5 álabes. b) 6 álabes y c) 7 álabes.
La Figura 9
muestra la dirección del flujo del impelente para los tres casos en
estudio, observándose el efecto que provoca la variación del número de
álabes en la velocidad. La fricción del fluido con las paredes
interiores de la bomba provoca una disminución de la velocidad del
flujo, causando pérdidas hidráulicas. Los resultados de la simulación
muestran que en la medida que aumenta el número de álabes la velocidad
en la región de entrada de rodete y el álabe disminuyen, aumentando las
perdidas por fricción. Por lo que los mayores valores de velocidad en
esta región (entrada del rodete y álabe) se obtienen para un número de
álabes en el rodete igual a 5 (figura 9a), los valores medios para 6 álabes (Figura 9b) y los menores valores para un número de álabes en el rodete igual a 7 (Figura 9c).
Sin embargo, para este caso (7 álabes) existe la posibilidad de que
aparezcan zonas de turbulencia y recirculación cerca de la lengüeta (Figura 9c).
FIGURA 9.
Vectores de velocidad en la bomba centrífuga. a) 5 álabes. b) 6 álabes y c) 7 álabes.
Los resultados emanados de la simulación coinciden con los reportados por Abo Elyamin et al. (2019)ABO
ELYAMIN, G. R. H.; BASSILY, M. A.; KHALIL, K. Y.; GOMAA, M. S.: "Effect
of impeller blades number on the performance of a centrifugal pump", Alexandria Engineering Journal, 58(1): 39-48, 2019.,
donde los mayores valores de velocidad los obtuvieron para un número de
álabes en el rodete igual a 5 y los menores valores de velocidad para 7
álabes. Sin embargo, para 9 álabes, se apreció un aumento en las
pérdidas en las zonas cercanas la lengüeta. Resultado que coincide con
los obtenidos en la presente investigación para 7 álabes y puede estar
condicionado a que la frecuencia de rotación es superior (3 480 min-1) a la empleada por Abo Elyamin et al. (2019)ABO
ELYAMIN, G. R. H.; BASSILY, M. A.; KHALIL, K. Y.; GOMAA, M. S.: "Effect
of impeller blades number on the performance of a centrifugal pump", Alexandria Engineering Journal, 58(1): 39-48, 2019. qué fue de 2 800 min-1. Esta última tendencia también fue encontrada por Chakraborty & Pandey (2011)CHAKRABORTY,
S.; PANDEY, K.: "Numerical Studies on Effects of Blade Number
Variations on Performance of Centrifugal Pumps at 4000 RPM", International Journal of Engineering and Technology, 3: 410-416, 2011. con el aumento del número de álabes.
Posteriormente
se presentan los resultados de las curvas características
altura-caudal, potencia-caudal y eficiencia-caudal, para los cual se
utilizaron los resultados de los valores de presión correspondientes a
un intervalo de 0 a 100 % del caudal de diseño.
Como se puede apreciar en la Figura 10, la correlación en todas las curvas es la esperada, según la reportada en la bibliografía especializada (Pfeiderer, 1960PFEIDERER, C.: Bombas centrifugas y volumetricas, Ed. Lobar S. A., Madrid. España, 1960.; Church, 1987CHURCH, A. H.: Bombas y máquinas soplantes centrífugas: su teoría, cálculo, construcción y funcionamiento, 1987.; Karassik et al., 2001KARASSIK, I. J.; MESSINA, J. P.; COOPER, P.; HEALD, C. C.: Pump Handbook, Ed. McGRAW-HILL, Tercera Edición ed, 2001.) y la curva que ofrece mayores valores de altura de impulsión es la correspondiente al impelente de 7 álabes.
FIGURA 10.
Resumen del comportamiento de la gráfica altura-caudal para los tres impelentes.
Como se puede apreciar en la Figura 11,
el rodete que requiere de mayor valor de potencia es el rodete de 7
álabes. El incremento de la masa del impelente de 7 álabes justifica su
mayor consumo de potencia con especto a los otros impelentes estudiados.
FIGURA 11.
Resumen del comportamiento de la gráfica potencia - caudal.
En la Figura 12
se muestran las curvas características de eficiencia-caudal para los
tres rodetes analizados. Se puede decir que la eficiencia tambien
muestra un comportamiento proporcional al número de álabes, ya que en el
impulsor de 5 álabes este valor esta sobre 80%, en 6 álabes cerca del
90% y en 7 álabes ya se encuentra eficiencias superiores al 90%.
FIGURA 12.
Resumen del comportamiento de la gráfica eficiencia - caudal para los 3 impelente.
CONCLUSIONES
Se
logró obtener los modelos tridimensionales del cuerpo de la bomba y los
tres impelentes (5 álabes, 6 álabes y 7 álabes) con ayuda del programa
CAD SolidWorks, a partir de la información gráfica en 2D ofrecida por la
aplicación Diprobomba, lo cual demostró la eficacia de su utilización.
Los
casos estudiados mostraron el efecto que provoca el incremento del
número de álabes en el rodete sobre las diferentes regiones de la bomba,
obteniéndose que con el incremento del número de álabes la presión
aumenta gradualmente, aumentan las pérdidas por fricción y los valores
de velocidad del fluido van decreciendo en las zonas cercanas a la
entrada del rodete y álabe.
La comparación de los
resultados obtenidos mediante las simulaciones CFD atendiendo a las
variaciones del número de álabes arrojó que el impelente que genera
mejores resultados es el 7 álabes, alcanzando la mejor eficiencia (90%) y
potencia (36,25 kW) para un 70% del caudal de diseño.