Fenómenos hidrodinámicos periódicos en una bomba centrífuga de baja velocidad específica (2018)
Dada la posibilidad que tienen las turbomáquinas reversibles para trabajar como motoras y generadoras de energía, resulta de importancia conocer fenómenos hidrodinámicos que afectan su desempeño ante diferentes condiciones de operación -- Se entiende el desempeño de la turbomáquina como todo aquello que puede afectar la transformación de energía, y la condición de operación como el caudal y la velocidad de rotación asociados a esa transformación de energía -- Los fenómenos hidráulicos que afectan el desempeño de una turbomáquina son numerosos y muy complejos. Uno de ellos es el Rotating Stall, que ha sido ampliamente estudiando en compresores y relativamente poco en turbomáquinas hidráulicas -- La presencia de este fenómeno en determinadas condiciones de operación disminuye el desempeño y genera ruidos y vibraciones que pueden afectar la integridad de las turbomáquinas -- Por lo anterior, se definió como objetivo principal de la investigación la identificación y caracterización del RS en una bomba centrífuga de baja velocidad específica (Ns=35.7 o nQE=0.11), tomando como referencia su curva característica de cuatro cuadrantes -- Este trabajo se inscribe dentro de la investigación experimental y su alcance está delimitado por la recolección de evidencias que permitan sugerir la existencia del RS, su localización y desplazamiento en la turbomáquina objeto de estudio -- El diseño experimental consistió en controlar las variables caudal y velocidad de rotación y observar la respuesta de la turbomáquina a través de las variables presión, aceleración y energía específica -- La presión y aceleración fueron medidas en la voluta y la energía específica fue estimada tomando como base la ecuación de Bernoullli -- Para el cálculo de esta ecuación se hicieron mediciones de presión y altura en las zonas de alta y baja presión de la turbomáquina -- El componente de velocidad promedio fue estimado a partir del caudal en el sistema hidráulico -- Todas las variables consideradas en el experimento, excepto la aceleración, se representaron adimensionalmente por medio de los factores de velocidad y caudal y por medio de los coeficientes de fluctuación de presión, energía y caudal, de acuerdo con las definiciones de la norma IEC 60193 [8] -- La respuesta de la turbomáquina en la voluta fue analizada en el dominio del tiempo y de la frecuencia, a través de componentes espectrales que fueron, posteriormente, objeto de un análisis de fase utilizando dos métodos diferentes, el de la correlación cruzada y el de las fases de Fourier -- Este último método fue desarrollado y propuesto en este estudio como alternativa al método de la correlación cruzada -- En esta investigación se encontraron tres zonas de la curva característica donde se sugiere la existencia de RS -- La primera se localiza entre los modos de operación bomba y bomba-freno, la segunda entre los modos de operación turbina y turbina-freno, y la tercera dentro del modo de operación turbina-freno -- En esta última zona la evidencia sugiere la coexistencia en algunos puntos de operación de Rotating Stall y surge -- El valor de la investigación radica en el análisis de todos los posibles modos de operación de una turbomáquina reversible y la identificación de las zonas donde se puede presentar el fenómeno hidrodinámico de interés, lo cual puede ser de utilidad en el estudio de las bombas como turbinas (PAT, por su denominación en inglés) -- Lo anterior haciendo uso de una instrumentación relativamente sencilla y un equipo de adquisición de datos -- Implicaciones prácticas de la investigación están relacionadas con el ahorro de tiempo y recursos computacionales al usar un método para el cálculo del número de onda que no necesita del filtrado de señales de presión