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A R T Í C U L O S T É C N I C O S 331/JULIO-AGOSTO/2011 TECNOLOGÍADELAGUA 54 El diseño de componentes de turbo- máquinas y, en especial, de bombas hidráulicas de rodete centrífugo está experimentando una evolución importante, fruto de las nuevas aplicaciones en programas de simulación o 3D y de la necesidad de realizar la rápida intro- ducción en el mercado del nuevo producto. Se presenta en este artículo un método basado en programario Con- cepts NREC y resultados en diseño y cálculo de rodetes. Palabras clave: Bombas centrífugas, diseño, impulsor, simulación, dinámica de fluidos com- puterizada. Resumen Design process of centrifugal pumps The design of turbomachinery com- ponents, particularly for centrifugal pumps have experienced an impor- tant improvement since the new software applications like simulation or 3D applications have appeared. The need to reduce time-to-market on new products also has contributed to this improvements. In this work a method based on Concepts NREC sofware is introduced, as well as results in centrifugal impeller design and calculation. Keywords: Centrifugal pumps, design, impeller, simulation, computational fluid dyna- mics. Abstract Procesodediseñodebombas centrífugas Por: Marc Pelegrí, ingeniero industrial1 ; Marc Font, ingeniero industrial1 ; Jaume Palol, director de proyectos estratégicos2 1 Bombas Espa Centro de Competencia en Investigación y Desarrollo Parc Científic i Tecnològic de la Universitat de Girona C/ Pic de Peguera, 15 (La Creueta) - 17003 Girona 2 Bombas Espa Área de Planificación Estratégica Ctra. Mieres, s/n - 17820 Banyoles (Girona) 1. Introducción n los últimos 20 años, los procesos de diseño y posterior fabricación de todo tipo de bienes han sufrido cambios sig- nificativo. Por una parte, los ciclos de fabricación de productos deben ser cada vez más cortos, es decir, desde la concepción de la idea hasta el producto final comercializado el lapso de tiempo es cada vez me- nor. Por otra parte, los requerimien- tos de calidad actuales son muy superiores a los de hace unas déca- das. Además, en estos últimos años la legislación europea ha comenza- do a tener en cuenta criterios que hace poco tiempo eran secundarios, como la sostenibilidad, la huella de carbono, el reciclaje de los productos, etc. La Comisión Europea, en su Energy Efficiency Plan 2011 [1], pretende conseguir una reducción de energía primaria del 20% para el año 2020. Para llegar a este objeti- vo, una de las acciones es establecer unos mínimos de eficiencia energé- E tica para todos los equipos que con- sumen energía de forma intensiva, propiciando un etiquetaje similar al que actualmente tienen los electro- domésticos, e incluso eliminando del mercado los bienes con eficien- cias por debajo de determinados umbrales. A estos factores se une el hecho de que las herramientas de simulación han experimentado estos últimos años un crecimiento en prestaciones impensable hace poco, en paralelo al crecimiento de la capacidad y rapidez de los ordenado- res, y al relativo bajo precio del hardware. La consecuencia principal de todo esto ha sido que, en múltiples aplicaciones industriales, la simulación de procesos ha pasado de ser la ex- cepción a ser indispensable para ofrecer productos adaptados a las exigencias del mercado actual. Así mismo, la fabricación de turboma- quinaria, y en concreto de bombas hidráulicas, necesita actualmente de estas herramientas para poder ofrecer productos competitivos. En este _TA331_AT_ProcesoOK.indd 54 06/09/11 12:57
A R T Í C U L O S T É C N I C O S 331/JULIO-AGOSTO/2011 TECNOLOGÍADELAGUA 55 artículo se revisará de forma breve el proceso que se sigue en Espa para el diseño de un rodete utilizando herramientas de simulación, así como la fabricación de prototipos para su validación. 2. El proceso de diseño El equipo de diseño hidráulico de Espa trabaja desde el año 2002 con una suite de diseño de turbo- maquinaria comercializada por la empresa norteamericana Concepts NREC [2], que permite el diseño completo y la simulación a diferentes niveles de rodetes, difusores, volutas, etc. A grandes rasgos, el proceso que se sigue para la realización de un rodete, o cualquier otro componen- te hidráulico, es el siguiente: – Especificación y características del rodete: • Definición de la curva caracte- rística y de la potencia y rendimiento esperados. • Campo de aplicación industrial. • Materiales de construcción. • Prediseño teórico. – Diseño y simulación mediante programario Concepts NREC: • Estudio preliminar: definición de la meanline. • Análisis completo tridimensional. • Análisis CFD y obtención de la geometría definitiva. – Mecanizado de la geometría y pruebas de laboratorio. A continuación se detalla cada una de las etapas. 2.1. Especificación y características del rodete Cuando se requiere un nuevo diseño de un rodete, ya sea en fun- ción de las necesidades del mercado, analizadas por marketing estra- tégico, o bien un rediseño de algún modelo existente, el equipo de di- seño hidráulico recibe normalmente unas determinadas especificacio- nes y características que el rodete debe cumplir. Las principales son la definición de la curva característica y la potencia del motor adaptado a la nueva hidráulica. Con ello, y mediante un cálculo del rendimiento hidráulico aproximado de la nueva bomba, se pueden especificar los inputs que el programa de simulación necesita para iniciar el diseño. Otras consideraciones necesarias en esta fase inicial son, por una parte, cuál será el campo de aplica- ción de la nueva bomba (tipo de aplicación: doméstica, industrial, riego, piscinas, etc.; si es para agua limpia o aguas grises, temperaturas de funcionamiento) y, por otra, cuá- les serán los materiales de construc- ción del rodete (plástico, acero inoxidable, fundición). Estas consideraciones son importantes por- que muchas de ellas pueden establecer limitaciones al diseño (por ejemplo, los rodetes de chapa de inoxidable no pueden tener espeso- res variables de álabe). Este estudio previo constituye el primer paso del proceso de diseño y, normalmente, va también acom- pañado de una búsqueda del estado del arte y una evaluación de los modelos similares de la competencia. Una vez establecido, se realiza un prediseño, en el que se calculan de forma teórica las dimensiones gene- rales del rodete y del cuerpo de la bomba (así como de los difusores y/o voluta en el caso que la bomba diseñada tenga tales componentes). El cálculo teórico se realiza mediante las técnicas clásicas descritas por Stepanoff [3] y Pfleiderer [4] así como otras fuentes más modernas (véase Karassik [5], Japikse [6, 7] o Lobanoff [8]). 2.2. Diseño y simulación mediante programario Concepts NREC A partir del cálculo teórico, se pasa a diseñar el primer prototipo. Para ello, se utiliza el paquete de software de diseño de turbomáqui- nas Agile Engineering Design de Concepts NREC. El proceso de di- seño consta de diferentes etapas de complejidad creciente. 2.2.1. Diseño preliminar La primera fase es un estudio preliminar (meanline design) mediante el programa Pumpal. La velocidad (rpm), caudal y presión requeridos y algunos datos geométricos obtenidos de los resultados del prediseño realizado anteriormente se introdu- cen como inputs. El programa dise- ña la bomba mediante diferentes modelos teóricos avanzados que el usuario puede elegir y manipular. Figura 1. Resultados de Pumpal (curvas del diseño). Figura 2. Datos de rendimiento y triángulos de velocidad a la salida del rodete. _TA331_AT_ProcesoOK.indd 55 06/09/11 12:57
A R T Í C U L O S T É C N I C O S 331/JULIO-AGOSTO/2011 TECNOLOGÍADELAGUA 56 Fundamentalmente, se trata de un diseño unidimensional en el que solo se tienen en cuenta determinados puntos de la bomba o estaciones (por ejemplo la entrada de la bomba, el inicio y fin de los álabes del rodete, inicio y fin de los álabes del difusor, etc.), sin considerar lo que ocurre en los puntos intermedios entre estas estaciones. El resultado del programa permite analizar exhaustivamente lo que ocurre en estas estaciones. Así, se conocen las velocidades, las pre- siones estáticas y totales, las temperaturas y muchos otros paráme- tros que informan de cómo se comporta el flujo de fluido en cada estación. El programa también permite saber, de forma aproximada, cuáles son las pérdidas de carga entre estaciones y el rendimiento de cada estación, lo que permite atacar aquellos puntos que presen- tan rendimientos más bajos. El resultado final permite visualizar las curvas características, de potencia, de rendimiento y NPSH del diseño considerado, siempre teniendo en cuenta que se trata de un diseño preliminar. La Figura 1 muestra los resultados que ofrece el programa con, de izquierda a derecha y de arriba a abajo, la curva característica, el rendimiento hidráulico, la curva de potencia, una vista meridional de la geometría y, en el cuadro peque- ño, la curva de NPSH. En la Figu- ra 2 se aprecian otros datos que proporciona el programa, como los ángulo de álabe, su espesor, la inclinación vertical de los álabes, etc. (Figura 3). El diseño obteni- do mediante AxCent es muy pro- bable que obtenga un rendimiento superior al que se obtendría utilizando únicamente las técnicas clásicas de Stepanoff comentadas anteriormente. Hay una gran variedad de opciones disponibles para la optimización del diseño, que incluyen la intervención ma- nual directa del usuario, el uso de sistemas expertos, o una combi- nación de los dos. El diseño se considera completo cuando se cumplen unos determinados criterios. Entre estos criterios, el programa evalúa los relacionados con el rendimiento dinámico del fluido. Esto puede hacerse utilizando una variedad de solvers simples pero robustos, que permiten una eva- luación de las velocidades, presio- nes, parámetros de difusión del flujo entre otros. Fundamentalmente, se utilizan dos solvers muy rápidos que permiten un análisis casi 3D del flujo: – Rapid Loading: consiste en una simulación muy rápida (menos de un segundo) de las condiciones a la entrada y a la salida de cada elemento de la bomba y en un nú- mero determinado de secciones intermedias. – MST (Multi Streamline Tube): es una simulación rápida (usualmente entre 10 y 30 segundos) de lí- neas de corriente de flujo a través de la bomba (Figura 4). triángulos de velocidad a la salida del rodete (también permite verlos en la entrada), y un fichero de tex- to con los resultados del cálculo (en la figura solo se muestra un fragmento con los datos del rendimiento y pérdidas en cada esta- ción). Los resultados del programa son directamente exportables a la siguiente fase: el diseño completo tridimensional. 2.2.2. Diseño y análisis completo tridimensional En esta fase se utiliza el programa AxCent. Este programa permite re- finar el diseño preliminar. En el caso de un rodete, por ejemplo, permite definir con absoluta precisión la forma tridimensional de los álabes. En general, el programa permite la des- cripción completa de una bomba en 3D. La transición desde el diseño preliminar hasta el diseño 3D no es brusca. En los primeros pasos del diseño, el archivo proveniente de Pumpal genera un rodete tridimensional completo que puede ser fabri- cado. Sin embargo, AxCent permite su optimización utilizando técnicas que van más allá de las simples re- glas de cálculo utilizadas en las fases anteriores. Algunas de las opciones que permite AxCent respecto al diseño preliminar de Pumpal son la defi- nición de los contornos de los álabes mediante curvas de Bezier, la forma de los álabes en la entrada y salida, la distribución del Figura 3. Diseño 3D en AxCent. Figura 4. Simulación del flujo en AxCent mediante MST. _TA331_AT_ProcesoOK.indd 56 06/09/11 12:57
A R T Í C U L O S T É C N I C O S 331/JULIO-AGOSTO/2011 TECNOLOGÍADELAGUA 57 2.2.3. Análisis CFD y obtención de la geometría definitiva El diseño avanzado de AxCent se completa con uno o varios análisis CFD (Computational Fluid Dyna- mics), siglas que se refieren a una muy sofisticada solución de las ecua- ciones de Navier-Stokes del flujo viscoso tridimensional, con la ob- tención de una evaluación detallada (elemento por elemento) del flujo presente en el rodete. Esta capacidad está incluida en el AxCent mediante el programa PushButton CFD, que puede ser activado literalmente apre- tando un solo botón del teclado (Fi- gura 5). Para el cálculo CFD, la bomba se considera una máquina que trabaja con fluidos incompresibles. La ma- lla de cálculo comprende la entrada (inlet), el espacio entre dos álabes (impeller blade passage) y la salida (outlet). Por razones de simetría y para acelerar el cálculo, se simula únicamente el espacio entre dos ála- bes (Figura 5). No es necesaria una gran potencia de cálculo. Usualmente, en un orde- nador de sobremesa, la resolución de un rodete sencillo está entre los 30 y 45 minutos. Si se desea simular la bomba completa (rodete, difusor, canal de retorno), la resolución puede alargarse hasta las 2-3 horas. Con suficiente experiencia, se puede tra- bajar sin problemas de inestabilidad numérica en el cálculo y obtener una solución fiable rápidamente. 2.3. Mecanizado de la geometría y pruebas de laboratorio Cuando el diseño completo de la bomba ha finalizado y los resultados de las simulaciones son satisfacto- rios, se procede a la generación de los archivos 3D de diseño para su posterior mecanizado. Con el prototipo construido, se procede a la realización del ensayo correspondiente en el laboratorio. Fundamentalmente, el ensayo consiste en comprobar que la bomba ofrezca las prestaciones para las cua- les ha sido diseñada, es decir, que sus curvas característica, de potencia y de rendimiento hidráulico sean las que se habían establecido en la fase de prediseño y en las simulaciones. Si el resultado es positivo, es decir, si los ensayos corroboran las predicciones de las simulaciones, el proceso de diseño acaba aquí y se puede pasar ya a la fabricación de las denominadas preseries. En caso contrario, y en función de cuál sea el resultado del ensayo, se puede proceder a realizar una modificación del prototipo (por ejemplo, recortar diámetro de rodete), o si eso no es suficiente, retomar de nuevo el proceso de diseño hidráulico con las modificaciones necesarias. 3. Conclusiones El diseño de componentes de bombas hidráulicas de rodete cen- trífugo está experimentando una evolución importante fruto de las crecientes exigencias de la legisla- ción de la Unión Europea, de la necesidad de una progresiva exigencia en la rápida introducción en el mercado del nuevo producto y de lo nuevos medios técnicos disponibles, en especial las nuevas aplicaciones en programario de simulación o 3D. Se ha presentado en este artículo un método basado en el programario de Concepts NREC denominado Pum- paly los resultados obtenidos en el diseño y el cálculo de los rodetes. 4. Bibliografía [1] http://ec.europa.eu/energy/efficiency/action_plan/action_plan_ en.htm. En línea, 2011. [2] www.conceptsnrec.com. En lí- nea, 2011. [3] Stepanoff, A.J. (1957). ‘Centri- fugal and axial flow pumps - De- sign and application’. Krieger Publishing Co., 2ª ed., Malabar (Florida, Estados Unidos). [4] Pfleiderer, C. (1960). ‘Bombas centrífugas y turbocompreso- res’. Editorial Labor, 4ª ed., Bar- celona. [5] Karassik, I. et al. (2008). ‘Pump Handbook’. McGraw-Hill, 4ª ed., New York (Estados Unidos). [6] Japikse, D.; Baines, N. (1997) ‘Introduction to turbomachinery’. Concepts ETI, Inc., Whi- te River Junction (Vermont, Es- tados Unidos). [7] Japikse, D. et al. (2006). ‘Cen- trifugal pump design and perfor- mance’. Concepts NREC, White River Junction (Vermont, Esta- dos Unidos). [8] Lobanoff, V.; Ross, R. (1992). ‘Centrifugal pumps - Design and application’. Butterworth-Heine- mann, 2ª ed, Woburn (Massa- chussets, Estados Unidos). Figura 5. Análisis CFD mediante PushButton. _TA331_AT_ProcesoOK.indd 57 06/09/11 12:57

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