Una alternativa económica para pequeños aprovechamientos hidroeléctricos es utilizar bombas como turbinas. Las bombas se producen en serie y están disponible para un amplio rango de alturas y caudales (las turbinas son diseñadas para cada sitio). Ensayos experimentales han mostrado que las bombas operando en reverso pueden sustituir a las turbinas, con alta eficiencia en pequeñas potencia. En general, los fabricantes brindan curvas de performance para el modo bomba y no así para el modo turbina. El trabajo presenta la caracterización funcional, inferidas en forma experimental, de una bomba centrífuga utilizada como turbina.- Se midieron parámetros hidráulicos y mecánicos de manera analógica y digital para determinar rendimientos energéticos para el funcionamiento en el modo turbina. Se muestra, además, características de la máquina para varias velocidades de rotación, y se comparan caudales y alturas a fin de observar la influencia de la rotación en la eficiencia y las características en carga constante.

1. USO DE BOMBAS CENTRIFUGAS STANDARS COMO TURBINAS
HIDRAULICAS (BUTUs)
Orlando Aníbal AUDISIO1
.
Laboratorio de Máquinas Hidráulicas (LA.M.HI.) – Departamento de Mecánica Aplicada
Facultad de Ingeniería – Universidad Nacional del Comahue (UNCo)
Calle Buenos Aires 1400 – (Q8300BSX) Neuquén Capital – Patagonia Argentina
Tel. 0299-4490300 Int. 404 ; Fax 0299-44490329 - E-Mail: orlando.audisio@fain.uncoma.edu.ar
RESUMEN
Una alternativa económica para pequeños aprovechamientos hidroeléctricos es utilizar bombas como
turbinas. Las bombas se producen en serie y están disponible para un amplio rango de alturas y
caudales (las turbinas son diseñadas para cada sitio). Ensayos experimentales han mostrado que las
bombas operando en reverso pueden sustituir a las turbinas, con alta eficiencia en pequeñas potencia.
En general, los fabricantes brindan curvas de performance para el modo bomba y no así para el modo
turbina.
El trabajo presenta la caracterización funcional, inferidas en forma experimental, de una bomba
centrífuga utilizada como turbina.- Se midieron parámetros hidráulicos y mecánicos de manera
analógica y digital para determinar rendimientos energéticos para el funcionamiento en el modo
turbina. Se muestra, además, características de la máquina para varias velocidades de rotación, y se
comparan caudales y alturas a fin de observar la influencia de la rotación en la eficiencia y las
características en carga constante.
Palabras clave: energía hidráulica, tecnología, Bombas como Turbinas, Energías Renovables;
Pequeñas fuentes de energías.
1 Integrante PI 04/I 076 - UNCo
Tema 6 - Energía eólica, geotermia, biomasa y otras
energías no convencionales.

2. INTRODUCCIÓN
Debido al agotamiento de los recursos naturales y los problemas ambientales globales, hay una
necesidad de desarrollar fuentes de energía renovables con el mínimo impacto ambiental. Una de las
técnicas más madura para la generación de energía renovable es hidroeléctrica.
Un gran número de pequeños proyectos hidroeléctricos han aplicado esta tecnología lo que hace que
hoy en día la misma tenga un grado de madurez bastante interesante; pero esto aún no ha podido ser
llevado a casos de centrales hidroeléctrica de gran escala, principalmente, porque los beneficios que
tienen las economías de escala, no siempre resultan viables en cuanto se ponderan aspectos
tecnológicos, económicos, políticos y/o ambientales. Por consiguiente, el interés en la generación de
energía eléctrica hidráulica a pequeña escala es cada vez mayor.
Sin embargo, los costos de construcción de pequeñas centrales hidroeléctricas equipadas con turbinas
hidráulicas son relativamente altos en comparación con la cantidad de energías generada. La alta
inversión inicial y los altos costos constructivos limitan la posibilidad de su aplicación; aspectos estos
que de poder reducirse implicaría para la pequeña escala, ser generalizada, especialmente en regiones
rurales aisladas de nuestro país, y el mundo.
En este contexto, para la generación de energía en baja y muy baja potencia (menos de 100 kW), la
posibilidad de utilizar bombas operando como turbinas (BUTUs), resultaría relevante porque, a pesar
de que hay una reducción en la eficiencia, hay una reducción significativa en el costo de capital de la
planta del orden del 10% y en ciertas circunstancias puede llegar hasta un 50%.
La operación en forma reversa de una bomba centrifuga ha sido investigada anteriormente por
Kittredge [2], Knapp [3], y Stepanoff [4] pero la tecnología para su uso en la generación de energía
eléctrica no estaba disponible en ese momento. Sin embargo, los avances en las tecnologías de control
de máquinas eléctricas, que permiten la regulación de tensión y frecuencia (par y sentido de giro) con
velocidad variable, han llevado a la posibilidad de utilizar las bombas en modo reverso para la
generación de energía. A diferencia de una turbina convencional, una turbina desarrollada a partir de la
operación reverso de una bomba implica el no tener álabes de guía; por lo tanto, las características de
descarga variables son ligeramente diferentes a, por ejemplo, la turbina de Francis. Sin embargo, una
BUTUs tiene ventajas tales como calidad uniforme, construcción simple y robustez y durabilidad. Una
bomba operando en reverso como turbina presenta casi la misma eficiencia que la bomba, lo que hace
que estos equipos puedan competir con otro tipo turbinas. Otro aspecto relevante es el escaso número
de piezas, lo que permite un fácil mantenimiento.
La mayoría de los estudios realizados se basan en la hipótesis de la similitud entre las eficiencias
máximas de trabajo en ambos modos, que no es fácil de mantener, y otros estudios se basaron en las
relaciones algebraicas en función de la eficiencia, que por cierto también representa un parámetro de
similitud o que está involucrado en ellas. Todos ellos se han alcanzado teniendo en cuenta las
velocidades de rotación iguales en ambos modos de trabajo.
El presente trabajo tiene por objeto el mostrar las características de una bomba centrífuga trabajando
en modo reverso; es decir trabajando en modo turbina. Además, mostrar la viabilidad de utilizar las
bombas en modo turbina en pequeñas centrales hidroeléctricas, y regular su potencia por medio de las
variaciones en la velocidad de giro del conjunto turbina-generador-. Para llevar a cabo esto se ha
adecuado y caracterizado instalaciones hidráulicas de un laboratorio. La bomba a ensayada
(nSB=36,87) es operada a través de una freno dinamométrico a corrientes parasitas (efecto Foucault).

3. 2. INSTALACIÓN EXPERIMENTAL
El rendimiento de la bomba, que operan ya sea en el modo normal o reverso, fue probado en un banco
de ensayo el cual responde a las normas ISO 3555: 1977 [1]; sus instalaciones se muestra en la Foto
Nº 01:
Foto Nº 01: Vista Banco de Ensayo para Pequeñas Turbinas Hidráulicas (LA.M.HI.)
El circuito de tipo “Abierto” y se compone de una cisterna con 5,5 m3
de capacidad, a la que dos las
bombas centrifugas Marca IRUMA. En su conjunto las bombas principal, válvulas, tuberías y otro
auxiliares apropiados permite que el agua sea bombeada desde y devuelto a un depósito. El caudal es
regulado por medio de un conjunto de válvulas tipo globo situadas aguas arriba de las dos bombas
principales que cuenta el banco de ensayos.- El caudal se midió con un medidor de flujo
electromagnético EUROMAG MC-608.
Las bombas principales son las que suministra el caudal y la presión requerida por la turbomáquina
que se está ensayando (bomba como una turbina). El sistema en su conjunto es capaz de suministrar
120 m3
/h (sistema paralelo) y una altura neta máxima (sistema serie) de 60 m.-
La bomba utilizada para esta investigación tuvo aspiración axial individual y carcasa de voluta espiral
(Figura Nº 01).
Figura Nº 01 Detalle de la Bomba utilizada como Turbina

4. Estaba equipado con un impulsor de 136 mm de diámetro exterior con 6 palas curvadas hacia atrás con
perfil logarítmico. Otras dimensiones del impulsor son; diámetro neto de entrada = 60 mm, ancho neto
de descarga,b2 = 13 mm [Ver Tabla Nº 01].
Tabla 1: Resumen dimensiones geométricas rotor de BUTUs
La velocidad de rotación de la BUTUs se la midió haciendo uso de un tacómetro digital y el torque
mediante un freno dinamométrico a corrientes parasitas y con una celda de carga como transductor de
esfuerzos. Las curvas de performance se obtuvieron para una energía específica hidráulica de entrada
constante y equivalente a 25 m.d.c.a..- Con este parámetro fijado, se procedió a relevar todas las
variables, hidráulicas y mecánicas, en juego para distintos caudales turbinados.-
RESULTADOS EXPERIMENTALES
Curvas de funcionamiento a Energía Hidráulica Especifica constante.-
El trabajo consistió en la caracterización experimental de la bomba operando en modo turbina.
Siguiendo procedimientos normalizados se obtuvieron curvas de performance en el modo turbina,
correspondientes a un rango de velocidad de rotación que va desde 800 a 2900 RPM. La Figura 2
muestra el coeficiente de altura y el coeficiente de potencia en función del coeficiente de flujo, para el
rango de velocidades mencionado y el modo turbina. Los Coeficientes y los rendimientos se definen
como sigue:
 Coeficiente de potencia:
𝐾 𝑁 =
𝑁
( 𝜔3.𝐷2
5
.𝜌)
(1)
 Coeficiente de Altura:
𝐾 𝐻 =
𝑔.𝐻
( 𝜔.𝐷2)2
(2)
 Coeficiente de Caudal o Flujo
𝐾 𝑄 =
𝑄
( 𝜔.𝐷2
3)
(3)
 Eficiencia de la Bomba y la Turbina:
𝜂 𝐵 =
𝜌.𝑔.𝐻.𝑄
𝑇.𝜔
(4)
𝜂 𝑇 =
𝑇.𝜔
𝜌.𝑔.𝐻.𝑄
(5)
Bomba IRUMA Monoblock Modelo 60/5
Impulsor:
Diametro exterior 136 m m
Diametro Interior 7 0 m m
Diametro Neto Interior 60 m m
Ancho Salida 20 m m
Ancho Neto Salida 13 m m
Numero de Alabes 6
Velocidad de Rotacion 2890 RPM

5. Figura Nº 02 Curvas Adimensionales de Performance de Bomba utilizada como Turbina
KNT = 10,513.KQ
2
+ 0,013. KQ - 0,0019 R² = 0,9967 (6)
KHT =756,16.KQ
2
– 15,599. KQ + 0,2107 R² = 0,9982 (7)
La caracterización en el modo bomba [Ver Figura Nº 03]se desarrolló a partir de los datos del fabricante lo
cual nos permitió inferir las curvas del coeficiente de altura y el coeficiente de potencia en función del
coeficiente de flujo, y para la velocidad nominal de trabajo que es de 2850 RPM.-
Figura Nº 03 Curva Adimensional de la Bomba Centrifuga
KNB = 0,5715.KQ
2
+ 0,0533. KQ + 0,0018 R² = 0,9873 (8)
KHB = -2460,7. KQ + 32,228. KQ + 0,5129 R² = 0,9981 (9)
El mejor punto de eficiencia de la bomba como turbina corresponde a un coeficiente de flujo de 0.011.
Por otro lado, en el modo de turbina, la altura neta de funcionamiento resulto ser mayor que para el
modo bombas.
0,0000
0,0005
0,0010
0,0015
0,0020
0,0025
0,0030
0,0035
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,005 0,010 0,015 0,020
Coef.Altura[KH]
Coef. Caudal [KQ]
Bomba Centrifuga Coef.Potencia[KN]
KH B
KN B

6. En cuanto a la variación de potencia en el eje y rendimiento global, con respecto a la velocidad de
rotación de la bomba operando como turbina, en la Figura Nº 04 se puede ver el comportamiento
experimental que tiene el equipo en cuestión.-
Figura Nº 04 Curvas de Rendimiento y Potencias de la BUTUs
NkW = -6x10-07
.n2
+ 0,0025.n - 0,6396 ; con n:[RPM] R² = 0,9565 (10)
ηGlobal = -1x10-07
n2
+ 0,0006.n - 0,0799 ; con n:[RPM] R² = 0,8983 (11)
Considerar que las curvas de la Figura Nº 02 para la bomba trabajando en modo turbina, no pasan por
el origen; esto nos está indicando que la máquina, para bajos caudales, presenta un área de trabajo
invertida que nos indica que la máquina para bajos caudales presenta un consumo de energía, o
potencias, y disipación de altura especifica.
El punto de intersección de las curvas de la Figura Nº 02 con el eje de abscisas nos muestra la
condición de embalamiento, y este punto estaría para un coeficiente de flujo próximo a 0,010
De acuerdo a lo expuesto y a lo desarrollado en [5], podemos inferir que existe una correlación entre
parámetros de un mismo tipo en ambos modo de operación; lo que también podemos afirmar que esta
correlación no está explicada ni por el rendimiento ni por la velocidad específica en ningún modo de
operación. Este último aspecto es razonable que así sea dado que el rendimiento es un parámetro muy
relevante en la identificación de la velocidad específica de la máquina, sea cual sea su modo de
operación.
Esto hace que no resulte factible utilizar estos parámetros como variable de correlación para inferir un
comportamiento en un modo, en base al comportamiento en otro modo; se trata, del punto de vista
operativo, de máquinas totalmente distintas, con escurrimientos fluidodinámico distintos; este último
aspecto es confirmado cuando determinamos el trabajo específico intercambiado en el rodete para el
modo turbina [6].-
Por lo desarrollado y resultados obtenidos se puede inferir que la hipótesis básica propuesta de la no
existencia de una correlación explicada con parámetros de semejanza o similitud hidráulica es
razonable que así sea. Además, y dentro de este contexto, consideramos que sería más apropiado
pensar en tratar de explicar el comportamiento en el modo turbina, abordando metodologías de similar
característica a las aplicadas en turbinas hidráulicas.
0,20
0,30
0,40
0,50
0,60
0,70
0,80
0,90
1,00
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
1,8
2,0
500 1000 1500 2000 2500 3000
h[--]
P[kW]
n [RPM]
Bomba utilizada como Turbina (BUTUs)
Altura
Ensayo:
25 m

7. Dentro de esta propuesta, consideramos que sería importante comenzar analizando la ecuación
fundamental de las turbomáquinas y, mas concretamente, el trabajo específico de la turbinas, el cual
esta explicado, entre otras variables, por parámetros geométricos, constructivos y operacionales del
rotor, tal como se lo muestra en los puntos siguientes.
4. CONCLUSIONES
En este trabajo se ha descrito el comportamiento de una bomba centrífuga en el modo de turbina a
partir de un ensayo experimental realizado a energía neta específica constante y equivalente a 25
m.c.a. y con velocidad de rotación variable.
Lo que se trata de buscar es una metodología que permita inferir el comportamiento de la bomba en el
modo turbina de manera confiable y de aplicación universal. Sin embargo, y con el fin de predecir las
características de turbina con más precisión, esto requiere de un importante número de datos de tipo
experimental y posteriormente efectuar un procesamiento de los mismos con herramientas de la
estadística. Otra herramienta muy relevante para desarrollar estas predicciones son las técnicas de
Mecánica de Fluidos Computacional (CFD), pero este es un tema a ser abordado en un tiempo no muy
lejano a fin de comparar y convalidad códigos computacionales.
A los resultados obtenidos, se hace necesario acoplarlos a similares metodologías desarrolladas para
otro tipo y/o modelos de bombas a fin de poder mejorar las técnicas de predicción.-
Una de las barreras a que nos encontramos en estas tares está inserta en el tipo de unidades que se
encuentran en nuestro mercado local las cuales muchas de ellas provienen de fabricante que no
entregan un producto normalizados lo cual esto juega en contra con cualquier tarea de estandarización
que se pretenda a fin de universalizar los desarrollos experimentales de inferimiento realizados.
NOMENCLATURA
D2 Diámetro Exterior Impulsor
b2 Ancho Impulsor en D2
Ht Altura Ideal o Teórica
HP, HB Altura en Modo Turbina y Modo Bomba
KQ Coeficiente de Caudal o Flujo
KH B Coeficiente Altura en modo Bomba
KH T Coeficiente Altura en modo Turbina
KNB Coeficiente de Potencias-Modo Bomba
KNT Coeficiente de Potencias-Modo Turbina
Q Caudal Volumétrico [m3/s]
T Par o Torque [N m]
u2, u1 Velocidad Periférica del Impulsor
u2u, u2m Componente de la Velocidad Absoluta en la dirección tangencial y Meridiana
z Numero de alabes del rotor
β1 Angulo del alabe
ηhB, ηhT Rendimiento hidráulico para el modo Bomba y modo Turbina
ηB, ηT Rendimiento global de la Bomba y/o Turbina
ρ Densidad del Fluido [kgm/m3]
ω Velocidad de Rotación [rad/s]
n Velocidad de Rotación [RPM]
nsB Numero Especifico bomba

8. BIBLIOGRAFIA
[1] ISO 3555:1977 Centrifugal, mixed flow and axial pumps -- Code for acceptance tests -- Class B
(Replaced by Standard: ISO 9906-2012 Rotodynamic pumps - Hydraulic performance acceptance tests
- Grades 1 , 2, and 3)
[2] Kittredge, C.P. "Centrifugal Pumps Used as Hydraulic Turbines". Trans. ASME, Vol. 63, 1941.
[3] Knapp, R. T. "Centrifugal Pump Performance as Affected by Design Features". Trans. ASME,
Vol.63, 1941.
[4] Stepanoff, A. J. "Centrifugal and Axial Flow Pumps", Ed. J. Wiley. New York, 1957.
[5] Audisio, Orlando A. “Correlación en el uso de la bomba centrifuga operando como turbina en
pequeños aprovechamientos hidráulicos “. IV CAIM 2014 – Resistencias (Chaco-Argentina).-
[6] Gülich, Johann F. – Centrifugal Pumps – ISBN 978-3-540-73694-3 – Springer Berlin Heidelberg
New York. - 2008
USING STANDARD PUMPS AS TURBINES
ABSTRACT:
An economic alternative for small hydroelectric plants is to use pumps as turbines. The pumps are
mass produced and are for a wide range of heights and flows (turbines are designed for each site).
Tests have shown that pumps operating in reverse can replace turbines with high efficiency small
power. In general, manufacturers give performance curves for the pump mode and not for the turbine
mode.
The paper presents the functional characterization inferred experimentally, a centrifugal pump used as
hydraulic turbine and hydraulic and mechanical parameters were measured analog and digital way to
determine energy performance for operation in the turbine mode. It also shows characteristics of the
machine for several rotation speeds, and heights and flow rates are compared to observe the influence
of rotation on the efficiency and constant load characteristics.
.
Keywords: hydropower technology, pumps as turbines, renewable energy; Small energy sources.