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Ingeniería Nuclear y Diseño 341 (2019) 155-166

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Una bomba práctica nunca podrá convertir toda su energía cinética en energía de presión. Partes de la energía siempre serán perdidas internas o externas. Vista de los canales diseñados con una herramienta de diseño convencional (arriba) y el nuevo impulsor para bombas centrífugas de doble succión cubiertas por la solicitud de patente.

Diseño y rendimiento CFD análisis de una novela impulsor para bombas centrífugas de doble aspiración

T. Capurso una , • , L. Bergamini segundo , M. Torresi una una Universidad Politécnica de Bari, Via Edoardo Orabona, 4, 70126 Bari, Italia segundo Nuovo Pignone, Strada Provinciale Modugno Bari 10, 70123 Bari, Italia

GRÁFICAMENTE ABSTRACTO

INFORMACIÓN DEL ARTÍCULO

RESUMEN

2010 MSC:

bombas centrífugas de doble aspiración son los principales dispositivos que intervienen en el sistema de agua de alimentación de las plantas de energía nuclear y que son responsables de un signi fi

00-01

Compartir peralte de su consumo de energía (por una ff ión de la balanza de tanto el bruto y la producción neta de energía eléctrica), por lo tanto, incluso un correo FFI aumento de eficiencia de sólo unos

99-00

pocos puntos porcentuales podría ser considerable en su economía. En la presente memoria una novela impulsor diseñado para especí baja-media fi bombas centrífugas doble de aspiración de

palabras clave:

velocidad c ( noqrte<

doble aspiración bomba centrífuga factor de deslizamiento CFD

60) se propone que muestra un E FFI mejora deficiencia con respecto al convencional

diseños en el orden de 1 - 2% asociado a un aumento del factor de deslizamiento, la reducción de las pérdidas secundario y el impulsor a cabo Florida mejora la homogeneidad flujo. La novela turbina de aspiración doble se caracteriza por una nueva disposición de su Florida OW canales, los cuales se presentan alternativamente en la misma salida circunferencial incluso si

OpenFOAM 3D-URAN ahorro de energía

comienzan a partir de los dos di ff lados Erent. los Florida Ay fi campo a través del impulsor se investiga a través de simulaciones numéricas administrados por medio de la fuente abierta código CFD OpenFOAM y su rendimiento se compara con los resultados experimentales. La configuraciónmodelo CFD, en términos de esquemas de tamaño de rejilla y de discretización, se ha evaluado previamente contraresultados delas simulacionesCFX consolidadas sobre una bomba centrífuga convencional.

1. Introducción

economía. De acuerdo con una investigación llevada a cabo por la Agencia Internacional de la Energía ( Waide y Brunner, 2011; Shankar et al., 2016 ), Actualmente, los motores eléctricos

Mundo ''Se espera que el consumo de energía s aumentando un 28% desde 2015 hasta 2040 ( Administraciónconsumen el 46% de la electricidad generada en el mundo y, dependiendo de la industria, bombas de Información de Energía de Estados Unidos, 2017 ) Con el fin de satisfacerla demanda asociada con el aumento en el mundo ' s de la población y

•

Autor correspondiente.

centrífugas consumen entre 25% y 60% de una energía de la planta motor eléctrico ( sahoo y

Correos electrónicos: [email protected] (T. Capurso), [email protected] (L. Bergamini), [email protected] (M. Torresi). https://doi.org/10.1016/j.nucengdes.2018.11.002 Recibió 9 de mayo de de 2018; Recibido en forma 22 de octubre 2018 revisado; Aceptado el 2 de de noviembre de 2.018 0029-5493 / © 2018 Elsevier BV Todos los derechos reservados.

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T. Capurso et al.

( Schaefer et al., 2017 ) Con el fin de evitar el exceso de cargas que pueden inducir daño y el fracaso.

Guharoy de 2009 ). Por ejemplo, el consumo de energía debido a las bombas centrífugas con respecto a la demanda de energía del motor eléctrico es 26% en la industria química, 31% en la industria de pulpa y papel y 59% en la industria de petróleo ( Sahoo y Guharoy de 2009 ). En el fi campo de la producción de energía,

En línea con los trabajos referentes a la optimización de la geometría, en el presente documento un nuevo

bombas centrífugas son ampliamente utilizados en las centrales nucleares y de vapor como componente principal del

procedimiento de diseño para las bombas centrífugas doble de succión se describe. Esto se basa en el supuesto

sistema de agua de alimentación (agua de alimentación y bombas primarias) y

de que se deslizan en la salida del impulsor se puede reducir mediante el

son responsables de un signi fi absorción de energía no puede (por ejemplo, hasta 2% en Hualong One ( reactoa reusmento del número de cuchillas ( Gulich de 2006 ). De hecho, en el pasado di ff Se han propuesto a nucleares, 2018 )) De ser accionado directamente por cualquiera de los motores de vapor o motores eléctricos (

geometrías Erent impulsor tratando de aumentar el número de las cuchillas a lo largo de la dirección circunferencial en

Zou et al., 2016 ). Las bombas centrífugas en la UE utilice 120 TWh / año de electricidad ( Estudio sobre la mejora de la

la salida del impulsor con el fin de mejorar la e FFI ciencia de doble aspiración

energía E FFI eficiencia de las bombas de 2001 ). Estudios recientes sobre coste del ciclo de vida (LCC) del sistema de

bombas y para reducir secundaria Florida OWS a carga parcial ( Patentar - gb18343, 1900; Patentar - jp201213236 2012;

bombeo han demostrado que aproximadamente el 50% del total de

Patentar - us1003542, 1911; Patentar - us2791183 de 1957 ). Muestran completamente nuevas disposiciones de la

LCC se deriva de los costos de la energía; Además, se ha señalado que, entre todos los dispositivos giratorios en una

lámina con respecto a los utilizados convencionalmente. Sin embargo, estas

planta de proceso, bombas centrífugas tienen típicamente la mejor potencial global de ahorro de energía ( Sahoo y

propuestas carecen de la simplicidad, no introduzca una descripción detallada de la forma de canal y dar información

Guharoy de 2009 ). Por lo tanto un correo FFI aumento de eficiencia de estas máquinas incluso de sólo unos pocos

acerca de la Florida control de velocidad ow dentro de los canales del impulsor ( K. ltd Patente JPS58155298A, 1983;

puntos porcentuales podría ser considerable en la economía de

Patentar - jph0687694u, 1994 ). El nuevo diseño del impulsor permite duplicar el número de cuchillas en la salida del

una planta de energía, especialmente hoy en día cuando todos los gobiernos, las empresas industriales y grupos de

impulsor de una manera que las salidas de los canales, procedentes de los dos lados, están dispuestos

investigación tienen que prestar atención a las cuestiones ambientales.

circunferencialmente y por lo tanto la

Este trabajo se ocupa de especificación de baja-media fi bombas de doble succión velocidad c y que describe un

Florida orientación flujo se incrementa. La idea básica detrás de la novela impulsor es su compatibilidad

procedimiento de diseño 1D junto con computacional Florida la dinámica de UID (CFD) con el propósito de mejorar el

con la carcasa de la turbina convencional. Los canales no sólo se cruzan entre sí sin interferencia pero también

e FFI deficiencia de sus impulsores con respecto a los diseños convencionales. especí media-baja fi

tienen una especificidad fi cruz c distribución área de la sección a lo largo de la línea central (Cline). Como se

impulsores succión doble de velocidad c

muestra, esto se traduce en un aumento del factor de deslizamiento, lo que conduce a un valor más alto de la ( noqrte<

medio - altas cargas hidráulicas Florida velocidades d(eQfluj< o

3

2 m / s)

(40 m

<< H

60) son Chie Florida y utiliza cuando

cabeza hidráulica con respecto a una con

250 m) y baja-media

convencional fi configuración con el mismo diámetro de salida del impulsor. Otros resultados son un valor más alto del diámetro hidráulico re

son requeridos.

( h )y

Comúnmente, un impulsor de doble aspiración está hecho de dos impulsores de succión individuales en una

una

disposición de espalda con espalda ( Gulich de 2006 ); cada uno de los que tienen una especificidad menor fi c número

menor longitud de los canales ( L), que permiten una menor cantidad de pérdidas en el interior del nuevo canal,

velocidad y una forma impulsor radial marcado. En especí baja-media fi velocidades c, a fin de garantizar que los valores

mejorando por lo tanto la hidráulica e FFI ciencia. Esto se pone de relieve mediante la evaluación de la presión de

más altos de la Florida velocidad de flujo, una turbina de aspiración doble se prefiere un impulsor de axialradial mezclado

estancamiento giratorio dentro del canal.

con la misma especificidad fi velocidad c, siendo este último más sujeto al riesgo de cavitación. Además, un impulsor de doble aspiración es capaz de equilibrar el empuje hidráulico axial resultante en un sistema compacto.

La novela geometría, se presenta en este trabajo, se ha diseñado una escritura específica fi c código 1D y simplifica la realización de fi ed (canal único) simulaciones numéricas lleva a cabo por medio del código de CFD comercial ANSYS Fluido ®. Una vez que el diseño preliminar llegó a su fin, la novela impulsor se ha investigado

El rendimiento de una bomba centrífuga es una fuerza ff ected por fuentes dispares de pérdida (degradación

tanto numérica como experimentalmente. Toda la geometría de la bomba centrífuga ha sido modelada e

de rendimiento), por ejemplo, Florida las pérdidas por fricción dinámicos UID. En cuanto a la turbina, las pérdidas

investigado por medio del código de fuente abierta OpenFOAM CFD con el fin de validar los resultados

antes mencionados dependen principalmente de la forma de las paletas. Por otra parte, el deslizamiento depende

previamente obtenida a través de simulaciones de un solo canal y para evaluar la en Florida influencia de la

del número de álabes del rodete, que es fi noche, y de las condiciones de presión que actúan en ambos lados de

tubería de succión real y doble voluta en el rendimiento global.

presión y aspiración de las paletas ( Gulich de 2006 ).

Hoy en día la investigación acerca de las bombas centrífugas se centra tanto en el diseño de algoritmos

Dinámica de Fluidos Computacional (CFD) tiene un papel importante en la predicción del rendimiento

multiobjetivo para la bomba de fi definición y optimización de la geometría con el fin de mejorar e impulsor FFI

turbo maquinaria hidráulica y el diseño de nuevos impulsores, ya que permite una reducción de los costes de

eficiencia (reducción de las pérdidas y la ampliación de la gama operativa con tanto de fase única y de cavitación

diseño y tiempo. Como se muestra Shah et al. (2013) hay muchas posibilidades para simular turbo maquinaria

Florida OWS) y desarrollar menos tiempo herramientas de diseño. los fi primero fi campo incluye, por ejemplo, el método

hidráulica. simulaciones de estado estacionario son útiles para ampliar el conocimiento básico de la Florida ay, son

de optimización multiobjetivo usando un SimulationKriging modelo-Experimento

necesarios pero inestables simulaciones con el fin de tener en cuenta la real Florida interacción ow entre

(SKE)

enfoque ( Skrzypacz y

estacionario (di ff usuarios o volutas) y piezas giratorias (impulsor).

Bieganowski, 2017; Zhang et al., 2015 ). Este último incluye el método de optimización global basado en Arti fi cial Redes Neuronales (ANN), Arti fi Colonia de abejas cial (ABC) ( Derakhshan et al., 2013 ) Y modelos analíticos

El uso OpenFOAM para los cálculos CFD es ampliamente creciendo hoy en día, ya que es de código

basado en el potencial Florida teoría ow ( re ' Agostino y Pasini, 2008 ). Además, hay obras que introducen nuevas

abierto y se puede paralelizar fácilmente. OpenFOAM es capaz de realizar constante, pero las simulaciones

metodologías basadas en modelos de pérdida de energía y dinámica

también inestables mediante el uso de DNS (simulaciones numéricas directas), LES (Large Eddy simulaciones) y

de fluidos computacional (ELM / CFD) ( Wang et al., 2017 ) Y el impulsor geometría modi fi cationes con respecto a los

RAN (Reynolds promediadas de Navier - Stokes) enfoques que ya están disponibles en OpenFOAM, sino también

convencionales. Por ejemplo, con este respecto, Skrzypacz y Bieganowski (2017) sugerido la introducción de micro

mediante la aplicación de métodos híbridos, por ejemplo,

ranuras, realizado en los discos delantero y trasero, para la baja

individual Eddy Simulaciones, DES, y parcialmente promediadas de Navier-Stokes, PANS. Además, Nilsson (2013) mostró que

especificidad fi impulsores de velocidad c a fin de reducir las pérdidas hidráulicas. La aplicación de ranuras micro,

OpenFOAM es capaz de alcanzar una buena concordancia con los resultados

que funcionan como cuchillas adicionales, debería aumentar la capacidad del impulsor para transmitir energía al

obtenidos por los códigos comerciales (por ejemplo, CFX) para turbomaquinaria hidráulico, tales como turbinas,

líquido, en particular en la región de la capa límite. Sin embargo, muchos trabajos se ocupan de estudio

bombas y hélices.

experimental de la bomba centrífuga en condiciones de funcionamiento transitorias que implican cierre o (ff Zou et al., 2016 ) Y las condiciones de arrastre de gas Entre los métodos mencionados previamente el enfoque RANS es la técnica más común utilizada para resolver el Florida Ay fi campo dentro de las bombas centrífugas, pero las simulaciones LES se están volviendo más y más atractiva, especialmente cuando las geometrías complejas y Florida fenómenos OW están involucrados ( Kye et al., 2018 ). En la última década también el límite Inmerso

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T. Capurso et al.

Método (IBM) ( Mittal y Iaccarino, 2005 ) Se vuelve más popular. Se ha aplicado para simular las

la Florida Coe ow FFI ciente, que es de fi define como sigue:

bombas centrífugas ( Posa et al., 2011 ) Y se ha implementado en OpenFOAM como se muestra por Specklin

Q πD u φ=

y Delaur (2016) . Este método permite a uno para manejar polifásicos Florida OWS o

/ 4 22 2

(3)

En las ecuaciones. (3) y (2) , re 2 es el diámetro exterior del impulsor,

Florida problemas de interacción de estructura uid, en un marco de una sola fase. Uno de los principales intereses en IBM reside en la simplificación fi cación del modelo y sobre todo en su idoneidad para el uso

u 2πD = n / 602

de mallas cartesianas de una calidad perfecta ortogonal.

y sol es la gravedad estándar. Además, el correo mundial FFI ciencia de estos máquina ha sido calculado como

es la velocidad tangencial calcula en el diámetro exterior

sigue: En este trabajo el método RANS se ha usado porque se consume menos tiempo en comparación

ρgHQ η=

con métodos que requieren más detallada y fi rejillas NER y es adecuado para obtener

QPΔ nene =

Cω

(4)

Cω

una estimación razonable de la evolución general de la bomba centrífuga, desde un punto de vista de la ingeniería, con errores típicos por debajo de 10 por ciento en comparación con los datos

dónde PAG

experimentales ( Shah et al., 2013 ).

/ m)

Δ nene es la presión total di ff rencia entre dos Florida anges aguas abajo y aguas arriba del impulsor ( N 2,

ρ es la densidad de la Florida UID

(Kg / m) 3, ω es la velocidad angular (rad / s) y do es el par (Nm) intercambiados entre el Florida uid y el impulsor, incluyendo el El trabajo se organiza de la siguiente manera: el proceso de diseño y las razones detrás de él se explican en el

esfuerzo de cizallamiento que actúa sobre las superficies internas y externas

apartado 2. El modelo numérico y su puesta en marcha se presentan en la tercera parte con un enfoque en las

de la rueda de paletas (pérdidas por fricción en el disco). Estos parámetros permiten que se compare el rendimiento

condiciones de contorno. Además, una comparación de los resultados

de varias bombas centrífugas, sin tener en cuenta sus dimensiones y condiciones de operación.

numéricos obtenidos con OpenFOAM y CFX (realizado por un di ff equipo Erent de Nuovo Pignone) en el caso de una geometría convencional se muestra para la validación ( Fig. 6 ). Por último, los resultados numéricos para la novela geometría se presentan en términos de ψ φ

2.1. Las realizaciones de la nueva impulsor

La novela impulsor se caracteriza por tener los canales entre las cuchillas a partir de cualquiera de las

- ( La Fig. 10 ) Y hidráulico e FFI ciencia ( La Fig. 11 ) y se compara con los resultados obtenidos para la bomba de aspiración doble convencional. Por otra parte, de

entradas, cruzando el plano de simetría, normal al eje de rotación, y que termina en una manera tal que el

velocidad y de vorticidad contornos en la salida de los dos impulsores se muestran con el fin de señalar la bene

número cuchillas equivalentes a la salida del impulsor es en realidad un doble con respecto a una con convencional

fi ts a la utilización de la novela impulsor.

fi configuración obtenida por el acoplamiento de back-Toback de dos impulsores de succión individuales ( Fig. 9 ). En la novela impulsor, la reducción de deslizamiento se supone que ocurre debido a la duplicación real del número de cuchillas en la salida del impulsor, lo que permite la reducción del diámetro exterior del impulsor, reduciendo así el tamaño y por lo tanto el coste de fabricación de la bomba. Además, la reducción del diámetro del impulsor trae

2. Diseño de la novela geometría del impulsor

también a lo largo de un signi fi reducción de peralte de las pérdidas debidas a la fricción del disco, lo que aumenta la bomba global e FFI ciencia.

Se supone que el nuevo impulsor de doble aspiración para ser utilizado en sustitución de uno convencional, de fi definida como línea de base, cuya curva característica en forma no dimensional se muestra en la Figura 1 . La especificidad de la bomba fi c velocidad norte

() q, Delaware fi define como sigue: BEP q/ f noqrte =

n

Q

H 0.75 BEP

En comparación con un impulsor de doble aspiración convencional provisto de cuchillas divisoras,

(1)

las realizaciones de la nueva impulsor no introducen ninguna pérdida de borde y es igual a 21,3. En la Ec. (1) , norte es la velocidad de rotación (rpm), Q es la volumétrica Florida velocidad de flujo 3

( Sra)

, F q es el número de entradas del impulsor (=

correspondientes principales adicionales ( Gulich de 2006 ). Para especí baja-media fi c bombas de velocidad, la Fq

2

nueva forma de los canales inter-álabes del impulsor es tal que la sección transversal de diámetro hidráulico

para una doble aspiración uno), H es la cabeza hidráulica ( metro) BEP y representa el mejor E FFI Punto de

aumenta y la longitud de cada canal reduce, reduciendo así las pérdidas hidráulicas con respecto a con

eficiencia. En los siguientes párrafos, la comparación entre di ff máquinas Erent se llevarán a cabo

convencional fi configuraciones. El área de la sección transversal del canal está diseñada para tener el control

por medio de dos parámetros adimensionales, a saber, la cabeza Coe FFI ciente, que es igual a:

sobre la velocidad de la Florida ow el interior del canal. Por otra parte, su forma se ha diseñado con el fin de evitar cualquier interpenetración canal cuando se retuercen de la axial a la dirección radial y al mismo tiempo para que coincida con una ley área

2 gH ψ=

u 22

objetivo (continua en su fi primer y el derivado de segundo orden) a lo largo de la Florida camino ow, a fin de evitar

(2)

gradientes demasiado altos de velocidad dentro de los canales. Esto conduce a un mayor rendimiento en términos de carga hidráulica y global e FFI eficiencia en comparación con otras soluciones, por ejemplo, K. ltd Patente JPS58155298A (1983) , Patentar - jph0687694u (1994) . En particular, los canales comienzan esencialmente con una sección transversal poligonal de cuatro lados, que se convierte en una fi he echado a un lado del polígono. Cuando los canales se convierten en paralelo al plano tangencial radial, sus secciones transversales vuelven a ser esencialmente cuadrilátero. El lateral adicional se introduce entre el lado de aspiración llamada y las superficies del cubo de la canal. Su longitud se inicia desde cero, alcanza su máximo en aproximadamente la mitad de la longitud del canal, y luego vuelve a cero. Esta geometría novela canal ( Fig. 9 ) Está cubierto por una solicitud de patente en la que más información sobre el diseño de la geometría se puede encontrar ( alta e FFI ciencia impulsor de doble aspiración - solicitud de patente - 20180128271, 2018 ).

Figura 1. Curva característica HHQQ(/

BEP

- (/

BEP d)eun doble aspiración convencional

2.2. proceso de diseño y limitaciones

impulsor obtenido por medio de simulaciones CFX transitorios durante el procedimiento de diseño (tamaño de cuadrícula ≅ 40 millón de células). Las simulaciones realizadas por Nuovo Pignone.

Las partes del estator, que se muestran en Figura 2 , Representan con- diseño straints al diámetro exterior y el tamaño axial según el cual la

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Figura 2. vistas frontal y lateral del modelo, que incluye el conducto de entrada, el impulsor y la doble voluta.

impulsor nuevo ha sido diseñado junto con otras tres restricciones importantes a tener satis fi ed:

•

() q de la línea de base

para preservar la misma especificidad fi número velocidad c norte

geometría;

•

para garantizar en el Best E FFI Punto eficiencia (BEP) una cinemática Florida ángulo ow en la entrada de la voluta α () 3 de acuerdo con la óptima

α 3 de la voluta (no hay palas di ff usuario);

•

para satisfacer la coincidencia de la entrada relativa Florida ángulo ow con el ángulo geométrico de entrada del impulsor.

El diseño del nuevo impulsor de doble aspiración ha sido desarrollado por escribir una especificación fi código c 1D. En Fig. 3 el proceso de diseño se describe en detalle.

Inicialmente, el código estima empíricamente el factor de deslizamiento, la hidráulica correo FFI ciencia y las pérdidas entre el diámetro exterior y la entrada de la voluta. Después de que se genera la geometría y simulaciones son entonces ejecuta en un solo canal de cuchilla con el fin de de fi ne el valor correcto de la Florida OW y ángulos Florida parámetros de dinámica de UID, ver Fig. 4 .

El dominio computacional, adoptado para estos cálculos, comprende un tubo corto aguas arriba de la entrada del canal de la cuchilla y un sin paletas di ff usuario aguas abajo de la salida del canal con el objetivo de reducir la inFlorida influencia de las condiciones de contorno, véase Fig. 4 . Todas las rejillas se han generado con la misma estrategia de generación de rejilla por medio de Icem CFD ® y que están hechas de 1 millón

de células con =

y

+

Fig. 3. Diagrama de flujo del proceso de diseño.

1. La pared +

y es

Al final de las simulaciones numéricas se pasan a los nuevos valores de las pérdidas y el factor de

Delaware fi define como:

deslizamiento volver al código 1D. El proceso continúa hasta que se alcanza la convergencia, como se resume

Yu

y =+

en Fig. 3 . ντ

(5)

dónde y es la distancia centroide de celda a la pared más cercana, ν es la viscosidad cinemática local de la Florida

2.3. mejora del factor de Slip

uid y T τ es la velocidad de fricción: τ wρ

T τ=

El factor de deslizamiento se defi define como sigue:

(6) σ

En la Ec. (6) τ w es la tensión de cizallamiento, de fi define como sigue:

τw

= • μ u• • y

cc U2T2H uCFD

(8)

∂ • ∂ • • =y 0

=

dónde do uCFD 2

se evalúa la velocidad tangencial absoluta a través de zona-

promedios ponderados en las superficies colocadas en la salida del impulsor, mientras do UTH 2 deriva de la hoja

(7)

congruentes Florida la teoría de flujo. La hidráulico e FFI deficiencia del canal se calcula como: dónde μ es la viscosidad dinámica, u es el Florida ow velocidad paralela a la pared y y es la distancia de la pared.

QPΔCωnene η y= '

análisis CFD se han ejecutado con el código comercial ANSYS Fluido ® en con el estado de equilibrio fi

(9)

configuración por medio de la técnica de múltiple marco de referencia (MRF) y el k- ω modelo dónde PAG

Δ nene es la presión de estancamiento di ff rencia entre la entrada y la salida del canal ( N / m)

la distribución uniforme de la presión en la salida, mientras que una intensidad de turbulencia

(Sra3)

incluyendo el Florida flujo de fuga, ω es la velocidad angular (rad / s) y

constante igual a 3% se ha impuesto en la entrada. Para todas las simulaciones relativas al proceso el desing la

do es el par calculado sobre la hoja, el cubo y la envuelta (Nm).

de SST para el cierre turbulencia ( Menter, 1994 ). En cuanto a las condiciones de contorno, componentes de

2,

velocidad se han impuesto en la entrada incluyendo el Florida fugas OW (Eq. (9) ) Y

convección, di ff usion y condiciones de gradiente se han calculado mediante el uso de segundo orden en

'=Q ηQ

/ v es la volumétrica Florida velocidad de flujo

Como era de esperar, los resultados numéricos de la Florida Ay fi campo relativo a la novela geometría,

contra del viento esquemas.

obtenido al final del proceso de convergencia, han mostrado una mejora en el factor de deslizamiento (+ 8,5%) y en la hidráulica e FFI ciencia (+ 1,2%). Los resultados obtenidos en el BEP de los dos

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Fig. 4. Descripción del dominio numérico y la vista de los contornos de presión estática en el interior del canal en iso-superficies con meridional constante de coordenadas.

tabla 1 factor de Resbalón y hidráulico e FFI ciencia de las dos geometrías calculados en BEP a través de simulaciones de paletas individuales.

Convencional

nombre de la etiqueta

e hidráulica FFI ciencia η ()

y

factor de deslizamie(n)toσ

la geometría de la novela

0,917

0,928 (+ 1,2%)

0,782

0,854 (+ 8,5%)

geometrías se reportan en tabla 1 .

2.4. Evaluación presión de estancamiento Rotary

Con el fin de cuantificar la pérdida de energía, L w, la caída de presión de estancamiento rotatorio,

Δ,psa*eg ha calculado en el interior del canal de cuchilla. En un sistema de rotación, la presión de estancamiento giratorio está De fi define como: Fig. 5. Tendencia de la presión de estancamiento rotatorio, se hace referencia al valor inicial, para la línea base y la

-=Lw

Δ pa*g

pag

abdominales

= • Δ•

ρ

-•

+ •

ρ

u2

w2 2

novela geometría dentro de un único canal de la cuchilla. •

2 •

(10) en contra de las consolidadas obtenidos mediante el código CFX comercial CFD se ha realizado.

dónde u es la velocidad de rotación de locales fi Ned como =

u ωR, p abdominales es la AB-

soluto presión estática, y w es la velocidad relativa. Para incompresible, no viscoso Florida ow, el valor de *

pag

es constante a lo largo de una línea de corriente. Para el

3.1. evaluación numérica

viscoso Florida Ow, el cambio de este parámetro entre dos puntos en la misma línea de corriente representa la pérdida viscosa.

La geometría convencional se ha investigado por medio de simulaciones numéricas realizadas por un

La tendencia de la presión de estancamiento giratorio ha sido evaluada por medio de integrales de superficie ponderados en las superficies en las coordenadas meridionales constantes a lo largo del canal de cuchilla de las

equipo CFD en Nuovo Pignone. Simulaciones de transitorios han llevado a cabo en una cuadrícula con 40

dos geometrías, es decir, la línea de base y la novela uno. Fig. 5 señala que cuando el Florida UID Florida OWS a

millones de células con células de prisma cerca de las superficies del impulsor por

través de la geometría de la línea de base se somete a una reducción de más lineal de la presión de

medio del código de comercio CFD ANSYS CFX ® mediante la resolución de la inestabilidad Fluidos ecuaciones dinámicas

estancamiento de rotación principalmente en el fi parte primera

con un método de alta resolución.

( fi primer 10%) y hacia la salida (último 40%) del canal, mientras que experimenta una reducción lineal La misma geometría discretizado por nosotros (20 millones de células y =

en la parte central del canal. Por el contrario, el diseño novedoso muestra una reducción lineal suave de

y

+

30)

la presión de estancamiento de rotación a lo largo de toda la longitud del canal. Esto es debido a la forma y la

ha sido investigado con OpenFOAM mediante el establecimiento de condiciones de contorno equivalentes a las

reducción de longitud del canal novela: las nuevas secciones transversales son más cuadrado y tienen

adoptadas en CFX. Los resultados de las simulaciones para la geometría convencional se ilustran en las Fig. 6 y se

diámetros hidráulicos de mayor tamaño en comparación con la línea de base disminuyendo el desarrollo de

compara con los resultados obtenidos con CFX. Las curvas muestran un bastante buen acuerdo entre sí.

secundaria Florida OWS.

3.2. Que rigen las ecuaciones y modelo de turbulencia

3. Modelo numérico

Las ecuaciones RANS inestables se han considerado adecuados con el fin de modelar el Florida ow través de la bomba ( Shah et al., 2013 ) Donde las cantidades tienen que ser considerados como promedio durante un período de

Con el fin de verificar la mejora del rendimiento antes de la construcción y prueba del impulsor, una

tiempo lo suficientemente corto con respecto a los fenómenos inestables globales, pero lo suficiente para que signi

investigación numérica se ha ejecutado con el código de fuente abierta OpenFOAM resolviendo las ecuaciones

estadística fi cance.

3D T perdedores. Sin embargo, con el fin de validar el procedimiento de cálculo, una simulación de la geometría El modelo de turbulencia aplicado para el cierre del sistema es el k- ω SST

de la línea de base y una comparación de los resultados

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Fig. 7. Vista del dominio computacional.

Fig. 6. ψ φ - y η φ - curvas calculadas con CFX y OpenFOAM (Círculos y rombos representan ψ y η curvas respectivamente).

La medición de la distancia entre la intersección de la línea que conecta dos centros de las celdas con su cara como propone Menter (1994) . Este modelo de turbulencia es un estándar para llevar a cabo análisis

común y el centro de esa cara - más pequeño es mejor) y una más baja que la

numérico en turbomaquinaria hidráulico ( Bardina y Coakley, 1997 ). Se utiliza automáticamente la k- ω

ortogonalidad

modelo en la región cerca de la pared y el k- ε modelo en las regiones de las paredes. La K- ω

(Medición del ángulo entre la línea que conecta dos centros de las celdas y la normal de su cara común - 0,0

70 °

es el mejor) ( OpenFOAM modelo SST puede dar predicción precisa de Florida separación de flujo que explica su uso común para las

checkmesh, 2015 ). Esto evita el uso de nonOrthogonalCorrectors

investigaciones numéricas de Florida ow dentro de las bombas centrífugas.

dando resultados numéricos más precisos. Por último, las tres partes se han fusionado con el mergeMesh mando. Para llevar a cabo una rejilla re fi namiento estudiar tres redes computacionales con di ff malla Erent re fi los niveles de refinamiento se han generado, consulte Tabla 2 , Y los resultados han sido analizados por medio del método de

En el entorno computacional OpenFOAM simulaciones ya sea en estado estacionario o transitorios se pueden ejecutar con el fin de estudiar las máquinas hidráulicas, como propone Shah et al. (2013) . Para las

cuadrícula Índice de Convergencia (GCI), propuesto por Roache (1994) . Las rejillas han sido sistemáticamente re fi

simulaciones de estado estacionario del simpleFoam aplicación se puede utilizar. Esta aplicación funciona con

nida con un factor global de las

incompresible, estacionaria Florida OWS y se basa en el simple (método semiimplicit para la ecuación vinculado presión) algoritmo. Por otra parte, la técnica de

F GCI

= 1.33 . Eventualmente una cuadrícula

múltiple-reference-marco (MRF) se puede emplear, en realidad se descuida la interacción estator rotor, ya que no

hecha de 11 millones de células se ha elegido debido a pequeñas desviaciones en los resultados y un buen

permite el movimiento relativo de las mallas móviles (Frozen rotor).

compromiso entre la geometría re fi namiento y los costes computacionales (véase Tabla 2 ).

Debido a la significación fi interacción no puede impulsor de la voluta, para el caso bajo investigación,

3.4. Las condiciones de contorno

simulaciones transitorias han sido preferido con respecto a las fijas ( Shah et al., 2013 ). simulaciones de transitorios en OpenFOAM implican el uso de la pimpleDyMFoam aplicación, que se basa en la espinilla (fusionó esquema

Para todos los casos analizados, la Florida velocidad de flujo se ha impuesto en la entrada teniendo en cuenta una

de piso-SIMPLE) algoritmo. mallas rotativas han sido considerados para tomar en cuenta el movimiento

distribución de velocidad de entrada uniforme. Por otra parte, el valor de la Florida fuga ow, que Florida OWS a través

del impulsor.

de la junta anular, se ha modelado como sale de la caja del impulsor y entrantes axialmente aguas arriba del ojo del impulsor con una ° 45 de remolino con respecto a la tan- dirección

En las siguientes simulaciones de la convección, di ff usion y condiciones de gradiente se han calculado mediante el

gential; se ha calculado a priori, de acuerdo con un modelo empírico unidimensional

uso de segundo orden en contra del viento esquemas, mientras que el tiempo términos derivados se han calculado

consolidado, porque la geometría de la junta no se ha modelado ( Gulich de 2006 ). Una distribución uniforme de la

mediante el uso de un esquema hacia atrás de segundo orden.

presión se ha impuesto en la salida del dominio. Los tres parte de la geometría, que se han fusionado entre sí, se comunican entre sí por medio de interfaces. En OpenFOAM la condición de contorno utilizada en estas interfaces se llama cyclicAMI (malla arbitraria Interface).

3.3. dominio numérico

La rejilla computacional ha sido generada por medio del generador de rejilla Icem CFD ®. La rejilla es una Además, para este caso de prueba de la intensidad turbulenta se ha supuesto constante e igual a 3% en la

malla híbrida, ver Fig. 7 . El volumen se ha discretizado por medio de elementos tetraédricos no estructuradas con capas de prisma cerca de las paredes con el fin de garantizar una pared + igual a 30. La +

entrada del dominio. En la entrada y salida de los conductos de bomba recta se han añadido para reducir

y

y seleccionado para esta aplicación corresponde a una correcta

utilizar de la pared-funciones, que implican el modelado de la capa límite utilizando una distribución log-ley.

Tabla 2

Además, la densidad de la malla se ha aumentado en el borde delantero de las hojas y en las lenguas de la voluta

Los detalles de tres rejillas de cálculo, los valores de la carga hidráulica en BEP de la bomba centrífuga calculado a través

disminuyendo el valor de la dimensión celular máxima en estas superficies de pared sin cambiar el +

de simulaciones numéricas y resultados del método de GCI.

y.

Medio bien gruesa GCI gruesa fina GCI

tres di ff Erent engrana en el. msh formato se han generado y se exportan para cada parte del modelo (es decir, la succión, el impulsor y la voluta). A continuación, los tres. msh fi les han convertido en el formato OpenFOAM

Impulso × (10)

con el comando Florida uent3DMeshToFoam y controlados con checkMesh rutina. toda la red se caracteriza por

Succión × (10)

6 6

6

ningún problema relación de aspecto (valores <1,000 - La relación entre la más larga y la longitud más corta), no

Voluta × (10)

hay problema de asimetría (valores <0,98 -

Número total de elementos ×

Head en BEP (m)

160

(10)

6

3

6

10

1

2

4

2

3

6

6

11

20

139,8

140,8

141,0

4,87% 0,55%

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Tabla 3 Resumen de las condiciones de contorno utilizados en OpenFOAM. Salida

Entrada

pag

pared

entrada de flujo de fuga

zeroGradient

fi xedValue

zeroGradient

Flujo de masa

zeroGradient

fi xedValue

T

zeroGradient swirlFlowRateInletVelocity

fuga de flujo de salida

zeroGradient Florida owRateInletVelocity

zeroGradient

kqRwallFunction

fi xedValue

fi xedValue

ω

fi xedValue

zeroGradient

omegaWallFunction

fi xedValue

fi xedValue

nuez

calculado

calculado

calculado

calculado

k

intensidad de la turbulencia

nutURoughWallFunction

en Florida influencia de las condiciones de contorno.

Otro aspecto fundamental fue la de fi definición de la rugosidad de la pared en OpenFOAM; el valor de la rugosidad grano de arena equivalente es igual a 5

5,6 · 10 m

y

6

5,6 · 10 m

respectivamente, para las paredes del estator y

partes de rotor; estos valores, que son los valores reales de la instalación de prueba experimental, se han utilizado para todas las geometrías simuladas. A los efectos de la activación de la rugosidad de la pared, la nutURoughWallFunction se ha aplicado a las paredes de la nuez fi Le junto con kqRWallFunction y omegaWallFunction, respectivamente, para k y ω condiciones de contorno de la pared (véase Tabla 3 ). los nutURoughWallFunction proporciona una condición viscosidad turbulenta basado en +

T cálculo y una de su argumento requiere la rugosidad grano de arena equivalente. los kqRWallFunction deriva de la zeroGradientFvPatchField, lo que significa que ofrece Neumann límite (el único límite Neumann de las funciones de pared), mientras omegaWallFunction proporciona la restricción en especí turbulencia fi c disipación de la aplicación de la combinación de la ecuación viscoso y de registro. Fig. 8. Descripción de los errores para cada cantidad medida en el banco de pruebas hidráulico, Nuovo Pignone, Bari.

El rendimiento de las dos geometrías se ha evaluado en masa diferente Florida velocidades de flujo. Todo el transitorio Florida simulaciones OW han llevado a cabo con un paso de tiempo = Δt

(/T)e/n2ne5s6sseeg4un,d5o · 10 =s

- 6 dónde

T es el

tiempo de una rotación completa y norte segundo el número de cuchillas para un tiempo total de duración igual a 0.085 s, que corresponde a fi cinco revoluciones completas del impulsor. Los resultados en términos de la cabeza y el correo FFI ciencia han sido promedio de los últimos 3 revoluciones. La media y los valores máximos del resultado número Courant aproximadamente igual a 0,03 y 6, respectivamente, en todas las simulaciones.

4. Experimental configurado

Las pruebas experimentales han sido llevadas a cabo en el banco de pruebas de Nuovo Pignone (Bari, Italia). Una vez que el prototipo ha sido fabricado por medio de una técnica de espuma perdida, que ha sido probado con el fin de verificar la mejora del rendimiento señalado por medio de las simulaciones numéricas y para validar todo el proceso de diseño. La instalación se caracteriza por un máximo de una Florida velocidad de flujo = 600m 3 / h, una presión máxima = 35 bar, una velocidad máxima de rotación = 4800 rpm y un máximo de potencia del motor eléctrico = 200 kW. Durante las pruebas experimentales el prototipo absorbida a máximo 100 kW con un número de Reynolds (Eq. (11) ) igual a 5 · 10 6.

Re =

u 2R2ν (11) Los datos se recogieron en 1 s intervalo para una duración de 30 s, después de haber alcanzado condiciones

de estado estacionario. La configuración experimental para la caracterización está constituido por una serie de dispositivos electrónicos de medición: dos electromagnética Florida metro ow (precisión 0,25%), transductores de presión tres estática redundante (precisión 0,15%), ya sea aguas arriba y aguas abajo de la sección de pruebas. Un medidor de par con codificador integrado de velocidad angular se caracteriza por una clase de precisión de 0,05% se emplea para calcular la hidráulica e FFI ciencia de los impulsores ensayadas. Los errores de medición para Q, H, P y η en di ff Erent Florida velocidad de flujo se resumen en Fig. 8 .

Fig. 9. Vista de los canales diseñados con una herramienta de diseño convencional (arriba) y la novela impulsor para bombas centrífugas doble succión cubiertos por la solicitud de patente (hacia abajo).

5. Resultados y discusión

Como se explica en el párrafo anterior una campaña de simulaciones

161

Ingeniería Nuclear yDiseño 341 (2019) 155-166

T. Capurso et al.

la especificación fi velocidad c es un parámetro que es útil para seleccionar el tipo de máquina para una aplicación dada y permite una comparación de impulsores no geométricamente similares. Como se muestra en La Fig. 10 , Donde dos norte q iso-curvas que pasan por el BEP de las dos bombas están representados, el proceso de diseño propuesto para bombas centrífugas, que tiene especificidad fi c velocidad norte

() q comparable a la de la línea de base, es capaz de garantizar una especificidad relativa fi error de velocidad c ( norte q error) inferior a 3,4%. Por lo tanto, es posible hacer una comparación entre su desempeño. Considerando esto, se puede afirmar que la preservación de las partes del estator y simplemente sustituyendo el impulsor línea de base con la novela uno, la nueva máquina hidráulica puede proporcionar un valor más alto de la cabeza Coe FFI ciente (véase La Fig. 10 ); esto significa que la novela impulsor es capaz de transferir energía a la Florida UID más e FFI ciente y esto sustancial di ff rencia puede justificarse fi ed por el mayor valor de su factor de deslizamiento, tabla 1 . Otra de las razones detrás de la mejora del rendimiento se puede encontrar en la mejora de la forma y la longitud de los canales del impulsor. Las secciones transversales de los nuevos canales tienen diámetros hidráulicos generalmente más grandes re Fig. 10. ψ φ - curvas del impulsor convencional (CFX - Línea de Base) y la novela

( h.)La nueva forma de la sección de canal, a lo largo de

impulsor obtiene a través de simulaciones numéricas (OF - Prototipo) y los experimentos (experimentos prototipo); las

con su

longitud reducida, permite la reducción de las pérdidas hidráulicas

curvas discontinuas representan la iso norte qque pasan a travésde la BEP de los dos impulsores.

( h ca-nal w dentr)o de los canales (Eq. (13) ), dónde ε es el factor de fricción que depende del número de

Reynolds y la

rugosidad relativa se ha ejecutado con el fin de simular toda la bomba centrífuga de montaje impulsor de la novela, ver Fig. 9 .

ε = f Re (r D , /).

Los resultados numéricos se han comparado contra la prueba experimental de la novela

2

L

=ε

h ca-nal w

geometría llevado a cabo en el banco de pruebas de Nuovo Pignone (Bari, Italia) y los resultados numéricos de la

(13)

re w h so2l

línea de base calculada por medio del código CFD, CFX por un di ff Erent equipo de Esta contribución es significativa en La Fig. 11 donde el correo FFI curvas carenciales se comparan.

Nuovo Pignone. Los resultados numéricos estafadores fi rm el beneficio fi ts previamente señalados por medio de las simulaciones de canal único en términos de factor de deslizamiento y e FFI ciencia, véase Higos. 10, 11 ; de hecho la

Los valores de la electrónica mundial FFI ciencia, se muestra en la

novela impulsor muestra mayores valores de ψ vs φ y superior electrónico mundial FFI deficiencia en el rango

La Fig. 11 , Se basan en la ecuación. (4) . Esto significa que las pérdidas mecánicas de eje se descuidan, por lo tanto:

completo comparado con la geometría de la línea de base. Por otra parte, los resultados numéricos muestran un buen acuerdo con las pruebas experimentales. η==

η sol

η YηVM η ηmetro

ηmetro

(14)

En la Ec. (14) , η y es la hidráulica e FFI ciencia, ciencia y η

5.1. Evaluación del desempeño

metro es

los S.S/

Con el fin de poner de relieve el beneficio fi ts del uso de la novela impulsor, las curvas características de las dos máquinas se han representado en dos planos no dimensionales. En primer lugar, ψφ

y el η φ

-

-

comparación propuesta

segundo

-Q / Q

BEP c,onv

η v volumétrica es el correo ffi-

la mecánica de correo FFI ciencia. hecho

es

avión, donde H BEP conv

BEP c,onv

y Q BEP conv

,

en

la

son los valores

,

de cabeza y Florida velocidad de flujo de la geometría convencional en correspondencia con su BEP,

la

respectivamente. Todas las curvas representadas en La Fig. 12 se escalan a la misma velocidad de rotación. En

curvas

( Higos. 10 - 11 ) Obtenidos con OpenFOAM para el nuevo prototipo se han comparado contra los

este plano se representan: la curva obtenida para la geometría convencional por medio de CFD y las curvas

experimentales y el rendimiento del impulsor de línea de base con el fin de cuantificar la mejora del rendimiento.

características de la novela geometría, uno extraído experimentalmente y luego el mismo geométricamente reducido con el fin de alcanzar el valor

En La Fig. 10 dos iso norte q curvas, correspondientes a la especificación fi velocidad c, norte q,

S.S BEP B/EP conv

de los dos impulsores, se han calculado según la Eq. (12) .

,

y QQ

BEP B/EPconv ,

Con el fin de alcanzar S.S φ 1ψ/2 coste noqrte =

3/4

BEP B/EP conv ,

igual a 1, ver La Fig. 12 . y QQ

BEP B/EP conv ,

igual a 1, la

novela geometría necesita una reducción de tamaño igual a 5,5%, aplicado a lo largo de todas las tres coordenadas

(12)

xyz

(,

, ) . Esto significa que la novela impulsor haría

Fig. 11. mi FFI curvas de ciencia de la rueda de paletas convencional (CFX - Línea de Base) y la novela impulsor obtenida a

Fig. 12. Comparación de las curvas de características entre la geometría convencional (CFX - Línea de base), la

través de simulaciones numéricas (OF - Prototipo) y losexperimentos (experimentos prototipo).

novela geometría (Experimentos prototipo) y la novela geometría reducido para llegar S.S / EP conv, BEP B

162

y QQ

/ EP conv, BEP B

igual a 1.

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Fig. 13. Contornos de la magnitud de la velocidad adimensional cu

2 /2 a

la salida de

la geometría convencional (arriba) y novela (hacia abajo).

Fig. 15. Vista de la salida del impulsor con tres planos en los que han sido calculados de velocidad y presión.

Fig. 14. Pro la velocidad promediada fi les en la salida de la geometría tradicional y nuevo a lo largo de la dirección axial, donde u 2 es la velocidad tangencial en el diámetro exterior.

con espalda con fi guración) en Florida uye la mezcla Florida flujo en la línea de base con-

fi guración. Además, los valores teóricos de la magnitud de la velocidad absoluta do

conducir a una máquina más pequeña que la convencional y en consecuencia a una reducción del coste

() 2 calculado en la salida de los impulsores están representados

industrial y volumen ocupado.

en La Fig. 14 . Se puede afirmar que la velocidad de pro fi Le en la salida de la novela geometría está más cerca del valor objetivo, calculado por medio de la teoría cuchilla congruentes, en comparación con la geometría de la línea de 5.2. Análisis de flujo en la salida de los impulsores

base. Los errores relativos entre las velocidades medias calculadas por medio de CFD y las velocidades teóricas para la novela y la línea de base son iguales a

Un estudio tanto de la velocidad ( Higos. 13, 14 ) Y la vorticidad ( La Fig. 18 ) fi campos en la salida del impulsor se ha realizado con el objetivo de investigar más a fondo el bene fi ts de la novela

4,8% y 9,6%, respectivamente. Además, el pro velocidad fi le han sido trazada a lo largo de la dirección

con fi guración. Una comparación entre las dos geometrías se ha hecho con el fin de evaluar la

circunferencial sobre

Florida características uid en la región entre la salida del impulsor y la entrada de la voluta y de entender cómo el

360 c°ortando una superficie cilíndrica BE-

Florida Ay fi campo está en Florida influenciadas por el nuevo diseño de la novela impulsor.

interpolar la salida del impulsor y la entrada de la voluta con tres planos, véase La Fig. 15 . los fi avión primera está en el medio del impulsor (plano medio), los otros dos son en di ff distancia axial Erent ( ± l /2

5.2.1. Pro velocidad fi Les

2

, dónde l 2 es la altura de la hoja en

el diámetro exterior) con respecto a la del medio. Los resultados ( Higos. 16 y 17 ) Son promediados durante

La Fig. 13 muestra los contornos de la magnitud de la velocidad adimensional

los últimos 5 rotaciones de la máquina. El aire acondicionado de la línea de base fi guración muestra una pro velocidad fi

(/c)u2 2 a la salida de los dos impulsores; los contornos de velocidad en la salida de la novela con impulsor fi guración

LE con una frecuencia igual a N f

son particularmente más homogénea que en la tradicional. En efecto, la desviación estándar de las

2 b rotación en el plano medio; Por otro lado, la velocidad de pro fi les de los dos impulsores de regreso a

velocidades a lo largo de la dirección axial es igual a 0,68 y 0,45 para el convencional y el nuevo impulsor,

la espalda mostrar evoluciones de dientes de sierra con =

respectivamente ( La Fig. 14 ). Es bien conocido que un conducto cuadrado limita la secundaria Florida OWS en

fNf

comparación con una rectangular, por lo tanto, la velocidad de desequilibrios entre las esquinas de la sección

b rotación,

ver La Fig. 17 . La novela impulsor tiene baja velocidad

oscilaciones (en relación con el valor medio), excepto que cerca del borde de salida de las palas donde la

transversal se reducen. Esto significa una reducción de las pérdidas secundarias y una mejor Florida orientación flujo ( Gulich de 2006 ). Pro velocidad fi

velocidad aumenta. Los picos de velocidad coinciden con el lado de succión del impulsor. El análisis de la velocidad señala un di ff comportamiento Erent en correspondencia con el plano medio; la novela impulsor

les han calculado sobre superficies en la salida del impulsor a lo largo de la dirección axial promedio durante

muestra una oscilación suave de la velocidad, mientras que la línea de base presenta oscilaciones más altas que las de la media de las paletas ' salidas.

360. °Estos se presentan en La Fig. 14 y señalar que el pro velocidad fi Le en la salida de la novela impulsor sigue una Florida Pro atter fi le por otro lado la línea de base muestra una ondulación de velocidad en el medio, por lo tanto, el elemento de división (es decir, la placa de ida y vuelta entre las dos bombas simples centrífugas de succión en Back

5.2.2. vorticidad fi vejez Un estudio de la vorticidad fi ELD señala que las estructuras vorticous que se desarrollan entre los lados izquierdo y derecho de la línea de base Vanish impulsor cuando se emplea la novela geometría, ver La Fig. 18 . Además,

163

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Fig. 16. Pro la velocidad promediada fi les en la salida del impulsor línea de base.

Fig. 19. Iso-superficies del criterio vórtice coloreado por contornos de presión de la presión estática de la línea de base (A) y la novela geometría Q (b).

onda La Fig. 14 y pro velocidad fi Le en correspondencia con los planos medios de las dos geometrías Higos. 16 y 17 ).

Fig. 17. Pro la velocidad promediada fi les en la salida de la novela impulsor.

5.3. Análisis de la presión Florida fluctuaciones

Las pulsaciones de presión y la evolución de cabeza se han estudiado para investigar posible inconveniente de la novela geometría. Contrariamente a las tendencias de velocidad, la presión pro fi l de la línea de base muestra una tendencia de dientes de sierra en el plano medio, con una N f

2 b rotación ( ver La Fig. 20 ). En el otro parte, la novela geometría muestra un pro presión fi le idéntica para cada posición de los planos. Incluso si el impulsor de línea de base tiende a suavizar los picos de presión y valles debido a la disposición de los dos impulsores de succión individuales, se muestra la amplitud localmente una presión más alta que la novela impulsor (4,38% y 3,75%, respectivamente) ( Higos. 20 y 21 ). Por otra parte, la cabeza, calculada a través de simulaciones numéricas se ha estudiado con el fin de investigar más la presión Florida las fluctuaciones en el interior del

Fig. 18. Contornos de la vorticidad fi ELD en la salida de la geometría tradicional (arriba) y novela (hacia abajo).

iso-superficies del vórtice Q-criterio ( Haller, 2005 ) Se muestran en La Fig. 19 . Estos iso-superficies describen las estructuras de vigilia. En la geometría convencional son debido a la presencia del elemento de división entre los dos impulsores en con-espalda con espalda fi configuración, consulte La Fig. 19 a. Por otro lado, las estructuras verticales solamente permanecen como en la geometría convencional en correspondencia del borde de ataque de las palas. Por lo tanto, la novela con fi guración podría ayudar a la Florida orientación flujo y la reducción de la secundaria Florida OWS, que se desarrollan en el interior de la voluta, la disminución de las pérdidas dentro de ella. La ausencia del elemento de división permite una mejor Florida ow de mezcla entre los dos lados de la rueda de paletas, de hecho se suprime la ondulación de velocidad. Es bien conocido que dentro de la voluta secundaria Florida OWS desarrollar y la Florida patrón ow tiene la forma de un doble vórtice. este secundaria Florida flujo vuelve cada vez más asimétrica con una creciente falta de uniformidad del impulsor a cabo Florida ow (ver velocidad Fig. 20. Pro presión promediado fi les en la salida del impulsor línea de base.

164

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Fig. 23. la variación de paso λ

( La c ) on

respecto al carenado de la hélice.

introducción de esta tecnología, en lugar de la convencional, puede permitir una reducción del consumo de energía en plantas de energía, a saber, una reducción de la energía del motor eléctrico. Además, permite una reducción del volumen ocupado y la instalación de turbomaquinaria hidráulico con mayor densidad de potencia. Restringir su alcance a una planta de energía nuclear, podemos considerar, por ejemplo, el de China ' s Hualong Uno. Esta planta tiene tres bucles de refrigerante primario con bombas accionadas por Fig. 21. Pro presión promediado fi les en la salida de la novela impulsor. motores eléctricos 6.6MW cada uno (110 t cada conjunto de la bomba). Su producción de energía bruta es 1170MWe y la energía consumida por las bombas es igual a 19.8MW. Bajo la hipótesis de que el convencional y el nuevo geometría tienen el mismo peso, una reducción de tamaño de 5,5% se puede aplicar para proporcionar el mismo aumento de la presión de una línea de base. Además, teniendo en cuenta el precio del acero inoxidable = 1200 t euro / un ahorro de dinero de

el 28.000 euro ( - 15,6%) sobre el costo de las bombas puede ser alcanzado mediante la sustitución de los tres geometría convencional con otras nuevas. En términos de correo FFI eficiencia del retro fi t de las geometrías convencionales podría conducir al ahorro de energía sobre el consumo global de energía igual a 0.198MW, lo que corresponde a una reducción de CO 2 emisión igual a 99 t CO 2.

6. Conclusiones

En este trabajo una novela impulsor, que puede fácilmente retro fi ta uno convencional, por un especí baja-media fi se ha presentado bomba centrífuga doble aspiración velocidad c. Teniendo en

Fig. 22. cabeza promediados ( H) evolución en el valor de la presión durante un tiempo igual a

(/TT

final ) / norsteeg= undo 1/7

de una rotación completa.

cuenta que las bombas centrífugas de doble aspiración son los principales dispositivos que intervienen en el sistema de agua de alimentación de las centrales nucleares y que son responsables de un signi fi Compartir

voluta. Esto da indicaciones sobre la interacción dinámica entre las cuchillas y las lenguas de la doble voluta. La

peralte de su consumo de energía (por una ff ión de la balanza de tanto el bruto y la producción neta de energía

evolución de la cabeza sobre un intervalo correspondiente al tiempo necesario para completar un 1/7 de una

eléctrica), el obtenido e FFI ciencia aumentar, aunque de sólo unos pocos puntos porcentuales, es un resultado

rotación completa, es decir, igual a

importante en la economía de estas plantas de energía. 360 /°snneogrutnedo, ha sido trazada en

La Fig. 22 . Las frecuencias de las dos curvas son iguales a N f

2 b rotación, Esta nueva geometría ha sido diseñado respetando la siguiente geométrica y Florida uid restricciones

mientras que la novela geometría muestra una presión mayor Florida fluctuación, es decir, los valores de la desviación estándar relativa de la cabeza σ H

( media c/abeza

dinámicas: para tener la misma especificación fi número velocidad c norte

)

() q de la geometría de la línea de base; para garantizar una cinemática

son 2,29% y 3,71% para la línea de base y la novela impulsor, respectivamente. De hecho, ambos valores pueden ser generalmente aceptadas. Este resultado con-

Florida ángulo ow en la entrada de la voluta α

fi rms lo pro presión fi les destacado a lo largo de la dirección circunferencial, es decir, la disposición de la geometría

α 3 de la voluta y para satisfacer la coincidencia con la entrada absoluta Florida ángulo ow en la salida del conducto de

de la línea de base es propenso a cortar los picos de presión.

entrada.

() 3 de acuerdo con la óptima

En primer lugar, un código 1D ha sido escrito para diseñar el nuevo impulsor y simulaciones numéricas de un solo álabe hoja de haber sido dirigido por medio de un código de comercio y resolviendo 3D ecuaciones

Una mayor amplitud podría conducir el sistema de tuberías oscile con mayor amplitud en especí fi frecuencias

RANS estado estacionario con el fin de evaluar las pérdidas hidráulicas y el factor de deslizamiento. Estos valores

c Si las frecuencias de las pulsaciones son iguales al sistema de ' s frecuencias de resonancia.

han sido a continuación, pasa de nuevo al código 1D hasta que se alcanza la convergencia. Una vez el fi

Vale la pena destacar que la novela impulsor ha sido diseñado con el objetivo de reducir los fenómenos de deslizamiento y no obtener las pulsaciones de presión más bajas que la línea de base. Sin embargo, si es

geometría nal ha sido elegido, toda la geometría de la bomba centrífuga ha sido estudiado por medio de

necesario, la presión Florida las fluctuaciones de la novela geometría se pueden

simulaciones numéricas para tener en cuenta la interacción de la novela impulsor y las partes del estator. la

reducir cambiando la hoja posterior inclinación borde, ver La Fig. 23 , ( Gulich de 2006 ). Esto permite distribuir las

computacional Florida análisis de la dinámica de UID se ha realizado con un código de fuente abierta llamado

fuerzas sobre una superficie más tiempo. Típicamente, λ La puede variar de 70 a 90 °.

OpenFOAM resolviendo 3D T-RANS con el k- ω modelo de SST para el cierre turbulencia.

Además, en caso de que la frecuencia coincide con la del sistema de tuberías, para evitar frecuencias de resonancia al menos se pueden cambiar tres parámetros: el número de palas de la turbina, el sistema de ' s Las simulaciones numéricas y las pruebas experimentales muestran un impulsor que es capaz de transferir más

frecuencias de resonancia y la velocidad de rotación.

e FFI ciente energía para el Florida uid en comparación con la línea de base que tiene mayor valor del factor de deslizamiento. Además, el diseño novedoso de la canal proporciona un mayor e FFI ciencia sobre el rango completo y una ligera reducción de la Florida UID Florida ow presión de estancamiento giratorio dentro de ella. Esto significa que una más e FFI máquina ciente se puede instalar la preservación de las mismas dimensiones de la línea de base 5.4. Impacto de la nueva tecnología en la huella de carbono

(aumento de presión más alta) o como alternativa la adopción de la nueva geometría

De acuerdo a los resultados que se muestran en este documento, se puede afirmar que la

165

Ingeniería Nuclear yDiseño 341 (2019) 155-166

T. Capurso et al.

puede conducir a una reducción de tamaño (volumen, peso y coste) cuando se requiere la misma cabeza de la

URL https://www.scopus.com/inward/record.uri?eid=2-s2.0-14544293952&doi= 10,1146%

línea de base y que permite montar un sistema más compacto que los que se utilizan actualmente.

2fannurev. Florida uid.37.061903.175743 y Partnerid = 40 y md5 = 6a7851b7facee1a728943ead3f6d2e5c .

Además, los contornos de velocidad y vorticidad en la salida del impulsor muestran un impulsor

Nilsson, H., 2013. Evaluación de OpenFOAM de CFD de turbulenta Florida ow en turbinas de agua. En:

que es capaz de proporcionar una mejor Florida orientación flujo y una más homogénea Florida UID Florida ow en la

23 Simposio AIIH https://doi.org/10.1016/j.proeng.2013.01.102 . URL http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1877705813001033 .

entrada de la voluta. Esto va acompañado de presión ligeramente mayor Florida fluctuaciones

reactores nucleares, 2018. URL http://www.world-nuclear.org/information-library/

que pueden reducirse, si se requiere, mediante el aumento de la inclinación del borde de salida. El pro velocidad

--Ciclo del combustible nuclear /-power-reactores nucleares / potencia-reactors.aspx nuclear .

promediada fi les en la salida del impulsor y las estructuras estela evaluadas por medio de vorticidad el criterio Q

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resaltar el beneficio fi ts de la ausencia del elemento de división con la novela impulsor.

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