Simulación mediante herramientas de elementos finitos de una bomba centrífuga

Abstract

RESUMEN: Una bomba centrífuga es un tipo de bomba hidráulica que sirve para transformar la energía mecánica de un impulsor o rodete en energía cinética o de presión de un fluido incompresible. Por lo tanto, la bomba centrífuga convierte la energía con la que es accionada, en este caso mecánica, en energía hidráulica. En este Trabajo de Fin de Grado se ha aprendido a modelar una bomba centrífuga que ha sido simulada y donde hemos analizado sus resultados. Todo este trabajo se basa en la teoría de turbomáquinas, especialmente en Euler, donde hemos estudiado el comportamiento de una bomba centrífuga sometida a diferentes flujos, velocidades y cambios de ángulo. Este estudio se explicará a lo largo de la memoria, donde se explicará el proceso con el que se crean las piezas y después se ensamblan. Seguidamente se utiliza esa geometría para crear una malla donde se parametrizan los diferentes componentes y se simulará el paso del flujo de agua a través de la bomba. Se han realizado un total de 29 simulaciones, que fueron utilizadas para probar la bomba con diferentes características. Se han utilizado dos velocidades de rotación, a 2900 rpm y a la mitad, 1450 rpm. En cada una de esas velocidades se han usado diferentes flujos másicos para poder obtener las curvas características. Para los 2900 rpm se utilizaron flujos desde 20 hasta 65 kg/s y para los 1450 rpm se usaron flujos desde los 15 hasta los 35 kg/s. Se ha podido ver como se distribuye la presión del fluido en el interior de la voluta cuando aplicamos mucho o poco flujo másico. También se utilizaron éstas simulaciones con cambios en el ángulo de salida β2 del rodete. Se han realizado simulaciones con ángulos β2 de 8.15º, 16.50º, 22.26º, 22.77º, 25.19º y 26.75º y se ha podido observar que la altura de la bomba aumenta conforme aumenta el ángulo. Estos resultados evidencian mediante la práctica la teoría de Euler. También se ha realizado un estudio de presupuesto de consultoría en el que el que se ha valorado en 21587,3 € el coste del proyecto. Para poder modelizar la geometría de la bomba se ha utilizado el software de “Autodesk Inventor Professional 2019”. Este programa ha sido utilizado a lo largo el Grado de Ingeniería Mecánica. Para la parte de simulación por métodos finitos se ha utilizado el software ANSYS 19.2, que no ha sido usado en ninguna asignatura del grado, por lo que ha sido necesario aprender a utilizarlo. A pesar de todo para poder realizar estas simulaciones han sido necesarios los conocimientos adquiridos en el grado, haciendo hincapié en mecánica de fluidos y máquinas hidráulicas. Una de las principales bondades de la simulación es que no hemos tenido que realizar ningún modelo físico para realizar el estudio de la bomba centrífuga. Gracias a las simulaciones realizadas con ANSYS nos hemos ahorrado el proceso de fabricación de ningún prototipo, por lo que nos hemos ahorrado costes. A pesar de ello, dado que utilizamos la versión de estudiante de ANSYS, tenemos un límite de 512000 elementos, por lo que no podremos usar una malla mucho más optimizada. En ese caso, los resultados se acercarían más a la realidad, pero la simulación tardaría mucho más tiempo en realizarse. Por esta misma razón no hemos podido usar la viscosidad en el modo k-omega, que sería más apropiado para esta situación en la que se utiliza un modelo de viscosidad de dos ecuaciones que se utiliza para cerrar las ecuaciones de Navier Stokes, pero no podemos porque la malla no es suficientemente precisa. En este caso utilizamos k-epsilon, que también se compone de dos ecuaciones y es uno de los modelos viscosos más utilizados en la industria.

ABSTRACT: A centrifugal pump is a type of hydraulic pump that it is make to transform the mechanical energy of an impeller into kinetic or pressure energy of an incompressible fluid. Therefore, the centrifugal pump converts the energy with which it is driven, in this case mechanical, into hydraulic energy.In this Final Degree Project we have learned to model a centrifugal pump that has been simulated and where we have analyzed its results. All this work is based on the turbomachinery theory, especially in Euler, where we have studied the behavior of a centrifugal pump subjected to different fluxes, speeds and angle changes.This study will be explained in the report, where the process where the pieces are created and then assembled will be explained. This geometry is then used to create a mesh where the different components are parameterized and the flow of water through the pump will be simulated. It has been done 29 simulations, which were used to test the pump with different characteristics. Two rotation speeds have been used, at 2900 rpm and 1450 rpm. In each of these speeds different mass flows have been used to obtain the characteristic curves. For the 2900 rpm were used flows from 20 to 65 kg/s and for the 1450 rpm flows from 15 to 35 kg/s. It has been possible to see how the fluid pressure is distributed inside the volute when we apply a lot or little mass flow. These simulations were also used with changes in the exit angle β2 of the impeller. The simulations used angles β2 of 8.15º, 16.50º, 22.26º, 22.77º, 25.19º and 26.75º have been carried out and it has been observed that the height of the pump increases as the angle increases. These results demonstrate Euler's theory through practice. A consulting budget study has also been carried out in which € 21587.3 is required to realized the project. To be able to model the geometry of the pump, has been used the “Autodesk Inventor Professional 2019” software. This program has been used throughout the Mechanical Engineering Degree. To simulate by finite methods has been used ANSYS 19.2 software, which has not been used in any subject of the degree, so it has been necessary to learn how to use it by ourselves. Anyway it has been necessary to carry out these simulations, the knowledge acquired in the degree, emphasizing fluid mechanics and hydraulic machines. One of the main benefits of the simulation is that we have not had to make any physical model to study the centrifugal pump. Thanks to the simulations performed with ANSYS we have saved the manufacturing process of any prototype, so we have saved costs. Despite this, since we use the student version of ANSYS, we have a limit of 512000 elements, so we cannot use a much more optimized mesh. In that case, the results would be closer to reality, but the simulation would take much longer to complete. For this same reason we have not been able to use viscosity in the k-omega mode, which would be more appropriate for this situation in which a two-equation viscosity model is used to close the Navier Stokes equations, but we cannot because the mesh is not accurate enough. In this case we use k-epsilon, which is also composed of two equations and is one of the most used viscous models in the industry.