Clasificación de las bombas y variables principales

Se tienen registros de la utilización de ruedas hidráulicas para transportar agua para riego, de la época de los antiguos egipcios, más de 2000 años atrás. Por otra parte Arquímedes, por los años 200 A.C., inventaba una bomba en forma de tornillo sin fin, que se dio en llamar ’Tornillo de Arquímedes’ y que se utilizó para drenar e irrigar las tierras de la planicie del río Nilo (Paresh, 2005). Esta bomba aún es utilizada, y lo es también como turbina (generando energía). Las bombas primitivas servían para desplazar y trasladar volúmenes, lo que las ubica en el grupo de las bombas de desplazamiento positivo. Inicialmente usadas para la agricultura, a lo largo del tiempo, estas bombas comenzaron a aplicarse a otros usos, siempre a partir del mismo principio fundamental: gastar energía para elevar, transportar o comprimir líquidos. Actualmente su uso se extiende a una gran cantidad de actividades: provisión de agua para consumo, drenaje en áreas urbanas y rurales, manejo de efluentes urbanos e industriales, industria química, del petróleo, farmacéutica, en sistemas de enfriamiento de plantas generadoras, en la industria de la construcción y muchas otras actividades que requieren el manejo de fluidos. También su uso se extiende a la transferencia de materia orgánica, como peces, papas, granos, etc. Tal vez el ejemplo más evidente de la diversidad y potenciales usos que tienen las bombas de este tipo es el caso del corazón artificial, que es una bomba que responde a este principio de operación de desplazamiento positivo. En este libro estudiaremos las bombas centrífugas, también llamadas bombas rotodinámicas. Algunos atribuyen la invención de este diseño a Leonardo Da Vinci (1452–1519) por haber sido quien sugirió la idea de utilizar la fuerza centrífuga para impulsar líquidos; otros a Johann Jordan, por el año 1680, aunque la mayoría adjudica el origen del impulsor centrífugo a Denis Papin en 1689 (Engeda, 1998). Más tarde, en 1750, Leonhard Euler (Van Esch, B.1997) aportó la ecuación fundamental de las turbomáquinas hidráulicas, que explica el principio de funcionamiento de las bombas centrífugas, que se desarrollará en el Capítulo 5.Facultad de Ingenierí

Ecuación fundamental de Euler

Los patrones de escurrimiento reales dentro de una bomba centrífuga son tridimensionales, lo cual hace compleja una descripción general de las trayectorias. En cambio, si se asume que el escurrimiento es unidimensional, es sencillo establecer la conexión entre la transferencia de energía y el ’diseño hidráulico’ de impulsores y estatores o pasajes estacionarios de estas máquinas, a los fines de comprender cómo se produce la transformación de energía. De hecho, el análisis unidimensional permite deducir en forma satisfactoria (aunque con limitaciones) las características operativas de una bomba, por ejemplo: potencia y salto respecto al caudal, en las condiciones óptimas o de diseño. En las condiciones de operación que se alejan del punto de diseño, en cambio, el análisis unidimensional solo permite anticipar cualitativamente qué tipo de distorsiones tendrá el escurrimiento en comparación con la situación de diseño. Planteando hipótesis de fluido ideal (es decir: no viscoso, incompresible e irrotacional); considerando que la cantidad de álabes es infinita; y que el escurrimiento es unidimensional, de manera que las trayectorias ’siguen el perfil de los álabes, se logra obtener una descripción muy útil de aspectos relevantes del diseño y funcionamiento de las turbomáquinas en general y las bombas en particular, como, por ejemplo: encontrar una ecuación general que es válida para las turbomáquinas hidráulicas, diferenciar los distintos diseños de acuerdo a la trayectoria del flujo, aplicar la teoría de la similitud a través de las velocidades características y describir estados puntuales de operación (en el punto de diseño y fuera de él). La mayor o menor representatividad de las hipótesis simplificativas depende de qué tan alejadas estén las condiciones reales de funcionamiento respecto de las hipótesis. Por ejemplo, cuanto menor es la cantidad de álabes, más se aleja el comportamiento de la hipótesis de escurrimiento unidimensional, ya que entre un álabe y su consecutivo, las trayectorias no son homogéneas sino que se asimilan a las líneas de corriente que rodean a un cuerpo sumergido en una corriente (teoría de la sustentación). El mecanismo de transferencia del par (o potencia) del eje al fluido que fluye dentro del impulsor es fundamentalmente dinámico; es decir: está relacionado con cambios en la velocidad del fluido. Esto requiere la introducción de la segunda ley de Newton que, planteada en forma de cantidad de movimiento angular, permite explicar de qué manera se le entrega momento cinético al fluido, a través de lo que se conoce como la ecuación fundamental de Euler.Facultad de Ingenierí

High load vortex oscillations developed in Francis turbines

Francis turbines operating at high load conditions produce a typical flow pattern in the draft tube cone characterized by the presence of an axisymmetric central vortex. This central cavity could become unstable, generating synchronic pressure pulsations, usually called self-excited oscillations, which propagate into the whole machine. The on-set and size of the central vortex cavity depend on the geometry of the runner and draft tube and on the operating point as well. Numerical flow simulations and model tests allow for the characterization of the different flow patterns induced by each particular Francis turbine design and, when studied in combination with the hydraulic system, including the intake and penstock, could predict the prototype hydraulic behavior for the complete operation zone. The present work focuses the CFD simulation on the development and dynamic behavior of the central axisymmetric vortex for a medium-head Francis turbine operating at high load conditions. The CFD simulations are based in two-phase transient calculations. Oscillation frequencies against its cavity volume development were obtained and good correlation was found with experimental results.Facultad de Ingenierí

High load vortex oscillations developed in Francis turbines

Francis turbines operating at high load conditions produce a typical flow pattern in the draft tube cone characterized by the presence of an axisymmetric central vortex. This central cavity could become unstable, generating synchronic pressure pulsations, usually called self-excited oscillations, which propagate into the whole machine. The on-set and size of the central vortex cavity depend on the geometry of the runner and draft tube and on the operating point as well. Numerical flow simulations and model tests allow for the characterization of the different flow patterns induced by each particular Francis turbine design and, when studied in combination with the hydraulic system, including the intake and penstock, could predict the prototype hydraulic behavior for the complete operation zone. The present work focuses the CFD simulation on the development and dynamic behavior of the central axisymmetric vortex for a medium-head Francis turbine operating at high load conditions. The CFD simulations are based in two-phase transient calculations. Oscillation frequencies against its cavity volume development were obtained and good correlation was found with experimental results.Facultad de Ingenierí

Valor formativo de la extensión universitaria en el abordaje de los objetivos de desarrollo sostenible

En este contexto, el Grupo de Agua y Saneamiento lleva adelante un Proyecto de Extensión y dos proyectos de Voluntariado Universitario, que buscan contribuir desde la Universidad Pública al logro de los objetivos planteados en la "Agenda 2030 para el Desarrollo Sostenible" aprobada por la ONU en 2015, que plantea garantizar la disponibilidad y la gestión sostenible del agua y el saneamiento para todos. En este trabajo se reseñan estos tres proyectos que vinculan el ejercicio profesional de la ingeniería sanitaria desde una UIDET y la extensión Universitaria, destacando los valores formativos para todos los actores que forman parte de estos, en especial, para docentes y alumnos de nuestra facultad.Facultad de Ingenierí

Banco de pruebas virtual para ensayo de bombas

En las asignaturas Proyecto de Instalaciones Hidromecánicas y Máquinas Hidráulicas, los ensayos de bombas en bancos de pruebas cumplen una función importante, ya que la realización de ensayos de rendimiento y cavitación está incorporada como contenido de las asignaturas y por otra parte, el ensayo en sí constituye una situación de aprendizaje particular, diferenciada de la clase teórico-práctica. Esto se da en nuestro caso, disponiendo de infraestructura de laboratorio de máquinas hidráulicas específica para la docencia, que es poco usual en el ámbito universitario y que inclusive es utilizada por docentes y alumnos de otras universidades del país. En el contexto de pandemia surgió la posibilidad de ofrecer a los alumnos una alternativa de simulación de los ensayos desde la virtualidad, que se presenta en este trabajo, centrada en los aspectos que nos parecen más relevantes desde el punto de vista formativo.Facultad de Ingenierí

Mitigation of tip vortex cavitation by means of air injection on a Kaplan turbine scale model

Kaplan turbines operating at full-load conditions may undergo excessive vibration, noise and cavitation. In such cases, damage by erosion associated to tip vortex cavitation can be observed at the discharge ring. This phenomenon involves design features such as (1) overhang of guide vanes; (2) blade profile; (3) gap increasing size with blade opening; (4) suction head; (5) operation point; and (6) discharge ring stiffness, among others. Tip vortex cavitation may cause erosion at the discharge ring and draft tube inlet following a wavy pattern, in which the number of vanes can be clearly identified. Injection of pressurized air above the runner blade centerline was tested as a mean to mitigate discharge ring cavitation damage on a scale model. Air entrance was observed by means of a high-speed camera in order to track the air trajectory toward its mergence with the tip vortex cavitation core. Post-processing of acceleration signals shows that the level of vibration and the RSI frequency amplitude decrease proportionally with air flow rate injected. These findings reveal the potential mitigating effect of air injection in preventing cavitation damage and will be useful in further tests to be performed on prototype, aiming at determining the optimum air flow rate, size and distribution of the injectors.Facultad de Ingenierí

La inclusión de saberes socio-humanísticos en carreras de Ingeniería

El presente trabajo se enmarca en un proyecto de investigación del Área Pedagógica de la Facultad de Ingeniería sobre la inclusión de los saberes socio-humanísticos (SSH) en carreras de Ingenieríai. La necesidad de incluir (o visibilizar) los SSH en los planes de estudio de estas carreras tiene sus orígenes en el año 2001, cuando el Ministerio de Educación de la Nación prescribió que las mismas debían contemplar contenidos de Ciencias Sociales y Humanidades, orientados a formar ingenieros conscientes de sus responsabilidades sociales. Esto llevó a las unidades académicas a incorporar contenidos vinculados a estas áreas de conocimiento, o bien a justificar su presencia en los planes vigentes hasta ese momento. Más recientemente se está revisando la manera de incluir los SSH en los planes de estudio de las carreras de ingeniería a partir de dos tendencias de cambio que han sido materializadas en indicadores de acreditación y lineamientos de planificación para la formación de ingenieros en el Plan Estratégico 2012-2016 del Programa de Calidad Universitaria de la Secretaría de Políticas Universitarias. Estas son: el acortamiento de la duración real de las carreras de grado y la contribución del profesional ingeniero al desarrollo territorial sostenible.Publicado en Terceras Jornadas de Investigación, Transferencia y Extensión. La Plata : Universidad Nacional de La Plata, 2015.Facultad de Ingenierí

Pressurized air injection in an axial hydro-turbine model for the mitigation of tip leakage cavitation

Tip leakage vortex cavitation in axial hydro-turbines may cause erosion, noise and vibration. Damage due to cavitation can be found at the tip of the runner blades on the low pressure side and the discharge ring. In some cases, the erosion follows an oscillatory pattern that is related to the number of guide vanes. That might suggest that a relationship exists between the flow through the guide vanes and the tip vortex cavitating core that induces this kind of erosion. On the other hand, it is known that air injection has a beneficial effect on reducing the damage by cavitation. In this paper, a methodology to identify the interaction between guide vanes and tip vortex cavitation is presented and the effect of air injection in reducing this particular kind of erosion was studied over a range of operating conditions on a Kaplan scale model. It was found that air injection, at the expense of slightly reducing the efficiency of the turbine, mitigates the erosive potential of tip leakage cavitation, attenuates the interaction between the flow through the guide vanes and the tip vortex and decreases the level of vibration of the structural components.Facultad de Ingenierí

Pressurized air injection in an axial hydro-turbine model for the mitigation of tip leakage cavitation

Tip leakage vortex cavitation in axial hydro-turbines may cause erosion, noise and vibration. Damage due to cavitation can be found at the tip of the runner blades on the low pressure side and the discharge ring. In some cases, the erosion follows an oscillatory pattern that is related to the number of guide vanes. That might suggest that a relationship exists between the flow through the guide vanes and the tip vortex cavitating core that induces this kind of erosion. On the other hand, it is known that air injection has a beneficial effect on reducing the damage by cavitation. In this paper, a methodology to identify the interaction between guide vanes and tip vortex cavitation is presented and the effect of air injection in reducing this particular kind of erosion was studied over a range of operating conditions on a Kaplan scale model. It was found that air injection, at the expense of slightly reducing the efficiency of the turbine, mitigates the erosive potential of tip leakage cavitation, attenuates the interaction between the flow through the guide vanes and the tip vortex and decreases the level of vibration of the structural components.Facultad de Ingenierí