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ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI)

GRADO EN INGENIERÍA ELECTROMECÁNICA

Especialidad Mecánica

PROTOTIPADO Y ENSAYO DE UN MODELO A ESCALA DE BOMBA-

TURBINA INTEGRAL

Madrid

Junio 2015

Autora: Cayetana de Urbina Soguero

Directores: Eva Arenas Pinilla

Alexis Cantizano González

José Porras Galán

1

AUTORIZACIÓN PARA LA DIGITALIZACIÓN, DEPÓSITO Y DIVULGACIÓN EN ACCESO ABIERTO (RESTRINGIDO) DE DOCUMENTACIÓN

1º. Declaración de la autoría y acreditación de la misma.

La autora Dña. Cayetana de Urbina Soguero, como alumna de la UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS (COMILLAS), DECLARA

que es el titular de los derechos de propiedad intelectual, objeto de la presente cesión, en relación con la obra proyecto fin de carrera: Prototipado y ensayo de un modelo a escala de bomba-turbina integral1, que ésta es una obra original, y que ostenta la condición de autor en el sentido que otorga la Ley de Propiedad Intelectual como titular único o cotitular de la obra.

En caso de ser cotitular, el autor (firmante) declara asimismo que cuenta con el consentimiento de los restantes titulares para hacer la presente cesión. En caso de previa cesión a terceros de derechos de explotación de la obra, el autor declara que tiene la oportuna autorización de dichos titulares de derechos a los fines de esta cesión o bien que retiene la facultad de ceder estos derechos en la forma prevista en la presente cesión y así lo acredita.

2º. Objeto y fines de la cesión.

Con el fin de dar la máxima difusión a la obra citada a través del Repositorio institucional de la Universidad y hacer posible su utilización de forma libre y gratuita ( con las limitaciones que más adelante se detallan) por todos los usuarios del repositorio y del portal e-ciencia, el autor CEDE a la Universidad Pontificia Comillas de forma gratuita y no exclusiva, por el máximo plazo legal y con ámbito universal, los derechos de digitalización, de archivo, de reproducción, de distribución, de comunicación pública, incluido el derecho de puesta a disposición electrónica, tal y como se describen en la Ley de Propiedad Intelectual. El derecho de transformación se cede a los únicos efectos de lo dispuesto en la letra (a) del apartado siguiente.

3º. Condiciones de la cesión.

Sin perjuicio de la titularidad de la obra, que sigue correspondiendo a su autor, la cesión de derechos contemplada en esta licencia, el repositorio institucional podrá:

(a) Transformarla para adaptarla a cualquier tecnología susceptible de incorporarla a internet; realizar adaptaciones para hacer posible la utilización de la

1 Especificar si es una tesis doctoral, proyecto fin de carrera, proyecto fin de Máster o cualquier otro

trabajo que deba ser objeto de evaluación académica

2

obra en formatos electrónicos, así como incorporar metadatos para realizar el registro de la obra e incorporar “marcas de agua” o cualquier otro sistema de seguridad o de protección.

(b) Reproducirla en un soporte digital para su incorporación a una base de datos electrónica, incluyendo el derecho de reproducir y almacenar la obra en servidores, a los efectos de garantizar su seguridad, conservación y preservar el formato. .

(c) Comunicarla y ponerla a disposición del público a través de un archivo abierto institucional, accesible de modo libre y gratuito a través de internet.2

(d) Distribuir copias electrónicas de la obra a los usuarios en un soporte digital. 3

4º. Derechos del autor.

El autor, en tanto que titular de una obra que cede con carácter no exclusivo a la Universidad por medio de su registro en el Repositorio Institucional tiene derecho a:

a) A que la Universidad identifique claramente su nombre como el autor o propietario de los derechos del documento.

b) Comunicar y dar publicidad a la obra en la versión que ceda y en otras posteriores a través de cualquier medio.

c) Solicitar la retirada de la obra del repositorio por causa justificada. A tal fin deberá ponerse en contacto con el vicerrector/a de investigación ([email protected]).

d) Autorizar expresamente a COMILLAS para, en su caso, realizar los trámites necesarios para la obtención del ISBN.

2 En el supuesto de que el autor opte por el acceso restringido, este apartado quedaría redactado en los

siguientes términos:

(c) Comunicarla y ponerla a disposición del público a través de un archivo institucional, accesible de

modo restringido, en los términos previstos en el Reglamento del Repositorio Institucional

3 En el supuesto de que el autor opte por el acceso restringido, este apartado quedaría eliminado.

3

d) Recibir notificación fehaciente de cualquier reclamación que puedan formular terceras personas en relación con la obra y, en particular, de reclamaciones relativas a los derechos de propiedad intelectual sobre ella.

5º. Deberes del autor.

El autor se compromete a:

a) Garantizar que el compromiso que adquiere mediante el presente escrito no infringe ningún derecho de terceros, ya sean de propiedad industrial, intelectual o cualquier otro.

b) Garantizar que el contenido de las obras no atenta contra los derechos al honor, a la intimidad y a la imagen de terceros.

c) Asumir toda reclamación o responsabilidad, incluyendo las indemnizaciones por daños, que pudieran ejercitarse contra la Universidad por terceros que vieran infringidos sus derechos e intereses a causa de la cesión.

d) Asumir la responsabilidad en el caso de que las instituciones fueran condenadas por infracción de derechos derivada de las obras objeto de la cesión.

6º. Fines y funcionamiento del Repositorio Institucional.

La obra se pondrá a disposición de los usuarios para que hagan de ella un uso justo y respetuoso con los derechos del autor, según lo permitido por la legislación aplicable, y con fines de estudio, investigación, o cualquier otro fin lícito. Con dicha finalidad, la Universidad asume los siguientes deberes y se reserva las siguientes facultades:

a) Deberes del repositorio Institucional:

- La Universidad informará a los usuarios del archivo sobre los usos permitidos, y no garantiza ni asume responsabilidad alguna por otras formas en que los usuarios hagan un uso posterior de las obras no conforme con la legislación vigente. El uso posterior, más allá de la copia privada, requerirá que se cite la fuente y se reconozca la autoría, que no se obtenga beneficio comercial, y que no se realicen obras derivadas.

- La Universidad no revisará el contenido de las obras, que en todo caso permanecerá bajo la responsabilidad exclusiva del autor y no estará obligada a ejercitar acciones legales en nombre del autor en el supuesto de infracciones a derechos de propiedad intelectual derivados del depósito y archivo de las obras. El autor renuncia a cualquier reclamación frente a la Universidad por las formas no ajustadas a la legislación vigente en que los usuarios hagan uso de las obras.

b) Dlrechos que'se ieserva el Repositorio instituciona! respecto Aeiá;obrás áñ él registradas:

- retirar la obra, previa notificación al autor, en supuestos suficíenteménte jüstificados,'o encaso de reclamaciones de terceros.

Madrid, " 11 d" W.:...:..-... * fu./l

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Proyecto realizado por el alumno/a:

Cayetana de Urbina Soguero

Fecha: /![.] .fr6.t lil.rAutorizada la entrega del proyecto cuya informacióh no es de carácter

confidencial

LOS DIRECTORES DEL PROYECTO

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|osé Porras Galán

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Ve Bs del Coordinador de Proyectos

fesús Ramón fiménez Octavio

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GRADO EN INGENIERÍA ELECTROMECÁNICA

Especialidad Mecánica

PROTOTIPADO Y ENSAYO DE UN MODELO A ESCALA DE BOMBA-

TURBINA INTEGRAL

Madrid

Junio 2015

Autora: Cayetana de Urbina Soguero

Directores: Eva Arenas Pinilla


José Porras Galán

1

PROTOTIPADO Y ENSAYO DE UN MODELO A ESCALA DE

BOMBA-TURBINA INTEGRAL

Autora: Urbina Soguero, Cayetana de.

Directores: Arenas Pinilla, Eva.; Cantizano González, Alexis.; Porras Galán, José.

Entidad colaboradora: ICAI-Universidad Pontificia Comillas.

RESÚMEN DEL PROYECTO

El concepto de bomba-turbina surge a partir del objetivo de disponer de una

turbomáquina combinada, es decir, una máquina compuesta de una turbina axial y una

bomba radial. Con ella se pretende bombear de forma autónoma sin la necesidad de un

motor externo, abasteciendo de agua a zonas que no tienen fácil acceso a la electricidad.

A partir de diseños conceptuales anteriores, con este proyecto se pretende llevar a cabo

la fabricación de un prototipo de bomba-turbina mediante técnicas de fabricación aditiva.

Entre los objetivos fundamentales del proyecto se encuentran el diseño de todas las piezas

de la bomba-turbina en 3D, para poder disponer de unos archivos en los que realizar

modificaciones rápida y fácilmente, y constituye el primer paso para la fabricación del

prototipo; la fabricación del prototipo mediante SLS y FDM, procesos de fabricación

aditiva; el ensayo de la máquina en el laboratorio; y, el posterior análisis de los resultados.

Estado del arte

Ideas similares a la bomba-turbina se han encontrado a lo largo de la historia, con

la rueda hidráulica y la bomba espiral, y, actualmente con la bomba Barsha. La rueda

hidráulica fue un artilugio que tuvo un gran impacto durante la Edad Media, ya que

permitía aprovechar la fuerza que un río ejercía en las paletas para elevar agua. Se

considera la antecesora de las turbinas, ya que transforma la energía de fluido en energía

mecánica. Las primeras norias tenían los álabes rectos, posteriormente evolucionaron

hacia una forma parabólica, ya que se observó que captaban con mayor intensidad la

corriente de agua. A finales del siglo XVIII comenzaron a surgir las primeras turbinas,

durante la Revolución Industrial tuvieron un papel importante, ya que surgió el interés de

producir de energía eléctrica. A pesar de que el rendimiento de las turbinas era mucho

mayor que el de las ruedas, su uso no se extinguió completamente, y se siguió utilizando

en determinados sitios para moler grano o elevar agua para cultivos. La bomba-turbina

tiene el mismo objetivo que la rueda hidráulica, ambas usan la fuerza de una masa de

agua y la transforman en energía para bombear. Se diferencian en que el sistema mecánico

de elevación de agua de la rueda hidráulica se sustituye por el cambio de presión que se

produce en la bomba radial que compone la bomba-turbina.

La bomba Barsha es un invento desarrollado por una start-up holandesa, que

persigue un objetivo similar a la bomba-turbina. Se trata de una máquina destinada a

pequeños y medianos cultivos, como alternativa sostenible a las bombas actuales. El

funcionamiento de la bomba Barsha se basa en la bomba espiral, que se caracteriza por

tener un tubo enrollado en un eje horizontal, uno de los lados está abierto y se sumerge

en el agua una vez por revolución, por ello parte de la espiral se llena de agua y otra de

2

aire. La parte más crítica se considera la articulación giratoria que necesita a la salida, ya

que la bomba gira mientras que la tubería permanece quieta.

Una solución similar se llevó a cabo en Zambia, donde la Universidad de Seattle

construyó una máquina parecida con el objetivo de proporcionar agua a los habitantes de

una población. Se valoraron distintas opciones, desde bombas centrífugas hasta una

bomba de ariete, pero la opción más económica fue una bomba espiral accionada

mediante una rueda hidráulica.

Por otro lado, el área de fabricación aditiva como un modo de creación de

prototipos comienza a ser un sector en crecimiento. Empieza a ser un modo rápido para

la creación de piezas complejas como es el caso de una bomba o turbina con álabes. Se

han llevado a cabo numerosos estudios con el objetivo de analizar los procesos existentes

en fabricación aditiva. Un ejemplo es la creación de un rodete de una bomba regenerativa,

que se caracteriza por tener una geometría compleja, y se llegó a la conclusión que para

fabricar el prototipo un modo rápido y eficiente sería mediante técnicas de fabricación

aditiva. En este estudio se fabricó un prototipo por varias técnicas, cabe destacar el

proceso FDM, que se utiliza en este proyecto, que consiste en la utilización de ABS,

termoplástico muy resistente. Al calentarlo unos grados por encima de su punto de

transición vítrea, el material se enfría rápidamente y se queda solidificado sobre la capa

anterior. Una vez la capa está completa la plataforma se desplaza hacia abajo y el proceso

se repite. La conclusión de este estudio fue que esta tecnología era la única capaz de

fabricar el prototipo para su uso directo.

Otro estudio llevado a cabo fue la fabricación de un rodete de bomba axial de

sangre, que debido a su forma compleja se buscó crear el prototipo mediante fabricación

aditiva, como SLS, SLA o FDM. Una de las formas analizadas fue SLS, proceso que

consiste en inyectar una capa de polvo y un láser hace que se derrita, una vez la primera

capa está hecha, la plataforma desciende, repitiendo el proceso. Este proceso no necesita

material de soporte, ya que el propio polvo ejerce como apoyo. La conclusión a la que se

llega es la importancia que tiene la colocación de las piezas en la máquina, ya que la

dirección del láser influye en la rugosidad que se obtiene de ellas. La bomba-turbina se

ha fabricado en su totalidad mediante SLS, el material utilizado ha sido poliamida.

También se ha realizado un modelo de rodete mediante FDM, que ha habido que someter

a un proceso químico de acetona para volver la pieza estanca y reducir su rugosidad.

Fabricación

La bomba-turbina consta de un rodete, que está formado a su vez por una turbina

axial y una bomba radial; dos tambores, uno de entrada y otro de salida; dos tapas cónicas,

que reducen las pérdidas de carga; y una voluta, que para su fabricación se ha dividido en

dos partes y contiene el cono difusor.

El primer paso que se ha llevado a cabo para la fabricación del prototipo ha sido

la creación de todos los diseños de las piezas en 3D, el software utilizado ha sido

SolidEdge. Se ha cumplido el objetivo de disponer de unos archivos accesibles sobre los

que realizar cambios de una manera fácil y rápida, ya que el segundo modelo de rodete

se cambió en muy poco tiempo y se fabricó mediante FDM.

3

Figura 0-1: Rodete diseñando en SolidEdge

Para la fabricación del prototipo se ha tenido que aplicar una escala de 1/5, ya que

las dimensiones del modelo real no cabían en una impresora 3D. Por ello ha habido que

revisar espesores críticos, que se han considerado aquellos que son difíciles de fabricar

por la tolerancia de la máquina 3D.

Partes críticas durante la fabricación han sido los álabes de la turbina y de la

bomba. Para los álabes de la bomba se ha utilizado un trazado de álabes por puntos, es

decir, mediante una curva por la que se establece el espesor de cada álabe para un radio

y ángulo determinado. Para la turbina se han utilizado unos perfiles Göttingen 682. El

diseño de la turbina se ha hecho mediante cinco desarrollos cilíndricos coaxiales que

sirvieron para determinar la curvatura de los álabes y así establecer sus parámetros como

la cuerda y su ángulo de ataque. En la Tabla 0-1 se pueden observar las medidas de los

álabes para los cinco diámetros, utilizada para diseñar la turbina en SolidEdge.

Diámetros (mm)

Cuerda

(mm) βe (°) βe(rad)

dc 31,6 44 -37,0 -0,6

dx 50 42 -28,0 -0,5

dm 68,6 38 -23,3 -0,4

dy 87 34 -20,3 -0,4

dp 105,4 32 -17,9 -0,3

Tabla 0-1: Dimensiones álabes de la turbina

Otra parte importante de la bomba-turbina lo constituye la voluta o caja espiral,

que se encarga de transformar la energía cinética en energía de presión, recogiendo el

fluido a lo largo de los 360º. Se trata de una caja espiral con sección trapezoidal. En la

unión de la voluta con el rodete se ha hecho un cierre laberíntico para evitar fugas de la

zona de alta presión a la de baja.

4

El resto de partes serían los tambores de entrada y salida, que contienen los

alojamientos de los rodamientos y dan consistencia al conjunto, también contienen unos

álabes NACA 0018; y, las tapas cónicas que disminuyen las pérdidas de carga.

Una vez se han tenido los diseños se ha fabricado el prototipo mediante SLS, como

durante el proceso se utiliza polvo que se derrite con un láser las piezas han tenido que

limpiarse, como ejemplo los álabes de la bomba venían sellados. Cabe mencionar la

importancia de la posición de las piezas en la máquina, lo que puede hacer que no se

fabriquen con unas tolerancias ajustadas y que presenten una rugosidad mayor, como es

el caso de la voluta en la que se observaba un ligero alabeo.

Figura 0-2: Prototipo fabricado mediante SLS

Ensayo

Se han realizado dos ensayos, uno primitivo en el que el objetivo era evaluar el

comportamiento de la bomba-turbina después de su ensamblaje; y otro ensayo en el que

se ha construido una minipresa, en el cual la bomba ha dado una altura menor a la

esperada.

Conclusiones

La primera conclusión a la que se llega comparando el prototipo fabricado

mediante SLS del modelo, es la importancia que adquieren las tolerancias de la máquina

3D que hace que las dimensiones del prototipo difieran, en algunos casos de forma

relevante, de las teóricas del diseño. A esto se le suma el efecto de la posición durante la

fabricación de las diferentes piezas, lo que hace que adquieran una rugosidad mayor y

que se cometan errores de fabricación. Ante la rugosidad, ya que afecta a las pérdidas de

carga, una posible solución es un tratamiento posterior de mecanizado o un lijado seguido

de un baño en pintura, aunque debido a la geometría compleja de la bomba-turbina, de

momento, no se han valorado ninguno de los dos procesos. Por otro lado, el rodete

fabricado mediante FDM, además de presentar mayor rugosidad, no es estanco al agua.

Esto se resuelve sometiéndolo a un baño de acetona que reduce el material y, por

consiguiente, las fugas aumentan.

5

En ambos casos, se ha conseguido una buena distribución del material, lo que ha

hecho que el rodete parezca equilibrado durante su funcionamiento.

Las piezas fabricadas mediante SLS están hechas de poliamida que es un material

a base de nylon y se caracteriza por su dureza y fragilidad. Al ser un material frágil se

hace difícil la reutilización del prototipo y hacer las modificaciones necesarias durante

todo proceso de optimización del mismo.

Debido a la escala impuesta por la impresora 3D ha habido que realizar distintos

cambios sobre el diseño inicial, como es el caso de la tubuladura. Su espesor era menor

que el crítico, por lo que se renunció a fabricarla y ha influido en el comportamiento de

la bomba-turbina. La tubuladura hace que el caudal de la bomba y la turbina sean

independientes. De esta forma, al renunciar a su fabricación, el caudal que entraba a la

bomba radial no tenía solo componente radial reduciendo por tanto la altura aportada.

No se ha podido realizar el ensayo con la altura bruta de diseño, por lo que no ha

sido posible verificar el comportamiento final de la bomba-turbina. Sin embargo, se han

realizado ensayos menores verificando que la bomba ha aportado una altura menor a la

esperada. Esto se atribuye a que el caudal de cortocircuito puede que sea mayor que el

caudal que circula por la bomba, así como a la ausencia de la tubuladura mencionada

anteriormente.

La impresión en 3D es un método potente a la hora de investigar con nuevos

prototipos, a pesar de sus limitaciones. Permite variaciones de geometría y su posterior

fabricación de una manera rápida y barata.

Referencias

[1] Tailer, Peter. Lukertech. The Spiral Pump. [En línea]

http://lurkertech.com/water/pump/tailer/.

[2] Mataix, Claudio. 2009. Turbomáquinas Hidráuilcas: Turbinas hidráulicas,

bombas y ventiladores. Madrid : Publicaciondes de la Universidad Pontificia

Comillas, 2009. ISBN.

6

PROTOTYPING AND TEST OF A PUMP-TURBINE SCALE MODEL

Author: Urbina Soguero, Cayetana de.

Directors: Arenas Pinilla, Eva.; Cantizano González, Alexis.; Porras Galán, José.

Collaborating institution: ICAI-Universidad Pontificia Comillas.

SUMMARY OF THE PROJECT

The concept of pump-turbine arise from the objective of having a turbomachine

formed by an axial turbine and a radial pump. With this machine is expected to pump in

an autonomous way without the need of an external engine, supplying water to places

which have difficult access to energy. From the designs made in previous projects, the

goal of the actual project is the prototyping of the pump-turbine through techniques of

additive manufacturing. Amongst the fundamental objectives of this project are the design

in 3D of all the parts of this machine, with the aim of having available the files in which

make modifications in an easy and quick way, and is the first step for the manufacturing

of the prototype; the manufacturing of the prototype by SLS and FDM; and, the test of

the machine and the subsequent analysis of the results.

State of the Art

Similar ideas to the pump-turbine have been used lengthwise in the history, with

the hydraulic noria and the spiral pump, and nowadays with the Barsha Pump. The noria

was a device which had a great impact during the Middle Age, therefore allowed to use

the force of a current in the blades of the noria to lift water. It is considered the predecessor

of the actual turbines, hence it uses the force of moving water as a power source. The first

watermills and norias used to have straight blades, afterwards progress to parabolic

blades, thus it was observed that the force of the water was used with more intensity. At

the end of the XVIII century the first turbines appeared and during the Industrial

Revolution had an important role, subsequently the growing interest of producing energy.

In spite of the high efficiency of the turbines in comparison with the watermills, the use

of it was not ended, and in certain places it was used to produce flour of lifting water to

crops. The pump-turbine has a similar objective to the watermill, both use the force of

moving water as a power source. The difference is that the mechanic system of lifting

water used in the noria is replaced by the change of pressure produced in the radial pump

of the pump-turbine.

The Barsha pump is a device invented by a Dutch start-up that have a similar goal

to the pump-turbine. It is about a machine headed for little and middle crops, as a

sustainable alternative to the actual pumps used with the same purpose. The operation of

the Barsha pump is based in a spiral pump which is characterized of having a tube rolled

in a horizontal axis, one of the sides of this tube is open and is immersed in the water one

time per revolution, and consequently part of the spiral is filled of water and the other

part of air. The critical part is considered the rotatory joint needed at the exit of the pump,

thus the pump is rotating while the pipe is static.

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A similar solution was carried out in Zambia, where the Seattle University built a

machine similar to the Barsha pump with the objective of supplying water to a village.

Different options were evaluated, like radial pumps or a hydraulic ram, but the economic

solution was a spiral pump powered up by a watermill.

In the other hand, the additive manufacturing is commencing to be a growing

sector in the area of creating prototypes. It is starting to be a quick way of manufacturing

complex parts like pumps or turbines. Numerous studies have been realised with the goal

of analysing the existing processes of additive manufacturing. An example is the creation

of an impeller of a regenerative pump, which presents a complex geometry, and the

easiest and fastest way of obtaining the prototype was through processes of additive

manufacturing. In this study the impeller was manufactured with different techniques, it

should be pointed out the FDM process which consisted in the use of ABS, a

thermoplastic very resistant. It is heated some degrees over it glass transition temperature,

and when it becomes into contact with the rest of the material it is cooled quickly and is

solidified to the previous layer. Once the layer is completed the platform descend and the

process described is repeated. The conclusion of this study was that this technology was

the only one capable of manufacturing the prototype for a direct use.

Another study carried out was the manufacturing of an impeller from an axial

blood pump, because its complex geometry a way of additive manufacturing was sought

to create the prototypes, such as SLS, SLA or FDM. SLS consists in injecting a layer of

powder and a laser melts the material, once the first layer is completed the platform

descends, repeating this process. The pieces manufactured by SLS does not need bracket

material because the powder acts as a support. The conclusion obtained is the importance

of the placement of the pieces in the machine, thus the direction of the laser affects to the

roughness that appears in the pieces. The pump-turbine has been manufactured by SLS,

and the material used is polyamide. In addition a model of impeller has been made by

FDM, but it has needed a subsequent chemical treatment in acetone to reduce its

roughness and turn it waterproof.

Manufacturing

The pump-turbine consists in an impeller, additionally compounded of an axial

turbine and a radial pump; has also two drums, one at the entry and other at the exit; two

conical covers that reduce the pressure drops; and a volute, for its manufacturing has been

divided into two, and it contains the discharge port.

The first step carried out for the manufacturing of the prototype has been the

creation of all the parts in 3D, the software used has been SolidEdge. The objective of

having accessible files, in which introduce changes, have been accomplished, the second

impeller made by FDM was modified and manufactured in a short period of time.

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Figure 0-1: Impeller designed in SolidEdge

For the prototyping of the pump-turbine a scale of 1/5 has been applied, the reason

why of this scale has been because the dimensions of the real model did not fit in the SLS

printer. Subsequently critical widths, the ones which are difficult to manufacture because

of the tolerance of the 3D machine, have been evaluated.

The difficult parts to manufacture have been the blades of the turbine and the

pump. For the pump blades a function that establish the width for each ratio and angle

has been used. In addition a Göttingen 682 profile has been used for the blades of the

turbine. The design of it has been made for five diameters which divide the flow in a

cylinder, for each diameter the curvature, the chord and attack angle have been obtained.

In the Table 0-1 could be observed the dimensions of the blades for this five diameters,

used in the design of the turbine in SolidEdge.

Diameters (mm) Chord (mm) βe (°) βe(rad)

dc 31,6 44 -37,0 -0,6

dx 50 42 -28,0 -0,5

dm 68,6 38 -23,3 -0,4

dy 87 34 -20,3 -0,4

dp 105,4 32 -17,9 -0,3

Table 0-1: Five diameters used in the turbine design

Another important part of the pump-turbine is the volute, which is in charge of

transforming the kinetic energy in pressure energy. It is a spiral casing with a trapezoidal

section. In the union between the volute and the impeller a labyrinth seal has been made

in order to reduce the intern leakage.

The rest of the parts are the drums at the entry and exit which contain the cavity

for the bearings and give consistency to all the pump-turbine, and contain NACA 0018

blades; and, the conical covers that reduce the pressure drop.

Once all the designs have been made, the prototype has been manufactured by

SLS. In this process is used powder, because of it all the parts of the pieces have needed

9

a cleaning. Finally is important to say that the position of the pieces in the 3D machine is

crucial, in order to make less errors in the fabrication and reduce the roughness of the

pieces.

Figure 0-2: Prototype manufactured by SLS

Test

Two tests have been realised, one that could be called “primitive” in which the

objective was evaluate the behaviour of the pump-turbine after its assembly; and another

test in which a little dam in which the pump has given a height lower than the expected.

Conclusions

In the comparison made between the prototype and the model, the conclusion that

is got is that the pieces manufactured are different to the ones designed in 3D, this is

mainly because the existence of the tolerance in the 3D machine. In addition, the position

of the pieces in the 3D printer has made them to get a higher roughness than the one

expected and also more errors during the manufacturing than the ones committed if the

pieces would have been fabricated in another position. This roughness affects to the

pressure drop. One possible solution is a subsequent treatment of machining or sanding

followed the painting of all the parts, although the complex geometry makes difficult both

treatments, none of them have been applied.

On the other hand, the impeller manufactured by FDM has in addition more

roughness and is not waterproof, this situation is solved by a chemical treatment with

acetone that reduces the material and, subsequently, the leakage is increased.

The pieces fabricated by SLS are made by polyamide which is a material made

from nylon and is characterized for its hardness and fragility. This fragility makes

impossible the reuse of the prototype and the modification of it.

Because the scale applied, some changes have been made from the initial design,

for example the construction of a part in the entry drum which its function is dividing the

10

flow that entries to the turbine and to the pump. Because its width after applying the scale

a decision of not manufacturing it was made, and it has resulted to be crucial in the

behaviour of the pump. Because its absence the flow that entries to the pump has one

more component, instead of having only a radial flow which is characteristic of this radial

pump.

During the test, the pump has given a height lesser than the expected, this is

because the absence of the part described and because the leakage flow is higher than the

pump flow.

Finally, a good materials distribution has been accomplished, hence the impeller

is equilibrated. In addition, having accessible 3D designs, the geometry can be easily

changed and manufacture again the prototype in an easy and cheaper way.

References

[1] Tailer, Peter. Lukertech. The Spiral Pump. [En línea]

http://lurkertech.com/water/pump/tailer/.

[2] Mataix, Claudio. 2009. Turbomáquinas Hidráuilcas: Turbinas hidráulicas,

bombas y ventiladores. Madrid : Publicaciondes de la Universidad Pontificia

Comillas, 2009. ISBN.

ÍNDICES

I

UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI)

INGENIERO ELECTROMECÁNICO

Tabla de contenido

DOCUMENTO I. MEMORIA DESCRIPTIVA .......................................................... 2

Capítulo 1. INTRODUCCIÓN Y ALCANCE DEL PROYECTO ........................... 2

1.1. Descripción del proyecto .................................................................................. 2

1.2. Alcance de proyecto ............................................................................................ 3

Capítulo 2. ESTADO DE LA CUESTIÓN .............................................................. 4

2.1. Introducción ........................................................................................................... 4

2.2. Aplicaciones ........................................................................................................... 4

2.2.1. Rueda hidráulica ....................................................................................... 4

2.2.2. Bomba Barsha y soluciones similares .............................................. 7

2.2.3. Diseños patentados ...............................................................................11

2.3. Estado del arte en Fabricación aditiva .......................................................13

2.3.1. Aspectos generales de fabricación aditiva....................................13

2.3.2. Mejora del acabado superficial .........................................................18

Capítulo 3. DISEÑO DEL RODETE Y VOLUTA ............................................... 20

3.1. Descripción inicial .............................................................................................20

3.2. Diseño del rodete de la turbina ....................................................................20

3.2.1. Introducción .............................................................................................20

3.2.2. Datos de partida ......................................................................................21

3.2.3. Diseño del rodete en SolidEdge ........................................................23

3.3. Diseño del rodete de la bomba .....................................................................26

3.3.1. Introducción .............................................................................................26

3.3.2. Datos de partida ......................................................................................27

3.3.3. Diseño en SolidEdge ..............................................................................29

3.4. Diseño de la voluta ............................................................................................33

3.4.1. Introducción .............................................................................................33

3.4.2. Datos de partida ......................................................................................34

3.4.3. Diseño en SolidEdge ..............................................................................36

Capítulo 4. DISEÑO DE LOS TAMBORES, TAPAS DE ENTRADA Y SALIDA Y DEMÁS ELEMENTOS CONSTRUCTIVOS ...................................................... 40

4.1. Tambores de entrada y salida .......................................................................40

4.2. Tapas de entrada y salida ...............................................................................41

ÍNDICES

II



4.3. Rodamientos ........................................................................................................42

4.4. Conjunto ................................................................................................................43

Capítulo 5. FABRICACIÓN, ENSAYO, CONCLUSIONES ................................ 46

5.1. Fabricación del prototipo ...............................................................................46

5.1.1. Medidas de las distintas partes de las piezas ..............................49

5.2. Ensayo ....................................................................................................................49

5.3. Conclusiones y actuaciones futuras ............................................................51

Capítulo 6. REFERENCIAS ................................................................................ 54

DOCUMENTO 2. ANEJOS ................................................................................... 56

ANEJO I: Cálculos para el diseño del rodete y de la voluta ........................ 58

ANEJO II: Mediciones de las distintas partes de las piezas ........................ 70

DOCUMENTO 3. PLANOS .................................................................................. 72

ÍNDICES

III



Índice de Figuras

Figura 2-1: Noria de Alcantarilla (Murcia)[22] .......................................................... 5

Figura 2-2: Partes de una noria hidráulica [14] ......................................................... 6

Figura 2-3: Noria de Rosario [22] .................................................................................... 6

Figura 2-4: Bomba Barsha [3] ........................................................................................... 8

Figura 2-5: Tornillos de Arquímedes [32] ................................................................... 9

Figura 2-6: Bomba Barsha sobre los flotadores [19] ............................................... 9

Figura 2-7: Bomba espiral [17] ......................................................................................10

Figura 2-8: Primera bomba instalada en Zambia de madera [20] ....................11

Figura 2-9: "Pump Turbine" patente de 1989 [24].................................................12

Figura 2-10: Ejemplo de proceso FDM [26] ..............................................................14

Figura 2-11: Prototipos de álabes fabricados en FDM [18].................................15

Figura 2-12: Sinterizado Láser Selectivo [31] ..........................................................16

Figura 3-1: Desarrollos cilíndricos................................................................................22

Figura 3-2: Perfil Göttingen 682 [23] ...........................................................................22

Figura 3-3: Perfil dc en los ejes iniciales .....................................................................23

Figura 3-4: Perfil dc transformado con su ángulo de ataque ..............................24

Figura 3-5: Perfiles de los desarrollos cilíndricos en su correspondiente centro de giro ........................................................................................................................24

Figura 3-6: Perfiles a los distintos diámetros sobre una base cilíndrica en SolidEdge.................................................................................................................................25

Figura 3-7: Rodete de la turbina ....................................................................................26

Figura 3-8: Rodetes de la Bomba-Turbina con su eje y troncos cónicos ........27

Figura 3-9: Dimensiones de una bomba radial [25] ...............................................28

Figura 3-10: Primera parte de la bomba en SolidEdge .........................................30

Figura 3-11: Álabes cilíndricos en coordenadas x e y en mm ............................31

Figura 3-12: Rodete de la bomba con los álabes extruidos .................................32

Figura 3-13: Vista en corte rodete de la bomba .......................................................32

Figura 3-14: Voluta completa y cortada por su mitad en SolidEdge ...............33

Figura 3-15: Caja espiral y tubo difusor ......................................................................34

Figura 3-16: Caja espiral sección trapezoidal ...........................................................34

Figura 3-17: Unión entre las dos partes de la voluta .............................................35

Figura 3-18: Boceto trapecio a un determinado θ ..................................................37

Figura 3-19: Voluta con los 15 bocetos .......................................................................37

ÍNDICES

IV



Figura 3-20: Voluta con la espiral y cono difusor....................................................38

Figura 3-21: Vista delantera y trasera de la voluta de salida .............................38

Figura 4-1: Perfil NACA 0018 [23] ................................................................................40

Figura 4-2: Vista del tambor de entrada .....................................................................41

Figura 4-3: Vista del tambor de salida .........................................................................41

Figura 4-4: Tapas entrada y salida ................................................................................42

Figura 4-5: Rodamientos en el conjunto .....................................................................42

Figura 4-6: Cierres laberínticos ......................................................................................43

Figura 4-7: Posición de la tuerca en la voluta ...........................................................43

Figura 4-8: Ubicación de la tuerca en un tambor ....................................................44

Figura 4-9: Conjunto ...........................................................................................................45

Figura 5-1: Líneas de fabricación ..................................................................................46

Figura 5-2: Canal de sellado en la voluta de salida .................................................47

Figura 5-3: Voluta ensamblada en el tambor de salida .........................................47

Figura 5-4: Bomba-turbina con prueba de pintura ................................................48

Figura 5-5: Rodete fabricado mediante FDM ............................................................49

Figura 5-6: Presa [29] ........................................................................................................50

Figura 5-7: Prototipo en el ensayo "primitivo" ........................................................51

Figura 5-8: Prototipo siendo ensayado en la minipresa .......................................51

Figura 5-9: Tubuladura [29] ............................................................................................52

Figura A- 1: Ejes en el cilindro ........................................................................................62

Índice de Tablas

Tabla 3-1: Datos de partida en el diseño ....................................................................23

Tabla 3-2: Datos de partida para el trazado de los álabes cilíndricos .............29

Tabla 3-3: Espesor “s” en coordenadas cartesianas ...............................................30

Tabla 3-4: Curvas de los álabes importadas a SolidEdge .....................................31

Tabla 3-5: Datos de diseño de la caja de sección trapezoidal .............................36

Tabla A- 1: Ángulos de entrada para el diseño actual ...........................................60

ÍNDICES

II



Tabla A- 2: Cálculos hechos para dc .............................................................................63

2

DOCUMENTO I.

MEMORIA DESCRIPTIVA

INTRODUCCIÓN Y ALCANCE DEL PROYECTO

2



Capítulo 1.


1.1. Descripción del proyecto

El objetivo de la bomba-turbina es tener una turbomáquina combinada, es decir, disponer de una bomba autónoma que no necesite energía externa. La bomba-turbina está formada por un rodete; dos tambores, uno de entrada y otro de salida; una voluta, con su respectivo cono difusor; y dos tapas cónicas, siendo una de entrada y otra de salida que reducen las pérdidas de carga.

El rodete de esta máquina se compone a su vez por el rodete de una turbina axial y por el de una bomba radial, que se encuentran acoplados en un solo eje. La máquina aprovecha un pequeño salto de agua que acciona el rodete de la turbina. Como el rodete de la bomba y turbina comparten el mismo eje, el movimiento de ésta provoca la rotación de la bomba; por lo que ambos rodetes se encuentran integrados en el mismo cuerpo, girando a la misma velocidad. Las altas velocidades periféricas necesarias para que una bomba radial funcione adecuadamente, se consiguen situando la bomba en la periferia de la turbina, con lo que girando a la misma velocidad que ésta, las velocidades tangenciales son mayores.

La potencia mecánica de la turbina se aprovecha en su totalidad para mover a la bomba. En la parte central de la máquina se encuentra la turbina axial, que transforma la energía del fluido en energía mecánica.

Un ejemplo de aplicación de las bombas en la actualidad es proporcionar agua a cultivos, accionadas con un motor externo, ya sea energía solar, motores de gasolina o diésel, o motores eléctricos. La bomba-turbina no necesita ese aporte externo de energía ya que es el fluido que atraviesa la turbina el que acciona la máquina. Con ello, se podrá abastecer agua, ya sea para cultivos o consumo propio, a poblaciones que no tengan fácil acceso a la electricidad. Al quitar el motor externo que accionaría la bomba, se obtiene una máquina autosuficiente desde el punto de vista energético, con lo que se contribuye al objetivo global de reducir las emisiones de CO2.

El proyecto actual surge a partir de diseños conceptuales realizados en proyectos anteriores y tiene los siguientes objetivos:

Preparación del diseño existente para la realización de las piezas mediante fabricación aditiva, y disponer de unos diseños accesibles para poder realizar modificaciones en ellos de una manera rápida y sencilla.

El diseño en CAD de todas las partes de la bomba-turbina; el software que se utiliza es SolidEdge.

La fabricación del prototipo. El ensayo de la bomba-turbina.


3



El correspondiente análisis del comportamiento del prototipo en los ensayos.

A lo largo de todo el proyecto se han tenido que tomar una serie de decisiones, con el objetivo de facilitar su fabricación y ahorrar material.

1.2. Alcance de proyecto

Como ya se ha mencionado, este proyecto surge a partir de un diseño conceptual previo. Se ha utilizado la geometría ya diseñada y se ha aplicado una escala para la fabricación del prototipo. El proyecto tiene como objetivo fundamental llevar a la realidad los cálculos existentes, mediante la fabricación del prototipo con el objetivo de analizar su funcionamiento y ver si cumple con los requisitos teóricos mediante un ensayo.

El proyecto ha comenzado con los diseños en 3D de las distintas partes que componen el conjunto, el cual se describe con mayor detalle en el Capítulo 3 y en el Capítulo 4. A lo largo de la realización del proyecto se han ido tomando decisiones de cara a la fabricación del prototipo, ya que hay detalles que no se tienen en cuenta en su diseño pero de cara a la fabricación son cruciales. El software de diseño utilizado ha sido SolidEdge. Una parte muy importante del proyecto ha estado determinada por las continuas modificaciones del diseño conceptual que se han hecho debido a la escala de fabricación, impuesta por la impresora 3D utilizada.

Una vez que se han tenido los diseños en CAD, se han verificado todas las tolerancias, ajustándolas a la máquina que se iba a utilizar para la fabricación del prototipo. Por un lado se ha utilizado tecnología SLS y como material poliamida, y por otro FDM utilizando ABS.

Con el prototipo ya fabricado, se ha procedido al ensamblaje. Se han tomado medidas, para analizar si la bomba-turbina cumple con las tolerancias establecidas y si coinciden con el diseño 3D de las piezas. También se han llevado a cabo ensayos preliminares con el objetivo de evaluar el diseño, todo ello se especifica detalladamente en el Capítulo 5.

ESTADO DE LA CUESTIÓN

4



Capítulo 2.


2.1. Introducción

El concepto de bomba-turbina surge de la idea de poder bombear un fluido sin la necesidad de una fuente externa que proporcione la energía eléctrica o mecánica necesaria. Ideas similares se han encontrado a lo largo de la historia, desde la rueda hidráulica utilizada en la Edad Media, hasta la creación de la “bomba espiral”, cuyos funcionamientos se describirán a continuación.

Por otro lado, lo que se quiere conseguir es un prototipo que poder ensayar en el laboratorio y, para ello se utilizará un proceso de fabricación aditiva. Por ello, se recogen también en este capítulo distintos proyectos, cuyo objetivo es la obtención de un prototipo de rodete de bomba mediante este tipo de proceso de fabricación.

2.2. Aplicaciones

2.2.1. Rueda hidráulica

Se trata de un artilugio que tuvo un gran impacto durante la Edad Media y Renacimiento. Se considera el antecesor de las turbinas actuales, ya que utiliza la fuerza de una corriente de agua para moverse y la transforma en trabajo mecánico. La rueda hidráulica tenía diferentes funciones, desde mover batanes o molinos de harina hasta bombear agua. Éste es el caso de las norias hidráulicas, que tienen un funcionamiento similar a la bomba-turbina, ya que ésta aprovecha la fuerza de la corriente de un río y la transforma en energía mecánica utilizada para bombear.

El invento se atribuye a Filón de Bizancio en el siglo III a. C., siendo Marco Vitrubio Polión, ingeniero y arquitecto, quien hizo una descripción detallada de la rueda y de sus aplicaciones. Los griegos la utilizaban para elevar agua y los romanos extendieron su uso, extrayendo agua de las minas. Arquímedes estableció el principio por el cual palancas más largas reducen la fuerza necesaria, principio que se utilizó en las ruedas hidráulicas.

Los árabes tomaron el invento e introdujeron una serie de cambios y mejoras para adaptar las norias al regadío. Las hicieron más ligeras con el objetivo de que pudieran ser movidas por un caudal menor de agua. Los romanos y árabes la expandieron por la Península Ibérica. En Murcia, por ejemplo, se utilizaron desde el siglo VIII y hay datos de que en el siglo XVIII había más de un centenar de norias instaladas en la huerta murciana. También en la Península, existieron norias hidráulicas en Aragón, en Huelva o Segovia [22].


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Figura 2-1: Noria de Alcantarilla (Murcia)[22]

Las primeras norias tenían los álabes rectos; con el tiempo evolucionaron hacia una forma parabólica, ya que se observó que captaban con mayor intensidad la corriente de agua, pudiendo bombear una cantidad mayor, permitiendo construir norias más grandes. Las norias más antiguas estaban hechas de madera, pero en el siglo XIX se empezaron a construir norias de hierro, haciéndolas, por tanto, más resistentes y duraderas.

El funcionamiento de estas norias se basa en que la rueda gira por acción de una corriente de agua incidiendo sobre las paletas. Entre paleta y paleta se encuentran lo que se llama cangilones, que son recipientes encargados de recoger el agua y elevarla. La capacidad de éstos varía de las norias pequeñas, entre 2-3 litros a las norias grandes, que podían llegar a tener una capacidad mayor de 30 litros. Con el movimiento de la rueda, subían llenos de agua, lo depositaban en el nivel superior descendiendo ya vacíos. Un dato curioso, es que al descender vacíos y entrar en contacto con el agua, estaban llenos de aire, lo que provocaba cierta resistencia en el llenado. Este pequeño inconveniente se resolvía haciéndoles un pequeño orificio en la parte inferior para dejar escapar el aire que tenían dentro.


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Por otro lado, existían otros tipos de norias, las de rosario, que no tenían los cangilones incrustados entre los álabes de la noria, sino que estaban unidos mediante un cable y así podían descender a mayor profundidad y bombear mayor cantidad de agua. Siguen en uso en algunos lugares.

Figura 2-3: Noria de Rosario [22]

A finales del siglo XVII, Parent, físico y matemático francés, estudió por primera vez el funcionamiento de las ruedas hidráulicas, prediciendo la relación existente entre la velocidad de la corriente de agua y la rueda. Sin embargo, hasta Euler, las turbomáquinas no se desarrollaron, publicando en 1754 la ecuación fundamental de las mismas. Posteriormente, Claude Burdin, en el siglo XIX, utilizó por primera vez la palabra “turbina” y un discípulo suyo, Benoit Fourneyron, construyó la primera turbina hidráulica en 1827. Fue un éxito ya que se necesitaba una máquina que aprovechase saltos de agua mayores que la rueda hidráulica. Entre varios diseños anteriores al siglo XX, que surgieron después del de Fourneyron, cabe

Figura 2-2: Partes de una noria hidráulica [14]


7



destacar la turbina desarrollada por Girard en 1851 que tuvo una gran difusión en Europa.

La energía hidráulica tuvo un papel muy importante durante la Revolución Industrial, como impulsora de la industria textil y talleres de construcción de máquinas. Por ello se empezaron a utilizar las turbinas con el objetivo de producir energía eléctrica y no de bombear.

Aunque el rendimiento de las turbinas era mucho mayor que el de las ruedas, su uso no se extinguió completamente; por ejemplo en Gran Bretaña, se seguían utilizando en los cultivos de los pequeños productores, ya que estas ruedas tenían un amplio uso, desde bombeo de agua para regadío hasta para moler el grano. Por ello, actualmente las ruedas hidráulicas siguen utilizándose como molinos de grano. Como ya se ha mencionado las antiguas ruedas hidráulicas eran de madera, pero las actuales se fabrican de acero. La razón de su funcionamiento en la actualidad se debe a que en algunos casos sigue siendo una máquina rentable, y a veces, en los lugares donde se encuentran se sustituyen por turbinas dando lugar a una pequeña central hidroeléctrica.

Las ruedas hidráulicas tienen grandes desventajas: presentan un rendimiento bajo, pequeñas potencias y velocidades de rotación muy lentas. Por ello generalmente han sido sustituidas por las turbinas hidráulicas.

La bomba-turbina objeto de este proyecto tiene el mismo objetivo que la rueda hidráulica. Con ella se pretende utilizar la fuerza de una corriente de agua y transformarla en energía mecánica, utilizándola para bombear. La rueda hidráulica utiliza un sistema de elevación de agua mecánico, mediante cangilones, a diferencia de ella, la bomba-turbina produce un cambio de presión mediante el que se causa la “elevación del agua”.

La bomba-turbina es una máquina con unas dimensiones menores que la rueda hidráulica en relación con la altura de agua que se espera obtener. Por ello, la bomba-turbina tiene un rendimiento y una velocidad de giro mayor que la rueda hidráulica.

2.2.2. Bomba Barsha y soluciones similares

Un desarrollo actual que persigue un objetivo similar a las ruedas hidráulicas y a la bomba-turbina es la bomba Barsha.

La bomba, que pertenece a una start-up holandesa, ha sido nombrada recientemente como la bomba más innovadora que utiliza energía limpia de Europa. Se presenta como una alternativa sostenible a las bombas actuales utilizadas en los cultivos y está fundamentalmente destinada a pequeños y medianos productores agrícolas.


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Figura 2-4: Bomba Barsha [3]

La bomba Barsha se caracteriza porque no necesita una fuente externa para bombear, es decir, es capaz de elevar el agua sin necesidad de los motores externos que se vienen utilizando desde hace tiempo. La estructura de esta bomba, que está patentada, permite impulsar el agua y bombearla hasta una distancia de 3 km desde el río, proporcionando agua para los cultivos.

Se presenta como una alternativa en zonas sin acceso a electricidad para sustituir las bombas que usan motores diésel, gasolina o energía solar. Los motores diésel tienen una inversión inicial baja, pero con el tiempo tienen problemas de mantenimiento y tienen necesidad de repostaje de diésel, lo que hace que a la inversión inicial se sumen más costes. Por otro lado, las bombas accionadas con energía solar requieren una inversión inicial mucho mayor y, en el caso de reparación, una persona cualificada. Por eso, la Bomba Barsha se ha impuesto como una alternativa más barata y sin costes de operación y mantenimiento.

El funcionamiento de esta máquina se basa en un principio antiguo, el tornillo de Arquímedes y la noria hidráulica, dando lugar a la bomba espiral, cuyo invento se asocia a H. A. Wirtz en 1746. El principio de Arquímedes se basa en el movimiento de un tornillo sin fin en una carcasa hueca, utilizado para elevar agua desde hace miles de años. El problema del tornillo de Arquímedes es que solo funciona con un ángulo de inclinación y, de la misma manera que pasa con la rueda hidráulica, no puede elevar agua por encima de su propia estructura. Estos inconvenientes se solucionan con la bomba espiral, que puede trabajar de forma vertical y elevar agua, en función de su diseño, una altura mayor o menor.


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Figura 2-5: Tornillos de Arquímedes [32]

Dentro de la bomba Barsha, se ha implantado la bomba espiral. Esta bomba se coloca en un río sobre unos flotadores. Las paletas se mueven por acción de la corriente, y como dentro de su carcasa tiene instalada la bomba espiral el agua comienza a ser bombeada.

Figura 2-6: Bomba Barsha sobre los flotadores [19]

La bomba espiral está formada por un tubo enrollado en un eje horizontal. Uno de los lados finales del tubo está abierto, y se sumerge en el agua una vez por revolución. Con ello, como se puede ver en la Figura 2-7, en una vuelta parte de la espiral se llena de agua, y otra parte queda llena de aire. Con cada revolución de la rueda, el aire se comprime en cada círculo de la espiral. De esta manera, se va sumando una altura de presión que hace expulsar el agua en el extremo interior del tubo enrollado que coincide con el centro de la espiral. El círculo donde se encuentra la entrada de agua es mayor que el de salida, el diámetro de entrada se puede variar en función de la altura de agua que se quiera bombear.


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Como se ve, su funcionamiento es sencillo. La parte más crítica se considera la articulación giratoria que necesita a la salida, ya que la bomba sigue girando mientras la tubería que recoge el agua permanece quieta. Por otro lado, sus inconvenientes son que la altura de bombeo, aun mejorando la del tornillo sigue siendo pequeña y que bombea de manera intermitente, no continua, al ser una bomba volumétrica.

Este proyecto se relaciona con la bomba-turbina en el sentido de que ambos no necesitan una fuente externa, ya sea un motor externo o energía solar, para accionar la bomba. Los dos proyectos radican en que utilizan energía mecánica que se transforma para utilizarla en el bombeo de agua.

Una solución similar se llevó a cabo en el año 2011 por la Universidad de Seattle en Zambia. El objetivo era poder proporcionar agua a los habitantes de Chirindu situada cerca del rio Zambezi, con aproximadamente 7.000 habitantes. En época de sequía los habitantes de la ciudad riegan sus cultivos mediante cadenas humanas desde el río, con el peligro de que hay cocodrilos y han muerto por ataques. Por ello, se ha buscado una solución para que se pueda regar sin sufrir peligro, mediante una bomba sostenible, accionada por el río; barata; y que pueda ser mantenida por los habitantes de Chirindu. La bomba debía de proporcionar una altura de 10 metros y un caudal de 7,2 l/min.

Para cumplir con los requisitos se valoraron distintas bombas. Desde bombas centrífugas accionadas mediante ruedas hidráulicas, que no se podrían usar por la diferencia de velocidades de rotación, hasta una bomba de ariete que no proporcionaba la altura deseada. Por ello se decidió usar una bomba espiral

Figura 2-7: Bomba espiral [17]


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accionada mediante una rueda hidráulica. El diámetro de entrada de la bomba suele ser mayor que el resto de la espiral, para aumentar el caudal bombeado, y se puede regular en función de la cantidad de agua que se necesite.

Para el proyecto de Zambia se construyeron varios prototipos, llegando a la conclusión que los álabes de la rueda hidráulica debían de ser curvos para evitar el peso del agua que influía en los álabes al salir del agua. También en este proyecto se llegó a la conclusión que había que añadir un cojinete que soportara el esfuerzo axial.

Figura 2-8: Primera bomba instalada en Zambia de madera [20]

Finalmente, se construyó una bomba real en Zambia de madera, que no aguantó en el agua y, después de una segunda bomba que tuvo problemas con la articulación giratoria se construyó una tercera en acero resolviendo todos los problemas. La bomba actualmente proporciona agua a 200 residentes, no a toda la población por lo que se plantea en instalar otra, aunque su coste de fabricación ha superado el esperado, llegando a los $3.000.

El prototipo de la bomba-turbina se va a fabricar en poliamida y el modelo real diseñado es de acero. Como ya se ha mencionado, en vez de tener una rueda hidráulica, utilizada en los dos diseños descritos, está formada por una turbina axial. La bomba-turbina se diferencia de la bomba Barsha en que utiliza una bomba centrífuga en vez de espiral. Al utilizar una turbomáquina, en vez de una bomba volumétrica como la bomba espiral, se resuelve el bombeo intermitente causado por tener en la espiral aire y agua.

2.2.3. Diseños patentados

Existe una patente de 1989 que consiste en un proceso industrial en el que un fluido es bombeado a alta presión y parte de él es descargado a esa presión. Entonces se implanta una turbina por la salida del fluido descargado, provocando su movimiento. Una bomba radial se posiciona de forma adyacente al rodete de la


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turbina, compartiendo el mismo eje por lo que la rotación de la turbina causa el movimiento de la bomba. De esta manera, la bomba proporciona fluido por debajo de la presión inicial y recupera energía del fluido descargado a alta presión. La bomba-turbina se diferencia de este diseño en que tiene una bomba radial situada en la periferia de la turbina, mientras que la patente que se describe, una de ellas se sitúa de manera adyacente a la otra como se puede observar en la siguiente Figura 2-9.

Figura 2-9: "Pump Turbine" patente de 1989 [24]

Se han encontrado numerosas patentes con el nombre de “Pump Turbine” o “Turbine Pump”, pero se trata en la mayoría de máquinas reversibles y de procesos de osmosis inversa.


13



2.3. Estado del arte en Fabricación aditiva

2.3.1. Aspectos generales de fabricación aditiva

El prototipado rápido en la fabricación de modelos a escala de bombas o turbinas es un sector que actualmente se encuentra en crecimiento. Este método se empieza a utilizar como un modo rápido de creación de prototipos. Comienza a ser una solución rápida, eficaz y de calidad para el prototipado de piezas. El prototipado rápido se refiere a procesos, entre los que están los de fabricación mediante fresadora de 4 o 5 ejes, que consiste en la eliminación de material, o procesos innovadores, como los de fabricación aditiva que se explicarán con detalle a continuación.

Actualmente, al decir prototipado rápido se está haciendo referencia a todos los procesos innovadores, entre los se encuentran las impresoras 3D. Se van a describir diferentes procesos disponibles para la fabricación de prototipos, con el objetivo de analizar las distintas alternativas de cara al prototipado de la bomba-turbina.

En los últimos años el área de fabricación aditiva está creciendo mucho, un detalle es que el precio de las máquinas se va reduciendo progresivamente. Este crecimiento se debe a su rapidez para hacer prototipos, así como su menor precio frente a otros procedimientos de prototipado.

Un ejemplo de aplicación del prototipado rápido es la fabricación del prototipo de un rodete de una bomba regenerativa [13]. Debido a la forma compleja del rodete y el acabado superficial que se necesitaba, se buscó un método de fabricación que pudiera reproducir la forma de manera rápida, eficiente y barata, así que se llegó a la conclusión que el prototipado rápido sería una buena solución.

Hace tiempo el proceso de fabricación de prototipos era largo y complejo. En un primer momento se hacía un modelo en madera y se requería el trabajo de un experto para reproducir los planos y llevarlos a la realidad. A todo esto se sumaba que, para la fabricación de prototipos de rodetes, los álabes de la turbina tienen una forma muy compleja y necesitan una dureza y un acabado superficial específico. En el proyecto de la bomba regenerativa, se hace una comparativa de los distintos modos de prototipado rápido que existen, entre ellos, fresadora, FDM (Modelado por Deposición Fundida, siglas en inglés) o 3D printing.

Como ya se ha comentado, en los últimos años el término de prototipado rápido hace referencia a los métodos innovadores de adición de material como el 3D printing o impresoras FDM, procesos que permiten la creación de prototipos con formas complejas, como es el caso del rodete de la bomba regenerativa o de la bomba-turbina. Por otro lado, al hablar de prototipado rápido, también se hace


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referencia a los procesos de eliminación de material, como la fresadora de control numérico.

La comparativa hecha comienza con la fabricación del rodete de la bomba regenerativa mediante fresadora de 4 ejes. La geometría compleja de los álabes y el volumen pequeño creado entre ellos, hacen que los 4 ejes no sean suficientes para fabricar el rodete. A esto se suma que para evitar desequilibrios en la máquina y mecanizarla simétricamente hay que dar la vuelta continuamente a la pieza y reajustar la máquina. Todo esto implica mucho más tiempo y, por consiguiente, una subida de coste además de los posibles errores de fabricación que se pueden llegar a cometer.

Otro proceso que se analizó para fabricar el prototipo fue el 3D printing. Una vez se tiene el objeto diseñado en un software se puede llevar a la máquina, fácil de usar y asequible, y la pieza se va creando con un polvo hecho de plástico, almidón de maíz o resina, que se va compactando con un adhesivo. Después el rodete se recubre con el objetivo de aumentar su resistencia y evitar su desmoronamiento. Pero, aun después del cubrimiento el rodete sigue siendo frágil.

El siguiente proceso que comparan es FDM, que consiste en la utilización de material caliente, un poco por encima de su punto de transición vítrea, que se deposita en una plataforma con soportes. Al calentarlo unos grados por encima de su punto de fusión el material se enfría rápidamente, y se queda solidificado sobre la capa anterior. Una vez la capa está completa la plataforma se desplaza hacia abajo y el proceso se repite. Se pueden utilizar distintos materiales en FDM, como policarbonatos o ABS, que es un termoplástico muy resistente. También se pueden utilizar soportes temporales solubles en el agua para crear la pieza.

Figura 2-10: Ejemplo de proceso FDM [26]


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La conclusión del estudio llevado a cabo fue que la única tecnología capaz de fabricar el prototipo para un uso directo fue FDM. Si es verdad que el rodete no pudo soportar todo el ensayo y acabó rompiéndose, por ello se concluyó que el método más barato y eficiente para llevar el prototipo a cabo sería una combinación de métodos entre FDM y un proceso de fabricación rápida con herramientas [13].

El otro estudio consistió en diseñar, fabricar y ensayar 30 prototipos de álabes de una turbina de impulso, de una manera barata e intentando reducir tiempo de fabricación. El objetivo principal del estudio fue fabricar los prototipos de alta calidad y con unas características específicas [18].

Después de evaluar distintos métodos de prototipado rápido, como moldeo en arena, moldeo a la cera perdida, fresadora con control numérico o FDM, se llegó a la conclusión que el método con el que se ahorraban más tiempo teniendo buenos acabados superficiales y reduciendo así el coste de los álabes sería FDM. Así que se empleó este método para la fabricación de los prototipos de los álabes utilizando ABS.

FDM se trata de una técnica que permite la fabricación de prototipos con formas complejas. La tolerancia que se obtuvo fue de centésimas de milímetros y el acabado superficial fue del orden de micras. También el ahorro de material fue del orden del 45%, que se tradujo en un ahorro de tiempo y de dinero.

Otro proyecto llevado a cabo en el 2003 por la Universidad de Singapur [5] fue fabricar un prototipo de rodete de bomba axial de sangre. En este caso vuelven a aparecer las características que llevan a fabricar el prototipo mediante procesos de prototipado rápido. Se trata de una máquina con una geometría compleja, de pequeño tamaño; la tolerancia de la bomba es muy importante, ya que la máquina

Figura 2-11: Prototipos de álabes fabricados en FDM [18]


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está diseñada para evitar problemas con la sangre; y, por último, lo que se busca, como en todos los procesos, es reducir el tiempo de fabricación y su coste.

Esto último, hasta ahora, han sido los dos primeros problemas que han llevado a buscar nuevas formas de fabricación de prototipos, con el objetivo principal de reducirlos. Normalmente, para los prototipos de bombas de sangre se han utilizado máquinas de 5 ejes con control numérico, lo que implica un aumento de tiempo y de coste en el proceso de fabricación.

El proyecto de la Universidad de Singapur, ha intentado analizar distintas formas de prototipado rápido con esos objetivos. Los procesos analizados fueron cuatro:

El primero fue SLS (Sinterizado Selectivo por Láser, siglas en inglés), proceso que consiste en inyectar una capa de polvo y a continuación un láser que hace que se derrita, adhiriéndose así a la capa inferior. Una vez la capa está hecha, la plataforma que sustenta, desciende y el proceso se repite hasta que la pieza está completa. Este proceso no necesita de material de soporte, ya que el propio polvo ejerce de apoyo [30]. Con este proceso se obtienen unas tolerancias de ± 0,1 −0,2 𝑚𝑚 .Al terminar la pieza, ésta tiene que reforzarse con procesos de envejecimiento para dar resistencia a la pieza, porque suelen ser materiales muy duros pero frágiles. Con este proceso se pueden utilizar distintos tipos de materiales, para el proyecto que se relata se utilizó un material de nylon, mientras que para el proyecto actual de la bomba-turbina el material es poliamida, a base de nylon.

Figura 2-12: Sinterizado Láser Selectivo [31]

El siguiente proceso que analizaron fue SLA (proceso de

estereolitografía), que utiliza un polímero sensible a la luz ultravioleta como material base. Se inyecta el material en forma líquida y a continuación un láser hace que se solidifique. Cuando una capa está


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completa, la plataforma que sustenta la pieza desciende, y el proceso continúa.

El tercer proceso analizado fue MMII, Model Maker II, nombre de la máquina utilizada. Proceso que consiste en una técnica de deposición de gotas con dos cabezas que inyectan material, una aporta el material base y la otra el material que sirve de soporte y que luego se disuelve.

El último proceso que utilizaron fue FDM que ya se ha descrito anteriormente.

La conclusión a la que llegaron [5] fue que el único proceso que no había sido capaz de reproducir todos los detalles del rodete fue SLA. Mediante el resto de procesos todas las partes se habían fabricado correctamente, especialmente MMII por el cual la compleja geometría del rodete se había reproducido de una muy buena manera. El problema del proceso MMII, fue que las partes de la pieza eran muy frágiles y el prototipo se rompió fácilmente. En cambio, el resto de rodetes presentaron una buena resistencia.

La siguiente característica analizada fue el acabado superficial, que es del orden de micras, siendo menor con MMII (12µm), por lo que se puede utilizar directamente para moldeo a la cera perdida sin necesidad de mejorar su acabado superficial.

El proceso elegido para fabricar 5 prototipos de rodetes por sus características, coste y tiempo fue SLS. Posteriormente analizaron el acabado superficial en función de la orientación de fabricación de los rodetes. El rodete fabricado en orientación Z, con el láser en la dirección axial, fue el que mejor resultados de presión obtuvo para distintos caudales. La calidad superficial fue mayor en los rodetes fabricados en orientación Z que en la X e Y. Si es verdad, que mejorando calidad superficial de todos los rodetes se obtienen mejores resultados en los ensayos.

Por último, en el proyecto actual, se ha buscado una manera rápida, eficaz y barata de crear el prototipo con objetivo de analizarlo. En un primer momento se pensó en hacer el prototipo mediante FDM. Este proceso se caracteriza por producir piezas muy resistentes, pero con una rugosidad muy alta y no estancas al agua, lo que hace que tengan que ser bañadas en acetona para reducir esa rugosidad y volverlas resistentes al agua. Además, el tamaño permitido por esta impresora era muy restrictivo, y no se pudieron fabricar mediante FDM todos los componentes, ya que por ejemplo la voluta no cabía aunque se aplicase la escala de la que se habla en el Capítulo 3. Por otro lado, al tener que someter las piezas a este baño de acetona, se pierde una pequeña cantidad de material, que puede provocar la aparición de holguras en determinadas partes de la pieza que no son deseadas, por ejemplo en


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los contactos con los rodamientos o en el cierre laberíntico, descrito en capítulos posteriores. Todo esto se suma a la necesidad de eliminar el material de soporte, y que la zona de la bomba es complicada, ya que está sellada y no tiene un acceso libre. Por todo ello, no se ha elegido este proceso, aunque sea el más económico, para fabricar todos los componentes, ya que se ha utilizado solamente para fabricar un modelo de rodete.

Finalmente, el proceso elegido para fabricar todos los componentes ha sido SLS con poliamida, a causa de las tolerancias ajustadas que ofrece y que permite la obtención de piezas resistentes y estancas. La poliamida es un material con buenas características mecánicas pero con rugosidad alta.

2.3.2. Mejora del acabado superficial

Los dos parámetros que más influyen en la pérdida de energía en turbomáquinas son el número de Reynolds y la rugosidad superficial (Ɛ/D). La pérdida de energía se debe a la pérdida de presión en los espacios entre el rodete y la voluta, la fricción de disco y fugas, así como pérdidas mecánicas.

En general, al usar fabricación aditiva, a medida que las paredes de los prototipos fabricados son más delgadas, su calidad superficial es mejor [10]. Hay numerosos estudios cuyo propósito es mejorar el acabado superficial sin comprometer el coste y tiempo de fabricación. La principal conclusión a la que se ha llegado es que la orientación de las partes durante su fabricación influye en el acabado superficial.

Actualmente, debido a la creciente demanda de piezas fabricadas mediante procesos de fabricación aditiva en sectores como el aeroespacial, el automovilístico o el sector médico, se está invirtiendo mucho en mejorar los materiales que se usan, las tolerancias de las máquinas o el acabado superficial [11].

De las técnicas de fabricación aditiva la más estudiada es FDM por ser la que más aplicaciones tiene en los sectores ya mencionados y también por la posibilidad de utilizar distintos materiales.

En FDM, el principal causante de la rugosidad superficial son las capas mediante las cuales se forma la pieza. Esas capas se van superponiendo creando la forma de la pieza que se está fabricando. Por ello, una de las aproximaciones que se están investigando es intentar aumentar el número de capas, lo que supone reducir el tamaño de cada capa, para mejorar el acabado superficial.

Otra de las posibles soluciones es el uso de un mecanizado posterior. El problema es que para piezas complejas, como es el caso de la bomba-turbina, es complicado usarla. Hay que invertir mucho tiempo en diseñar el control numérico para cada pieza, especialmente si se trata de piezas pequeñas y complejas. Otros procesos posibles serían máquinas de flujo abrasivo o técnicas de desbarbado.


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En la referencia [10], se estudia un método químico por el cual se pueda mejorar el acabado superficial de los prototipos fabricados mediante FDM. Es cierto que el proceso químico elegido va acorde con el proceso FDM, y el material usado, que es ABS, un polímero que reacciona con acetona, se elige para mejorar el acabado superficial por su bajo coste, su baja toxicidad y su facilidad de difusión en las partes fabricadas. Dado que en el ensayo realizado era difícil controlar la difusión de la acetona, se hizo una solución con agua. Al final de todo el proceso, las 6 partes ensayadas en el baño de acetona mejoraron su rugosidad superficial. En el caso del rodete fabricado mediante FDM, se redujo su rugosidad y se volvió estanco al agua mediante un baño en acetona.

Al realizar el prototipo de la bomba-turbina mediante SLS y utilizar poliamida, las piezas presentan rugosidad, que hay que evaluar, ya que no se tiene acceso a un posible tratamiento para reducirla.

DISEÑO DEL RODETE Y VOLUTA

20



Capítulo 3.


3.1. Descripción inicial

La bomba-turbina, como ya se ha mencionado, está compuesta por dos rodetes, que constituyen las partes críticas del conjunto. Uno de los rodetes corresponde a la turbina axial y el otro pertenece a la bomba radial. Además la bomba-turbina contiene una voluta.

En el diseño conceptual los rodetes se tratan de dos piezas independientes que se sueldan una vez fabricadas. En la bomba-turbina que se va a fabricar en este proyecto se ha llegado a la conclusión que la mejor manera de hacer el prototipo es de una sola pieza, ya que se ahorra el tener que introducir chavetas para unir el eje con los rodetes o adhesivos entre los rodetes. Por todo ello, los rodetes de la turbina y de la bomba, que constituyen la parte móvil de la bomba-turbina, forman una sola pieza.

En primer lugar se han recopilado todos los datos y archivos de los proyectos anteriores, a partir del diseño conceptual se han creado las distintas piezas del conjunto en 3D y, finalmente, una vez diseñadas en SolidEdge se ha procedido a la fabricación del prototipo mediante fabricación aditiva.

Una de las mejoras presentes, al volver a hacer todos los diseños en 3D de las piezas, ha sido el poder disponer de un diseño accesible para realizar cambios de una manera rápida y sencilla. En definitiva, se han llevado a la realidad los cálculos hechos en los proyectos anteriores.

A continuación se describirán los procesos de diseño de los rodetes y de la voluta.

3.2. Diseño del rodete de la turbina

3.2.1. Introducción

El diseño del rodete de la turbina es el primer paso para el diseño del resto de componentes de la bomba-turbina.

Como ya se ha dicho, lo esencial para el diseño del rodete es la recopilación de todos los planos y archivos que ya existían de los proyectos conceptuales. Como el prototipo, objeto de este proyecto, se trata de un modelo a escala, no se han podido utilizar directamente estos archivos. A causa de los distintos cambios que había que realizar, desde redondeos para facilitar su fabricación y evitan zonas de tensiones no deseadas, hasta variar espesores. Además, la escala impuesta por la impresora 3D, con unas dimensiones de 300 x 190 x 200 mm, hacía imposible fabricar las


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piezas en el tamaño real del diseño inicial. Esto, unido a la decisión de realizar un diseño paramétrico, que la exportación de los ficheros a SolidEdge desde Catia no es buena, y al interés por tener unos archivos accesibles y que admitieran cambios fácilmente, provocó que se tomara la decisión de comenzar desde el principio con la creación de las piezas en el software elegido.

A raíz de esto, se comenzaron a crear los componentes en SolidEdge, partiendo del diseño base de los proyectos anteriores, pero introduciendo ciertos cambios a causa de problemas de escala, como por ejemplo los agujeros para hacer el ensamblaje o, como las cavidades de las tuercas.

Cabe mencionar, que a la hora de fabricar el modelo hay distintos elementos que en el diseño conceptual no se habían considerado; por eso hay parámetros que no aparecen en ese diseño y que ha habido que añadir. Desde tolerancias asumidas, con el objetivo de que la máquina ensamble bien, hasta la reducción del volumen de algunas piezas, de cara a un ahorro de material en la fabricación.

3.2.2. Datos de partida

El problema inicial al diseñar el rodete de la turbina fue la aplicación de la escala. De acuerdo a la impresora 3D que se iba a utilizar, se aplicó una escala de 1/5, ya que el diámetro mayor de la bomba del modelo real era 910 mm y la impresora 3D tenía limitaciones de espacio, sus dimensiones máximas eran 300x190x200 mm.

El diseño conceptual del rodete de la turbina de los proyectos anteriores se basó en un método aerodinámico en vez de unidimensional, en el que se consideró que todas las partículas tienen la misma trayectoria. Además se hizo la hipótesis de que la componente radial de la velocidad era nula. Esto permitió en su momento tomar las superficies de corriente como cilindros coaxiales.

Por ello, el flujo total de la turbina axial se dividió en cuatro flujos parciales, como muestra la Figura 3-1, dando lugar a cinco desarrollos cilíndricos coaxiales, que sirvieron para determinar la curvatura de los álabes, y así establecer sus parámetros, como la cuerda o su ángulo de ataque.


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Para estos cinco desarrollos cilíndricos se hizo todo el diseño que se ha tomado como base para el proyecto actual. Se han revisado todos los cálculos y ciertas nuevas suposiciones han impedido utilizar directamente los cálculos hechos en el diseño que se menciona. La escala de 1/5 se ha aplicado directamente a los 5 diámetros, que se han utilizado en el proyecto actual.

Pero, por ejemplo, la corrección por enrejado que se aplica a los perfiles se ha tenido que volver a calcular, porque no era válido aplicar directamente esta escala, tal y como se especifica en el Anejo I.

Por otro lado, para los perfiles de los álabes correspondientes a cada desarrollo cilíndrico se utilizaron unos perfiles Göttingen 682, que son perfiles curvados. En este tipo de perfiles la potencia transmitida es mayor que en el caso de los simétricos, como el NACA 0018, que se utilizó en los tambores.

También en función del tamaño del rodete se eligió que el número de álabes fuera z=4.

La escala se aplicó de forma general, tanto a la cuerda de los perfiles como a los desarrollos cilíndricos, verificando que en ningún lugar quedase un espesor menor al crítico, que es aquel menor de 1,5 mm, ya que debido a la tolerancia de la máquina, se hace imposible su fabricación y su posterior ensayo en el laboratorio, al no soportar los esfuerzos.

Figura 3-1: Desarrollos cilíndricos

Figura 3-2: Perfil Göttingen 682 [23]


23



Por otro lado, se ha tenido que volver a calcular la corrección por efecto de enrejado, que se aplica porque el comportamiento de este perfil (el perfil real) es distinto del comportamiento del mismo aislado en un flujo infinito [25]. La ecuación se recoge en el Anejo I.

Esta nueva corrección afectó al ángulo de entrada de los perfiles correspondientes a cada diámetro.

3.2.3. Diseño del rodete en SolidEdge

Como ya se ha mencionado, a los diámetros de los desarrollos cilíndricos de los diseños conceptuales anteriores se les ha aplicado la escala de 1/5. Después de elegir el tipo de perfil, se ha establecido la cuerda de cada uno de ellos. De acuerdo con las dimensiones del prototipo se le ha aplicado también a la cuerda en cada perfil, siendo también 1/5 de la de los diseños conceptuales anteriores.

El ángulo de ataque, como ya se ha comentado, difiere del calculado en el diseño conceptual, en la Tabla 3-1 se recogen los datos de partida:

Diámetros (mm) Cuerda (mm) βe (º) βe(rad)

dc 31,6 44 -37,0 -0,6

dx 50 42 -28,0 -0,5

dm 68,6 38 -23,3 -0,4

dy 87 34 -20,3 -0,4

dp 105,4 32 -17,9 -0,3

Tabla 3-1: Datos de partida en el diseño

A partir de esos datos las curvas de cada perfil se han tomado de [23]. Con ellos se han hecho una serie de transformaciones con el objetivo de tener las curvas de cada álabe en los ejes correctos para llevarlos a SolidEdge. El proceso que se ha seguido es el siguiente:

1. Se han tomado las curvas de los perfiles de [23], introduciendo la cuerda correspondiente.

2. Se han transformado los ejes de cada curva con el ángulo

correspondiente, proceso que se hizo en un primer momento con una matriz de rotación, para cambiar la base del perfil. Posteriormente se

-20

0

20

40

0 50 100 150 200 250

Perfil dc

Figura 3-3: Perfil dc en los ejes iniciales


24



observó que se podía introducir directamente el ángulo de ataque en [23]. En la Figura 3-4 se puede observar uno de los perfiles con su correspondiente ángulo de ataque.

3. Los perfiles tienen que estar centrados en el mismo punto para poder

crearlos en SolidEdge. El centro de giro para perfiles simétricos suele estar al 25% de la cuerda, comenzando por el borde de ataque. Para perfiles curvados, como es el caso del Göttingen 682, se suele aproximar también por ese valor. En la siguiente figura se muestran los 5 perfiles superpuestos, con su correspondiente ángulo de ataque y centrados en el centro de presiones.

-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

20

0 50 100 150 200

Álabe dc con su cuerda

-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

-100 -50 0 50 100 150

Álabes en su centro de presiones

dc dx dm dy dp

Figura 3-5: Perfiles de los desarrollos cilíndricos en su correspondiente centro de giro

Figura 3-4: Perfil dc transformado con su ángulo de ataque


25



Una vez llegado a este punto, se han desplazado todos los perfiles a la base cilíndrica, ya que las coordenadas de estos se han calculado en 2D y se quiere reproducirlos sobre una superficie cilíndrica como se muestra en la Figura 3-6. Todos los cálculos llevados a cabo se recogen en el Anejo I.

Figura 3-6: Perfiles a los distintos diámetros sobre una base cilíndrica en SolidEdge

Al tener las curvas hechas en SolidEdge se ha utilizado un patrón para hacer los cuatro álabes, para posteriormente utilizar distintos comandos para convertirlas en un sólido y poder crear el rodete de la turbina, como muestra la Figura 3-7.


26



Figura 3-7: Rodete de la turbina

3.3. Diseño del rodete de la bomba


El diseño del rodete de la bomba se desarrolla a partir del de la turbina ya que el diámetro de punta de los álabes de la turbina coincide con el diámetro de entrada a la bomba.

La función del rodete de la bomba es impulsar una pequeña parte del caudal que entra en el conjunto. La mayor parte del caudal será utilizado para mover la turbina y la potencia que genere se empleará en su totalidad para bombear el fluido.

El rodete de la bomba está integrado en el de la turbina, aunque no existe un eje como tal porque el rodete de la bomba está situado en la periferia del de la turbina. En la Figura 3-8, se observa el rodete de la bomba radial, que es de simple aspiración, situada en la periferia del rodete de la turbina.


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En el diseño de los proyectos precedentes se pensó que los caudales de la turbina y de la bomba estuvieran separados a partir del tambor de entrada mediante una tubuladura. Con el objetivo de ahorrar espacio, y teniendo en cuenta el efecto de succión de la bomba, se decidió quitar esa tubuladura, y por tanto, la separación de caudales.

En el caso del rodete de la bomba, no se pudo aplicar directamente el factor de escala de 1/5, por lo que ha habido que repetir el proceso de diseño en determinadas dimensiones de la bomba radial. La Figura 3-9 muestra las dimensiones generales de la bomba y a continuación se describen los pasos del diseño.

Figura 3-8: Rodetes de la Bomba-Turbina con su eje y troncos cónicos


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Figura 3-9: Dimensiones de una bomba radial [25]

En caso del diámetro de entrada de la bomba si se aplicó directamente el factor 1/5, ya que este diámetro coincide con el diámetro de punta de los álabes de la bomba.

El diámetro de cubo, dc, se toma en función del diámetro de eje, de, y es 1 mm mayor que él. Normalmente, el diámetro de cubo, dc, suele ser 8-12 mm mayor que el diámetro de eje, de, [25] pero en el caso actual se ha elegido 1 mm mayor, ya que resulta un valor coherente con este diseño, y al no haber eje como tal, se toma a partir del diámetro de punta de los álabes de la turbina.

𝑑𝑒 = 0,1054 𝑚

𝑑𝑐 = 𝑑𝑒 + 0,001 = 0,1064 𝑚

A partir de la elección de los diámetros de cubo y eje, que vienen dados por el diseño de la turbina, se determina el diámetro de entrada d1 y el diámetro de la boca de aspiración, da. Los valores que se han tomado difieren de los del proyecto anterior, ya que como se especifica en el Anejo I, se ha tenido que repetir el diseño y ajustarlo a la escala mencionada. Por lo tanto, el diámetro de entrada y el de la boca de aspiración son:

𝑑1 = 0,1107 𝑚

𝑑𝑎 = 0,1104 𝑚


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El diámetro de salida, d2, se calcula a partir del coeficiente de presión:

𝛹 = 𝐻

𝑢2/2𝑔

Pero al calcularlo de esta manera, se obtiene un diámetro menor que el de entrada de la bomba, por lo que se elige un diámetro de salida coherente con el diseño. Este procedimiento se describe de una manera más detallada en el Anejo I.

𝑑2 = 0,161 𝑚

El objetivo de hallar los diámetros es obtener los triángulos de velocidad, para continuar el diseño.

Una vez calculados todos los diámetros se procede al trazado de los álabes cilíndricos por puntos. A estos álabes no se les ha podido aplicar directamente la escala de 1/5 porque el diseño se basaba en una curva que establece el espesor de cada álabe para un radio y ángulo determinado, por ello ha habido que rehacer todo el proceso con los nuevos parámetros. En este caso, se han tomado espesores menores al crítico de fabricación, ya que vienen del diseño numérico, y se sabe que aunque los álabes terminen en punta, van a tener el espesor propio del redondeo de fabricación que impone la impresora 3D. El proceso se describe con detalle en el Anejo I y sus resultados se resumen en la Tabla 3-2,

r (mm) s(mm) φ(°) φ(rad)

r1 56,7 0,3 0,0 0,0 r2 60,7 1,5 19,8 0,3 r3 64,6 2,0 37,4 0,7 r4 68,6 2,4 52,7 0,9 r5 72,6 2,6 65,9 1,2 r6 76,5 2,0 77,7 1,4 r7 80,5 0,0 87,5 1,5

Tabla 3-2: Datos de partida para el trazado de los álabes cilíndricos

3.3.3. Diseño en SolidEdge

Una vez se tienen los datos de partida del apartado anterior se procede a crear el perfil de la bomba radial.

El primer paso ha sido crear el apoyo del rodete de la bomba, Figura 3-10, sobre el que se situarán los álabes. En la misma figura, se puede observar que la bomba no tiene un eje como tal, sino que se sitúa en la periferia de la turbina. También se puede ver en esta misma figura el 𝑑𝑐 y el 𝑑2.


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Figura 3-10: Primera parte de la bomba en SolidEdge

Después de haber diseñado esta primera parte de la bomba, se ha procedido a la creación de los álabes, siguiendo los siguientes pasos:

1. Se han transformado las coordenadas polares de la Tabla 3-2 a coordenadas cartesianas. También se ha hecho lo mismo con el espesor “s” de la tabla, quedando las coordenadas que indica la Tabla 3-3.

𝑥 = 𝑟 · cos Φ

𝑦 = 𝑟 · 𝑠𝑒𝑛 Φ

X y

0,15 0

0,70555259 0,25435319

0,79487183 0,60677736

0,72698419 0,95472194

0,53103367 1,18659312

0,21314844 0,97701983

0 0

Tabla 3-3: Espesor “s” en coordenadas cartesianas

2. Se ha dividido el espesor, s, que indica la Tabla 3-3, para crear una curva superior y otra inferior; la superior se ha hecho sumando a la coordenada “X” la mitad del espesor, y la curva inferior


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restándolo, dando lugar a la Tabla 3-4. En la Figura 3-11, se muestra la forma de los álabes.

Curva Superior Curva Inferior

x Y x y

56,85 0 56,55 0

57,7769176 20,8286999 56,3658124 20,3199935

52,1700881 39,8248209 50,5803444 38,6112661

42,2862469 55,5329931 40,8322786 53,6235492

30,1736056 67,4228297 29,1115383 65,0496435

16,526109 75,7516039 16,0998122 73,7975643

3,44405277 80,4262923 3,44405277 80,4262923

Tabla 3-4: Curvas de los álabes importadas a SolidEdge

Figura 3-11: Álabes cilíndricos en coordenadas x e y en mm

A continuación los puntos que se recogen en la Tabla 3-4 se han importado a SolidEdge y se ha repetido el patrón para los 10 álabes calculados en el Anejo I.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

0 10 20 30 40 50 60 70

Álabes en coordenadas x e y en mm


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Figura 3-12: Rodete de la bomba con los álabes extruidos

Posteriormente se ha hecho el cierre del rodete de la bomba. En la Figura 3-13, se observa una vista en corte donde se puede observar la tapa que cubre los álabes de la bomba, tiene una forma ligeramente cónica. Esta tapa va desde el 𝑑𝑎hasta el 𝑑2, dimensiones que se indican en la Figura 3-9.

Figura 3-13: Vista en corte rodete de la bomba


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3.4. Diseño de la voluta


La voluta tiene la función de transformar la energía cinética del fluido en energía de presión, recogiéndolo a lo largo de los 360° de la circunferencia del rodete.

Se va a fabricar en dos mitades que posteriormente se unirán, pero el diseño se ha hecho en una sola pieza que luego se ha cortado por la mitad, como se puede observar en la Figura 3-14. Con el objetivo de ahorrar material, se ha reducido todo lo posible el volumen total de la voluta.

Figura 3-14: Voluta completa y cortada por su mitad en SolidEdge

Una parte importante de la voluta es el tubo difusor, que se encarga también de recuperar la energía cinética y uniformizar la corriente a la salida de la bomba [25]. Para evitar el desprendimiento є debe ser menor que 8°. Esta dimensión se muestra en la Figura 3-15, donde también se observan el resto de valores que definen la voluta y el tubo difusor.


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Figura 3-15: Caja espiral y tubo difusor


En este caso se ha elegido una caja espiral con sección trapezoidal, Figura 3-16. Para evitar las zonas angulares, puntos A y B en la misma figura donde se crean pérdidas y disminuye el área útil, la caja espiral se suele redondear, como indican las líneas discontinuas.

Figura 3-16: Caja espiral sección trapezoidal

Θ=0º

Θ


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Por otro lado, otra dimensión importante a tener en cuenta es el ángulo Φ, que tiene que ser menor que 60°, para evitar el desprendimiento y que el rendimiento baje. En este caso se ha elegido Φ = 40°.

Para el diseño de la voluta no se ha podido aplicar la escala de 1/5, dado que es una geometría que depende del diámetro de la bomba, y todos los parámetros están relacionados entre sí. Por ello, ha habido que recalcular todo siguiendo los pasos que se especifican en el Anejo I.

A la hora del diseño teórico no se tienen en cuenta detalles que son importantes a la hora de fabricarlo. Un ejemplo es la unión entre las dos parte de la voluta. Se ha hecho un pequeño canal entre las dos partes con el objetivo de introducir una junta de goma para mejorar la estanqueidad entre las dos partes de la voluta y facilitar el ajuste del montaje, Figura 3-17.

Figura 3-17: Unión entre las dos partes de la voluta

Después de los cálculos realizados, en el Anejo I, los datos de partida se recogen en la Tabla 3-5, donde rθ y Φ se muestran en la Figura 3-16. Por otro lado, θ corresponde al ángulo que completa los 360 ° en toda la circunferencia de la voluta medidos desde la lengua teórica, Figura 3-15. Otro valor introducido para el diseño es b3, que es constante para todos los perfiles y es 1,5 mm mayor que el valor b2 de la bomba, Figura 3-16. Por último, r3, corresponde al radio de la voluta correspondiente a b3.


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rθ (mm) θ (°) °

1 0,0825 0 40

2 0,0845 10,8553154 3 0,0865 24,4107385

4 0,0885 40,5428194 b3 (m)

5 0,0905 59,1363855 0,0045

6 0,0925 80,0838177 7 0,0945 103,284404

8 0,0965 128,643761 r3 (m)

9 0,0985 156,073314 0,0825

10 0,1005 185,489831 11 0,1025 216,815 12 0,1045 249,975049 13 0,1065 284,900404 14 0,1085 321,525372 15 0,110511 360,002724

Tabla 3-5: Datos de diseño de la caja de sección trapezoidal

Finalmente, para el diseño del cono difusor, se ha elegido є = 8°. Tiene una parte cónica cuya longitud es 𝑙 = 60 𝑚𝑚, y desemboca en un cilindro de 𝑙 = 84 𝑚𝑚, que se ha añadido para facilitar la ubicación de la tubería, dimensiones que se observan en la Figura 3-15.

3.4.3. Diseño en SolidEdge

Para diseñar la voluta en SolidEdge, lo primero ha sido crear un cilindro con los diámetros importantes de entrada y de salida de la bomba-turbina. Posteriormente, se han seguido los siguientes pasos:

1. Para cada ángulo 𝜃, se ha creado un boceto, como el de la Figura 3-18, donde se puede observar las mismas dimensiones de la Figura 3-16.


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Figura 3-18: Boceto trapecio a un determinado θ

2. Este paso se ha repetido para los 15 bocetos, en los que se ha dividido la circunferencia completa. En la Figura 3-19, se puede observar el cilindro con los bocetos a su respectivo ángulo.

Figura 3-19: Voluta con los 15 bocetos

3. A continuación se ha diseñado el cono difusor y, a partir de los bocetos anteriores, se ha utilizado una función, conocida como barrido, para crear la espiral en el interior del cilindro. En la Figura 3-20 se puede observar la espiral creada mediante un corte de vista para poder ver el interior. Pero no es hasta el paso siguiente cuando se ha realizado el corte divisorio de las partes de la voluta que posteriormente se unirán.


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Figura 3-20: Voluta con la espiral y cono difusor

4. Finalmente, se han creado los alojamientos de los tornillos y se ha hecho el corte de la voluta. El cono difusor se ha hecho para favorecer la altura del fluido teniendo en cuenta el ensamblaje con la tubería de impulsión.

Figura 3-21: Vista delantera y trasera de la voluta de salida


39



DISEÑO DE LOS TAMBORES…

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Capítulo 4.

DISEÑO DE LOS TAMBORES, TAPAS DE ENTRADA

Y SALIDA Y DEMÁS ELEMENTOS CONSTRUCTIVOS

4.1. Tambores de entrada y salida

Entre las funciones de los tambores de entrada y salida, se encuentran la de dar consistencia al conjunto y guiar al fluido en la entrada, además es donde se alojan los rodamientos y a los que se unen las tapas cónicas.

Inicialmente, en el diseño conceptual, el tambor de entrada constaba de una tubuladura interior que separaba el caudal turbinado del bombeado. En el diseño actual se ha decidido prescindir de esa separación, llegando a la conclusión de que una parte del caudal que entra por el tambor y continúa a la turbina, pasará a la bomba por succión.

Ambos tambores contienen álabes, que deben ejercer la mínima resistencia hidráulica. Por eso se ha optado por 9 álabes NACA 0018 simétricos. Como el flujo de la turbina debe de ser axial y el de la bomba radial, los álabes del tambor de entrada van en la dirección del flujo. Los del tambor de salida, no tienen ninguna disposición especial, ya que su única función es guiar el fluido hacia la salida.

Figura 4-1: Perfil NACA 0018 [23]

La elección de 9 álabes se debe a que se necesitaba un número que no fuese múltiplo del número de álabes del rodete, para evitar vibraciones peligrosas. Se ha elegido un número que no fuese excesivo, ya que supondría una mayor pérdida de carga. Por otro lado, no se ha optado por un número menor de álabes, ya que no cumpliría la función de dar resistencia al conjunto y de servir de apoyo al eje.

Los tambores se unen a la carcasa mediante 9 tornillos M3. Para evitar tener que aumentar el grosor de la cavidad de los rodamientos, ya que los tornillos no cabrían de otra manera, se ha decidido introducir unas orejas, como se puede observar en la Figura 4-2 y en la Figura 4-3, para facilitar la unión entre los tambores y las tapas.


41



Figura 4-2: Vista del tambor de entrada

Figura 4-3: Vista del tambor de salida

4.2. Tapas de entrada y salida

Las tapas se han diseñado con el objetivo de disminuir la pérdida de carga en el fluido, en forma cónica, de manera que guíen al fluido en su entrada hacia el rodete. También tienen como objetivo el albergar en su interior los rodamientos, para que el agua no incida sobre ellos de una manera directa.


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Figura 4-4: Tapas entrada y salida

En la Figura 4-4, se puede observar las orejas que se han diseñado, para facilitar la unión con tornillos M3 a los tambores de entrada y salida.

4.3. Rodamientos

Para permitir el movimiento del rodete y soportar el empuje axial se han elegido dos rodamientos; en el tambor de entrada se ubica un rodamiento de bolas y en el de salida otro de bolas con contacto angular, para soportar el empuje axial.

Figura 4-5: Rodamientos en el conjunto

En la Figura 4-5, se puede observar la ubicación de los rodamientos en el conjunto. La entrada del fluido se hace por la derecha, de tal forma que, el rodamiento de bolas se encuentra a la derecha y el de bolas de contacto angular a la izquierda. En la misma figura se puede observar cómo los rodamientos están perfectamente confinados entre el eje del rodete, los tambores y las tapas.


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4.4. Conjunto

Para facilitar el montaje la primera decisión que se ha tomado ha sido fabricar la voluta en dos partes y unirlas posteriormente con tornillos M3, para poder acceder al rodete. En la unión entre volutas se ha hecho un cierre laberíntico para evitar fugas de la zona de alta presión a la de baja.

Figura 4-6: Cierres laberínticos

En la unión entre los tambores y la voluta, para ubicar las tuercas, se ha tenido que hacer unos alojamientos por los que la tuerca entra de manera vertical, en vez de horizontal, como se puede observar en la Figura 4-7. También se han hecho agujeros que sirven para albergar las tuercas, Figura 4-8, donde se muestra la posición de una tuerca en uno de los tambores.

Figura 4-7: Posición de la tuerca en la voluta


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Figura 4-8: Ubicación de la tuerca en un tambor

En la Figura 4-9, se muestra una vista de todo el conjunto, donde se pueden observar los distintos elementos ensamblados.


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Figura 4-9: Conjunto

Caudal de entrada

Caudal de entrada

Caudal bombeado

Caudal turbinado

Caudal turbinado

FABRICACIÓN, ENSAYO, CONCLUSIONES

46



Capítulo 5.


5.1. Fabricación del prototipo

Como ya se mencionó en el Capítulo 2, el modelo de la bomba turbina se ha fabricado mediante SLS (sinterizado selectivo por láser, siglas en inglés) y el material utilizado ha sido poliamida. En todos los procesos de fabricación aditiva, hay dos variables que son muy importantes, la posición de la pieza en el espacio de fabricación y la rugosidad que se obtiene. Estos parámetros hay que tenerlos en cuenta a la hora de hacer un prototipo de un conjunto que se va a ensamblar, y del que se espera un determinado comportamiento; aunque muchas veces son complicados de tener bajo control, sobre todo si no se conoce la máquina que se va a emplear, como ha sido el caso del proyecto actual.

La posición de la pieza en la máquina está relacionada con la rugosidad, pero también puede afectar a la geometría de la pieza. Según el estudio llevado a cabo por la Universidad de Singapur, y mencionado en el Capítulo 2 [5], la pieza fabricada con el láser en la dirección “Z”, es decir, en la dirección axial del rodete, fue la que mejor rugosidad obtenía. Adquiriendo un peor acabado superficial el resto de piezas fabricadas en el eje “X” o “Y”.

En el caso del prototipo de la bomba-turbina, se pueden apreciar unas líneas impresas en la máquina, que son indicadoras de la posición de las piezas en la impresora 3D. Estas líneas, que se pueden observar ligeramente en la Figura 5-1, tienen una dirección oblicua y distinta en cada pieza, por lo que se puede deducir que las piezas no se han fabricado en una sola dirección, sino que seguramente el láser iría en una dirección “XYZ” en el espacio.

Figura 5-1: Líneas de fabricación


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A la hora de analizar las piezas, se ha visto que no todas ensamblaban bien, sino que tenían distintas tolerancias, que seguramente se hayan visto distorsionadas por la posición de las piezas durante la fabricación. Se puede concluir que la posición no ha sido la que más ha ayudado a ajustar las tolerancias, teniendo incluso algunos errores. Por ejemplo, las volutas no han ensamblado bien porque parece que están alabeadas, debido a ello, el canal que se hizo en su momento para que quedaran selladas, Figura 5-2, ha tenido que ser lijado. Otro problema que se ha encontrado debido a la posición de las piezas, ha sido la falta de concentricidad, como el caso del tambor de salida, que hubo que lijar para que entrara en la voluta, Figura 5-3. En definitiva ha habido errores dimensionales y geométricos.

Figura 5-2: Canal de sellado en la voluta de salida

Figura 5-3: Voluta ensamblada en el tambor de salida

Por otro lado, la rugosidad característica del material utilizado y de SLS no se puede evitar, aunque si es verdad que una manera de limitarla es reducir el tamaño de cada capa de impresión. Otra manera de reducirla es sometiendo las piezas a un tratamiento posterior, como un lijado, cosa que no es fácil debido a la dureza del material utilizado. Otra posible solución es pintar las piezas, Figura 5-4, donde se puede observar una mancha de plata consecuencia de una prueba de pintura. El problema de pintar las piezas es que hay que lijarlas con anterioridad, para una mejor adherencia. A causa de la forma compleja del rodete de la bomba, se hace complicado lijar su interior, por ello esta idea se rechazó.


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Figura 5-4: Bomba-turbina con prueba de pintura

Debido fundamentalmente a estos dos motivos, la posición de las piezas en la impresora y la rugosidad del material, se prevén posibles fugas. Entre las partes críticas de la bomba-turbina se encuentran, el ensamblaje entre volutas, que como se ha mencionado, no encajaban bien debido al alabeo, afectando al canal que se hizo. También en las volutas se encuentra el cierre laberíntico, mencionado en el Capítulo 4, el cual tiene una función muy importante, ya que divide el flujo de alta y de baja presión y se ha diseñado con el objetivo de evitar la recirculación de caudal. La condición de las piezas después de su fabricación provoca que haya ciertas holguras a las que no se tiene acceso para su evaluación y cabe la posibilidad de que las fugas, tanto internas como externas, sean importantes.

Otro dato de interés es que las piezas están sumergidas en el polvo que se utiliza para fabricarlas mediante SLS. Al sacar las piezas de la máquina las golpean para eliminar esa primera cantidad de material sobrante, y posteriormente se limpian. En algunas partes de las piezas se han observado unos agujeros por lo que se supone que se golpearon cuando las piezas seguían calientes. También muchas partes de la bomba-turbina han venido selladas, como los álabes de la bomba, por el polvo en el que están sumergidas.

Con todo ello, se puede concluir lo complicado que es controlar las tolerancias de una impresora 3D, aun así, se ha procedido al montaje de la bomba-turbina y el rodete, y aunque roza por algún lado, gira. La cavidad de los rodamientos se hizo aproximando la tolerancia de la máquina. En realidad el diámetro de diseño hubiera sido 10 mm pero para que el rodamiento entrara se estableció en 9,85 mm. Por ello los rodamientos han encajado perfectamente en sus cavidades, así como todas las tuercas, después de limpiar las piezas bien para que soltasen todo el polvo que tenían. El problema mayor que se ha encontrado es el alabeo de la voluta.


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Por último, recalcar que uno de los objetivos de tener todos los documentos en 3D fue el de disponer de las piezas diseñadas y poder cambiar los diseños fácilmente. Como ejemplo, se probó cambiar los álabes de la bomba, diseñando un nuevo modelo de bomba con álabes curvados hacia atrás. Al tener todos los diseños paramétricos, preparados para hacer modificaciones de un modo rápido, este cambio no fue difícil y se ha fabricado en FDM.

Figura 5-5: Rodete fabricado mediante FDM

5.1.1. Medidas de las distintas partes de las piezas

Con el objetivo de analizar las tolerancias de todas las piezas, se han realizado medidas para compararlas con los diseños 3D. Se han utilizado un calibre y medidor de profundidad.

Como conclusión se puede decir que las impresoras 3D no son máquinas precisas, y de todas las medidas tomadas, que corresponden con las que se indican en el Documento 3 y se recogen en el Anejo II, no hay ninguna que sea igual a las diseñadas en 3D. Hay medidas que son mayores y otras menores, por lo que no se puede establecer ninguna conclusión. Como se preveía, las volutas no están fabricadas en un solo eje, lo que ha hecho que estén alabeadas y que sus medidas sean muy diferentes a las diseñadas.

5.2. Ensayo

El ensayo realizado ha proporcionado una primera aproximación para analizar el comportamiento de la bomba-turbina. Uno de los motivos que más


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preocupaban era el giro de la turbina, no poder conseguir las revoluciones suficientes para bombear, ya que bomba y turbina giran a la misma velocidad.

La idea real es que la máquina tiene que estar situada de forma vertical en una presa, Figura 5-6, para la presa se pretende obtener la altura necesaria para que la bomba-turbina gire y se aporte la altura deseada.

Figura 5-6: Presa [29]

Siguiendo esta idea de la aplicación real de la bomba-turbina, se han hecho dos ensayos, un ensayo más “primitivo” y otro en el que ya se ha construido una minipresa. El objetivo ha sido analizar el movimiento de la bomba-turbina. En el primer ensayo, se introdujo la bomba-turbina para comprobar si giraba, ya que debido a la fabricación muchas partes rozaban y existía el temor de que la bomba-turbina no lo hiciera, cosa que no fue así, ya que al meterla en el agua el prototipo giró, consiguiendo las revoluciones necesarias para bombear.

En el siguiente ensayo, se construyó una minipresa. El mayor problema ha sido que la bomba-turbina ha bombeado una altura menor a la esperada que era 64 cm según el diseño. Esto se ha debido distintos errores cometidos durante el diseño en 3D de la bomba-turbina, al prescindir de la tubuladura que hacía independiente el caudal que se bombeaba. Aun así, se ha generado una succión hacia la bomba, aunque no es suficiente.


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Figura 5-7: Prototipo en el ensayo "primitivo"

Figura 5-8: Prototipo siendo ensayado en la minipresa

5.3. Conclusiones y actuaciones futuras

Como en cualquier proceso de fabricación el prototipo fabricado es distinto del proyectado, ya que existe la tolerancia de la máquina que hace que las dimensiones sean ligeramente superiores a las diseñadas. También debido a la posición de las piezas en la máquina, dependiendo de la dirección del láser el prototipo puede presentar mayor o menor rugosidad y errores de fabricación. En el caso de la bomba turbina, como se ha mencionado, las piezas tenían una posición “x y z” en la máquina lo que ha podido ocasionar un alabeo en las volutas y una pérdida de concentricidad en el tambor de salida.


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La rugosidad que presenta la bomba-turbina es propia del material utilizado que ha sido poliamida, y seguramente se haya visto aumentada por la posición de las piezas en la impresora 3D. La rugosidad puede ser causante de pérdidas de carga en la turbina y la bomba. Los posibles tratamientos posteriores para disminuir la rugosidad serían un proceso de mecanizado, pero la geometría compleja de la bomba-turbina hace que sea difícil acceder a determinados sitios, como por ejemplo la zona de los álabes de la bomba. Otro posible tratamiento sería un lijado completo del prototipo seguido de un baño de pintura, pero sigue siendo difícil acceder al interior de la bomba para lijarla.

El rodete fabricado mediante FDM presentaba una alta rugosidad y no tenía estanqueidad. Para mejorar estos factores se sometió a un baño químico de acetona, que redujo la rugosidad considerablemente ya que la acetona accedió a todas las partes de la pieza reduciendo material. También este baño confirió estanqueidad. El problema de este tratamiento químico es que al reducir material se pierden las dimensiones iniciales del rodete pudiendo aumentar las fugas y perdiendo contacto en los rodamientos.

También debido a la escala de fabricación impuesta por la máquina, la tubuladura presentaba un espesor menor que el crítico, es decir, tenía un espesor menor que la tolerancia de la máquina, por ello se ha prescindido de ella. La función de la tubuladura es hacer independiente la entrada de caudal a la bomba y a la turbina. En la Figura 5-9 se puede observar que formaba parte del tambor de entrada y conducía el agua hacia la succión de la bomba. Al renunciar a ella el agua entra a la bomba con más componentes, en vez de entrar radialmente a ella, condición de diseño de esta bomba radial.

Figura 5-9: Tubuladura [29]


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Como conclusión a los ensayos, el rodete parece tener una buena distribución del material, estar equilibrado y puede alcanzar alrededor de 100 rpm. Por otro lado, la razón por la que no se ha conseguido la altura que se esperaba en la bomba ha sido porque no se ha podido construir una presa que proporcionara la altura suficiente a la turbina; se ha renunciado a la tubuladura, que ha resultado ser crucial para la entrada de caudal en la bomba; y, el caudal de cortocircuito presente en la bomba puede que sea superior que el caudal que está circulando por ella.

Se ha conseguido uno de los objetivos iniciales al tener unos diseños 3D accesibles en los que poder cambiar la geometría de una manera sencilla, como se ha comprobado con el rodete fabricado mediante FDM. Los álabes del rodete se cambiaron rápidamente y se pudo fabricar el prototipo mediante fabricación aditiva, que es una manera rápida y barata.

Con vista a continuar con el proyecto las actuaciones que se deben de llevar a cabo son:

Intentar utilizar las piezas fabricadas e instalar una tubuladura, para analizar su comportamiento en un ensayo.

Evaluar las posibles fugas internas del cierre laberíntico y sellar la unión entre volutas para reducir las fugas externas.

Analizar posibles cambios en el diseño del rodete, la voluta y los tambores.

Un ensayo final, con medida de caudal y altura de entrada y de las revoluciones de la turbina.

Realización de un modelo numérico del prototipo.

REFERENCIAS

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Capítulo 6.

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56

DOCUMENTO II.

ANEJOS

ANEJO I

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ANEJO I: Cálculos para el diseño del rodete y

de la voluta

Para el diseño conceptual de los proyectos anteriores se eligió un emplazamiento que dio lugar a los parámetros de diseño. El sitio elegido fue Rascafría, en la sierra de la Comunidad de Madrid, tomándose la situación más desfavorable de la información topográfica. Así los datos de partida del diseño fueron:

𝑄 = 0,8 𝑚3/𝑠

𝐻𝑇 = 3,5 𝑚

𝐻𝐵 = 16 𝑚

De donde el caudal es el que circula por el río, la altura HT es la del agua a embalsar y la HB, la que se espera de la bomba. Como se trata de un modelo a escala, en realidad se han aplicado las leyes de semejanza que se resumen en las siguientes ecuaciones, donde 𝐻𝑖 y 𝑄𝑖 corresponden al modelo real mientras que 𝐻𝑖𝑖y 𝑄𝑖𝑖 son los nuevos valores del prototipo.

𝐻𝑖

𝐻𝑖𝑖= (

𝑛𝑖

𝑛𝑖𝑖)

2

· (𝑑𝑖

𝑑𝑖𝑖)

2

𝐻𝑖

𝐻𝑖𝑖= 1 · (5)2

𝐻𝐵𝑖𝑖 =

16

52= 0.64 𝑚

𝐻𝑇𝑖𝑖 =

3.5

52= 0.14 𝑚

Como la velocidad de giro de bomba y turbina es la misma y no hay ningún elemento mecánico de unión entre ambas, la potencia mecánica de la turbina es la misma potencia mecánica absorbida por la bomba.

La potencia hidráulica de la turbina es,

𝑃𝐻𝑇 = 𝜌 · 𝑄𝑇 · 𝑔 · 𝐻𝑇

Y la potencia entregada suponiendo un rendimiento total de 𝜂𝑇 = 0,79, será por tanto:

𝑃𝑎𝑇 = 𝜂𝑇 · 𝑃𝐻𝑇

ANEJO I

59



La potencia hidráulica de la bomba es,

𝑃𝐻𝐵 = 𝜌 · 𝑄𝑇 · 𝑔 · 𝐻𝐵

Entonces suponiendo un rendimiento de la bomba menor que el de la turbina, 𝜂𝐵 = 0,68, la potencia de accionamiento será:

𝑃𝑎𝐵 =𝑃𝐻𝐵

𝜂𝐵

Al igualar las potencias mecánicas, conociendo el caudal total por el emplazamiento elegido, los caudales que circulan por la bomba y por la turbina se hallan del siguiente modo,

𝑃𝑇 = 𝑃𝐵

𝜌 · 𝑄𝑇 · 𝑔 · 𝐻𝑇 = 𝜌 · 𝑄𝑇 · 𝑔 · 𝐻𝐵

𝑄𝑇 + 𝑄𝐵 = 0,8 𝑚3/𝑠

Así, los caudales que circulan por la bomba y la turbina son,

𝑄𝑇 = 0,72 𝑚3/𝑠

𝑄𝐵 = 0,08 𝑚3/𝑠

Transformando los valores mediante las leyes de semejanza, para hallar el caudal que corresponde al prototipo, se obtiene,

𝑄𝑖

𝑄𝑖𝑖= (

𝑛𝑖

𝑛𝑖𝑖) · (

𝑑𝑖

𝑑𝑖𝑖)

3

𝑄𝑖

𝑄𝑖𝑖= 1 · (5)3

𝑄𝐵𝑖𝑖 =

0.08

53= 0.00064 𝑚

𝑄𝑇𝑖𝑖 =

0.72

53= 0.00576 𝑚

Además, el número específico de revoluciones de una turbina axial está comprendido entre [450-900], mientras que el de una bomba radial se encuentra entre [40-80]. Entonces, las velocidades máximas y mínimas de la bomba se obtienen mediante las siguientes ecuaciónes,

ANEJO I

60



𝑛 =𝑛𝑠

𝑃𝑎𝑇1/2

· 𝐻𝑇−5/4

𝑛 =𝑛𝑠

𝑃𝐻𝐵1/2

· 𝐻𝐵−5/4

Por medio de estas ecuaciones se hallan las velocidades máximas y mínimas para la bomba y la turbina, obteniendo un intervalo de intersección. Eligiendo un valor intermedio de ese intervalo se obtiene un número de revoluciones 𝑛𝑇 = 𝑛𝐵 =458 𝑟𝑝𝑚.

DISEÑO DEL RODETE DE LA TURBINA

A partir de los datos anteriores se comienza el rediseño de la turbina, en el que debido a la nueva escala se ha tenido que volver a calcular el ángulo de entrada 𝛽, que afecta a su vez a la corrección por enrejado de los álabes.

Sabiendo,

𝛽 = 𝛼 + 𝛽∞

Se vuelve a calcular 𝛽, obteniéndose:

dc dx dm dy dp

βe 37,0107297 27,9701378 23,2521943 20,3450059 17,906709

Tabla A- 1: Ángulos de entrada para el diseño actual

A partir de estos ángulos, se obtienen los coeficientes 𝜇0, 𝜇1 y 𝜇2 de [28], que son parámetros que dependen de 𝛽 y de t/L con el objetivo de calcular la corrección por enrejado, mediante el método Weinel:

𝐶𝑎𝑒 = 𝜇0𝐶𝑎0 [1 − 𝜇1𝐶𝑎0 tan 𝛽

1 + 𝜇1𝐶𝑎1 tan 𝛽] + 2𝜋𝜇2 sin 𝛼

Donde, 𝐶𝑎0, es el coeficiente de empuje ascensional del perfil aislado para un ángulo de ataque 𝛼 = 0.

DISEÑO DE LOS ÁLABES DE LA TURBINA

En la siguiente tabla se muestran los cálculos realizados en uno de los perfiles, correspondiente a dc.

En la tabla se observa en la primera fila la curva de los perfiles tomadas de [23]. Posteriormente se aplicó una matriz de rotación, con el objetivo de transformar cada base con su respectivo ángulo de ataque.

ANEJO I

61



(cos 𝛼 −sin 𝛼sin 𝛼 cos 𝛼

)

Ecuación A- 1: Matriz de rotación

El siguiente paso fue transformar el origen de los ejes, como ya se ha explicado en 3.2.3. Todos los perfiles deben de estar centrados en el mismo punto de cara a su importación a SolidEdge, por lo que se hizo un cambio de origen mediante las siguientes ecuaciones,

𝑥𝑝 = 𝑥0 + 𝑥𝑐𝑔

𝑦𝑝 = 𝑦0 + 𝑦𝑐𝑔

Ecuación A- 2: Ecuaciones de cambio de origen

Siendo, Xp, la componente “x” en el nuevo origen que corresponde al centro de presiones; X0, el valor de “x” inicial que se obtiene del paso anterior; y Xcg, la coordenada del centro de presiones, al 25% de la cuerda del álabe, que se puede observar en la Tabla A- 2, donde se indica como posición de centro de giro. Posteriormente, se hizo el mismo cálculo para la coordenada “y”.

Y finalmente, se llevó a cabo la transformación a la base del cilindro, ya que se requieren que los puntos estén sobre una base cilíndrica, no plana, Figura A- 1. Por ello se transformaron las coordenadas en función de los ejes de SolidEdge, a partir de las curvas centradas en el centro de presiones con el ángulo de ataque mediante:

𝜃 · 𝑅 = 𝑦𝑝 𝜃 =𝑦𝑝

𝑅

𝑥𝑐 = 𝑅 · sin 𝜃

𝑦𝑐 = 𝑅 · cos 𝜃

𝑧𝑐 = 𝑥𝑝 · sin 𝜃

ANEJO I

62



Figura A- 1: Ejes en el cilindro

y

Rs

x

y

Rs

θi

ŷ

ANEJO I

63



Ta

bla

A-

2: C

álc

ulo

s h

ech

os

pa

ra d

c

ANEJO I

64



DISEÑO DEL RODETE DE LA BOMBA

ENTRADA AL RODETE DE LA BOMBA

En función del diámetro exterior de la turbina, se determina el diámetro de entrada a la bomba:

𝑑1 = 0,1107 𝑚

Teniendo en cuenta que la entrada a la bomba es radial, el ancho a la entrada, 𝑏1, se calcula a partir de la velocidad absoluta, 𝐶1

′ , que se supone un 2% mayor que la velocidad en la boca de aspiración 𝐶𝑎 .

𝐶𝑎 =4

𝜋·

𝑄

(𝑑𝑎2 − 𝑑𝑐

2)

Donde Q es el caudal que atraviesa el rodete de la bomba y 𝑑𝑎 y 𝑑𝑐 se han definido en el punto 3.3.2.

𝐶1′ = 1,02 · 𝐶𝑎

𝑏1 =𝑄

𝜋 · 𝑑1 · 𝐶1′

Como se ha obtenido un valor de 𝑏1 = 0,002 𝑚 y resulta demasiado pequeño para su fabricación, se toma 𝑏1 = 0,004 𝑚.

La velocidad absoluta C1, se obtiene a partir de la 𝐶1′ , velocidad absoluta antes

del estrechamiento de los álabes, a partir del coeficiente de obstrucción que toma valores comprendidos entre 1,1 ÷ 1,25. Para este caso se toma un valor:

𝜏1 = 1,15

𝐶1 = 𝜏1 · 𝐶1′

A continuación se calcula 𝛽1,

𝛽1 = 𝑎𝑟𝑐𝑡𝑔 (𝐶1

𝑢1)

Como la velocidad del rodete de la bomba es 𝑛 = 458 𝑟𝑝𝑚, entonces 𝑢1,

𝑢1 = 𝑑1 · 𝑛 ·𝜋

60

ANEJO I

65



SALIDA DEL RODETE DE LA BOMBA

El diámetro d2 se suele calcular a partir del coeficiente de presión:

𝛹 = 𝐻

𝑢2/2𝑔

Pero al calcularlo así, como se trata de un diseño especial, d2 toma un valor inferior al de la entrada de la bomba. Esto se debe a que se trata de un diseño especial, no tiene un eje como tal, ya que se encuentra en la periferia de la turbina. Por eso se toma un diámetro de salida coherente con la geometría de la bomba y que mantenga los valores supuestos al comenzar el diseño.

𝑑2 = 0,161 𝑚

A partir del diámetro escogido, y suponiendo que el coeficiente de obstrucción 𝜏2 ≅ 1, ya que se trata de álabes afilados a la salida, se calcula 𝐶2𝑚, aproximando 𝐶2𝑚 ≈ 𝐶1𝑚 = 𝐶1.

𝐶2𝑚 =𝑄

𝜋 · 𝑑2 · 𝑏2 · 𝜏2

𝑏2′ =𝑄

𝜋 · 𝑑2 · 𝐶2𝑚 · 𝜏2

Se sabe que 𝑢2 = 𝜋 · 𝑑2, por ello,

𝐶2𝑢 = 𝑢2 −𝐶2𝑚

tan 𝛽2

Así la altura con infinito número de álabes se evalúa como:

𝐻𝑢∞ =𝑢2 · 𝐶2𝑢

𝑔

Se incluye además la corrección del torbellino relativo de Stodola:

𝑊𝑢∗ = 𝐾𝑅 ·

𝜋 · sin 𝛽2

𝑧

𝐾𝑅 = 1,15

Por lo que el factor de disminución del trabajo queda como,

𝑒𝑧 =𝐶2𝑢 − 𝑊𝑢

∗

𝐶2𝑢

ANEJO I

66



Entonces, la altura teórica para un número finito de álabes,

𝐻𝑢 = 𝐻𝑢∞ · 𝑒𝑧

Nos permite evaluar el rendimiento hidráulico como,

𝜂ℎ =𝐻

𝐻𝑢= 0,808 ≈ 0,79 𝑠𝑢𝑝𝑢𝑒𝑠𝑡𝑜 𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙𝑚𝑒𝑛𝑡𝑒

Hay que tener en cuenta que en los cálculos anteriores se ha aproximado el ángulo de salida a un valor de 𝛽2 = 20, cercano al valor óptimo que se conoce para este tipo de bombas radiales (unos 24-25).

Además, como se aprecia el cálculo del diámetro de salida de la bomba requiere de un proceso iterativo hasta alcanzar el mismo valor de rendimiento hidráulico supuesto inicialmente.

Por último, el número de álabes se calcula, según la correlación propuesta por Pfleiderer:

𝑧 = 6,5 · 𝑑2 + 𝑑1

𝑑2 − 𝑑1· sin

𝛽2 + 𝛽1

2= 10,04699 ~ 10 á𝑙𝑎𝑏𝑒𝑠

TRAZADO DE LOS ÁLABES CILÍNDRICOS

Este proceso comienza cuando ya se han fijado todas las dimensiones principales de salida y entrada de la bomba.

Inicialmente se divide el eje de abscisas en 7 diámetros intermedios, desde r1 hasta r2, según [25] y, se prescribe una distribución de la velocidad relativa cualquiera. En este caso se ha elegido una distribución lineal a partir de W1 y W2 que ya se conocían previamente a partir de los triángulos de velocidad. El espesor a la entrada se toma como 𝑠1 = 2 𝑚𝑚 y en la salida como 𝑠2 = 0 ya que acaban en punta. A la hora de fabricarlos tendrán el espesor mínimo del hilo de la máquina de fabricación aditiva. La curva del espesor para los 7 diámetros intermedios se establece de manera arbitraria, para que quede un perfil aerodinámicamente favorable.

ANEJO I

67



El proceso seguido ha comenzado con el cálculo de las velocidades relativas a la entrada y salida,

𝑊1 =𝐶1𝑚

sin 𝛽1

𝑊2 =𝐶2𝑚

sin 𝛽2

Los radios intermedios se han calculado mediante,

∆𝑟 =𝑟1 − 𝑟2

8

Para hallar el ángulo de cada radio se han realizado los siguientes cálculos,

𝑡 =2𝜋

𝑧· 𝑟

sin 𝛽 =𝐶𝑚

𝑤=

1

𝑤·

𝑄

2𝜋 · 𝑟 · 𝑏·

𝑡

𝑡 −𝑠

sin 𝛽

sin 𝛽 =𝑠

𝑡+

𝑄

𝜂𝑣·

1

2𝜋 · 𝑟 · 𝑏 · 𝑤

0

2

4

6

8

10

12

14

16

55 60 65 70 75 80

w (

m/s

) |

s (m

m)

r (mm)

w

s

ANEJO I

68



Para obtener el ángulo correspondiente a cada diámetro se hace la siguiente integral,

𝜑 =180

𝜋· ∫

𝑑𝑟

𝑟 · tan 𝛽

𝑟

𝑟1

Obteniéndose los resultados que se resumen en la Tabla 3-2, del punto 3.3.2.

DISEÑO DE LA VOLUTA

Para el diseño de la caja espiral se ha comenzado sabiendo que en cada punto se cumple la siguiente ecuación,

𝑟 · 𝐶𝑢 = 𝐶

ANEJO I

69



De donde 𝐶 = 𝑟2 · 𝐶2𝑢∗ , a la salida del rodete, donde 𝐶2𝑢

∗ se ha calculado anteriormente.

Suponiendo que el fluido al salir del rodete se difunde de una misma manera por toda la periferia de la voluta,

𝜃º =360𝐶

𝑄· ∫

𝑏

𝑟𝑑𝑟

𝑟𝜃

𝑟𝑟

Donde Q es el caudal total de la bomba; en la ecuación anterior 𝑟𝜃, es el radio exterior de una sección situada a 𝜃º de la lengua teórica.

De la Figura 3-16, se deduce que,

𝑏 = 2(𝑟 − 𝑟0) tan𝛷

2

Que se introduce en la ecuación anterior,

𝜃º =360 · 𝐶

𝑄· 2 · tan

𝛷

2· ∫ (𝑟 − 𝑟0) ·

𝑑𝑟

𝑟

𝑟𝜃

𝑟𝑐

𝜃º =360 · 𝐶

𝑄· [2 · tan

𝛷

2· (𝑟𝜃 − 𝑟𝑐) − 2 · 𝑟0 · tan

𝛷

2· ln

𝑟𝜃

𝑟𝑐]

Seguidamente, por restricciones debido a la fabricación, se eligió el radio menor de la caja espiral, 𝑟𝑐, y 𝑏3,

𝑟𝑐 = 𝑟2 + 0,002

𝑏3 = 𝑏2 + 0,0015

A continuación, se ha ido aumentando progresivamente 𝑟𝜃 = 𝑟𝑐 , hasta llegar al ángulo 𝜃º = 360º, para conseguir todo el trazado de la caja logarítmica.

ANEJO II

70



ANEJO II: Mediciones de las distintas partes de las

piezas

Haciendo uso de un calibre se han medido distintas partes de las piezas. Solo se muestran los valores representativos obtenidos del rodete y de la voluta, siguiendo la nomenclatura que se muestra en la Figura 3-9 y Figura 3-15.

Prototipo

Teórica (3D)

Desviación

r2 80.99 81.77 0.95

Anchura Canal de

ajuste 2 2.2 9.09

ds externo 26.25 26.67 1.57

ds interno 21.3 21.65 1.62

Tabla A-II- 1: Mediciones de la parte de la voluta de entrada

Prototipo

Teórica (3D)

Desviación

deje 32.05 32 0.16

dc 105.18 105.2 0.019

da 110.48 110.4 0.07

d2 135.78 135.78 0

drodamiento 9.88 9.85 0.3

Tabla A-II- 2: Mediciones del rodete de la bomba-turbina

Prototipo

Teórica (3D)

Desviación

r2 80.85 81.77 1.1

Anchura Canal de ajuste

2 2 0

ds externo 26.65 26.67 0.07

ds interno 21.225 21.65 1.9

Tabla A-II- 3: Mediciones de la parte de la voluta de salida

REFERENCIAS



DOCUMENTO III.

PLANOS

1 2 3 4

1 2 3 4

B

A

C

B

A

C

E

D

F

E

D

F

I.C.A.I.ESCALA:

COMPROBADO

DIBUJADO

TOLERANCIA

MATERIAL

FIRMA: Nº DE LÁMINA:

NOMBRE FECHA

18/06/2015Cayetana de Urbina

-

- Proyecto Final de GradoDiseño de una Bomba-Turbina

18/06/2015

Plano Conjunto Bomba-Turbina

1

J.P.G.; E.A.P.; A.C.G.

1:2

1

23

46

5

7

89

11 34 Tornillos M3 DIN 933 6.8

10 34 Tuercas M3 DIN 934

9 1 Tapa cónica de salida

8 1 Rodamiento de bolas contacto angular 10x30x9

7 1 Tambor salida

6 1 Voluta salida

5 1 Rodete

4 1 Voluta entrada

3 1 Tambor entrada

2 1 Rodamiento rígido de bolas 10x26x8

1 1 Tapa cónica de entrada

Marca Cantidad Denominación Material/Medidas Normalización

Lista de Piezas

1011

1 2 3 4

1 2 3 4

B

A

C

B

A

C

E

D

F

E

D

F

I.C.A.I.ESCALA:

COMPROBADO

DIBUJADO

TOLERANCIA

MATERIAL


NOMBRE FECHA


-


18/06/2015Tapa Entrada

2

J.P.G.;E.A.P.;A.C.G.

2:1

A

A

CORTE A-A

40,2

5

R16

120°

24,28

3,1

22O

18O

2,5

R2,34

6

5

0,5 X 45°

R2

R 3,68

2

B

A

C

E

D

F

I.C.A.I.ESCALA:

COMPROBADO

DIBUJADO

TOLERANCIA

MATERIAL


NOMBRE FECHA

1 3 4 5 6 7 8

21 3 4 5 6 7 8

B

A

C

E

D

F18/06/2015Cayetana de Urbina

-


18/06/2015Tambor de Entrada

3


1:1

A

A

CORTE A-A

B

B

CORTE B-BNACA 0018

CDETALLE C

2:1

8

120°

40°

3,1

124,

6

39,7R 16 D

DETALLE D

5,65

R 3,683,1

R 1

0,5 X 45°

33,88

23,88 4

R2

114,

8O

9,8

10

1,9

110,

4O

26,1

5O

21O

24,88

1

1 2 3 4

1 2 3 4

B

A

C

B

A

C

E

D

F

E

D

F

I.C.A.I.ESCALA:

COMPROBADO

DIBUJADO

TOLERANCIA

MATERIAL


NOMBRE FECHA


-


18/06/2015Voluta Entrada

4


1:2

2

B

A

C

E

D

F

I.C.A.I.ESCALA:

COMPROBADO

DIBUJADO

TOLERANCIA

MATERIAL


NOMBRE FECHA

1 3 4 5 6 7 8

21 3 4 5 6 7 8

B

A

C

E

D


-


18/06/2015Voluta Entrada

5


1:2

R138

258

R120 A

ACORTE A-A

B

DETALLE B1:1

117,4

110,4

R12

2,1

3,1

3,1

3,1

2,2

6

12,5

26,67

6,1

5,65

4,25

3,12

9

7470

5,7

9 x

21,65

40°

49°

28°

113,

81

42,9

2

R81

,5

80°

10,99

120°

2,5

CC

CORTE C-C

2,65,7

110,4

115,1

124,

6

1 2 3 4

1 2 3 4

B

A

C

B

A

C

E

D

F

E

D

F

I.C.A.I.ESCALA:

COMPROBADO

DIBUJADO

TOLERANCIA

MATERIAL


NOMBRE FECHA


-


18/06/2015

Rodete Bomba-Turbina

6


1:2

2

B

A

C

E

D

F

I.C.A.I.ESCALA:

COMPROBADO

DIBUJADO

TOLERANCIA

MATERIAL


NOMBRE FECHA

1 3 4 5 6 7 8

21 3 4 5 6 7 8

B

A

C

E

D


-


18/06/2015Rodete Bomba-Turbina

7


1:2

161

116,

4

110,

4

105,

2

32

125

45,12 28,88 12

3

13

3

12 5

13,8

5O

112,

4O

A

DETALLE A2:1

3 3

25,3

R2

R3

2°

9,85

O

27,9

18

Chaflanes no indicados 0,5 x 45º

Redondeos no indicados R1

B

DETALLE B2:1

0,5

3°

C

C

1

F

E

D

32 4

C

B

1

A

32 4

I.C.A.I.

NOMBRE

5

MATERIAL

TOLERANCIA

ESCALA:

COMPROBADO

DIBUJADO

76 8

Nº DE LAMINA:

F

E

D

5 6 7

C

B

8

A

FIRMA

FECHA

Cayetana de Urbina 18/06/201518/06/2015E.A.P., J.P.G., A.C.G

2:1

Proyecto Final de GradoDiseño de una Bomba-Turbina

Perfiles Álabes Turbina

dc= 31.6 mmdx=50 mm

dm=68.6 mmdy=87 mm dp=105.4 mm

37° 28°

23° 20

°

18°

8884

76

68

64

dc=31.6

dx=50

dm=68.6

dy=87

dp=105.4

Diámetros de los desarrollos cilíndricosPerfiles Göttingen 682

8

PRODUCIDO POR UN PRODUCTO EDUCATIVO DE AUTODESK

PR

OD

UC

ID

O P

OR

U

N P

RO

DU

CT

O E

DU

CA

TIV

O D

E A

UT

OD

ES

K


PR

OD

UC

ID

O P

OR

U

N P

RO

DU

CT

O E

DU

CA

TIV

O D

E A

UT

OD

ES

K

1

F

E

D

32 4

C

B

1

A

32 4

I.C.A.I.

NOMBRE

5

MATERIAL

TOLERANCIA

ESCALA:

COMPROBADO

DIBUJADO

76 8

Nº DE LAMINA:

F

E

D

5 6 7

C

B

8

A

FIRMA

FECHA

Cayetana de Urbina 18/06/201518/06/2015E.A.P., J.P.G., A.C.G

1:1


Perfiles Álabes Bomba

Φ

Φ=0º

s

R

s (mm) r (mm) φ (º)

0.3 55.35 0

1.5 59.5 19.8

2 63.7 37.4

2.4 67.9 52.7

2.6 72.1 65.9

2 76.3 77.7

0 80.5 87.5

9


PR

OD

UC

ID

O P

OR

U

N P

RO

DU

CT

O E

DU

CA

TIV

O D

E A

UT

OD

ES

K


PR

OD

UC

ID

O P

OR

U

N P

RO

DU

CT

O E

DU

CA

TIV

O D

E A

UT

OD

ES

K

1

F

E

D

32 4

C

B

1

A

32 4

I.C.A.I.

NOMBRE

5

MATERIAL

TOLERANCIA

ESCALA:

COMPROBADO

DIBUJADO

76 8

Nº DE LAMINA:

F

E

D

5 6 7

C

B

8

A

FIRMA

FECHA

A

B

F

C

D

E

G

H

I

J

K

L

M

N

Cayetana de Urbina 18/06/2015


Perfiles Internos de la Voluta

Cortes θ Φ b3 (mm) l (mm)

A 0/360 º 40º 2,25 14

B 10,85º 40º 2,25 -

C 24,4º 40º 2,25 3,2

D 40,54º 40º 2,25 4,1

E 59,14º 40º 2,25 5

F 80,1º 40º 2,25 5,9

G 103,3º 40º 2,25 6,8

H 128,6º 40º 2,25 8,7

I 156,1º 40º 2,25 9,6

J 185,5º 40º 2,25 10,5

K 216,8º 40º 2,25 11,4

L 249,9º 40º 2,25 11,5

M 284,9º 40º 2,25 12,4

N 321,5º 40º 2,25 13,4

Φ

b3

l

θ

J.P.G.;E.A.P.;A.C.G. 18/06/2015

101:2


PR

OD

UC

ID

O P

OR

U

N P

RO

DU

CT

O E

DU

CA

TIV

O D

E A

UT

OD

ES

K


PR

OD

UC

ID

O P

OR

U

N P

RO

DU

CT

O E

DU

CA

TIV

O D

E A

UT

OD

ES

K

1

F

E

D

32 4

C

B

1

A

32 4

I.C.A.I.

NOMBRE

5

MATERIAL

TOLERANCIA

ESCALA:

COMPROBADO

DIBUJADO

76 8

Nº DE LAMINA:

F

E

D

5 6 7

C

B

8

A

FIRMA

FECHA

CORTE A

CORTE F

CORTE B

CORTE C

CORTE D

CORTE E

CORTE G

CORTE H

14

14 x 2.25

14 x 40º

14 x 6.5

4,1

5

5,9

6,8 8,7

3,2



Perfiles Internos de la VolutaJ.P.G.;E.A.P.;A.C.G. 18/06/2015

111:2

Redondeos no indicados R1


PR

OD

UC

ID

O P

OR

U

N P

RO

DU

CT

O E

DU

CA

TIV

O D

E A

UT

OD

ES

K


PR

OD

UC

ID

O P

OR

U

N P

RO

DU

CT

O E

DU

CA

TIV

O D

E A

UT

OD

ES

K

1

F

E

D

32 4

C

B

1

A

32 4

I.C.A.I.

NOMBRE

5

MATERIAL

TOLERANCIA

ESCALA:

COMPROBADO

DIBUJADO

76 8

Nº DE LAMINA:

F

E

D

5 6 7

C

B

8

A

FIRMA

FECHA

CORTE ICORTE J

CORTE K

CORTE L

CORTE N

CORTE M

9,6

10,5 11

,413

,4

12,4



Perfiles Internos de la Voluta

11,5

12

J.P.G.;E.A.P.;A.C.G. 18/06/2015

1:2


PR

OD

UC

ID

O P

OR

U

N P

RO

DU

CT

O E

DU

CA

TIV

O D

E A

UT

OD

ES

K


PR

OD

UC

ID

O P

OR

U

N P

RO

DU

CT

O E

DU

CA

TIV

O D

E A

UT

OD

ES

K

1 2 3 4

1 2 3 4

B

A

C

B

A

C

E

D

F

E

D

F

I.C.A.I.ESCALA:

COMPROBADO

DIBUJADO

TOLERANCIA

MATERIAL


NOMBRE FECHA


-


18/06/2015Voluta Salida

13


1:2

2

B

A

C

E

D

F

I.C.A.I.ESCALA:

COMPROBADO

DIBUJADO

TOLERANCIA

MATERIAL


NOMBRE FECHA

1 3 4 5 6 7 8

21 3 4 5 6 7 8

B

A

C

E

D


-


18/06/2015Voluta Salida

14

J.P.G.;E.A.P.;A.C:G.

1:2

R12

0

R13

8

A

ACORTE A-A

258

49°

40°

28°

42,9

2

113,

92

3,1

O 3,1

3,1

26,67

13,5

6

2

6,1

5,9

12

3,09

16

21,65

7470

80°

113,4

106,5

R81,5

R120

B

DETALLE B1:1

5,7

9 x

12,13

120°

C C

CORTE C-C

2,65,7

2106,5

112,7

122,2

2

B

A

C

E

D

F

I.C.A.I.ESCALA:

COMPROBADO

DIBUJADO

TOLERANCIA

MATERIAL


NOMBRE FECHA

1 3 4 5 6 7 8

21 3 4 5 6 7 8

B

A

C

E

D


-


18/06/2015Tambor de Salida

15


1:1

A

A

CORTE A-A

B

DETALLE B2:1

C

DETALLE C

DD

3,1

120°

40°

122,

2

39,56R 16,5

5,65

3,1 R 3,68

CORTE D-DNACA 0018

0,5 X 45°

8

112,

4O

106,

5O

9,8

30,1

5O

24O

50,12

40,12 4

R2

1,911

1 2 3 4

1 2 3 4

B

A

C

B

A

C

E

D

F

E

D

F

I.C.A.I.ESCALA:

COMPROBADO

DIBUJADO

TOLERANCIA

MATERIAL


NOMBRE FECHA


-


18/06/2015Tapa Salida

16


2:1

A

A

CORTE A-A12

0°

3,1

39,56

R16

,5

24,2

4

6 5

0,5

X 4

5°

R 2,36

25O

18O

2,5

R 3,68

escuela tÉcnica superior de ingenierÍa (icai ...ideas similares a la bomba-turbina se han...

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