TDX/TDR - Departamento de Energía

Generación de ruido tonal en bombas centrífugas por interacción fluidodinámica entre rodete y voluta

Tue, 12 Apr 2011 20:25:25 GMT

Generación de ruido tonal en bombas centrífugas por interacción fluidodinámica entre rodete y voluta Pérez Castillo, Javier El flujo a través de las tubomáquinas en general y de las bombas centrífugas en particular, presenta componentes no estacionarias, inducidas por distintos tipos de mecanismos, que dan lugar a la excitación de ruido y vibraciones. En el caso de las bombas centrífugas más habituales (con voluta y sin difusor de aletas) destaca el ruido generado a la llamada frecuencia de paso de álabes, como consecuencia de la interacción fluidodinámica entre los álabes y canales del rodete y la voluta, especialmente en la zona de la lengüeta. La magnitud de esta excitación, que es muy dependiente de la geometría y del caudal bombeado, puede resultar excesiva bajo ciertas condiciones de operación, por lo que se trata de un fenómeno de interés tanto científico como tecnológico.

La investigación que se presenta ha tenido como propósito general el desarrollo y aplicación de una metodología adecuada para la caracterización de la generación del ruido tonal a la frecuencia de paso de álabes en el interior de una bomba dada, de forma que se pueda identificar y cuantificar la contribución de la interacción fluidodinámica rodete-voluta. Esta investigación se ha desglosado en varias líneas de actuación complementarias, que se indican a continuación.

Por un lado se planteó la elaboración de un modelo acústico simple para el cálculo del campo sonoro en el interior de las bombas ante la presencia de una o más fuentes acústicas ideales (monopolos o dipolos). Este modelo acústico permite la modificación arbitraria de la posición de los focos, su potencia sonora (a la frecuencia de paso de álabe) y la fase temporal de emisión de los mismos, admitiendo en todos los casos propagación en modo de onda plana a lo largo de los canales del rodete, de la voluta, del difusor de salida y de las conducciones. Tras contemplar dos modelos diferentes, con distintos grados de complejidad, se optó finalmente por un modelo basado en la descomposición de la voluta en pequeños tramos o elementos, cada uno de ellos equivalentes a un sistema acústico lineal de tres puertos.

Por otro lado se llevaron a cabo ensayos en laboratorio sobre una bomba centrífuga con una velocidad específica de 0.47 y un intersticio rodete-voluta del 11.4%, instrumentada con transductores de presión piezoeléctricos, con el objeto de medir la amplitud y la fase de las fluctuaciones de presión a la frecuencia de paso de álabes sobre un amplio número de posiciones a lo largo de la voluta y de los conductos de la bomba. Estas medidas se realizaron para 17 puntos de funcionamiento de la bomba, desde caudal nulo hasta un 160% del caudal nominal, a fin de mostrar el efecto del caudal sobre la magnitud y características del campo de fluctuaciones. Con la misma instrumentación también se realizaron ensayos de caracterización de las propiedades de reflexión sonora de la bomba desde su puerto de impulsión, cuyos resultados se emplearon para contrastar las predicciones de los dos modelos acústicos propuestos y seleccionar el más adecuado.

A continuación se procedió a desarrollar un programa general de cálculo que, incorporando un procedimiento para el modelo acústico de la bomba finalmente seleccionado, permite la variación iterativa de las propiedades básicas de las fuentes sonoras ideales, hasta llegar a identificar al grupo de fuentes que proporcionan el mejor ajuste posible entre el campo sonoro predicho y el conjunto de datos experimentales sobre fluctuaciones de presión. En cada caso la bondad del ajuste se ha evalúa por minimización de errores cuadráticos, mediante un coeficiente de determinación definido expresamente para esta aplicación.

Este programa general de cálculo se ha aplicado sistemáticamente sobre la bomba de ensayo para cada punto de operación, considerando distintos tipos y números de fuentes ideales. Los resultados indican que la emisión sonora a la frecuencia de paso de álabe se puede aproximar razonablemente a la de dos únicas fuentes ideales situadas en la zona más estrecha de la voluta, confirmando pues que el origen de la emisión estriba en la interacción fluidodinámica rodete-lengüeta. En el caso del rango del caudal nominal así como para caudales elevados, esas dos fuentes ideales son dos dipolos acoplados como un cuadripolo longitudinal, que emite sonido en fase con la pulsación hidráulica (pseudoruido) asociada al paso de los álabes frente a la zona de los dipolos. En cambio, en el caso de caudales menores del nominal esas dos fuentes ideales son monopolos acoplados como un dipolo, que emite sonido con una fase dependiente del vórtice de recirculación de la zona de salida de los canales del rodete. Como era de esperar, tanto a carga parcial como en sobrecarga la magnitud de emisión tiende a aumentar con el alejamiento respecto al caudal nominal de la bomba.

Interacción no estacionaria entre el rotor y el estator en una turbomáquina axial

Tue, 12 Apr 2011 20:25:24 GMT

Interacción no estacionaria entre el rotor y el estator en una turbomáquina axial Fernández Oro, Jesús Manuel La creciente demanda de conseguir diseños cada vez más eficaces y de mayor rendimiento en la práctica totalidad de las aplicaciones de las turbomáquinas, conlleva la necesidad de un conocimiento más exhaustivo y preciso de los fenómenos fluidodinámicos que se están produciendo en el interior de las máquinas. Un breve repaso a la bibliografía especializada en esta disciplina, muestra claramente la complejidad inherente al estudio del flujo en el interior de una turbina, un compresor o un ventilador, donde las interacciones entre los elementos móviles de la máquina (rotor), el bloqueo del flujo o las no estacionariedades del patrón fluidodinámico, influyen enormemente en las prestaciones y el funcionamiento normal de dichas turbomáquinas. El proyecto de esta Tesis se engloba dentro de esa problemática y trata de aportar, mediante la aplicación de un modelo capaz de describir el comportamiento no estacionario de una etapa de una turbomáquina axial, una precisa descripción de la naturaleza y origen de la interacción de los diversos elementos que constituyen la máquina. Introduciendo en el análisis el concepto de "tensiones deterministas", se pretende caracterizar cualitativamente el mapa de velocidades del flujo, relacionándolo con los tiempos característicos de funcionamiento de la máquina. Yendo más allá de la aportación de una simple simulación según el clásico promedio de Reynolds, se pretende discernir y separar la contribución de cada elemento móvil, consiguiendo de esta forma una visión global del comportamiento de cada elemento sobre el resultado final de las prestaciones fluidodinámicas de la turbomáquina, con el objetivo de plantear mejoras sobre el diseño de los parámetros básicos de funcionamiento de dichas máquinas
Partiendo de un modelo URANS con unas discretizaciones temporales y espaciales adecuadas, se ejecutará en un primer paso una simulación numérica que servirá como punto de partida para la posterior elaboración de unos promedios, en función de los tiempos característicos de los haces, con el propósito de la obtención del mapa completo de tensiones deterministas del flujo en el interior de la máquina. A posteriori se construirá, basándose en dichas tensiones, un modelo que devolverá, de forma desacoplada, la contribución de cada haz por separado en el campo fluidodinámico total. Esta metodología numérica se complementará a su vez con una serie de ensayos experimentales sobre un ventilador axial de una única etapa, con un estator que procede al haz móvil de la máquina. Dichos ensayos se realizarán utilizando técnicas de anemometría térmica y se tomarán medidas con vistas a contrastar los resultados numéricos, en un número de puntos lo suficientemente representativos como para obtener una adecuada descripción del campo fluidodinámico en el ventilador. Se pretende que dichos puntos de medida se planteen tanto en la dirección circunferencial como en la dirección radial y que a su vez, se realicen medidas en las entradas y salidas de cada haz de la máquina.

Ruido aerodinámico tonal radiado por un ventilador axial en campo lejano: mecanismos de generación y propagación del mismo

Tue, 12 Apr 2011 20:25:22 GMT

Ruido aerodinámico tonal radiado por un ventilador axial en campo lejano: mecanismos de generación y propagación del mismo Argüelles Díaz, Katia María Hoy en día las turbomáquinas están presentes en multitud de aplicaciones industriales y sociales, por lo que existe una continua demanda para mejorar sus prestaciones mediante diseños más eficaces. Además, es esencial que los nuevos diseños se encaminen también a reducir las emisiones sonoras de las turbomáquinas ya que tienen un fuerte impacto sobre la sociedad. Así, el ruido, considerado hasta hace poco como un subproducto inherente a las turbomáquinas, tiene que pasar a convertirse en un objetivo esencial e indispensable de las etapas de diseño de los nuevos prototipos. La mayor parte del ruido generado por turbomáquinas es de naturaleza aeroacústica, por lo que sólo mediante un conocimiento exhaustivo de los fenómenos fluildodinámicos que tienen lugar en el interior de las mismas se estará en disposición de detectar los mecanismos básicos de generación de ruido y de realizar las actuaciones pertinentes con vistas a reducir las consecuentes emisiones sonoras. Además, el conocimiento o aguas arriba de un rotor de nueve alábes, para distintas configuraciones de funcionamiento del mismo: dos gaps axiales entre stator y rotor, y tres caudales de funcionamiento diferentes. Los modelos numéricos son validados con resultados experimentales obtenidos a partir de una campaña de ensayos llevada a cabo en el ventilador mediante técnicas de anemometría térmica, transductores piezoeléctrios y micrófonos capacitados. Se dispone entonces de una herramienta que permite conocer y reducir, en la etapa de diseño, los niveles de ruido generados por una turbomáquina.

Modelización del flujo en ventiladores axiales de paso variable

Tue, 12 Apr 2011 20:25:21 GMT

Modelización del flujo en ventiladores axiales de paso variable Ballesteros Tajadura, Rafael El estudio presentado trata sobre la modelización del flujo en ventiladores axiales analizando la influencia de ciertos parámetros de diseño, en especial del ángulo de calado de los álabes.
Para ello se ha realizado un estudio experimental en un ventilador axial. Una primera fase de este estudio ha consistido en la determinación de las curvas características del ventilador, analizando el efecto sobre ellas de la variación del ángulo de calado, de la solidez y de la velocidad de rotación. A partir de los datos proporcionados por esta fase, se seleccionaron una serie de posiciones del ángulo de calado, y para cada uno
de ellos, ciertos caudales de funcionamiento próximos al punto de máximo rendimiento. Para todos estos caudales se obtuvieron los campos de
velocidades a la salida del rodete, para lo cual se desarrolló una metodología experimental basada en la anemometría térmica, que incluyó tanto el diseño, la construcción y la calibración de sondas triples de hilo caliente, como el desarrollo de las técnicas de adquisición y tratamiento necesarias.
Además de obtener experimentalmente las características del flujo en un ventilador axial, se ha abordado la modelización numérica del mismo. Se hace un repaso de los distintos modelos de flujo y métodos de resolución utilizados habitualmente en turbomáquinas y se ha elegido una formulación cuasi-tridimensional, calculando el flujo, por un lado, en superficies álabe a álabe, y por otro, en una sección meridional, imponiendo la condición de equilibrio radial a la salida de los álabes. Para el cálculo del flujo de
álabe a álabe se ha acoplado un modelo no viscoso, resolviendo las ecuaciones de Euler mediante un método "time-marching" y una
discretización por volúmenes finitos, con el cálculo de la capa límite por un método integral acoplado al cálculo no viscoso mediante el concepto de la velocidad de transpiración.
La modelización numérica realizada se adapta de forma satisfactoria a la estructura de flujo obtenida experimentalmente en las zonas medias e inferiores del canal; el comportamiento global del ventilador es modelizado correctamente, aunque las predicciones teóricas son algo superiores a las evidencias experimentales.

Desarrollo de un método rápido basado en técnicas de activación neutrónica para la determinación del contenido de flúor en muestras de mineral de fluorita

Tue, 12 Apr 2011 20:25:20 GMT

Desarrollo de un método rápido basado en técnicas de activación neutrónica para la determinación del contenido de flúor en muestras de mineral de fluorita Rey Ronco, Miguel Ángel Se plantea un método de análisis del flúor basado en la activación neutrónica, cuyas características principales son la rapidez del análisis y su precisión. Se repasan los conceptos fundamentales de la activación neutrónica, se continúa explicando las características principales del flúor, y se hace una breve descripción de otros métodos de análisis al tiempo que se aportan unos conocimientos teóricos sobre reacciones nucleares.
Se analizan todos los aspectos relacionados con la muestra y con el análisis de la misma. A través de más de 400 reacciones teóricas posibles, se muestran las secciones eficaces de todos los isótopos de todos los elementos que pueden aparecer en la muestra de fluorita.
En la parte experimental se exponen los prototipos diseñados y construídos para llevar a cabo la activación, según los resultados del análisis teórico de las posibles reacciones, y se describen todos los pasos que se han dado para llegar al diseño y construcción definitivo.
En un siguiente bloque se exponen los resultados de todas las mediciones realizadas sobre distintos conjuntos de muestras para posteriormente analizar estos datos y elaborar, con la ayuda de programas estadísticos, varios modelos matemáticos que tienen en cuenta los fenómenos del proceso de activación de la muestra, y medida del espectro de rayos gamma resultante.
El excelente ajuste entre el modelo y los datos experimentales, muestra la viabilidad del método de activación neutrónica para la detección del flúor en muestras de fluorita.
Finalmente, a la vista de los resultados obtenidos, se hace un desarrollo teórico que mejorará en futuros prototipos, la resolución del análisis por activación neutrónica.

Corrección y mejora del análisis de humedad del carbón térmico por medios no destructivos en tiempo real

Tue, 12 Apr 2011 20:25:18 GMT

Corrección y mejora del análisis de humedad del carbón térmico por medios no destructivos en tiempo real Santurio Díaz, Jose Mª El carbón es el combustible fósil más abundante en el mundo. No solamente existen grandes reservas, sino que estas se encuentran ampliamente repartidas.
Actualmente el carbón es la mayor fuente de energía primaria para la producción termoeléctrica a nivel mundial. También resulta indispensable para otros procesos industriales como son la producción siderúrgica.
El rechazo social hacia la energía nuclear y las previsiones sobre la disponibilidad y precio de otros combustibles como el petróleo y el gas natural, hacen prever que el carbón va a seguir siendo un combustible a tener muy en cuenta, a medio y largo plazo, como fuente de energía especialmente en los países en vías de desarrollo.
Además, los problemas medioambientales derivados del uso de combustibles fósiles han impulsado el desarrollo de tecnologías encaminadas a mejorar la eficiencia y reducir las emisiones contaminantes a los cada vez más restrictivos niveles adoptados en los protocolos internacionales
En este aspecto, el desarrollo de técnicas para el análisis de las propiedades del carbón en tiempo real y de manera continua, representa un punto de apoyo significativo para las tecnologías de aprovechamiento óptimo de este combustible.
La humedad y el contenido en cenizas son dos parámetros básicos para establecer la calidad del carbón. La posibilidad de conocer en todo momento la humedad y el contenido en materia mineral de la masa de carbón que va a ser consumida en una caldera, permite el ajuste rápido, e incluso de forma automática, de los parámetros de funcionamiento de manera que la combustión se realice siempre en las mejores condiciones posibles.
Una técnica que se ha revelado como muy satisfactoria para la determinación de la humedad en flujos de carbón es la transmisión de microondas. El contenido en materia mineral puede medirse mediante la detección de la radiactividad natural del carbón; técnica bastante sencilla aunque adolece de algunos problemas de precisión y resolución.
Un problema común a ambas es la dificultad que existe para obtener unas calibraciones de los equipos de medida, que sean válidas para distintas variedades de carbón. Normalmente es necesario obtener y aplicar distintas curvas de calibración; una para cada tipo de carbón.
El trabajo experimental que ha dado lugar a esta Tesis, se ha centrado en buscar la manera de obtener ecuaciones de calibración, tanto de humedad como de cenizas, en las que todos los carbones son considerados como un solo grupo y por tanto cada calibración es única para todos ellos; lo cual resulta mucho más interesante para una aplicación práctica de tal metodología.
Los ensayos se han efectuado en una planta piloto que simula la cinta transportadora del alimentador de una caldera. Para medir el contenido en humedad y las cenizas, se instalaron respectivamente un analizador de microondas y un detector de radiactividad natural.
Tras el tratamiento estadístico de las medidas, los resultados han sido correlacionados con los obtenidos por medio de análisis de laboratorio según normas en uso. Se ha comprobado que es posible corregir las calibraciones para el cálculo de humedad, con resultados muy satisfactorios, utilizando las medidas que se toman para la determinación de cenizas. También se ha comprobado la posibilidad de corregir las calibraciones para el cálculo de cenizas, utilizando las medidas que se toman para la determinación de la humedad.

Modelización numérica del flujo no estacionario en bombas centrífugas: efectos dinámicos de la interacción entre rodete y voluta

Tue, 12 Apr 2011 20:25:16 GMT

Modelización numérica del flujo no estacionario en bombas centrífugas: efectos dinámicos de la interacción entre rodete y voluta González Pérez, José En este trabajo se muestra un estudio del comportamiento dinámico del flujo en bombas centrífugas. Más concretamente, se han realizado medidas experimentales y simulaciones numéricas orientadas a la investigación de la interacción dinámica entre el flujo saliente del rodete y el que se encuentra en la voluta.
En el estudio experimental primeramente se han obtenido las características globales de funcionamiento de una bomba centrífuga con dos recortes del rodete. Después, mediante la utilización de transductores piezorresistivos y piezoeléctricos se han obtenido las distribuciones de presión en una posición radial en la voluta cercana a la salida del rodete y las fluctuaciones de presión en esa misma posición. Se ha estudiado la validez de los distintos resultados mediante el correspondiente análisis de incertidumbre.
Las simulaciones numéricas se han llevado a cabo utilizando un programa basado en la solución de las ecuaciones de Navier-Stokes por medio de un algoritmo de volúmenes finitos, que define el flujo simultáneamente en rodete y voluta usando una técnica de mallado deslizante. La turbulencia se ha simulado por medio de un modelo k-ε stándar y los efectos de la capa límite a través de una ley de pared logarítmica. Se han realizado simulaciones bidimensionales tanto estacionarias como no estacionarias y además se ha generado un modelo tridimensional.
La comparación de los resultados indica una gran aproximación de las simulaciones numéricas a la definición de los distintos fenómenos globales del funcionamiento de una bomba centrífuga. En concreto, el modelo tridimensional muestra resultados muy próximos a los experimentos en lo que se refiere a altura de elevación y eficiencia de la bomba ensayada. El modelo bidimensional también aproxima satisfactoriamente dichas curvas a pesar de sus inherentes limitaciones.
Se han obtenido las distribuciones de presión alrededor de la voluta para los dos rodetes tanto numérica como experimentalmente, así como las fluctuaciones de presión, estudiándose principalmente los resultados a la frecuencia de paso de álabe. Los modelos numéricos reflejan correctamente los fenómenos y tendencias observados, aunque no se adaptan a los valores cuantitativos medidos experimentalmente.
A partir de los trabajos numérico y experimental realizados se ha llegado a una comprensión más clara sobre cómo es la interacción del flujo entre el rodete y la voluta. También se ha llegado a conclusiones interesantes sobre el efecto que tiene la separación entre el rodete y la lengüeta en los esfuerzos tanto estacionarios como no estacionarios.
Finalmente, se plantean posibles ampliaciones del trabajo abordables según se vaya aumentando la potencia de cálculo así como desarrollando de nuevas metodologías de medida. Se prevé que en un futuro próximo las modelizaciones numéricas hayan llegado a un grado de madurez tal que se conviertan en una herramienta imprescindible tanto para el diseño como para el análisis del flujo en bombas centrífugas.