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Agustn Ramrez Mata

Diseo de estaciones de bombeo para bombas verticales de superficie

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Diseo de estaciones de bombeo para bombas verticales de superficie El diseo de los pozos/estaciones de bombeo es una de las aportaciones ms importantes de la empresa de ingeniera que disea un sistema de riego, y por ende el trabajo ms valorado como aportacin para esta aplicacin por un fabricante de bombas centrfugas, Dentro de las estaciones de bombeo, y teniendo en cuenta que las ms complicadas de definir son las que utilizan las bombas verticales de superficie, debemos indicar que son sustancialmente diferentes las diseadas para bombas horizontales. As, centrndonos en aquellas que son el motivo de este artculo, debemos decir que la dificultad del diseo de estas estaciones de bombeo, se basa en:

la morfologa de de las propias bombas (velocidades relativas altas y pasos de impulsor pequeos).

poca accin de guiado del propio pozo (la succin se produce en condiciones casi de remanso).

Ambas circunstancias afectan de forma muy importante a las caractersticas de las mquinas, a travs de su rendimiento y, por tanto, su consumo energtico. Por tanto, y teniendo en cuenta que el fabricante de bombas debe de participar en el diseo de la estacin de bombeo, ya que puede aportar la informacin de su bomba en particular, es conveniente identificar los parmetros a tener en cuenta para definir la estacin de bombeo de forma correcta:

1. submergencia de la mquina. 2. distancias fondo y a paredes circundantes. distancias de

interferencia entre bombas. 3. diseo en planta de la estacin: distribucin de flujo de

entrada y circulacin en el pozo. 4. caracterizacin del fluido: filtros y tamices. 5. modelizacin de la estacin de bombeo.

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1. La Submergencia de la Bomba La submergencia de la bomba es un dato experimental de cada mquina, que est tabulado por el organismo Hydraulic Institute, en funcin de la presin de trabajo y la velocidad especfica en su valor medio. La submergencia, es un valor que se define en funcin de evitar los lmites de cavitacin. Adems, la correcta definicin de este parmetro, evitar la produccin de remolinos (vrtices), que seran tragados por la mquina en su accin de bombeo. Cada submergencia para una determinada mquina depende de :

El propio diseo de la estacin. La velocidad de aproximacin a la bomba. El diseo de la campana de aspiracin. La interferencia con bombas adyacentes.

En cualquier caso la submergencia mnima no podr ser inferior a 1,5 metros contados desde la lnea inmediatamente por encima del cono de aspiracin. Como el dimensionamiento de la bomba es importante para la obra civil en cada caso, profundizaremos ms en este tema, podremos establecer este parmetro de una forma ms precisa: para bombas de aspiracin de baja velocidad (0,6 a 0,9 m/s), o bombas de pequeo tamao (hasta 15 pulgadas como nuestra FG 15): la submergencia mnima puede ser D/2. En donde D es el dimetro del cono de aspiracin en su mxima dimensin, que nunca ser menos del doble del dimetro del ojo del impulsor. Como criterio prctico, podemos adoptar como valor mnimo de la altura del lquido, aquella que inunde la voluta del impulsor en bombas mono-etapa, y una vez y media la altura de una etapa en las bombas que sean de dos o ms etapas. Tambin como dato prctico, las bombas con mejor submergencia, se comportarn mucho ms efectivamente en los casos que haya ms bombas emplazadas en la misma estacin de bombeo.

to be drawn into the pump suction. This depends on the sump layo%& velocity of approach, suction bell design, effect of adjacent pumps, and the like. For these reasons the submergence on an average job should not be less than 5 ft above the suction bell edge. With low suction bell velocity (2 to 3 ft per sec) and small units, this can be reduced to D/2, where D is the suction bell diameter which, on an average pump, should be not less than twice the diameter of the impeller eye. In every case the minimum water level in the suction sump should cover the impeller hub to keep the pump self-priming. When vortices appear in an existing station they can be checked by providing wooden floats around the pump discharge pipe or bafRes in the suction sump. All vortices origi- nate from the impeller; for that reason pumps having a bottom bearing with radial supporting baffles in the suction bell are less likely to set up vortices in the suction sump. Submergence also has an important be2.r- ing on the velocity distribution in the suction bell approach, particularly if there are several pumps in the same sump. With ample submergence, water can a ~ ~ r o a c h the suction bell from all directions with a uniform

num of disturbance from the flow toward several units in the same pit.

F (b) Floor Clearance. The free area between the suction bell and the

k a u m ~ floor should be at least eaual to the area of the bell itself. This

I FIG. 16.5. Pattern of flow with suction bell distance to floor D / 3 and D. 5

requires a distance between the bell and tlie floor equal to D/4, where D is the bell outside diameter. But this will cause the water to make a. sharp turn inside the bell. It has been jound that a distance I) /3 between

e bottum o j the pit and the suction bell is ample fir normal pump per- ~ m a n c e . A further increase in this d ishr~ce may even impair , rather an improve, the velocity distribution in the suction bell approach. 'I'ests the University of California have shown that the best performance obtained with a clearance of D/2. An increase of the clearance to 11

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2. Distancias fondo y a paredes circundantes

Como dato genrico de clculo, el rea libre de obstculos entre el cono de aspiracin y el fondo de pozo, ser igual al rea de la campana de aspiracin. Esa distancia es D/4. Con D el valor del dimetro mximo del cono de aspiracin. Este es el valor adecuado cuando la bomba est aislada en su pozo de bombeo, ya que este valor es el de estabilizacin del caudal en el impulsor (es aceptado un rango de D/3 a D/4 como el ms favorable para este efecto). De todas formas, debido a los efectos no estacionarios que se producen en el episodio de la zona de aspiracin, en estaciones con ms de una bomba, se han obtenido datos experimentales que aconsejan que esa distancia sea de D/2. Quiere decir esto que hay una distancia optima entre campana de aspiracin y fondo de pozo, que es la antedicha de D/2, mientras que distancias mayores bajan el rendimiento en la mquina, distancias menores no aseguran episodios transitorios que sean suficientemente cortos.

a. D/2= ptima definicin de la interferencia a fondo de pozo Los mtodos de anlisis en campo numrico complejo han permitido simular las interferencias con otras mquinas que han dado como resultado que :

b. 2D = distancia entre ejes de bombas. c. D = distancia a paredes laterales.

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3. Diseo en planta de la estacin El diseo en planta de la estacin de bombeo, es particularmente importante en los casos en que hay otras bombas trabajando simultneamente en la citada estacin. El paradigma del diseo de estaciones de bombeo para bombas verticales, es la creacin de un reparto de caudal, que sea estacionario, uniforme y continuo. Hay que evitar las interferencias de la mquinas, as como los funcionamientos viciados de la estacin de bombeo en funcin del nmero de bombas que estn o no funcionando a la vez. Una estacin mal diseada no slo comporta problemas en el rendimiento hidrulico de la misma sino que adems se producen vibraciones que disminuyen la vida de la mquina. En una estacin mal diseada slo se puede hacer una correccin para un mejor funcionamiento, mediante la variacin de la obra civil que permita disminuir las velocidades de aproximacin a la bomba, tanto como sea posible, y aumentar la separacin entre ejes de las bombas a valores superiores a los determinados en el apartado anterior. Los canales de acceso a cada bomba deben de tener de anchura 2D y la rampa de acceso como mnimo de 7D, para tener un caudal estable de acceso a la mquina.

3 0 ClCNTICIIi'U('IAT4 AN11 AXIAL 1'1,OW PUhII'S proper baffling and change in the inlet tunnel, all determin testing, normal performance of all pumps was restored.

,ta

The sump plan arrangement shown in Fig. 16.8, where the 4 is s t one end of the sump, will inevitably result in an uneven bution and mutual interference of the several units. Tile 11n

@- &;-;, : FIG. 16.8. A suction sump arrangement to be avoided. .~

to the intake will be d e c t e d most. The example shown in Fig. . % . called to the author's attention. Each pump, A and B, work$j+

.+is

factorily when operating alone. When both were operating, 2$!i , ., run normally whereas B would develop mechanical vibration

when local :$ in capacity (and possibly in efficiency). permit a favorable station layout ta assure an equal dislributio~?! among several pumps, the adverse eflects of inodepuate sump dti# minimized if ihe velocity of approach to each pump i s kept as low as:

and if spaC2aC2ng betwem & p r m p ~ $ ~ . '

creastd above the minimum sided a$ ,:' , -*5< All modem pumping stations a&J

vided either with manually cleaned: . :$q$

racks or moving screens. These ark$

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4. Caracterizacin del fluido Evidentemente el agua de las estaciones de riego, no suele estar perfectamente descargada de componentes extraos que empeoran las caractersticas de bombeo de las bombas que se instalen. Por ello es importante su anlisis y prevencin de posibles atascos con filtros y tamices. La velocidad del agua a travs del tamiz no debe superar los 0,3 metros por segundo. 5. Modelizacin de la estacin Es frecuente realizar modelizaciones, que indican de forma experimental, cul va a ser el comportamiento de la estacin de bombeo. En la mayora de los casos, se producen en las estaciones de bombeo fenmenos a nivel microscpico en que hacemos que la capa turbulenta del fluido aumente de forma excesiva provocando desviaciones del comportamiento de la estacin frente a los calculados. Para prevenir estos efectos, debemos evitar las siguientes morfologas:

1. evitar altas velocidades de ataque al perfil de la bomba. 2. evitar giros bruscos en el trazado. 3. dimensionar los pasos hidrulicos de la obra civil de forma

adecuada al caudal a vehicular. 4. evitar zonas de posible sedimentacin. 5. dar longitudes a los canales de acceso que permitan la

estabilizacin del caudal a cada bomba. Illescas-Toledo (Espaa), 5 Marzo de 2008

3G2 CENTRIFUGAL AND AXIAL 11'1,OW PUMPS

However, since the sense of forces does not change with the rate of flow, it is advantageous to run tests with exaggerated velocities to intensify the visual characteristics of the flow.

- .

- -

. - r r

s r r

(4 C

(b) FIG. 16.10. Suction sump with 90' turn; a, b, c are baffles.

ere are a number of principles suggested by model testing and con- by experience with existing plants which should be observed for

ctory operation of vertical pumps:

intaining the suction bell clearance to the floor a t D/3 is the ective means to stabilize the flow to the impeller. In special s could be reduced to 0 / 4 , with hardly any effect on the pump

performance. he individual cells the clearance between the bell edge and the wall should not exceed D/4.

VJ~;11'l'lCAI, 'I'UlLl~INI!: AND AXIAL l?LOW 1'UMl'S 363

3. A sym~netrical approach to the suction bell is essential for uniform velocity of approach to the impeller. With the channel width equal to 2D, and clearsnces as stated above, if the channel length is 7 0 or more, no special means are necessary to stabilize the flow. With shorter chan- . nels some baming may be necessary for smooth operation of the pumps. Figures 16.10 and 16.1 1 show the baffling which was necessary in one case to eliminate hydraulic noise and vibration.

FIG. 16.11. Suction sump with 180" turn; a, b, c are baffles; tunnel under pressure.

Figures 16.10 (a) and 16.11 (a) show a general appearance of the vortices before the baffling. In a majority of cases it was not necessary to install the baffle c. In every case baffles are so arranged that they cut off from the flow in a tunnel its share for each pump. The individual pump flo is also divided in two by a baffle. In this way, when two streams m a t the dead end of the cell, there is no tendency for vortex formation.

16.3 VERTICAL PROPELLER PUMPS VERSUS HORIZONTAL PUMP

(a) Hydraulic Performance. By referring to Fig. 1G.12 it will noticed that, a t specific speeds above 5000, vertical mined flow and flow pumps have rt better efficiency than horizontal pumps. The diff ence is caused mostly by the adverse effect of the shctiori.aPProa~fi the impeller performance. The relative performance8 of vertical puln even better than it appears from this chart as tllyrltrance loss and in the discharge column, including the elbow, are charged against' pump, whereas in horizontal pumps the head is measured betwee*

Double. suction

I I I I I I I I 1 1 I l l 1 i I l l I .O 1.5 2 3 4 5 6 8 10 '12.5 15

Specific speed X 1000

FIG. 16.12. Pump efficiency is affected by the casing design.

-4 suction and discharge flanges, and the loss in the suction pipe should be . , :a charged to the pump t o put the comparison on the same basis.

a Moreover, horizontal pumps usually require an increaser on the dis- !!I charge nozzle, thus incurring additional loss of head, whereas in pro- peller pump discharge elbow velocities are already reduced to what they are in the discharge pipe.

Horizontul propeller pumps lose part of their advantages if there i s an elbow on the suction or i f the pump h s to work under a suction lijt. I n the

- past, horizontal propeller pumps were invariably used for engine-driven 1: jobs. This resulted in a slow speed pump operating under suction lift,

and required a deep excavation to reduce the static lift of the pump. The ' recent trend i s lo use vertical submerged pumps driven through a right-

angle geared head. This permils freedom of speed selection for the pump, and gives all the advanlages of vertical pumps as lo submergence and impeller approach. The engine Jloor can be located at any convenient level, and thc

ver-all cost of the pumping slation i s lower. (b) Variable Head-Capacity Performance. The eficieilcy curve of tr

PW specific speed centrifugal pump, when plotted against capacity, is ter than that of propeller pumps. When capacity is varied by throt-

ng, this has a definite advantage. But low head pumps are used stly where head varies as a result of suction level variation (tide, onal change in river levels, and so on) and maximum capacity is ted a t any head. In this case propeller pumps with a steep head-

ity curve have a definite advantage and they will deliver more r within a given head rangc, and at a better efficiency, than the

1 . r n l - r - - L L L - L LL.. -LC-:--r... :- L-LC*" :- --"A -.*:-.1--+

Doc def Bombas verticales.pdfBomba vertical recorte.pdfDiseo de estaciones de bombeo para bombas verticales de superficie

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