Diseño de un impulsor de bomba centrífuga con álabes biomiméticos basados en la piel del pez vela

Abstract

Las bombas centrífugas son máquinas con presencia tanto en industria como en el hogar. Estos equipos están limitados por su tamaño y las características del fluido empleado. Estos límites, en términos del fluido, se determinan en función al caudal y presión de una bomba en servicio. Cuando la presión local (interna) es menor a la de vaporización se forman burbujas que colapsan en un proceso conocido como cavitación. La cavitación es un problema principal afrontado al diseñar una bomba centrífuga. Implementaciones recientes del diseño biomimético en máquinas se han mostrado prometedoras para mejoras de rendimiento. Esto supone una oportunidad para el desarrollo de la bomba del futuro, lo que lleva a preguntar: ¿Es posible mejorar el rendimiento de una bomba centrífuga aplicando el diseño biomimético a su impulsor? Esta investigación parte de que debería de ser posible. Un diseño que permita tener mayor caudal para el mismo tamaño sería útil en aplicaciones donde el espacio es una limitante. La presente investigación empleo el uso de herramientas CAD, fotografías y mediciones de investigadores anteriores, en conjunto con simulación CFD. Se evaluó el rendimiento de un impulsor con el pez vela como base de inspiración comparado con uno convencional. Se observó un incremento en eficiencia de 3.5% en sobrevelocidad y 0.2% en caudal nominal de la bomba referencial. La altura de descarga presentó un incremento de 5% y 8% a nominal y sobrevelocidad. Lo expuesto presenta una posible mejora respecto a los diseños actualmente en uso, es recomendable realizar más investigaciones.

Centrifugal pumps are some of the most ubiquitous machines in the world, both in industrial as well as homely applications. These machines are limited by the hydrodynamic behaviour of the fluid inside it, as well as its size. When dealing with fluid limitations, flow and pressure are used as a comparison base in order to determine a pump’s service limits. When local pressure drops below vapour pressure, bubbles are formed inside the pump that implode. This phenomenon is known as cavitation, and is one of the challenges when attempting to improve the performance of a pump. Recent developments in biomimetic design have been promising to improve machine performance. This design approach then presents itself as an opportunity to develop tomorrow’s pump, which proposes the next question: Can we improve the performance of a pump by applying biomimetic design to its impeller? This investigation is based upon the idea that the answer is yes. A design that proves to have a higher flow rate while maintaining pressure for a given size would be ideal for space-limited applications. This project was executed through the use of CAD in conjunction with photographs and measurements taken by previous researchers, together to do CFD simulations. A sailfish inspired impeller was compared with a traditional one. An efficiency increase of 3.5% and 0.2% at overspeed and nominal conditions was measured. Discharge head saw an increase of 5% and 8% at nominal and overspeed conditions respectively. This shows a promising prospect for performance improvements over current designs. Further research is advised in order to validate the findings of this investigation.