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PROYECTO DE DISEÑO DE UNA BOMBA-TURBINA INTEGRAL

Autor: Álvaro Ruiz de Galarreta López

Director: Antonio Arenas Alonso

Entidad colaboradora: Escuela Técnica Superior de Ingeniería ICAI (U. P. Comillas)

RESUMEN DEL PROYECTO

El concepto de Bomba-Turbina Integral surge de la idea de una turbomáquina

hidráulica combinada trabajando al mismo tiempo como bomba y como turbina. La

turbomáquina se diseña para ser instalada bajo un pequeño salto hidráulico que acciona

una turbina axial mediante parte del flujo, mientras que el resto del mismo es bombeado

a través de una bomba. Esta bomba va físicamente integrada en el mismo cuerpo de la

turbina formando los respectivos rodetes un sólo cuerpo rígido, por lo que ambos giran

a la misma velocidad.

Mediante este sistema se pretende el diseño de una máquina que bombee agua

de forma autónoma, es decir, sin aporte exterior de energía. Para el diseño de la misma

se decidió proyectarla para ser instalada en un río real en un punto donde poder alcanzar

la altura de 4 metros de agua embalsada y determinando la altura de destino en 14

metros.


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Los objetivos marcados para la realización del proyecto son los siguientes:

- Diseño hidráulico de la máquina. Objetivo principal del proyecto en el que

se deben diseñar tanto los rodetes de la turbina y de la bomba como el

sistema difusor de la máquina.

- Diseño mecánico del conjunto. Una vez realizado el diseño hidráulico es

necesario el diseño mecánico de todos componentes necesarios.

- Presupuesto económico. Se estudiarán los costes de fabricación y de

mantenimiento de la máquina.

- Indicaciones para la instalación. Donde se dan orientaciones para la

construcción de la presa.

Para comenzar el diseño se debe partir de los datos iniciales que nos proporciona

la localización del proyecto. Para ello se hace uso de la información hidrográfica y

topográfica pertinente. Las alturas útil de la turbina y efectiva de la bomba que se toman

para el diseño son más desfavorables que las que proporciona la información

topográfica para, así, tener margen ante las pérdidas de la instalación y conductos

ajenos a la máquina.

DATOS DE PARTIDA

Altura útil de la turbina 3,5 m

Altura efectiva de la bomba 16 m

Caudal medio 0,8 m3/s

Caudal máximo histórico 2,15 m3/s

Caudal mínimo histórico 0,05 m3/s

Con estos datos, y teniendo en cuenta la condición de que los rodetes de la

turbina y de la bomba giran a la misma velocidad y que, por lo tanto, la potencia

absorbida por la turbina se restituye a la bomba se obtienen los diferentes caudales:

PARÁMETROS DE DISEÑO

Turbina 𝑄𝑇 = 0,71588 𝑚3 𝑠⁄

𝐻𝑇 = 3,5 𝑚

𝑛 = 458 𝑟𝑝𝑚

𝜂𝑇 = 0,79

𝑃𝑎𝑇 = 19,42 𝐾𝑊

Bomba 𝑄𝐵 = 0,08412 𝑚3 𝑠⁄

𝐻𝐵 = 16 𝑚

𝑛 = 458 𝑟𝑝𝑚

𝜂𝐵 = 0,68

𝑃𝑎𝐵 = 19,42 𝐾𝑊

RESUMEN

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A continuación se realiza el diseño hidráulico comenzando por el rodete de la

turbina. Este se realiza mediante el método aerodinámico, en el que se abandonará la

hipótesis del método unidimensional y los álabes no se consideran como canales o

conductos, sino como perfiles alares inmersos en un fluido. Para el diseño de la turbina

se consideró que esta cuente con 4 álabes de perfil Göttingen 682. Se estudiará la

configuración de flujo y la forma del álabe en 5 diámetros distintos dc, dx, dm, dy y dp. La

configuración del flujo se obtiene sin distorsión en un plano desarrollando los distintos

cilindros coaxiales, obteniéndose los siguientes valores:

dc dx dm dy dp

Diámetro 0,158 m 0,25 m 0,3425 m 0,4347 m 0,527 m

Longitud 0,289 m 0,280 m 0,255 m 0,231 m 0,213 m

Posición 48,777º 38,283º 34,040º 28,422º 24,868º

El siguiente paso es el diseño del rodete de la bomba. Tras la obtención de los

diámetros de entrada y salida de la bomba (d2 = 0,9m) y tomando 9 álabes se calculó,

mediante la ecuación general de Euler, el trazado de los álabes por puntos obteniéndose

los siguientes resultados:

Radio (mm) s (mm) b (mm) φ (mm)

r1 275,00 2,00 15 0

ra 304,17 2,87 14 19,82

rb 333,33 3,27 13 37,36

rc 362,50 3,34 12 52,71

rd 391,67 3,14 11 65,89

re 420,83 2,40 10 77,69

r2 450,00 0,00 9 87,55

Siendo ‘r’ el radio, ‘s’ el espesor, ‘b’ el ancho y ‘φ’ el ángulo.

Para finalizar el diseño hidráulico se diseña el sistema difusor, compuesto por la

caja espiral y el tubo difusor. Esta es la encargada de recoger el fluido los 360º de salida

del rodete y transformar parte de su energía cinética en presión. Se diseñó como una

caja espiral logarítmica basada en la conservación del momento cinético. Con ello se

hizo un desarrollo de tal manera que cubriera los 360º de la circunferencia del rodete.


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Una vez terminado el diseño hidráulico se procedió a realizar el diseño mecánico

del conjunto. En primer lugar se dimensionó el eje. Dado que este no transmite potencia,

ya que la energía absorbida por la turbina se restituye directamente a la bomba sin pasar

por el eje, este se dimensionó partiendo de la hipótesis de bloqueo de uno de los

rodamientos, comportándose así el eje como una viga en voladizo soportando un

momento torsor y un momento flector. Se obtuvo un diámetro de 40 mm.

Posteriormente se han de diseñar dos troncos cónicos para acoplar a los dos

lados del rodete, en el eje, para la correcta circulación del fluido a la turbina y se escogen

los rodamientos adecuados. En este caso, rodamientos con recubrimiento de níquel

para resistir la corrosión a la que están expuestos trabajando inmersos en agua.

Posteriormente se diseña la carcasa. Esta alberga la caja espiral, el cono difusor

y además tiene la función de soportar el conjunto de la máquina. Se fabrica en dos partes

para poder montar el rodete en su interior.

RESUMEN

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Para unir los soportes del eje con la carcasa se diseñan dos tambores o

tubuladoras, las cuales cuentan cada una con una corona de álabes. Estos álabes actúan

como nervios y no impiden la circulación del fluido.

Por último se diseña una estructura que soporte la máquina y ayude a incorporar

la máquina en la instalación.


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Los materiales para la fabricación han sido acero inoxidable F-1250 para el eje y

fundición gris para el resto de componentes. Las uniones entre las dos partes de la

carcasa y entre la carcasa y los tambores se realizan mediante pernos de rosca métrica

y el resto de uniones se realizan mediante soldadura. Con ello, el presupuesto de

fabricación asciende a 2234 euros.

Este proyecto sólo es una primera aproximación al diseño de una Bomba-

Turbina. En cualquier proceso de diseño de una máquina es necesario el ensayo con un

prototipo con el fin de encontrar errores no detectables teóricamente.

RESUMEN

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DESIGN PROYECT OF AN INTEGRAL PUMP-TURBINE

Author: Álvaro Ruiz de Galarreta López

Director: Antonio Arenas Alonso

Collaborating Organization: Escuela Técnica Superior de Ingeniería ICAI (U. P. Comillas)

ABSTRACT

The concept of the integral Pump-Turbine comes from the idea of a combined

hydraulic turbomachine, working at the same time as a pump and as a turbine. The

turbomachine is design to be installed under a small hydraulic jump that activates an

axial turbine with a portion of the flow, while the rest of it is pumped through a pump.

This pump is physically integrated in the turbine, forming the two impellers a single rigid

body, so both impellers turn at the same speed.

By following this idea it is expected to design a machine that pumps water in an

autonomous way, that is to say, without an external energy input. To design the machine

it has been decided to project it in a real river where it is possible to generate a height

of 4 meters of stored water, setting the destination of the pumped flow to a height of

14 meters.


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The objectives of the project are:

- The hydraulic design of the machine. This is the main objective of the

project where the pump and turbine impellers, as well as the diffuser

system are designed.

- Mechanical design of the set. Once the hydraulic design is done, it is

necessary to design all the mechanical components.

- Construction budget. Manufacturing, material and assembly costs.

- Guidelines for the installation. Provide guidance for the design of the

dam.

In order to start the design it is necessary to take advantage of the information

provided by the location, making use of the pertinent hydrographic and topographic

information. The useful height of the turbine and the effective height of the pump taken

for the design are less favorable than those provided by topographical information, thus

having margin to face the facility and pipe losses outside the machine.

INITIAL DATA

Useful height of the turbine 3,5 m

Effective height of the pump 16 m

Average flow 0,8 m3/s

Maximum historic flow 2,15 m3/s

Minimum historic flow 0,05 m3/s

With these data, and considering the condition that the turbomachine impellers

turn at the same speed, and therefore the power absorbed by the turbine is restored to

the pump, the obtained parameters are:

DESIGN PARAMETERS

Turbine 𝑄𝑇 = 0,71588 𝑚3 𝑠⁄

𝐻𝑇 = 3,5 𝑚

𝑛 = 458 𝑟𝑝𝑚

𝜂𝑇 = 0,79

𝑃𝑎𝑇 = 19,42 𝐾𝑊

Pump 𝑄𝐵 = 0,08412 𝑚3 𝑠⁄

𝐻𝐵 = 16 𝑚

𝑛 = 458 𝑟𝑝𝑚

𝜂𝐵 = 0,68

𝑃𝑎𝐵 = 19,42 𝐾𝑊

RESUMEN

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Then the hydraulic design is made, starting with the turbine impeller. This is done

following the aerodynamic method, in which the hypothesis of one-dimensional method

is no longer valid and the blades are not considered as channels or conduits, but as

airfoils immersed in a fluid. The turbine has 4 blades with a Göttingen 682 profile. The

flow configuration and shape of the blades will be studied in 5 different diameters dc,

dx, dm, dy and dp, obtaining the length and angle values for each one:

dc dx dm dy dp

Diameter 0,158 m 0,25 m 0,3425 m 0,4347 m 0,527 m

Length 0,289 m 0,280 m 0,255 m 0,231 m 0,213 m

Position 48,777º 38,283º 34,040º 28,422º 24,868º

The next step is the design of the pump impeller. Upon obtaining the entry and

exit diameters of the pump (d2 = 0,9m) and taking 9 blades the layout of blades by points

are calculated by the general Euler´s equation. These are the obtained results:

Radius (mm) s (mm) b (mm) φ (mm)

r1 275,00 2,00 15 0

ra 304,17 2,87 14 19,82

rb 333,33 3,27 13 37,36

rc 362,50 3,34 12 52,71

rd 391,67 3,14 11 65,89

re 420,83 2,40 10 77,69

r2 450,00 0,00 9 87,55

Being ‘r’ the radius, ‘s’ thickness, ‘b’ wide and ‘φ’ angle.

The final step in the hydraulic design is the diffusor system, composed by the

volute and the diffuser cone. The volute is used to transform the kinetic energy of the

fluid into pressure energy and also to collect fluid exiting the 360 ° of the circumference

of the impeller. It was designed as a logarithmic spiral case based on the conservation

of angular momentum. This development was done so as to cover 360° of the impeller

circumference.


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Once completed the hydraulic design proceed to perform the mechanical design

of the set. Firstly the axis is dimensioned. Given that the axis does not transmit any

power, because of the energy absorbed by the turbine going directly to the pump

without going through the axis, this was dimensioned considering the blocking of the

bearing hypothesis, thus behaving the axis like a cantilever supports a torsor and a

bending moment. A 40 nm diameter was obtained.

Afterwards two truncated cones have to be designed in order to attach on both

sides of the impeller, in the axis, so as to allow the correct fluid circulation to the turbine.

The chosen bearings are covered with nickel in order to resist corrosion.

The case contains the volute, the diffusor cone and has also to support the set of

the machine. It is produced in two parts so as to assemble the impeller inside it.

RESUMEN

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In order to connect the axis supports with the case two drums are designed, each

one with its own blade crown. These blades act like nerves and do not block the fluid

circulation.

Finally, the structure that supports the machine and helps incorporing the

machine in the installation is designed.


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The making materials are stainless steel F-1250 for the axis and casting for the

other components. The connections between the two parts of the housing and between

the housing and the drums are made by bolts, and the other connections are made by

welding.

The production budget is €2.234. This budget is made for a small series of 15 units.

This project is a first design of the Pump-Turbine. In any design process of a

machine is necessary to test a prototype in order to find any errors.

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