Estudio del Fenómeno de Interacción Rotor Estator (RSI) en una Bomba Radial, Trabajando Fuera de las Condiciones de Diseño Óptimo

Abstract

El flujo en el interior de bombas radiales de altas prestaciones es difícil de describir, (geometría compleja y variable, flujo turbulento y no estacionario). La geometría compleja implica partes tanto móviles (rotor) como fijas (estator) con álabes, separadas por un huelgo pequeño que minimiza dimensiones de la máquina y que intenta optimizar la energía entregada al flujo. Al girar la máquina, su geometría varía, cambiando las condiciones del flujo en su interior. El flujo abandona el rotor entrando en el estator, llamado también difusor, generando el fenómeno de interacción rotor estator (RSI), de gran influencia en el comportamiento de la máquina, especialmente cuando ésta opera a caudales diferentes a los de condiciones de diseño óptimo. En este caso al operar fuera de condiciones de diseño, la complejidad del flujo se incrementa por aumentos de gradientes adversos de presión sobre la capa límite y/o desprendimientos de capa límite que influencian fuertemente el comportamiento general del flujo. Ya sea que se trabaje en condiciones de diseño o fuera de diseño, la RSI da lugar a pulsos de presión con frecuencias correlacionadas a las del giro de la máquina, las que también puede producir daños, ya que esas interacciones pueden tener un impacto significativo sobre las características vibratorias (e.g. acoplamiento con frecuencias propias) o acústicas de la máquina. En todos los casos el huelgo entre rotor y estator juega un papel fundamental en la intensidad de estos pulsos. Es sabido que bajo condiciones de diseño, el estudio de la RSI mediante el uso de simulaciones numéricas (CFD) del tipo estándar, esto es, uso de un esquema numérico basado en la técnica de Reynolds Averaged Navier Stokes equations (RANS) más un modelo de cierre para la turbulencia del tipo Eddy Viscosity Model (EVM) conduce a resultados bastante aceptables, sin comprometer seriamente recursos computacionales (memoria/tiempo de cálculo). Esto es debido a que la RSI es mucho más dependiente de los efectos de variación de la geometría (efecto potencial), que de la turbulencia del flujo, a diferencia de cuando la máquina trabaja fuera de las condiciones de diseño, donde el desprendimiento de capa límite afecta mucho la RSI, siendo en este caso la descripción del flujo más difícil mediante estos modelos. Para aplicaciones industriales de CFD a bombas que trabajan fuera del punto de diseño, situación cada vez más común, se requiere describir la RSI de una forma más completa. El objetivo de este trabajo es usar modelos de cierre más complejos, del tipo Scale-Adaptative Simulations (SAS), para ver las posibilidades de aplicación al diseño de bombas, ya que las opciones del tipo Large Eddy Simulations (LES) no pueden usarse aún debido a los altos requerimientos computacionales necesarios.