Mejora de la eficiencia hidráulica de una bomba centrífuga operada como turbina utilizando métodos de optimización

Abstract

Para una generación hidroeléctrica eficiente de bombas operando como turbina, la modificación de la geometría del impulsor es un factor clave. Aunque se ha investigado correlaciones matemáticas, simulaciones numéricas y optimización para la mejora en el desempeño de la turbina, los estudios no consideraron la relación directa entre las condiciones de operación en el punto de mayor eficiencia respecto a la geometría del impulsor. Por otra parte, los estudios de optimización actuales no tienen en cuenta las condiciones operativas de la turbo máquina, además se omitió la comparación entre algoritmos presentes en el estado del arte. El objetivo de este trabajo es mejorar la eficiencia hidráulica de una bomba operando como turbina, mediante la modificación de la geometría del impulsor y aplicación de métodos de optimización. Para alcanzar el objetivo de este trabajo de investigación, se caracterizó el impulsor y se desarrollaron siete modelos analíticos con base la ecuación de Euler para turbo máquinas, que se diferenciaron en las consideraciones geométricas del impulsor. Los modelos se validaron mediante la estimación y comparación de 28 bombas encontradas en la literatura. Posteriormente, mediante rutinas de optimización mediante el algoritmo por enjambre de partículas (PSO), algoritmo de búsqueda por vórtice (VSA) y algoritmo de enjambre de salpas (SSA), se estimó los parámetros adecuados del impulsor mejorado. Finalmente, se realizó la simulación fluido dinámica de un caso estudio, donde se validó la eficiencia obtenida del impulsor mejorado respecto a la geometría original. Como resultado, el modelo de mejor desempeño estimó la cabeza hidráulica con un error relativo promedio de 9,57 %, respecto a datos experimentales proporcionados en la literatura. Por otra parte, el algoritmo que precisó mejores resultados fue el algoritmo PSO, con una desviación estándar de 0,152 m en la cabeza hidráulica. Por último, la eficiencia simulada con el impulsor optimizado fue de 77,8 %, aumentando el 1,1 %, respecto a la eficiencia original de la turbo máquina. Con esto, se logró mejorar una opción existente en la generación hidroeléctrica que permita una conversión de energía más eficiente.