Influencia de los tipos de válvulas en las características de parada de la bomba en sistemas de suministro de agua con bombas centrífugas

El proceso de transición de parada de la bomba es un evento común con grandes fluctuaciones en las operaciones de las estaciones de bombeo. Este proceso dura poco tiempo y suele ir acompañado de fuertes fluctuaciones de presión y frecuentes cambios en el caudal. Tras la parada de la bomba, la válvula de salida se cierra rápidamente, lo que contribuye de forma crucial a la interrupción del caudal. Simultáneamente, el cierre de la válvula suele ir acompañado de fuertes cambios en el campo de flujo, así como de vórtices, cavitación y golpes de ariete, que ponen en peligro la seguridad operativa de la bomba y del sistema de suministro de agua. Por lo tanto, estudiar el comportamiento de la válvula de salida durante el proceso de transición de parada de la bomba es crucial para garantizar la seguridad operativa de la bomba y del sistema de suministro de agua.

La Figura 4 muestra la variación de diversos parámetros durante el proceso de parada de la bomba con diferentes tipos de válvulas de salida, dentro del tiempo nominal de cierre de la válvula, centrándose principalmente en el caudal (Q), la velocidad (n), la altura de elevación (H) y el empuje axial del agua (Fz), con la dirección positiva de la fuerza axial del álabe definida como descendente. Cuando la válvula de salida es una válvula de mariposa, el proceso de transición de parada de la bomba procede de la siguiente manera: después de que la bomba centrífuga se apaga, la válvula de salida comienza a cerrarse, el flujo cae a 0 a los 4,38 segundos y la velocidad cae a 0 a los 5,23 segundos. Por lo tanto, las tres etapas operativas del proceso de parada de la bomba son: de 2 a 4,38 segundos es la condición de parada de la bomba, de 4,38 a 5,23 segundos es la condición de frenado de parada de la bomba, y después de 5,23 segundos es la condición de turbina de parada de la bomba, con todos los parámetros estabilizándose en 22 segundos. Después, el sistema se estabiliza gradualmente. Durante la condición de parada de la bomba, el flujo y la velocidad de la bomba caen rápidamente. La altura de la bomba (H) cae inicialmente bruscamente, luego oscila ligeramente alrededor de cero. La fuerza axial del impulsor, Fz, alcanza su valor máximo inverso de -20,83 kN a los 2,59 segundos. Durante la condición de frenado de parada de la bomba, el flujo se invierte, mientras que la velocidad del impulsor permanece positiva pero disminuye. Durante la condición de parada de la turbina, tras 5,23 segundos, se invierte el flujo y la velocidad. El flujo inverso alcanza un valor máximo de -12,9 m³/s a los 10,49 segundos, y la velocidad inversa alcanza un valor extremo de -327,56 r/min a los 10,64 segundos.

 
Figura 4 Cambios de parámetros durante el proceso de parada de la bomba con diferentes tipos de válvulas

Cuando la válvula de salida de la bomba es una válvula de bola, la curva de variación de parámetros durante el proceso de parada de la bomba es similar a la de la válvula de mariposa. En este caso, el caudal de la bomba se reduce a cero a los 4,40 segundos y la velocidad a los 5,24 segundos. Los cambios de caudal y velocidad antes de los 15 segundos son prácticamente idénticos a los de la válvula de salida. Entre los 15 y los 22 segundos, la reducción del caudal con la válvula de bola es ligeramente menor que con la válvula de mariposa, ya que esta última tiene un efecto de corte más fuerte durante la fase posterior del cierre de la válvula.

Cuando la válvula de salida de la bomba es una válvula de compuerta, la primera mitad del proceso de parada de la bomba difiere ligeramente de los otros dos tipos de válvulas, mientras que la segunda mitad muestra diferencias significativas. En la primera mitad del proceso de parada de la bomba, el caudal de la bomba cae a cero a los 4,37 segundos y la velocidad cae a cero a los 5,21 segundos, con valores similares a los de los otros tipos de válvulas. Las diferencias en las curvas de caudal, velocidad, altura y fuerza axial de la pala de la bomba de agua se concentran principalmente en la segunda mitad del proceso de cierre de la válvula. Entre 10 y 22 segundos, los valores extremos inversos de caudal y velocidad son ligeramente superiores a los de la válvula de mariposa y la válvula de bola, mientras que la tasa de disminución del caudal inverso y la velocidad es significativamente menor. Es evidente que cuando la válvula de salida es una válvula de compuerta, bajo los mismos parámetros de control de cierre de la válvula, su capacidad de caudal es la menor entre las tres y significativamente inferior a las otras dos.

La Tabla 1 muestra los valores máximos de flujo inverso, velocidad inversa y fuerza axial inversa durante el proceso de parada de la bomba con válvulas de mariposa, bola y compuerta como válvulas de salida. Los valores extremos inversos con las válvulas de mariposa y bola son similares, mientras que los valores extremos inversos con la válvula de compuerta son significativamente diferentes. Dado que el empuje axial del agua es mínimo y estable en el momento de los valores extremos inversos, los valores extremos inversos del empuje axial del agua para las tres válvulas son solo ligeramente diferentes. El efecto de la configuración de la válvula de compuerta en los valores extremos inversos se refleja principalmente en el caudal y la velocidad. El caudal inverso y la velocidad inversa aumentan con la válvula de compuerta. Como se muestra en la Figura 4, el tiempo en que el caudal inverso y la velocidad alcanzan sus valores extremos con la válvula de compuerta se retrasa significativamente en comparación con cuando se utilizan las válvulas de mariposa y bola.

Tabla 1 Valores extremos inversos para diferentes tipos de válvulas

 
En resumen, tras detener las bombas con tres tipos diferentes de válvulas de salida que siguen la misma ley de cierre lineal, las características de parada de la bomba con la válvula de compuerta difieren significativamente de las de las otras dos válvulas. Las diferencias en los valores extremos inversos de los parámetros se observan principalmente en el caudal y la velocidad. En comparación con la válvula de mariposa, el caudal inverso máximo aumenta un 5,2 % y la velocidad inversa máxima un 4,1 % cuando se utiliza la válvula de compuerta.

Durante el proceso de parada de la bomba, los cambios rápidos en el caudal y la velocidad del impulsor provocan frecuentes variaciones en el campo de flujo, especialmente en las áreas del impulsor y la válvula. El efecto de los diferentes tipos de válvulas en los cambios del campo de flujo se puede corroborar mediante las variaciones en los parámetros característicos externos. Inicialmente, a los 0 segundos, el impulsor gira en sentido horario. La Figura 5 compara la distribución de presión del álabe del impulsor con diferentes válvulas de salida durante el proceso de parada de la bomba. La distribución de presión se muestra a los 13 segundos. El lado exterior del álabe representa la superficie de presión, mientras que el lado interior representa la superficie de succión. A los 13 segundos, las bombas, en todas las condiciones de funcionamiento, se encuentran en el modo de turbina de parada de la bomba. El flujo de agua se invierte, y este flujo inverso es considerable. El sentido de rotación del impulsor cambia a antihorario. La salida original del álabe se convierte en la entrada de agua. El impacto y la separación del flujo causados por la entrada de agua en el área del impulsor crean zonas parciales de alta y baja presión en el álabe a los 13 segundos, lo que lo hace propenso a la cavitación por presión negativa. Cuando el tipo de válvula de salida difiere, la variación en la distribución de presión es similar a las diferencias en los parámetros característicos internos. En concreto, la distribución de la presión de la pala con válvulas de mariposa y de bola muestra una variación mínima, mientras que la válvula de compuerta presenta una mayor diferencia. Esto se refleja principalmente en una zona de baja presión más pequeña en la superficie de presión de la pala y una zona de alta presión más grande en la superficie de succión, lo que concuerda con la observación de que la carga de la válvula de compuerta es mayor a los 13 segundos, como se muestra en la Figura 4.

Las figuras 4 y 5 muestran que, durante la parada de la bomba, las curvas de variación de los parámetros característicos externos de la bomba de agua y la distribución de la presión de las aspas difieren ligeramente entre la válvula de mariposa y la válvula de bola. Por lo tanto, al analizar las diferencias en el campo de flujo del área de la válvula durante la parada de la bomba con diferentes tipos de válvula, solo se seleccionan para la comparación la válvula de mariposa y la válvula de compuerta, mientras que se omite la válvula de bola. La figura 6 presenta una comparación de los cambios de presión y velocidad en el área de la válvula en la condición nominal de parada de la bomba. Según la ley de control de cierre de la válvula de la figura 2, los tiempos de cierre para los diferentes tipos de válvula varían de 2 a 22 segundos. La dirección que se muestra en la figura representa el flujo de agua en las condiciones nominales de funcionamiento. Durante la parada de la bomba, la presión en el lado de la bomba de agua (lado izquierdo de la válvula) muestra una tendencia gradual decreciente, mientras que la presión en el lado de la caja de presión (lado derecho de la válvula) primero disminuye y luego aumenta. Al comparar los cambios en la distribución de presión y velocidad entre la válvula de mariposa y la válvula de compuerta, se observan diferencias significativas: durante el cierre de la válvula, la disminución de presión en el lado de la bomba de agua de la válvula de mariposa es más rápida que la de la válvula de compuerta, y la tasa de aumento de presión en el lado de la caja de presión de la válvula de mariposa también es mayor. Al comparar los efectos de los diferentes tipos de válvulas sobre la velocidad del flujo en la tubería, se observa que a los 11 segundos, aparecen áreas de alta velocidad tanto en los lados superior como inferior de la válvula de mariposa debido a la rápida contracción del canal de flujo. En cambio, el área de alta velocidad en la tubería de la válvula de compuerta solo aparece a los 13 segundos. Por lo tanto, bajo la misma ley de cierre lineal, el cambio en el campo de flujo característico interno muestra que la válvula de mariposa tiene un efecto de corte más fuerte sobre el flujo de agua, lo cual es consistente con los cambios de parámetros mostrados en la Figura 4.


Figura 5 Distribución de presión en las palas durante el apagado


Figura 6 Variación del campo de flujo para válvulas de mariposa y válvulas de bola