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PROTOTIPADO Y ENSAYO DE UN MODELO A ESCALA DE

BOMBA-TURBINA INTEGRAL

Autora: Urbina Soguero, Cayetana de.

Directores: Arenas Pinilla, Eva.; Cantizano González, Alexis.; Porras Galán, José.

Entidad colaboradora: ICAI-Universidad Pontificia Comillas.

RESÚMEN DEL PROYECTO

El concepto de bomba-turbina surge a partir del objetivo de disponer de una

turbomáquina combinada, es decir, una máquina compuesta de una turbina axial y una

bomba radial. Con ella se pretende bombear de forma autónoma sin la necesidad de un

motor externo, abasteciendo de agua a zonas que no tienen fácil acceso a la electricidad.

A partir de diseños conceptuales anteriores, con este proyecto se pretende llevar a cabo

la fabricación de un prototipo de bomba-turbina mediante técnicas de fabricación aditiva.

Entre los objetivos fundamentales del proyecto se encuentran el diseño de todas las piezas

de la bomba-turbina en 3D, para poder disponer de unos archivos en los que realizar

modificaciones rápida y fácilmente, y constituye el primer paso para la fabricación del

prototipo; la fabricación del prototipo mediante SLS y FDM, procesos de fabricación

aditiva; el ensayo de la máquina en el laboratorio; y, el posterior análisis de los resultados.

Estado del arte

Ideas similares a la bomba-turbina se han encontrado a lo largo de la historia, con

la rueda hidráulica y la bomba espiral, y, actualmente con la bomba Barsha. La rueda

hidráulica fue un artilugio que tuvo un gran impacto durante la Edad Media, ya que

permitía aprovechar la fuerza que un río ejercía en las paletas para elevar agua. Se

considera la antecesora de las turbinas, ya que transforma la energía de fluido en energía

mecánica. Las primeras norias tenían los álabes rectos, posteriormente evolucionaron

hacia una forma parabólica, ya que se observó que captaban con mayor intensidad la

corriente de agua. A finales del siglo XVIII comenzaron a surgir las primeras turbinas,

durante la Revolución Industrial tuvieron un papel importante, ya que surgió el interés de

producir de energía eléctrica. A pesar de que el rendimiento de las turbinas era mucho

mayor que el de las ruedas, su uso no se extinguió completamente, y se siguió utilizando

en determinados sitios para moler grano o elevar agua para cultivos. La bomba-turbina

tiene el mismo objetivo que la rueda hidráulica, ambas usan la fuerza de una masa de

agua y la transforman en energía para bombear. Se diferencian en que el sistema mecánico

de elevación de agua de la rueda hidráulica se sustituye por el cambio de presión que se

produce en la bomba radial que compone la bomba-turbina.

La bomba Barsha es un invento desarrollado por una start-up holandesa, que

persigue un objetivo similar a la bomba-turbina. Se trata de una máquina destinada a

pequeños y medianos cultivos, como alternativa sostenible a las bombas actuales. El

funcionamiento de la bomba Barsha se basa en la bomba espiral, que se caracteriza por

tener un tubo enrollado en un eje horizontal, uno de los lados está abierto y se sumerge

en el agua una vez por revolución, por ello parte de la espiral se llena de agua y otra de

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aire. La parte más crítica se considera la articulación giratoria que necesita a la salida, ya

que la bomba gira mientras que la tubería permanece quieta.

Una solución similar se llevó a cabo en Zambia, donde la Universidad de Seattle

construyó una máquina parecida con el objetivo de proporcionar agua a los habitantes de

una población. Se valoraron distintas opciones, desde bombas centrífugas hasta una

bomba de ariete, pero la opción más económica fue una bomba espiral accionada

mediante una rueda hidráulica.

Por otro lado, el área de fabricación aditiva como un modo de creación de

prototipos comienza a ser un sector en crecimiento. Empieza a ser un modo rápido para

la creación de piezas complejas como es el caso de una bomba o turbina con álabes. Se

han llevado a cabo numerosos estudios con el objetivo de analizar los procesos existentes

en fabricación aditiva. Un ejemplo es la creación de un rodete de una bomba regenerativa,

que se caracteriza por tener una geometría compleja, y se llegó a la conclusión que para

fabricar el prototipo un modo rápido y eficiente sería mediante técnicas de fabricación

aditiva. En este estudio se fabricó un prototipo por varias técnicas, cabe destacar el

proceso FDM, que se utiliza en este proyecto, que consiste en la utilización de ABS,

termoplástico muy resistente. Al calentarlo unos grados por encima de su punto de

transición vítrea, el material se enfría rápidamente y se queda solidificado sobre la capa

anterior. Una vez la capa está completa la plataforma se desplaza hacia abajo y el proceso

se repite. La conclusión de este estudio fue que esta tecnología era la única capaz de

fabricar el prototipo para su uso directo.

Otro estudio llevado a cabo fue la fabricación de un rodete de bomba axial de

sangre, que debido a su forma compleja se buscó crear el prototipo mediante fabricación

aditiva, como SLS, SLA o FDM. Una de las formas analizadas fue SLS, proceso que

consiste en inyectar una capa de polvo y un láser hace que se derrita, una vez la primera

capa está hecha, la plataforma desciende, repitiendo el proceso. Este proceso no necesita

material de soporte, ya que el propio polvo ejerce como apoyo. La conclusión a la que se

llega es la importancia que tiene la colocación de las piezas en la máquina, ya que la

dirección del láser influye en la rugosidad que se obtiene de ellas. La bomba-turbina se

ha fabricado en su totalidad mediante SLS, el material utilizado ha sido poliamida.

También se ha realizado un modelo de rodete mediante FDM, que ha habido que someter

a un proceso químico de acetona para volver la pieza estanca y reducir su rugosidad.

Fabricación

La bomba-turbina consta de un rodete, que está formado a su vez por una turbina

axial y una bomba radial; dos tambores, uno de entrada y otro de salida; dos tapas cónicas,

que reducen las pérdidas de carga; y una voluta, que para su fabricación se ha dividido en

dos partes y contiene el cono difusor.

El primer paso que se ha llevado a cabo para la fabricación del prototipo ha sido

la creación de todos los diseños de las piezas en 3D, el software utilizado ha sido

SolidEdge. Se ha cumplido el objetivo de disponer de unos archivos accesibles sobre los

que realizar cambios de una manera fácil y rápida, ya que el segundo modelo de rodete

se cambió en muy poco tiempo y se fabricó mediante FDM.

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Figura I: Rodete diseñando en SolidEdge

Para la fabricación del prototipo se ha tenido que aplicar una escala de 1/5, ya que

las dimensiones del modelo real no cabían en una impresora 3D. Por ello ha habido que

revisar espesores críticos, que se han considerado aquellos que son difíciles de fabricar

por la tolerancia de la máquina 3D.

Partes críticas durante la fabricación han sido los álabes de la turbina y de la

bomba. Para los álabes de la bomba se ha utilizado un trazado de álabes por puntos, es

decir, mediante una curva por la que se establece el espesor de cada álabe para un radio

y ángulo determinado. Para la turbina se han utilizado unos perfiles Göttingen 682. El

diseño de la turbina se ha hecho mediante cinco desarrollos cilíndricos coaxiales que

sirvieron para determinar la curvatura de los álabes y así establecer sus parámetros como

la cuerda y su ángulo de ataque. En la Tabla I se pueden observar las medidas de los

álabes para los cinco diámetros, utilizada para diseñar la turbina en SolidEdge.

Diámetros (mm) Cuerda (mm) βe (°) βe(rad)

dc 31,6 44 -37,0 -0,6

dx 50 42 -28,0 -0,5

dm 68,6 38 -23,3 -0,4

dy 87 34 -20,3 -0,4

dp 105,4 32 -17,9 -0,3 Tabla I: Dimensiones álabes de la turbina

Otra parte importante de la bomba-turbina lo constituye la voluta o caja espiral,

que se encarga de transformar la energía cinética en energía de presión, recogiendo el

fluido a lo largo de los 360º. Se trata de una caja espiral con sección trapezoidal. En la

unión de la voluta con el rodete se ha hecho un cierre laberíntico para evitar fugas de la

zona de alta presión a la de baja.

El resto de partes serían los tambores de entrada y salida, que contienen los

alojamientos de los rodamientos y dan consistencia al conjunto, también contienen unos

álabes NACA 0018; y, las tapas cónicas que disminuyen las pérdidas de carga.

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Una vez se han tenido los diseños se ha fabricado el prototipo mediante SLS, como

durante el proceso se utiliza polvo que se derrite con un láser las piezas han tenido que

limpiarse, como ejemplo los álabes de la bomba venían sellados. Cabe mencionar la

importancia de la posición de las piezas en la máquina, lo que puede hacer que no se

fabriquen con unas tolerancias ajustadas y que presenten una rugosidad mayor, como es

el caso de la voluta en la que se observaba un ligero alabeo.

Figura II: Prototipo fabricado mediante SLS

Ensayo

Se han realizado dos ensayos, uno primitivo en el que el objetivo era evaluar el

comportamiento de la bomba-turbina después de su ensamblaje; y otro ensayo en el que

se ha construido una minipresa, en el cual la bomba ha dado una altura menor a la

esperada.

Conclusiones

La primera conclusión a la que se llega comparando el prototipo fabricado

mediante SLS del modelo, es la importancia que adquieren las tolerancias de la máquina

3D que hace que las dimensiones del prototipo difieran, en algunos casos de forma

relevante, de las teóricas del diseño. A esto se le suma el efecto de la posición durante la

fabricación de las diferentes piezas, lo que hace que adquieran una rugosidad mayor y

que se cometan errores de fabricación. Ante la rugosidad, ya que afecta a las pérdidas de

carga, una posible solución es un tratamiento posterior de mecanizado o un lijado seguido

de un baño en pintura, aunque debido a la geometría compleja de la bomba-turbina, de

momento, no se han valorado ninguno de los dos procesos. Por otro lado, el rodete

fabricado mediante FDM, además de presentar mayor rugosidad, no es estanco al agua.

Esto se resuelve sometiéndolo a un baño de acetona que reduce el material y, por

consiguiente, las fugas aumentan.

En ambos casos, se ha conseguido una buena distribución del material, lo que ha

hecho que el rodete parezca equilibrado durante su funcionamiento.

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Las piezas fabricadas mediante SLS están hechas de poliamida que es un material

a base de nylon y se caracteriza por su dureza y fragilidad. Al ser un material frágil se

hace difícil la reutilización del prototipo y hacer las modificaciones necesarias durante

todo proceso de optimización del mismo.

Debido a la escala impuesta por la impresora 3D ha habido que realizar distintos

cambios sobre el diseño inicial, como es el caso de la tubuladura. Su espesor era menor

que el crítico, por lo que se renunció a fabricarla y ha influido en el comportamiento de

la bomba-turbina. La tubuladura hace que el caudal de la bomba y la turbina sean

independientes. De esta forma, al renunciar a su fabricación, el caudal que entraba a la

bomba radial no tenía solo componente radial reduciendo por tanto la altura aportada.

No se ha podido realizar el ensayo con la altura bruta de diseño, por lo que no ha

sido posible verificar el comportamiento final de la bomba-turbina. Sin embargo, se han

realizado ensayos menores verificando que la bomba ha aportado una altura menor a la

esperada. Esto se atribuye a que el caudal de cortocircuito puede que sea mayor que el

caudal que circula por la bomba, así como a la ausencia de la tubuladura mencionada

anteriormente.

La impresión en 3D es un método potente a la hora de investigar con nuevos

prototipos, a pesar de sus limitaciones. Permite variaciones de geometría y su posterior

fabricación de una manera rápida y barata.

Referencias

[1] Tailer, Peter. Lukertech. The Spiral Pump. [En línea] http://lurkertech.com/water/pump/tailer/.

[2] Mataix, Claudio. 2009. Turbomáquinas Hidráuilcas: Turbinas hidráulicas, bombas y ventiladores. Madrid : Publicaciondes de la Universidad Pontificia Comillas, 2009. ISBN.

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PROTOTYPING AND TEST OF A PUMP-TURBINE SCALE MODEL

Author: Urbina Soguero, Cayetana de.

Directors: Arenas Pinilla, Eva.; Cantizano González, Alexis.; Porras Galán, José.

Collaborating institution: ICAI-Universidad Pontificia Comillas.

SUMMARY OF THE PROJECT

The concept of pump-turbine arise from the objective of having a turbomachine

formed by an axial turbine and a radial pump. With this machine is expected to pump in

an autonomous way without the need of an external engine, supplying water to places

which have difficult access to energy. From the designs made in previous projects, the

goal of the actual project is the prototyping of the pump-turbine through techniques of

additive manufacturing. Amongst the fundamental objectives of this project are the design

in 3D of all the parts of this machine, with the aim of having available the files in which

make modifications in an easy and quick way, and is the first step for the manufacturing

of the prototype; the manufacturing of the prototype by SLS and FDM; and, the test of

the machine and the subsequent analysis of the results.

State of the Art

Similar ideas to the pump-turbine have been used lengthwise in the history, with

the hydraulic noria and the spiral pump, and nowadays with the Barsha Pump. The noria

was a device which had a great impact during the Middle Age, therefore allowed to use

the force of a current in the blades of the noria to lift water. It is considered the predecessor

of the actual turbines, hence it uses the force of moving water as a power source. The first

watermills and norias used to have straight blades, afterwards progress to parabolic

blades, thus it was observed that the force of the water was used with more intensity. At

the end of the XVIII century the first turbines appeared and during the Industrial

Revolution had an important role, subsequently the growing interest of producing energy.

In spite of the high efficiency of the turbines in comparison with the watermills, the use

of it was not ended, and in certain places it was used to produce flour of lifting water to

crops. The pump-turbine has a similar objective to the watermill, both use the force of

moving water as a power source. The difference is that the mechanic system of lifting

water used in the noria is replaced by the change of pressure produced in the radial pump

of the pump-turbine.

The Barsha pump is a device invented by a Dutch start-up that have a similar goal

to the pump-turbine. It is about a machine headed for little and middle crops, as a

sustainable alternative to the actual pumps used with the same purpose. The operation of

the Barsha pump is based in a spiral pump which is characterized of having a tube rolled

in a horizontal axis, one of the sides of this tube is open and is immersed in the water one

time per revolution, and consequently part of the spiral is filled of water and the other

part of air. The critical part is considered the rotatory joint needed at the exit of the pump,

thus the pump is rotating while the pipe is static.

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A similar solution was carried out in Zambia, where the Seattle University built a

machine similar to the Barsha pump with the objective of supplying water to a village.

Different options were evaluated, like radial pumps or a hydraulic ram, but the economic

solution was a spiral pump powered up by a watermill.

In the other hand, the additive manufacturing is commencing to be a growing

sector in the area of creating prototypes. It is starting to be a quick way of manufacturing

complex parts like pumps or turbines. Numerous studies have been realised with the goal

of analysing the existing processes of additive manufacturing. An example is the creation

of an impeller of a regenerative pump, which presents a complex geometry, and the

easiest and fastest way of obtaining the prototype was through processes of additive

manufacturing. In this study the impeller was manufactured with different techniques, it

should be pointed out the FDM process which consisted in the use of ABS, a

thermoplastic very resistant. It is heated some degrees over it glass transition temperature,

and when it becomes into contact with the rest of the material it is cooled quickly and is

solidified to the previous layer. Once the layer is completed the platform descend and the

process described is repeated. The conclusion of this study was that this technology was

the only one capable of manufacturing the prototype for a direct use.

Another study carried out was the manufacturing of an impeller from an axial

blood pump, because its complex geometry a way of additive manufacturing was sought

to create the prototypes, such as SLS, SLA or FDM. SLS consists in injecting a layer of

powder and a laser melts the material, once the first layer is completed the platform

descends, repeating this process. The pieces manufactured by SLS does not need bracket

material because the powder acts as a support. The conclusion obtained is the importance

of the placement of the pieces in the machine, thus the direction of the laser affects to the

roughness that appears in the pieces. The pump-turbine has been manufactured by SLS,

and the material used is polyamide. In addition a model of impeller has been made by

FDM, but it has needed a subsequent chemical treatment in acetone to reduce its

roughness and turn it waterproof.

Manufacturing

The pump-turbine consists in an impeller, additionally compounded of an axial

turbine and a radial pump; has also two drums, one at the entry and other at the exit; two

conical covers that reduce the pressure drops; and a volute, for its manufacturing has been

divided into two, and it contains the discharge port.

The first step carried out for the manufacturing of the prototype has been the

creation of all the parts in 3D, the software used has been SolidEdge. The objective of

having accessible files, in which introduce changes, have been accomplished, the second

impeller made by FDM was modified and manufactured in a short period of time.

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Figure I: Impeller designed in SolidEdge

For the prototyping of the pump-turbine a scale of 1/5 has been applied, the reason

why of this scale has been because the dimensions of the real model did not fit in the SLS

printer. Subsequently critical widths, the ones which are difficult to manufacture because

of the tolerance of the 3D machine, have been evaluated.

The difficult parts to manufacture have been the blades of the turbine and the

pump. For the pump blades a function that establish the width for each ratio and angle

has been used. In addition a Göttingen 682 profile has been used for the blades of the

turbine. The design of it has been made for five diameters which divide the flow in a

cylinder, for each diameter the curvature, the chord and attack angle have been obtained.

In the Table I could be observed the dimensions of the blades for this five diameters, used

in the design of the turbine in SolidEdge.

Diameters (mm) Chord (mm) βe (°) βe(rad)

dc 31,6 44 -37,0 -0,6

dx 50 42 -28,0 -0,5

dm 68,6 38 -23,3 -0,4

dy 87 34 -20,3 -0,4

dp 105,4 32 -17,9 -0,3 Table I: Five diameters used in the turbine design

Another important part of the pump-turbine is the volute, which is in charge of

transforming the kinetic energy in pressure energy. It is a spiral casing with a trapezoidal

section. In the union between the volute and the impeller a labyrinth seal has been made

in order to reduce the intern leakage.

The rest of the parts are the drums at the entry and exit which contain the cavity

for the bearings and give consistency to all the pump-turbine, and contain NACA 0018

blades; and, the conical covers that reduce the pressure drop.

Once all the designs have been made, the prototype has been manufactured by

SLS. In this process is used powder, because of it all the parts of the pieces have needed

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a cleaning. Finally is important to say that the position of the pieces in the 3D machine is

crucial, in order to make less errors in the fabrication and reduce the roughness of the

pieces.

Figure II: Prototype manufactured by SLS

Test

Two tests have been realised, one that could be called “primitive” in which the

objective was evaluate the behaviour of the pump-turbine after its assembly; and another

test in which a little dam in which the pump has given a height lower than the expected.

Conclusions

In the comparison made between the prototype and the model, the conclusion that

is got is that the pieces manufactured are different to the ones designed in 3D, this is

mainly because the existence of the tolerance in the 3D machine. In addition, the position

of the pieces in the 3D printer has made them to get a higher roughness than the one

expected and also more errors during the manufacturing than the ones committed if the

pieces would have been fabricated in another position. This roughness affects to the

pressure drop. One possible solution is a subsequent treatment of machining or sanding

followed the painting of all the parts, although the complex geometry makes difficult both

treatments, none of them have been applied.

On the other hand, the impeller manufactured by FDM has in addition more

roughness and is not waterproof, this situation is solved by a chemical treatment with

acetone that reduces the material and, subsequently, the leakage is increased.

The pieces fabricated by SLS are made by polyamide which is a material made

from nylon and is characterized for its hardness and fragility. This fragility makes

impossible the reuse of the prototype and the modification of it.

Because the scale applied, some changes have been made from the initial design,

for example the construction of a part in the entry drum which its function is dividing the

flow that entries to the turbine and to the pump. Because its width after applying the scale

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a decision of not manufacturing it was made, and it has resulted to be crucial in the

behaviour of the pump. Because its absence the flow that entries to the pump has one

more component, instead of having only a radial flow which is characteristic of this radial

pump.

During the test, the pump has given a height lesser than the expected, this is

because the absence of the part described and because the leakage flow is higher than the

pump flow.

Finally, a good materials distribution has been accomplished, hence the impeller

is equilibrated. In addition, having accessible 3D designs, the geometry can be easily

changed and manufacture again the prototype in an easy and cheaper way.

References

[1] Tailer, Peter. Lukertech. The Spiral Pump. [En línea] http://lurkertech.com/water/pump/tailer/.

[2] Mataix, Claudio. 2009. Turbomáquinas Hidráuilcas: Turbinas hidráulicas, bombas y ventiladores. Madrid : Publicaciondes de la Universidad Pontificia Comillas, 2009. ISBN.