Performance characteristics and internal flow patterns in a reverse-running pump-turbine

Abstract

Las bombas centrífugas sin paletas son turbomáquinas reversibles que pueden funcionar también como turbinas centrípetas en centrales eléctricas de baja y muy baja altura. Sin embargo, el rendimiento general en el modo inverso es difícil de predecir, ya que los patrones de flujo interno son diferentes del modo de bomba y los fabricantes no suelen proporcionar las características de rendimiento. Este artículo presenta estudios numéricos y experimentales sobre el funcionamiento de una bomba-turbina en funcionamiento inverso. Los cálculos numéricos se llevaron a cabo resolviendo las ecuaciones de Navier-Stokes promediadas por Reynolds no estacionario con el código comercial Fluent para varios caudales entre el 20 % y el 160 % de las condiciones nominales y ambos modos de funcionamiento. Se realizó una serie complementaria de mediciones experimentales en un banco de pruebas para obtener las características generales de la máquina en modo bomba y turbina, con el fin de validar las predicciones numéricas. Una vez validado, el modelo numérico se utilizó para investigar los patrones de flujo en algunos lugares significativos por medio de contornos de presión y velocidad, y también mediante mapas vectoriales. Además, el modelo permitió la estimación de la carga constante en el impulsor en función del caudal en ambos modos de operación. Se concluyó que, mientras que la carga radial en modo inverso es tres veces menor que en modo bomba, la carga axial puede ser hasta 1,6 veces mayor.

Vaneless centrifugal pumps are reversible turbomachines that can operate also as centripetal turbines in low and very low-head power plants. owever, the general performance in reverse mode is difficult to predict since the internal flow patterns are different from pump mode and the performance characteristics are not usually provided by anufacturers. This article presents numerical and experimental investigations on the operation of a reverse-running pump–turbine. The numerical calculations were carried out by solving the full unsteady Reynolds-averaged Navier–Stokes equations with the commercial code Fluent for several flowrates between 20 per cent and 160 per cent of rated conditions and both modes of peration. A complementary series of experimental measurements were performed in a test rig in order to obtain the general characteristics of the machine in pump and turbine modes, with the purpose of validating the numerical predictions. Once validated, the numerical model was used to investigate the flow patterns at some significant locations by means of pressure and velocity contours, and also by vector maps. Additionally, the model allowed the estimation of the steady load on the impeller as a function of flowrate in both modes of operation. It was oncluded that, while the radial load in reverse mode is three times smaller than in pump mode, the axial load can be up to 1.6 times larger.