Mejora de la eficiencia hidráulica de una bomba centrífuga operada como turbina utilizando métodos de optimización | Improvement of the hydraulic efficiency of a centrifugal pump operated as a turbine using optimization methods

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.

For efficient hydroelectric power generation using pumps as turbines, the modification of the impeller's geometry is a key factor. Although mathematical correlations, numerical simulations, and optimization have been investigated to improve turbine performance, these studies did not consider the direct relationship between site conditions at the best efficiency point and the impeller's geometry. Furthermore, current optimization studies do not take into account the operational conditions of the turbomachine, and the comparison between algorithms in the state of the art was omitted. The objective of this work is to enhance the hydraulic efficiency of a pump operating as a turbine by modifying the impeller's geometry and applying optimization methods. To achieve the goal of this research, the impeller was characterized, and seven analytical models based on the Euler equation for turbomachinery were developed, differing in the geometric considerations of the impeller. The models were validated by estimating and comparing them to 28 pumps found in the literature. Subsequently, optimization routines using particle swarm optimization (PSO), vortex search algorithm (VSA), and salp swarm algorithm (SSA) were employed to estimate the suitable parameters for the improved impeller. Finally, a fluid dynamic simulation of a case study was conducted to validate the efficiency obtained from the improved impeller compared to the original geometry. As a result, the best-performing model estimated the hydraulic head with an average relative error of 9.57%, compared to experimental data provided in the literature. Furthermore, the PSO algorithm yielded the best results, with a standard deviation of 0.152 m in hydraulic head. Lastly, the simulated efficiency with the optimized impeller was 77.8 %, representing a 1.1 % increase compared to the original efficiency of the turbomachinery. This achievement contributes to improving an existing option in hydroelectric generation, enabling more efficient energy conversion.

Magíster en Gestión Energética Industrial

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