Velocidad específica

La velocidad específica N _s se utiliza para caracterizar la velocidad de la turbomaquinaria . ^{[ 1 ]} Las prácticas comerciales e industriales comunes utilizan versiones dimensionales que son igualmente útiles. La velocidad específica se utiliza más comúnmente en aplicaciones de bombeo para definir la velocidad específica de succión.—un número casi adimensional que clasifica los impulsores de las bombas según su tipo y proporciones. En unidades imperiales, se define como la velocidad en revoluciones por minuto a la que operaría un impulsor geométricamente similar si tuviera un tamaño tal que suministrara un galón por minuto contra una altura hidráulica de un pie . En unidades métricas, el caudal puede expresarse en l/s o m³ ^/ s y la altura en m, y es importante indicar las unidades utilizadas.

El rendimiento se define como la relación entre la bomba o turbina y una bomba o turbina de referencia, que divide el valor real para obtener un indicador de rendimiento adimensional . Este valor resultante se denomina, de forma más descriptiva, "rendimiento específico del dispositivo de referencia ideal". Esta relación adimensional resultante puede expresarse, de forma aproximada, como una "velocidad", dado que el rendimiento de la bomba ideal de referencia depende linealmente de su velocidad. Por lo tanto, la relación entre el rendimiento del dispositivo y el rendimiento del dispositivo de referencia también representa la velocidad incrementada a la que el dispositivo de referencia debería operar para alcanzar dicho rendimiento, en lugar de su velocidad de referencia de "1 unidad".

La velocidad específica es un índice que se utiliza para predecir el rendimiento deseado de una bomba o turbina. Es decir, predice la forma general del impulsor de la bomba . Esta forma del impulsor predice sus características de caudal y altura de elevación, lo que permite al diseñador seleccionar la bomba o turbina más adecuada para una aplicación específica. Una vez conocida la velocidad específica deseada, se pueden calcular fácilmente las dimensiones básicas de los componentes de la unidad.

Se han creado varias definiciones matemáticas de velocidad específica (todas ellas, en realidad, específicas para cada dispositivo ideal) para diferentes dispositivos y aplicaciones.

Los impulsores radiales de baja velocidad específica generan la altura hidráulica principalmente mediante la fuerza centrífuga . Las bombas de mayor velocidad específica generan la altura en parte por la fuerza centrífuga y en parte por la fuerza axial. Una bomba axial o de hélice con una velocidad específica de 10 000 o superior genera su altura exclusivamente mediante fuerzas axiales. Los impulsores radiales suelen tener un diseño de bajo caudal y alta altura, mientras que los impulsores axiales tienen un diseño de alto caudal y baja altura. En teoría, la descarga de una máquina centrífuga pura (bomba, turbina, ventilador, etc.) es tangencial a la rotación del impulsor, mientras que la descarga de una máquina axial pura será paralela al eje de rotación. También existen máquinas que presentan una combinación de ambas propiedades y se denominan específicamente máquinas de flujo mixto.

Los impulsores de las bombas centrífugas tienen valores de velocidad específica que van desde 500 hasta 10 000 (unidades inglesas), con bombas de flujo radial entre 500 y 4000, de flujo mixto entre 2000 y 8000, y bombas de flujo axial entre 7000 y 20 000. Los valores de velocidad específica inferiores a 500 están asociados con bombas de desplazamiento positivo .

A medida que aumenta la velocidad específica, la relación entre el diámetro de salida del impulsor y el diámetro de entrada o del ojo disminuye. Esta relación se convierte en 1,0 para un impulsor de flujo axial verdadero.

La siguiente ecuación proporciona una velocidad específica adimensional:

${\displaystyle N_{s}={\frac {n{\sqrt {Q}}}{(gH)^{3/4}}}}$

dónde:

${\displaystyle N_{s}}$es velocidad específica (adimensional)

${\displaystyle n}$es la velocidad de rotación de la bomba (rad/seg)

${\displaystyle Q}$es el caudal (m³ ^/ s) en el punto de máxima eficiencia

${\displaystyle H}$es la altura total (m) por etapa en el punto de máxima eficiencia

Tenga en cuenta que las unidades utilizadas afectan el valor de velocidad específica en la ecuación anterior, por lo que se deben usar unidades consistentes para las comparaciones. La velocidad específica de la bomba se puede calcular usando galones británicos o unidades métricas (m³ ^/ s y metros de altura), modificando los valores indicados anteriormente.

La velocidad específica de succión se utiliza principalmente para determinar si habrá problemas de cavitación durante el funcionamiento de la bomba en el lado de succión. ^{[ 2 ]} Se define por las características físicas inherentes y el punto de operación de las bombas centrífugas y axiales. ^{[ 3 ]} La velocidad específica de succión de una bomba definirá el rango de operación en el que la bomba experimentará un funcionamiento estable. ^{[ 4 ]} Cuanto mayor sea la velocidad específica de succión, menor será el rango de operación estable, hasta el punto de cavitación a 8500 (sin unidades). La envolvente de operación estable se define en términos del punto de máxima eficiencia de la bomba.

La velocidad específica de succión se define como: ^{[ 5 ]}

${\displaystyle N_{ss}={\frac {n{\sqrt {Q}}}{{NPSH}_{R}^{0.75}}}}$

dónde:

${\displaystyle N_{ss}=}$velocidad específica de succión

${\displaystyle n=}$velocidad de rotación de la bomba en rpm

${\displaystyle Q=}$Caudal de la bomba en galones estadounidenses por minuto

${\displaystyle {NPSH}_{R}=}$Altura neta de succión positiva (NPSH) requerida en pies en el punto de máxima eficiencia de la bomba.

La velocidad específica de una turbina es la velocidad de una turbina geométricamente similar que produciría una unidad de potencia (un kilovatio) bajo una altura de caída unitaria (un metro). ^{[ 6 ]} El fabricante proporciona la velocidad específica de una turbina (junto con otras especificaciones) y siempre se refiere al punto de máxima eficiencia. Esto permite realizar cálculos precisos del rendimiento de la turbina para diferentes alturas de caída.

Las máquinas eficientes y bien diseñadas suelen utilizar los siguientes valores: las turbinas de impulso tienen los valores de n _s más bajos, que normalmente oscilan entre 1 y 10; una turbina Pelton suele tener un valor de alrededor de 4; las turbinas Francis se sitúan en el rango de 10 a 100; mientras que las turbinas Kaplan tienen un valor de al menos 100 o más, todos en unidades imperiales. ^{[ 7 ]}

• Bomba
• Cabezal de succión positivo neto
• turbina hidráulica