TURBOMÁQUINAS. Curso 4º B. Juan Manuel Tizón Pulido

Transcripción

1 TURBOMÁQUINAS Clases Pácticas Cuso 4º B Juan Manuel Tizón Pulido (jm.tizon@upm.es)

2 DISEÑO DECOMPRESORES AXIALES INTRODUCCION PROCESODE DISEÑO DISEÑO PRELIMINAR Aeodinámicadel del escalón Pocedimiento simplificado Evaluación de pedidas y desviación Equilibio adial Seleccióndel pefil Ejemplos

3 PROCESO DEDISEÑODISEÑO DIMENSIONADO INICIAL DISEÑO PRELIMINAR SISTEMAS DE ANÁLISIS DISEÑO CONCEPTUAL ANÁLISIS SIMPLIFICADOS THROUGH FLOW / BLADE TO BLADE CORRELACIONES EXPERIMENTALES ANÁLISIS CFD BUCLE DE OPTIMIZACIÓN INTERACCIÓN FLUIDO- ESTRUCTURA DISEÑO MECÁNICO ANÁLISIS ESTRUCTURAL CONSTRUCCIÓN DE PROTOTIPOS Y ENSAYOS PRODUCCIÓN OTRAS ÁREAS DE CONOCIMIENTO Aeoacústica, medio ambiente, Tansfeencia de calo,. Fabicación, Ciencia de los Mateiales Etc

4 DISEÑO AERODINÁMICO DE COMPRESORES

5 ESCALÓN DECOMPRESOR COMPRESOR: Nomenclatua CRITERIO DE SIGNOS α (+) V α V=W+U V θ V V θ α α U =Ω U α W Wθ W W θ α 4 V 4 V V θ4 V z4 V z V z U =Ω V z4 z

6 AERODINÁMICA DE COMPRESORES AXIALES τ = UV θ UV θ h + W U = h + W U h4 + V 4 = h + V U U U V V V z z z4 τ = U ΔV θ, como Δ Vθ > 0 τ > 0 ( ) ( ) h h = W W, como W > W h > h p > p h4 h = V V 4, como V > V4 h4 > h p4 > p Δ h R h h K (gado de eaccion total)= τ = > 0 T ( ) ( ) τ

7 ESCALÓN DECOMPRESOR COMPRESOR: Análisis i VELOCIDADES AXIALES IGUALES A LO LARGO DEL ESCALON α ψ = α α K T U z α φ α α ψ ψ φ = V τ U

8 DISEÑO DECOMPRESORES AXIALES PROCEDIMIENTO SIMPLIFICADO (D ó D). Selección de la elación de compesión media y endimiento objetivo.. Definición de las vaiaciones adiales de las vaiables. 3. Solución del equilibio adial, obteniendo los tiángulos de velocidades de entada y salida. 4. Selección o cálculo de las secciones bidimensionales de los alabes que cumplen los pefiles pescitos.

9 DISEÑO AERODINÁMICOSIMPLIFICADO PLANTEAMIENTO α Datos de entada T, P t t y α ( ) ( ) 4 Datos de diseño m π, c? PROCEDIMIENTO Selección de la sección de diseño (s.d.) Vaiaciones paaméticas sobe la s.d. Obtención de las distibuciones adiales. Selección y dimensionado de los pefiles aeodinámicos.

10 DISEÑO AERODINÁMICOPRELIMINAR Datos paa el oto (sección de diseño) M, M, π ( ) z 4 T, P, α, σ, ν = V V t t R R z z Datos paa el estato (sección de diseño) α, σ, ν = V V 4 E E z4 z is Objetivos de diseño mínimo e η sd KT dato máximo Límites de diseño: D( ) D, M ( ) M, U( ) e U max max max

11 PERDIDAS Y DESVIACIÓN Cetin, M., Hich, Ch. and Seovy, G. K., Application of Modified Loss and Deviation Coelations to Tansonic Axial Compessos, AGARD-R-745, 987 PERDIDAS DE PERFIL Koch, C. C. and Smith, L. H., Loss Souces and Magnitudes in Axial-Flow Compessos, Tans. of the ASME,J. Eng. Fo Powe, p. 4, 976 INCIDENCIA DE MÍNIMAS PERDIDAS Vesión modificada de la de S. Lieblein( en Aeodynamic Design of Axial-Flow Compesso, NASA SP-36, 965 ) DESVIACIÓN Vesión modificada de la egla de Cate β β δ = 4 σ

12 FACTOR DE DIFUSIÓN: GENERALIZACIÓN D R θ ( ) ( + ) W W W = + W σ W θ D R ζ = cosα tgα νζtgα = + cosα + ζ σ ν cos α + ( ) ω cosα = FD ( ) σ 40 3 FD ( ) = 4.775D.077D D La solucion paa el caso α > α > 0 Γ= ( + ζ ) σ ( D) + senα cosα = ν cosα ( + ) Γ+ +Γ ( + ) ζ σ ζ ζ ζ σ ζ +Γ

13 SOLIDEZ OPTIMA ω cos α ω = f ( D ) ω σ ( ) = 0 = f D + σ f D σ σ f D ( ) ( ) DD σ D Δ = H + V σv θ D ΔVθ = = + σ σ σv σ ( D H) ω cosα + + = 0 σ σ f ( D ) σ f ( D ) ( D H ) actg ( f ) f ( D) H D ( H ) D f ( ) D = f ( D ) D + H Existe una elación funcional ente H y D sobe la condición de solidez de mínimas pedidas.

14 EQUILIBRIORADIAL RADIAL SIMPLE W W Wθ W W Wθ p + W + + Wz Ω Ω Wθ = t θ z ρ t 0 W 0 θ 0 W 0 dp TdS = dh ρ ht h Vθ V = + ( + z ) dp t ( θ z ) W Ω ΩW V θ θ θ + + = [ Wθ + U] = dh d V V TdS ρ = + Vθ ( ) dh d ( S c ) p dv d V dh d S z θ t + = h d d d d = p ρ

15 t 0 EQUILIBRIORADIAL RADIAL SIMPLE ( V ) W 0 W W θ θ Wθ W W Wz S I Wz Wz = T t t z ( V ) W S h ( UV ) W θ U V ( V ) z ( UV θ θ V ) ht S V θ + z + = T θ θ z t Wz = T + UV Sc θ Vθ Vθ Vθ Vz U Vθ h t U + Vθ + + Vz + Vθ + U = cpt V Sc θ Vθ Vz ht V θ + + Vz = ht V p V t Sc θ h V + = ht V p W U I = h+ W = W + W = V + U V z θ z ( ) Vz + Vθ I = h+ UVθ = ht UV p θ θ

16 EQUILIBRIO RADIAL: LEYESTORSIONALES V t Sc θ h V + = ht V V Sc θ = ht V ht V V θ = Scp Sc e ht V e V Scp θ Scp e d = ht V e + Cte V θ ht V = d+ Cte p.. p p LEY DE TORSIÓN n V a. b θ = ± a=0, TORBELLINO LIBRE b=0, n=, ROTACIÓN SÓLIDA n=, GRADO REACCIÓN CTE.

17 EQUILIBRIO RADIAL: LEYESTORSIONALES LEYES TORSIONALES V b = n θ a ± ( ) z V a=0 tobellino libe b=0, n= sólido ígido b 0, n= K T constante ( ) d V dh ds c d d d d dv z θ t p + = h

18 Diseño pelimina: i infomación ió páctica áti Paámeto Rango Comentaios α 50º-75º Valoes cecientes de este paámeto en el ango de validez, paa númeo de Mach elativo constante, poduce valoes cecientes del tabajo especifico y dececientes del paámeto G Af a expensas de empeoamientos del endimiento adiabático y aumento de los esfuezos centífugos. A menudo, se pesenta un máximo en la elación de compesión que maca el máximo a tene en cuenta paa α. M Paa compesoes subsónicos en los que el peso no sea una vaiable cítica y sea impotante la obtención de altas eficiencias. i i < Compesoes tansónicos. Valoes típicos de los compesoes tansónicos aeonáuticos. Valoes cecientes de este paámeto poducen mayoes elaciones de compesión peo, también, un aumento de los esfuezos centífugos y aeodinámicos que compometen el diseño mecánico. D 0.35 <0.55 Valo aconsejado en el caso de que la s/d sea la del extemo del álabe, ya que, éste paámeto aumenta monótonamente bajo ley de tobellino libe al acecanos a la aíz. Se considea un límite supeio de confianza paa el diseño. σ = cs Es un paámeto susceptible e de se optimizado al medi la supeficie e mojada y el guiado de la coiente. e. Sin embago, debe se elegido con cuidado poque cuando la cueda es constante y ξi bajo, su vaiación es impotante a lo lago del álabe. ν = Vz Vz A menudo se toma un valo consevativo en tono a 0.9 de manea que la contacción de las líneas de coiente (con el consiguiente aumento de cuvatua y desalineación con el eje) no sea excesiva, inhabilitando las hipótesis y métodos de diseño simplificado adoptados. α 0 Genealmente se pescinde de álabes guía en los pimeos escalones po poblemas de geneación de uido aeodinámico. hc -3.5 <6 Valoes bajos paa otoes de compesoes de alta pesión y altos paa álabes de fan. Álabes de estato. ξ i Los valoes bajos coesponden a diseño de fanes y compesoes de baja pesión. Los valoes altos a compesoes de alta pesión, ya que éste paámeto afecta fuetemente a G A, sin embago, debe tenese cuidado con deja sitio en el buje. f

19 Diseño pelimina: i infomación ió páctica áti

20 SELECCIÓN/TRAZADO DELOS PERFILES

21 SELECCIÓN DEL PERFIL NÚMERO DE MACH INCIDENTE RECOMENDACIÓN 0.7 < M NACA 65 seie (línea media cicula o paabólica). 0.7 < M <. Doble aco de cículo (DCA).. < M <.5 M>.5 Pefil de extadós plano en la egión del bode de ataque o pefil de múltiple acos de ciculo (MCA). Secciones especiales con ausencia de ondas de choque.

22 SELECCIÓN/TRAZADO DELOS PERFILES DISTRIBUCIONES DE ESPESOR TÍPICAS x/c (%) NACA (A 0) C4 C7 NACA65 NACA65 (línea media) (con b/s gueso) Radio del bode de ataque Radio del bode de salida

23 Multietapa: epeating stage Howell, A. R. (945). Fluid dynamics of axial compessos. Poc. Imm. Mech. Engs., 53. Howell, A. R. and Bonham, R. P. (950). Oveall and stage chaacteistics of axial flow compessos. Poc. Insm. Mech. Engs., 63.

24 ESFUERZOS EN LA RAÍZ DEL ÁLABE FUERZA CENTRÍFUGA EN LA RAIZ: i t t t ξ ξ e i = i ti ξi f c e = ρmω i Sd ( ) S ξ ξ S S = e i i Si ξi e S e ξ ξ i S e ξ ξ i fc = ρmω Si d ρ = mω e Si ξ d Si ξ i Si ξ ξ i i σ ci ρ m ( ) S = Ue ξi S e i

25 ESTIMACIONES FUERA DE DISEÑO Coeficiente de flujo: φ = V z U Coeficiente de pesiones: ψ CT = p t γ γ ( π ) U Coeficiente de caga ζ Rendimiento ( ) C T T U = p t t ψ η = ζ (Aquí se toma la notación de las cuvas genéicas tenidas en cuenta en el aticulo de Song et al.) Song, T. W., Kim, T. S., Kim, J. H. y Ro T. S., Pefomance pediction of axial flow compessos using stage chaacteistics and simultaneous calculation of intestage paametes, Poc. Instn Mech Engs Vol 5, Pat A.

26 ESTIMACION FUERA DE DISEÑO Estas gáficas estan tomadas de: Saavanamuttoo, H. I. H., Component Pefomance Requiements, AGARD LS-83 En la que la efeencia 8 es: Howell, A.R. and Clavet, W. J., A New Stage Stacking Pocedue fo Axial Flow Compesso Pefomance Pediction, Tans ASME, 00, p , 978.

27 EJEMPLO DEAPLICACION 0.00 ( π) 0.80 =.4 α = is ω 0.60 V V= M = 0.5 R Z z z M K T ( π ) is α = 0, σ = = 0.6 M z V V = Z z σ R M

28 EJEMPLO DEAPLICACION H = W W α = 0, σ =, RE, M z = , v = ( π ) is M M