Predicción CFD 3-D fundamental para el diseño aerodinámico de ventiladores de alto rendimiento

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1 Predicción CFD 3-D fundamental para el diseño aerodinámico de ventiladores de alto rendimiento Dr. Wilfried Rick, Dr. Eribert Benz, Alain Godichon Aunque el trabajo experimental sigue siendo muy importante en la investigación de la física de fluidos, cada vez se utiliza más la simulación matemática para estudiar en detalle los fenómenos de flujo. ABB ha integrado la simulación CFD (Computational Fluid Dynamics), basada en las ecuaciones tridimensionales de Navier-Stokes, en el proceso de diseño de los ventiladores de altas prestaciones, con el fin de encontrar nuevas configuraciones, óptimas, de los componentes de las turbomáquinas y reducir al mínimo la investigación experimental. También ha mejorado el rendimiento global de los ventiladores y ha hecho posible al mismo tiempo desarrollar nuevos productos de forma más rápida y con menor grado de incertidumbre. Las simulaciones han demostrado además que la CFD puede utilizarse de forma habitual para adaptar los componentes de máquinas en muchas otras aplicaciones. Ala hora de establecer el diseño aerodinámico fundamental de sus máquinas [1], la mayor parte de los fabricantes de ventiladores confían en las ecuaciones de flujo unidimensionales (1-D) y bidimensionales (2-D), además de en el trabajo experimental. Sin embargo, dado que hasta hoy se ha publicado relativamente poco sobre la aplicación de la CFD para estudiar los flujos internos en los ventiladores centrífugos, los fabricantes de ventiladores acostumbran a aplicar el principio de semejanza y diseñan a escala las nuevas máquinas directamente a partir de diseños anteriores. Este procedimiento, que hace un intenso uso de las bases de datos, es fiable pero exige mucho tiempo y no permite ver la distribución del flujo en el interior de la máquina. Para conocer más sobre los fenómenos de flujo en los pasajes de las palas de rodete o en el interior de la caja del difusor es necesario realizar tediosas y costosas investigaciones experimentales. Como consecuencia de ello, ABB Solyvent Ventec ha empezado a utilizar para el diseño de ventiladores la simulación CFD basada en las ecuaciones tridimensionales de Navier-Stokes. La CFD proporciona un nuevo enfoque sistemático para el proceso de diseño y desarrollo y permite establecer nuevas configuraciones, óptimas, reduciendo al mínimo la investigación experimental. Además, la CFD permite comprender mejor los fenómenos del flujo, establece las bases para aumentar el rendimiento de los ventiladores y posibilita un desarrollo más rápido de los productos, incluso si se trata de productos totalmente nuevos, a la vez que reduce la incertidumbre y minimiza los costes. Diseño de ventiladores industriales para las nuevas necesidades En el mercado tradicional de ventiladores centrífugos, hasta ahora se ha concedido mucha importancia al coste de inversión de las máquinas y a la mejora o control del rendimiento, mientras que la facilidad de fabricación e instalación ha estado en segundo plano. Pero el mercado de ventiladores Revista ABB 2/

2 Technology Review ABB Fan Group tiene varios laboratorios de ensayos de acuerdo con estándares nacionales e internacionales, como ISO, AMCA, NF, BS. se ha convertido en un mercado global, muy competitivo, y ya se empieza a dar más importancia a los costes de explotación. Hoy en día, por ejemplo, se espera que los grandes ventiladores de tiro forzado utilizados en las centrales térmicas 1 tengan un alto rendimiento aerodinámico en un intervalo de funcionamiento mucho más amplio que hace unos pocos años. Como ejemplo para ilustrar la idoneidad de la simulación CFD para predecir el rendimiento y estudiar en detalle la aerodinámica de los ventiladores tenemos el ventilador centrífugo de alta velocidad específica y doble entrada, equipado con un conjunto de álabes guía de paso variable (para regulación del flujo) a la entrada y un difusor espiral, como se puede ver en la figura 2. En este diagrama pueden verse las cajas de entrada con álabes guía regulables, la boca de entrada y el rodete de doble entrada, que descarga en un difusor espiral de anchura constante. Los álabes regulables adaptan a la carga las características del flujo del ventilador, estrangulando el flujo de entrada pero manteniendo unas buenas condiciones del flujo de entrada al rodete. El torbellino previo impartido al flujo de entrada a una velocidad de giro constante por variación del decalaje entre los álabes reduce simultáneamente la presión total del ventilador, de forma que el punto de trabajo de la máquina puede ser controlado y desplazado a lo largo de líneas de resistencia constante. El conjunto de álabes guía regulables, dispuesto diagonalmente, está montado en la salida cónica de la caja de entrada. Normalmente los álabes guía regulables de los ventiladores industriales consisten en unas palas planas de chapa metálica que pueden girar ángulos de hasta 90º. Este diseño, sencillo y económico, garantiza la facilidad de fabricación, bajas pérdidas en la posición de ángulo de ataque cero y una capacidad de regulación de hasta casi flujo cero. Sin embargo, el giro meridional y a la vez circunferencial del flujo en la sección de los álabes guía regulables para cargas diferentes a las de proyecto da como resultado un flujo complejo con importantes efectos tridimensionales, lo que convierte los modelos unidimensionales en no apropiados para comprobar las pérdidas de presión o para analizar la interacción entre los álabes guía regulables y el rodete. El rodete radial cerrado de doble entrada, representado en la figura, es del tipo de alto caudal con palas retroinclinadas aerodinámicas. En las condiciones nominales de funcionamiento, el coeficiente de flujo es de 0,307 y el coeficiente de presión total es igual a la unidad, lo que corresponde a una velocidad específica de 1,65. Los números de Mach y de Reynolds son 0,14 y 0,6 x 10 6 respectivamente, en ambos casos referidos a las condiciones de remanso, a la velocidad del rodete y a la anchura de las palas. La metodología de cálculo se basa en un programa CFD comercial La simulación CDF es una poderosa herramienta que sirve para predecir las formas complejas del 78 Revista ABB 2/2000

3 Ventiladores industriales, avances gracias a la I+D 2 Sección de un ventilador de tiro forzado, mostrando las cajas de entrada con los álabes guía regulables, el rodete de doble entrada y la caja espiral Los ventiladores se usan en una gran variedad de tipos y tamaños, con diseños pensados para cualquier uso concebible. En los procesos térmicos se utilizan para transportar gases, vapores y mezclas de gases y sólidos con fines de ventilación, refrigeración, secado, acondicionamiento de aire o combustión. Los ventiladores son muy importantes en diversos campos industriales, entre ellos las centrales eléctricas, la construcción de autopistas (túneles), la fabricación de cemento, las fábricas químicas y petroquímicas y la minería. Los ventiladores de menor tamaño se utilizan para refrigerar componentes eléctricos y motores. flujo y así comprender mejor las características de flujo en los componentes de las turbomáquinas. ABB Solyvent-Ventec y ABB Corporate Research 1) han integrado la CFD en el proceso de diseño de ventiladores centrífugos. Los resultados han dejado claro que la CFD es lo bastante precisa para calcular las características de funcionamiento de dichos ventiladores. Para estudiar la aerodinámica de los ventiladores en cuestión se ha utilizado un programa CFD comercial. Como hipótesis de partida se ha considerado que el fluido es incompresible. El programa, que resuelve en retículas estructuradas las ecuaciones de Navier-Stokes promediadas según el número de Reynolds, fue aplicado a un pasaje acoplado de uno solo de los álabes guía regulables y del rodete, así como al sistema acoplado del rotor completo y del difusor espiral. La retícula superficial del dominio de cálculo del difusor espiral aparece representada en 3, donde se ve la mitad del rodete y del difusor espiral. Para hacer visible el diseño de las palas se ha renunciado a representar parte de la chapa central del rodete. Todos los cálculos sobre el flujo en estado estacionario se han realizado a partir de la modelización de la turbulencia, utilizando el modelo de número alto de Reynolds estándar, K-e, conjuntamente con un método de función de pared para el cierre de las ecuaciones de Navier-Stokes promediadas según el número de Reynolds. En todos los casos, los modelos CFD utilizados captaron los efectos del flujo recirculante a lo largo de la envuelta del rodete, producidos por el flujo en la holgura existente entre la boca de entrada fija y la envuelta del rodete. De modo general se ha aplicado un método de plano mixto en las superficies de contacto entre las retículas fijas y las retículas rotativas. En 1) Las actividades de ABB Corporate Research en este campo han sido transferidas a ABB ALSTOM POWER TECHNOLOGY Ltd. La competitividad propia de la economía globalizada actual ha llevado a la progresiva implantación de las tecnologías más modernas en la industria aeroespacial, en las centrales eléctricas (turbinas estacionarias a gas) y en los compresores y ventiladores industriales. Como suministrador líder que es, ABB ha de estar y está al corriente de los últimos desarrollos. La I+D ha permitido llegar a nuevos conocimientos que ABB aplica, como se expone en este artículo, para mejorar el diseño aerodinámicos de sus ventiladores. Otra inversión, esta en ingeniería de seguridad medioambiental, ha permitido fabricar ventiladores que precisan menos energía. Entre estos están los ventiladores axiales de ABB Fläkt, con potencias de entrada de hasta 2,5 MW, y los ventiladores radiales de ABB Solyvent-Ventec, con rodetes de hasta 5 metros de diámetro y potencias de entrada de hasta 10 MW. Revista ABB 2/

4 Technology Review 3 Retícula de cálculo de la caja espiral y del rodete. Estos modelos CFD se utilizan para captar los efectos del flujo en los componentes de los ventiladores. la superficie de contacto con la retícula fija del te, dentro de un intervalo de 80% a 140% del caudal de proyecto. Se estudió la posición de decalaje difusor espiral, sin embargo, se siguió un método de rotor congelado, ya que la variación circunferencial del flujo es comparable a la existente en la de proyecto y en condiciones de funcionamiento cero de los álabes guía regulables en condiciones periferia, en el pasaje de las palas del rodete. con gran caudal. Para facilitar la comparación se (El método de plano mixto se basa en un promedio circunferencial conservador en las superficies caudal de 80% y 90% del caudal de proyecto, utilizaron ángulos de decalaje de 60 y 45 con un de contacto de las retículas; el método de rotor respectivamente, medidos a partir del plano congelado determina los cambios estructurales en meridiano. la superficie de contacto sin que se produzcan cambios de las posiciones relativas de las retículas Análisis detallado del flujo a lo largo del tiempo). Se impusieron unos niveles A continuación presentamos varios ejemplos con determinados de flujo másico y de turbulencia en resultados reales de la CFD, obtenidos a partir de los límites del flujo entrante del dominio de un ventilador radial, para mostrar cómo puede cálculo. utilizarse la CFD para investigar la física de flujo Se realizaron los cálculos para cuatro puntos complejo y cómo la precisión de los modernos operativos diferentes, a velocidad de giro constan- métodos CFD proporciona al proyectista un fiable instrumento para optimizar los componentes de las turbomáquinas. Es un hecho sabido que la incidencia sobre las palas del rodete es un parámetro importante de la aerodinámica del ventilador. Por ejemplo, si la carga en las palas o el nivel de incidencia positiva (punto de remanso desplazado hacia el lado de presión en las palas) son elevados, la presencia de gradientes de presión adversos que actúan en la superficie de aspiración de las palas hace que aumente el crecimiento de la capa límite y por lo tanto el riesgo de separación de dicha capa. Esto puede dar lugar al desprendimiento del flujo en las palas, lo que trae grandes pérdidas consigo. Por otra parte, se sabe que a la pérdida de perfil no le afectan los bajos números de Mach, algo especialmente cierto en el caso de perfiles con bordes de ataque romos. Una distribución uniforme de la incidencia a lo largo del paso puede, sin embargo, contribuir a un rendimiento bastante mayor y a que aumente la presión [1]. Para comprobar el diseño de las palas del rodete radial en cuestión, con un fuerte flujo meridional girando corriente arriba en torno al borde de ataque de las palas y un chorro de salida impactando sobre el borde de ataque en la envuelta del rodete, es necesario disponer de datos del flujo en el borde de ataque de las palas. Condiciones de diseño del flujo La distribución de la velocidad en 4 representa la forma del flujo en la zona próxima a la envuelta del rodete y a la descarga del rodete bajo condiciones de proyecto. Se ve claramente la formación típica de la configuración del chorro/estela de remolinos en las partes situadas a la salida del rodete, lo que da lugar a una acumulación de fluido de baja energía en la zona próxima a la envuelta/lado de aspiración y a un fluido a alta velocidad en la región del lado de presión de la chapa cen- 80 Revista ABB 2/2000

5 4 Distribución de la velocidad para la carga de proyecto. Esta figura muestra la configuración del flujo en una zona próxima a la envuelta del rodete y a la descarga del mismo. 5 Campo de flujo vectorial para la carga de proyecto (envuelta del rodete). El análisis CFD muestra que, incluso para las condiciones de proyecto, el flujo de la capa límite a lo largo del lado de presión está próximo a separarse, un estado conocido con el nombre de desprendimiento del flujo en la esquina. tral. La generación de un vórtice en dirección de la corriente a lo largo del paso del rodete puede explicarse por las fuerzas centrífugas que prevalecen en la región de transición de axial a radial (desplazando el fluido de baja cantidad de movimiento [1] y [2] se describe detalladamente este mecanismo. Condiciones de flujo con carga parcial baja velocidad en un punto del lado de presión de las palas a la mitad de la longitud de la cuerda y el campo de flujo vectorial en la envuelta del rodete revelan en conjunto la existencia de un flujo radial hacia adentro en esta parte del rodete 7. Este desde las superficies de presión y de aspi- ración hacia la envuelta) y por las fuerzas de Coriolis que actúan en la parte radial del paso (forzando al fluido de baja energía a emigrar desde la chapa central y las paredes de la envuelta hacia la superficie de aspiración de las palas). En Durante el funcionamiento al 80% del caudal de proyecto, con un torbellino previo impartido al flujo de entrada por un decalaje de 60% de los álabes guía regulables, la carga sobre las palas se reduce y la forma del flujo de la estela de remolinos es menos pronunciada 6. Al contrario que fenómeno se debía al desarrollo de un torbellino la figura 5, sin embargo, que representa el campo de flujo vectorial correspondiente, puede verse que no existe retroceso del flujo en este proceso. Pero el análisis CFD indica que, aun en en el caso del caudal de proyecto, la región de condiciones de proyecto, el flujo de la capa límite 6 Distribución de la velocidad para a lo largo del lado de presión está próximo a la separación o desprendimiento del flujo, debido a la negativa incidencia en el borde de ataque de las palas y a la difusión impuesta corriente abajo. En carga parcial con un torbellino previo impartido al flujo de entrada por medio de un decalaje de 60º de los álabes guía de entrada. Puede observarse que la estela de remolinos tiene una configuración Revista ABB 2/2000 de flujo menos pronunciada. 81

6 Technology Review 7 Campo de flujo vectorial para carga parcial (envuelta del rodete). En esta parte del rodete puede observarse un flujo radial hacia adentro. en la periferia/borde de ataque de la superficie de presión de las palas, que se originaba en la separación del borde de ataque en la periferia de las palas por causa de una gran incidencia negativa. Este torbellino interactúa con el flujo de la pared extrema de la envuelta y da lugar a un retroceso del flujo mencionado, a lo largo de la envuelta en la superficie de presión de las palas. Un estudio detallado del flujo de salida inyectado desde la cavidad del lado del ventilador, es decir, a través del espacio libre entre la boca de entrada fija y la placa base del rodete, hacia el flujo de entrada en esta zona, indica que contribuye a la incidencia negativa sobre el borde de ataque de las palas en la envuelta del rodete. El flujo de salida, que da lugar a un flujo circulante a lo largo de la envuelta del rodete, provoca también pérdidas volumétricas. También se ha estudiado en detalle el flujo en el borde de ataque próximo a la chapa central del rodete en un punto de trabajo distinto al de proyecto. En contraste con la fuerte incidencia negativa predicha para la periferia de las palas, el campo de flujo vectorial representado en 8 revela una gran incidencia positiva en el borde de ataque que da lugar a la formación de un torbellino en dicho borde. La razón subyacente es que el flujo de la capa límite entrante en la chapa central no puede soportar el gradiente de presión frente al borde de ataque romo y comienza a separarse antes del mismo. Este proceso está relacionado con la formación de un torbellino que rueda por encima de la capa límite y se envuelve alrededor del borde de ataque. En la figura 8 puede verse el curso de la corriente de remanso y el punto singular, que divide la corriente de separación en la columna del lado de presión y del lado de aspiración de dicho torbellino en el frente de ataque. La capa límite, que vuelve a desarrollarse más allá de la línea de separación, experimenta una gran expansión alrededor del borde de ataque de las palas. Esto da lugar a una separación adicional corriente abajo, en la chapa central/esquina del lado de aspiración, producida por un gradiente de presión adverso. Adaptación del rodete a la caja espiral Para predecir el rendimiento global del ventilador y determinar dónde se producen las pérdidas más importantes es necesario estudiar también el flujo en el difusor espiral. De acuerdo con el torbellino de descarga del rodete para el que se proyecta el difusor espiral, existe sólo un punto de trabajo por línea de velocidad constante (normalmente el punto de diseño), para el cual el difusor espiral impone una distribución de presión circunferencialmente unifor- 8 Campo de flujo vectorial para carga parcial (chapa central del rodete). La gran incidencia positiva sobre el frente de ataque da como resultado la formación de un torbellino en dicho frente de ataque. 82 Revista ABB 2/2000

7 9 Campo de flujo vectorial del rodete y de la caja espiral para la carga de proyecto. El punto de remanso está situado en el frente de ataque de la punta de la caja espiral. 10 Campo de flujo vectorial del rodete y de la caja espiral para el 140% del caudal de proyecto. El fluido retrocede hacia el conducto de salida de difusión de la caja espiral, de forma que el punto de remanso está situado en el paso espiral. me en la periferia del rodete. A partir de este punto de funcionamiento se produce en el difusor espiral un campo asimétrico periférico de presión que provoca una variación circunferencial de la carga en las palas y del flujo másico distribuido en los diferentes pasos de las palas, que da lugar a una fuerte interacción no estacionaria entre el flujo en el rodete y el flujo en el difusor espiral. El método del rotor congelado semiestacionario con el rotor en posición fija respecto de la punta del difusor espiral se utiliza para simplificar el cálculo y reducir el tiempo que dura el mismo. Para el caudal de proyecto, el punto de remanso de la corriente, que divide el flujo que vuelve a entrar en el difusor espiral procedente del flujo descargado, está situado en la periferia del frente de ataque de la punta del difusor espiral. Si el caudal es mayor, el difusor espiral resulta ser demasiado pequeño para recibir el flujo, el cual se acelera a continuación en el sentido circunferencial. La presión estática en la primera sección del paso del difusor espiral es consecuentemente mayor que en el exterior, es decir, a la entrada del difusor. El punto de remanso se desplaza hacia el interior del difusor espiral y el gradiente de presión estática correspondiente empuja al fluido de nuevo hacia el difusor. Por el contrario, en el caso de bajo caudal el flujo se desacelera hasta la salida del difusor, de forma que es empujado hacia el interior de la caja espiral, bajo la punta del difusor, y el punto de remanso se desplaza a lo largo de las paredes de la caja hacia la salida del difusor. En 9 se ve en detalle el campo de flujo en la punta de la caja espiral para la carga de proyecto. Tal como se ha dicho más arriba, el punto de remanso está situado en el frente del difusor espiral, debido a la presión circunferencialmente uniforme a la entrada de la caja. Los pasos de las palas que se aproximan a la punta de la caja espiral resultan afectados localmente por una mayor contrapresión, dando lugar a un flujo menor, asociado al aumento de carga de las palas y a los grandes ángulos de incidencia positiva. Como ya se ha dicho, en el caso de un alto caudal másico (140% del caudal de proyecto), el fluido retrocede hacia el conducto de salida del difusor espiral. Por lo tanto, el punto de remanso está situado dentro del paso del difusor. El contraflujo asociado experimenta una fuerte expansión en torno al frente del difusor espiral, seguida por una gran separación del flujo causada por el gradiente de presión contrario que existe en esta sección de salida del difusor espiral 10. Características de funcionamiento: mediciones versus predicción ABB Solyvent-Ventec ha medido el rendimiento en un sistema de prueba a escala y ha utilizado los datos para comparar la predicción CFD con las mediciones de la elevación total de la presión del ventilador y del rendimiento total. En 11 y 12 puede verse la buena concordancia que existe entre los valores previstos y medidos. Se estableció que la imprecisión del rendimiento total global (despreciando las pérdidas en los cojinetes), previsto para caudales de entre 80% y 140% del caudal de diseño, era inferior al 1,5%. Los resultados demuestran que la CFD permite prever correctamente la configuración de flujos complejos. Además, el análisis detallado de las configuraciones locales de flujo permite conocer mejor las características de funcionamiento de un ventilador específico. Al mismo tiempo, un conocimien- Revista ABB 2/

8 Technology Review 100 N=950 rpm 2000 N=950 rpm F[%] η p F [Pa] Experiment CFD; IGV 0 deg CFD; IGV+45 deg CFD; IGV+60 deg Q[m 3 /s] 0 Experiment CFD; IGV 0 deg CFD; IGV+45 deg CFD; IGV+60 deg Q[m 3 /s] 11 Mapa de rendimiento mostrando la excelente concordancia entre las mediciones efectuadas en un sistema de prueba a escala y las predicciones CFD. η F Rendimiento del ventilador Q Caudal 12 Elevación total de la presión en función del caudal. Comparación entre las mediciones y las predicciones CFD. pf Elevación total de la presión Q Caudal to profundo del flujo da al proyectista una idea más clara de las características de funcionamiento de los ventiladores radiales en todo el intervalo de funcionamiento. Ventajas de la evaluación de las alternativas de diseño Tal como muestran los resultados de las investigaciones descritas, la predicción del campo de flujo mediante la dinámica computacional de fluidos (CFD) permite realizar un estudio muy detallado de los fenómenos de flujo internos. De no ser por la CFD sería necesario realizar un trabajo experimental y que necesitaría mucho tiempo y dinero. Es cierto que los efectos de flujo mencionados no pueden captarse con las ecuaciones empíricas uni y bidimensionales del flujo, aunque el uso de estos métodos todavía está justificado para realizar una optimización previa en las primeras fases de diseño. El programa CFD debería utilizarse conjuntamente con otras herramientas para las primeras fases de diseño, como parte de un sistema integral que permita evaluar las alternativas de diseño. Las investigaciones respaldan la experiencia acumulada por ABB en el diseño de ventiladores con los programas CFD y confirman que la precisión de los cálculos numéricos de flujo incluso para ventiladores completos es suficiente para justificar la aplicación diaria de la CFD para proceder a la adaptación de cargas en una amplia serie de aplicaciones. Autores Dr. Wilfried Rick Dr. Eribert Benz ABB Corporate Research Center AG P.O. box 5102 CH-5405 Baden-Dättwil Suiza Telefax: Alain Godichon ABB Solyvent-Ventec SNC P.O. box 67 F Meyzieu-Cedex Francia Telefax: Bibliografía [1] I. Bennett, M. Vezza: Flows within industrial centrifugal fans. VDI reports no. 1249, [2] W. Rick: CFD analysis of the radial fans DXW, DZW. Internal ABB report, ABB CHCRC, Sept Revista ABB 2/2000

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