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TURBOMÁQUINAS Á Clases Prácticas Curso 4º B

Juan Manuel Tizón Pulido [email protected] http://webserver.dmt.upm.es/zope/DMT/Members/jmtizon

CASCADAS DE ALABES CASCADAS DE ALABES •INTRODUCCIÓN INTRODUCCIÓN •Documentación recomendada •Tipos de cascadas •Interés y necesidad •TÚNELES DE ENSAYO •DESCRIPCIÓN DESCRIPCIÓN FENOMENOLÓGICA •Nomenclatura •Aerodinámica Aerodinámica de cascadas •Fuerzas sobre los álabes •ACTUACIONES DE CASCADAS •Promedios de variables •Pérdidas y desviación •Correlaciones experimentales

D Documentación recomendada t ió d d ‰ ‰ ‰ ‰ ‰ ‰ ‰ ‰ ‰ ‰ ‰ ‰

AGARD AG-220 ((Scholz, Ed.)) , “Aerodynamics y of Cascades”, 1997. AGARD LS-195, “Turbomachinery Design Using CFD”, May 1994. AGARD AG-328: Advanced Methods for Cascade Testing, Aug 1993. AGARD LS-167, “Blading Design for Axial Turbomachines”, June 1989. AGARD R 745 (Cetin et al AGARD-R-745 al.), ) “Application Application of Modified Loss and Deviation Correlations to Transonic Axial Compressors”, 1987. CUMPSTY, "Compressor Aerodynamics". Longman Scientific and Technical, 1989. LAKSHMINARAYANA, “Fluid Dynamics and Heat Transfer of Turbomachinery”. John Wiley and Sons, 1996. LICHTFUSS, H. –J. and STARKEN, H., Supersonic Cascade Flow in Progress in Aerospace Sciences Sciences, vol vol. 15 15, 1974 Mattingly, J. D., Heiser, W. H. y Pratt, D. T., “Aircraft Engine Design”, AIAA Education Series, 2002. OATES, G.C. "Aerothermodynamics of Aircraft Engine Components". A.I.A.A. Educational Series, ed. revisada 1988. SP-36, "Aerodynamic Design of Axial Compressors". NASA, 1965 WENNERSTROM, A.J., “Design of Highly Loaded Axial-Flow Fans and Compressors”. Pub. Compressors Pub Concept ETI ETI, Inc Inc., 2000 2000.

TIPOS DE CASCADAS TIPOS DE CASCADAS

CASCADA PLANA

CASCADA ANULAR

CASCADAS DE ALABES CASCADAS DE ALABES ANÁLISIS & DISEÑO

CFD

MÉTODOS CUASI CUASI-3D 3D

NECESIDAD & INTERÉS o Unidad básica (bit) de información en las tareas de análisis y diseño de turbomáquinas o Descripción p cualitativa del campo p fluido. o Descripción cuantitativa: Correlaciones. Análisis semi-empíricos. Validación CFD o Ensayo/diseño/selección de perfiles perfiles.

TÚNELES DE ENSAYO TÚNELES DE ENSAYO

TUNEL DE ENSAYO CONVENCIONAL DE CASCADAS DE ALABES A BAJA VELOCIDAD (ver por ejemplo, NASA SP-36, 1965)

TÚNELES DE ENSAYO TÚNELES DE ENSAYO

AGARD AG-328: Adavanced Methods for Cascade Testing

ENSAYO AERODINÁMICO DE CASCADAS Á

PROBLEMÁTICA Á ESPECÍFICA Í ‰Periodicidad de las distribuciones de variables fluidas. oRegulación de sangrados. oGeometria del canal ‰Bidimensionalidad de los resultados: oControl de capa límite. oNúmero y altura de los alabes.

ENSAYO AERODINÁMICO DE CASCADAS ENSAYO AERODINÁMICO DE CASCADAS (cascadas supersónicas)

ENSAYO COMPRESOR TRANSÓNICO ENSAYO: COMPRESOR TRANSÓNICO

SIMULACIÓN TURBINAS SIMULACIÓN: TURBINAS

A di á i d C Aerodinámica de Cascadas d

ANÁLISIS & DISEÑO (CFD) DE COMPRESORES ANÁLISIS & DISEÑO (CFD) DE COMPRESORES

CASCADA DE ALABES: Nomenclatura CASCADA DE ALABES N l V2 δ β2

V1

Vθ α1

tangentes línea media

SOLIDEZ

σ=c/s

PA ASO (s)

ε 1

κ

Vz1

V1

ι

β1

LINEA MEDIA

V2

α2 Vθ2

Vz2

CASCADA DE ALABES F i CASCADA DE ALABES: Funcionamiento i

COMPRESOR V1 > V2 P1 < P2

( ρVz )2 AVDR = ( ρVz )1

≈1

Axial velocity-density ratio

TURBINA V1 < V2 P1 > P2

CASCADA DE ALABES F i CASCADA DE ALABES: Funcionamiento i AERODINÁMICA DE CASCADAS:   AERODINÁMICA DE CASCADAS: FUERZA SOBRE LOS ALABES 2 Definiciones:

G Vm =

1 2

G G V1 + V2

(

VOLUMEN DE CONTROL

)

1⎛ 1 1 ⎞ = ⎜ + ⎟ ρ m 2 ⎝ ρ1 ρ 2 ⎠ 1

Δp0 = ( p1 + ρ V 1 2

2 m 1

1

)−( p

2

+ ρ V 1 2

2 m 2

)

CASCADA DE ALABES F i CASCADA DE ALABES: Funcionamiento i

ρ1V1 cos α1 = ρ 2V2 cos α 2

Fθ

Fz = ( p1 − p2 ) s + ρ1V1z s (V1z − V2 z ) Fθ = ρ1V1z s (Vθ 1 − Vθ 2 ) T1 + V

2 1

2C p = T2 + V

p1,2, ρ 1,2 = RT1,2, 12

2 2

2C p

Fz

CASCADA DE ALABES F i CASCADA DE ALABES: Funcionamiento i L D CL = 1 ; CD = 1 2 2 ρ ρ V c V 2 m m 2 m mc

L = Fθ cos α m − Fz senα m D = Fθ senα m + Fz cos α m

L

D

αm

⎧ 2tg t α1 2ttgα 2 ⎫ CL = cos α m ⎨ − ⎬ − CD tgα m σ ⎩1 + ρ1 ρ 2 1 + ρ 2 ρ1 ⎭ 2

⎛ ⎞ Δp0 2 CD = cos α m ⎜ ⎟ 2 2 σ ρ1V1 cos α1 ⎝ 1 + ρ1 ρ 2 ⎠ 2

3

FUERZAS SOBRE LOS ALABES y αm < 0

D Fθ

Fθ

x

L

L Fz

αm > 0 Fz

Fz < 0, p2 > p1 αm > 0

D

Fz > 0, p2 < p1 αm < 0

RESULTADOS EXPERIMENTALES RESULTADOS EXPERIMENTALES S

VARIABLES PROMEDIADAS

∫ tan (α ) = ∫

s

0 s

2

0

∫ ΔP =

s

0

t

ρ uvds ρ u 2 ds

P2t 1.00 P1t 0.96 0.98

ρ u ( P1t − P2t ) ds d

∫

s

0

ρ uds

S

δ

5.0 0.0 -5.0

RESULTADOS EXPERIMENTALES RESULTADOS EXPERIMENTALES 40 30 20

ΔPt Pt1

0 02 0.02 0.01

-5 5 0 -10 10 ángulo de incidencia

(ι )

10

α1 − α 2

RESULTADOS EXPERIMENTALES RESULTADOS EXPERIMENTALES Coeficiente de perdidas:

p1t − p2t ω= p1t − p1

Coeficiente de difusión: dif sión

V2 Vθ 1 − Vθ 2 D = 1− + V1 2σ V1

Espesor de cantidad de movimiento de la estela:

ρu ⎛ ρu ⎞ θ =∫ ⎜1 − ⎟ ds cl ρ u ρ ∞ u∞ ⎠ ∞ ∞ ⎝ *

Se puede demostrar que:

⎛ θ ⎞ σ ⎛ cos α 2 ⎞ ω ∝ 2⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎝ c ⎠ cos α1 ⎝ cos α1 ⎠ *

2

CORRELACIÓN DE LIEBLEIN CORRELACIÓN DE LIEBLEIN p1t − p2t ω= p1t − p1

V2 Vθ 1 − Vθ 2 D = 1− + V1 2σ V1

ω cos α 2 = 0.0035 0 0035 (1 + 33.55 D + 37 D 4 ) 2σ La interpolación se puede encontrar en: Aungier, R. H., “Axial-Flow Compressors: A Strategy for Aerodynamic Design and Analysis”, ASME Press (2003) y un detallado análisis de la génesis y rango de aplicación de la correlación de Lieblein en el NASA SP-36