Introducción
En este capítulo se analiza la optimización experimental del ángulo de flujo por medio de los IGV’s en el compresor. La posición de los IGV’s determinan el mayor incremento de presión total durante la operación del compresor; esto se consigue rotando los álabes estatores variables sobre su eje radial para obtener las condiciones óptimas necesarias para la operación de la máquina.
La sección central superior en el compresor se elige como la zona de pruebas debido a las características geométricas favorables para las pruebas planeadas.
En primer lugar, se analiza el incremento de presión que consigue el flujo al circular a través del compresor cuando opera sin álabes estatores variables. La configuración de la máquina se muestra en la figura 1D del anexo D.
Posteriormente, se analiza el incremento de presión en el compresor añadiendo álabes estatores variables; siendo estos IGV’s y álabes estatores variables de la primera etapa de compresión.
Las mediciones realizadas al compresor con álabes estatores variables se dividieron en dos tipos: mediciones de zona y mediciones de líneas de flujo. En el primer tipo la sonda prismática de medición se alinea a 0° con los IGV’s manteniéndose fija a cada cambio de posición angular de los mismos. En las mediciones de línea de flujo la sonda prismática se alinea a 0° con los IGV’s rotando radialmente a cada cambio de posición angular durante las pruebas de medición.
El análisis de las mediciones se divide en cinco secciones a lo largo de los álabes en el borde de salida o a la salida del compresor; estas secciones corresponden a: la punta, la zona meridional, la raíz y las zonas intermedias entre ellas.
Las variables en la medición responden al cambio de la posición angular de los IGV’s y a la variación de las revoluciones por minuto del compresor. Las posiciones angulares de los IGV’s se nombraron AXIAL como se muestra en le capítulo III. La rotación de los álabes de los IGV’s cambia de AXIAL-A a AXIAL-K en un rango de 50° con el eje axial; considerando el desplazamiento que se realiza de la posición de abierto (+) a la posición de cerrado (-).
La variación de la velocidad ocurre en cinco ocasiones durante las pruebas al compresor manteniéndose en la zona de seguridad de operación que comprende el 73% de la velocidad de diseño.
Del conocimiento teórico y de los resultados experimentales obtenidos, se conoce que en la sección meridional se presentan las mejores condiciones aerodinámicas en el flujo, ya que es conocido como línea meridional de flujo para realizar el análisis de los resultados que se presenta a continuación.
5. 1. Análisis sin IGV’s en el compresor
En la figura 1D del anexo D se muestran las mediciones realizadas en el borde de salida de la segunda corona rotora; en la configuración de la máquina sin álabes estatores para la primera serie de pruebas.
La zona de medición elegida para el estudio es a la salida del compresor axial mostrada en la figura 2D. El plano de medición a la salida del compresor se divide en tres secciones como se muestra en la figura 3D. En la figura 4D se puede observar como cada sección se divide a lo largo del álabe en cinco puntos de análisis; en donde, los registros de presión se realizan con la sonda prismática de tres perforaciones para las mediciones de la presión total y estática. Las posiciones consideradas a lo largo del álabe son: la punta del álabe, la posición en donde se considera circula la línea meridional de flujo, la raíz del álabe y puntos intermedios.
Las mediciones del flujo a través de la presente configuración del compresor mostraron diferentes patrones en su comportamiento a lo largo de los álabes a la salida del compresor.
Los resultados de la presión total medida en cada posición a lo largo de los álabes en las secciones 1, 2 y 3; se presentan en las tablas 1D, 2D, 3D. Los resultados se grafican en las figuras 5D, 6D y 7D en curvas de presión total, en donde se observa su comportamiento en las tres secciones. De acuerdo a los resultados, se obtuvieron presiones negativas bajó la línea meridional de flujo en las posiciones 4, 5, 10, 14 y 15, las cuales se consideran producidas debido a las vórticidades generadas en la zona cerca de la flecha del compresor.
El registro de las mediciones por encima de la zona o línea meridional de flujo hacia la punta de los álabes en las posiciones 1, 2, 6, 7, 11 y 12; se observa que es la zona con mayor dificultad para realizar las pruebas. Se considera que estos problemas se deben a la velocidad de giro del flujo en la punta de los álabes y al claro o espacio transversal que existe entre la punta de los álabes y la carcasa del compresor.
Las tablas 4D, 5D y 6D muestran los valores de la velocidad del flujo calculada a partir de los registros de la presión. La presión dinámica se considera absoluta y la densidad del aire calculada en la localidad es de 0.941kg 3
m . Las curvas de velocidad de las tres secciones se
graficaron en las figuras 8D, 9D y 10D.
En la figura 5. 1 se muestra la gráfica de los resultados de presión total obtenidos en la sección 1. En esta sección se obtiene el mayor incremento en la presión total cuando el compresor es operado sin álabes estatores variables. Como se puede ver en la gráfica, el mayor incremento de presión que se obtiene en las pruebas ocurre en la sección de la punta en los álabes rotores a todas las revoluciones por minuto. Los valores de presión obtenidos se pueden observar en el anexo D.
En la figura 5. 2 se muestra la gráfica de los perfiles de presión desarrollados a la salida del compresor cuando se opera sin álabes estatores guía a la entrada y álabes estatores variables de la primera etapa de compresión. La alineación del flujo de aire a la entrada del compresor se considera es a 0° con el eje axial. Las revoluciones por minuto en el compresor se varían en cinco ocasiones siendo éstas: 1800, 1900, 2000, 2100 y 2200 rpm; los cuales coinciden con resultados de trabajos desarrollados por Blöcker [16] en el Instituto de Turbomaquinaría de la Universidad de Hannover.
En la gráfica se observa que el mayor incremento en la presión en los cinco perfiles de presión se presenta en la sección de la punta en los álabes rotores. También se puede ver que debajo de la sección meridional el perfil se desplaza hacia los valores negativos de la presión. La zona considerada para el análisis será entonces la sección de la punta en los álabes rotores debido a que es la sección en donde se registra el mayor incremento de la presión.
5. 2. Análisis con IGV’s en el compresor 5. 2. 1. Medición de zona
La gráfica en la figura 5. 3 muestra las curvas de presión a las diferentes posiciones angulares con las que operan los IGV’s en el compresor. Se eligen las curvas de presión que se generan a partir de los datos que se obtienen de las mediciones de zona en la sección meridional en el borde de salida de la segunda corona rotora; debido a que en esta zona se genera el mayor incremento en la presión total de las mediciones de zona realizadas a todo el compresor.
Se denomina AXIAL a todas las posiciones angulares de los IGV’s en la gráfica que van de - 20° a 30°; como se muestra en el capítulo III. La denominación AXIAL-E corresponde a la posición angular de los IGV’s a 20°. En AXIAL-E se aprecia el mayor incremento en la presión total en las diferentes revoluciones por minuto en las que opera el compresor.
En la gráfica de la figura 5. 4 se muestran las presiones en cada sección de los álabes en el borde de salida de la segunda corona rotora a una velocidad de 2200 rpm del compresor. Se elige la gráfica de las curvas de presión a 2200 rpm debido a que es en donde se genera mayor incremento de presión en el compresor.
En la gráfica se observan las curvas de presión a lo largo de las secciones del compresor. En la sección meridional es donde se obtiene el mayor incremento de la presión total. También se puede ver que las curvas tienen un valor máximo el cual representa el punto óptimo de operación de los IGV’s; siendo éste a la posición angular de 20° conocido como AXIAL-E. En el anexo F se muestran las curvas de presión para las diferentes revoluciones por minuto de operación del compresor.
En la gráfica de la figura 5. 5 se identifican los puntos óptimos de operación del compresor en la sección meridional en las cinco curvas de presión total a diferentes revoluciones por minuto; así como la posición angular de los álabes de los IGV’s. Como se puede ver en la gráfica, el punto óptimo en cada prueba se consigue cuando la posición angular de los IGV’s es de 20° con el eje axial.
En la gráfica de la figura 5. 6 se presenta el perfil de presiones a la salida del compresor a 2200 rpm en todas las posiciones angulares de los IGV’s. Esta gráfica muestra el perfil de presión que se crea a lo largo de los álabes en el borde de salida, en donde se aprecia un mayor incremento en la presión total en el perfil que se forma cuando la posición angular de los IGV’s se ubica a 20° con el eje axial.
Figura 5. 5. Curvas de presión total en la sección meridional a diferentes revoluciones por minuto.
La gráfica que se muestra a continuación en la figura 5. 7 presenta los perfiles de presión desarrollados a la salida del compresor cuando la posición angular de los IGV’s se mantiene a 20° y se varían las revoluciones por minuto en el compresor. La gráfica muestra el mayor incremento en la presión en las cinco curvas a 50% de la altura de los álabes rotores en la sección meridional. Por otro lado, la figura 5. 8 muestra el esquema del perfil de presiones a la salida del compresor.
Figura 5. 7. Perfil de presiones a 20° de los IGV’s a diferentes revoluciones por minuto.
Figura 5. 8. Esquema del perfil de presiones a 20° de los IGV’s a la salida del compresor a diferentes revoluciones por minuto.
5. 2. 2. Medición de línea de flujo
La gráfica en la figura 5. 9 muestra las curvas de presión a las diferentes posiciones angulares con las que operan los IGV’s en el compresor. Se eligen las curvas de presión que se generan a partir de los datos que se obtienen de las mediciones de línea de flujo en la sección meridional en el borde de salida de la segunda corona rotora; debido a que en esta zona se genera el mayor incremento en la presión total en todo el compresor.
En las mediciones de línea de flujo la posición angular de los IGV’s a 20° denominada AXIAL-E; es adonde se presenta el mayor incremento en la presión total en las diferentes revoluciones por minuto en las que opera el compresor.
En la gráfica de la figura 5. 10 se muestran las presiones en cada sección de los álabes en el borde de salida de la segunda corona rotora a una velocidad de 2200 rpm del compresor. Se elige la gráfica de las curvas de presión a 2200 rpm debido a que es en donde se genera mayor incremento
En la gráfica se pueden observar las curvas de presión a lo largo de las secciones del compresor. En la sección meridional o línea meridional de flujo es adonde se observa el mayor incremento de la presión total.
En la medición de línea de flujo el comportamiento errático en las curvas en cada sección de los álabes no permite determinar con claridad la posición angular óptima de los IGV’s en donde el compresor presenta el mayor incremento de presión. Se puede observar por ejemplo, que en la sección de la punta la curva de presión se incrementa hacia la posición de cerrado de los álabes; sin embargo, se conoce teórica y experimentalmente, que esta sección de los álabes presenta muchos problemas de vórtices y flujos secundarios, es por esto, que se elige la sección meridional para el estudio. Como se observa en la gráfica, la curva en la sección meridional tiene el valor máximo de presión a la posición angular de 20°, el cual representa el punto óptimo de funcionamiento de los IGV’s en el compresor; posición angular conocida como AXIAL-E. En el anexo F se muestran las curvas de presión total de operación del compresor a diferentes revoluciones por minuto.
La gráfica de la figura 5. 11 se enfoca en las cinco curvas de presión en la sección meridional a las diferentes revoluciones por minuto del compresor; en esta gráfica se observa que el punto óptimo de los IGV’s en donde el compresor alcanza el mayor incremento en la presión se encuentra en la posición angular de 20° con el eje axial.
En la gráfica de la figura 5. 12 se presenta el perfil de presiones a la salida del compresor a 2200 rpm en todas las posiciones angulares de los IGV’s. Esta gráfica muestra el perfil de presión que se forma a lo largo de los álabes en el borde de salida; se observa que el mayor incremento en la presión total en el perfil se consigue a 50% de la altura de los álabes con la posición angular de los IGV’s a 20° con el eje axial.
Figura 5. 11. Curvas de presión total en la sección meridional a diferentes revoluciones por minuto.
La gráfica que se muestra en la figura 5. 13 presenta los perfiles de presión desarrollados a la salida del compresor cuando la posición angular de los IGV’s se mantiene a 20° y se varían las revoluciones por minuto en el compresor. Esta gráfica confirma que el mayor incremento en la presión es a 50% de la altura de los álabes rotores en los perfiles de presión generados.
5.3. Análisis comparativo
El análisis comparativo de los resultados obtenidos en los tres tipos de mediciones (medición sin álabes estatores en el compresor, medición de zona y medición de línea de flujo) se realiza a continuación.
En las mediciones sin álabes estatores se establece que el flujo de aire a la entrada del compresor entra libre sin cambios de dirección debido a los álabes estatores. Por lo tanto, para el análisis se considera que el flujo de aire tiene un ángulo de entrada al compresor de 0° con el eje axial.
En las mediciones de zona y de línea de flujo los álabes estatores guía a la entrada se alinean a un ángulo de 0° con el eje axial, pero para el análisis el mayor incremento de presión se obtiene a la posición angular de 20° de los IGV’s. El objetivo principal en el análisis de resultados, es observar el mayor incremento de presión que se consigue en el compresor. Entonces, para el análisis comparativo entre las pruebas se utilizan las mediciones en donde el flujo de aire ingresa al compresor con un ángulo de entrada de 20° para las mediciones de zona y de línea de flujo; y para las mediciones sin álabes estatores se utilizan las mediciones en la sección 1.
En el caso adonde el compresor no tiene álabes estatores variables se utiliza para el análisis la gráfica de la figura 5. 2, enfocándose en la sección de la punta debido al mayor incremento en la presión. En el caso de las mediciones de zona y de línea de flujo se utilizan las gráficas de la figuras 5. 7 y 5. 13 en donde los perfiles de presión se generan con la posición de los IGV’s a 20°; en estos casos se selecciona la sección meridional debido al mayor incremento de presión. Lo mencionado anteriormente se justifica debido a que el compresor entrega una presión global a la salida; sin importar en este trabajo el análisis específico en cada sección de los álabes.
Como se observa en las gráficas el perfil de presiones es diferente cuando se tiene álabes estatores que cuando no se tienen álabes estatores en el compresor. De acuerdo a la teoría y trabajos experimentales, el perfil de presiones se debe desarrollar a la salida del compresor como el mostrado en la figura 5. 8.
La tabla 5. 1 muestra que el incremento de presión obtenido en las mediciones de zona y de línea de flujo es aproximadamente igual. Por otro lado, se observa que el incremento de presión alcanzado es 65% mayor comparado con la presión conseguida en las mediciones sin álabes estatores.
La tendencia en las curvas obtenidas en las mediciones de zona y de línea de flujo muestran un perfil desarrollado; mientras que el perfil de presión generado con los datos de las mediciones sin álabes estatores, no se desarrolla a la salida del compresor.
Tabla 5. 1. Registro de presiones en las diferentes mediciones.
rpm
Presión Total Máxima [kPa]Sin álabes estatores Medición de zona Medición de línea de flujo
2200 0.14 0.215 0.215
2100 0.121 0.198 0.196
2000 0.107 0.179 0.1784
1900 0.0915 0.1578 0.1604
5. 4. Análisis de la velocidad del flujo
El análisis en este trabajo, no involucra el análisis detallado de la velocidad del flujo en el compresor. Como se mencionó anteriormente, el propósito es el análisis del incremento de la presión total a la salida del compresor.
En la tabla 5. 2, se muestran los valores máximos de velocidad obtenidos para las diferentes mediciones realizadas en el banco experimental del compresor axial a las diferentes revoluciones por minuto. Como se puede observar, en las mediciones de zona en la velocidad 2 se obtuvo la velocidad máxima de todas las pruebas.
En el anexo D se puede observar el perfil de velocidades cuando el compresor opera sin álabes estatores variables; en donde se aprecia un perfil no desarrollado de la velocidad. En el anexo F se presentan las gráficas de velocidad para las mediciones de zona y de línea de flujo; en donde se aprecian perfiles de velocidad desarrollados. En el anexo H se tabularon los valores de velocidad para las mediciones de zona y de línea de flujo.
Tabla 5. 2. Registro de velocidades en las diferentes mediciones.
rpm
Velocidad Máxima [m/s]
Sin álabes estatores Medición de zona Velocidad 1 Medición de zona Velocidad 2 Medición de línea de flujo
2200 17.8255 23.2072 23.5978 22.9355
2100 16.5903 21.9941 22.5853 21.9167
2000 15.6340 20.7715 21.5253 20.8939
1900 14.4690 19.6354 20.2429 19.7971
El análisis realizado en este trabajo se enfocó en la sección central superior del compresor axial para condiciones estables del aire a la entrada. La utilización del banco experimental de