La cascada de álabes que se utilizó en este trabajo de investigación se realizó con referencia en un álabe estator de la primera etapa de un compresor axial de la turbina de gas TB 5000 del fabricante Ruston, mostrada en la figura 3.11. La turbina TB 5000 fue diseñada para desarrollar una potencia de 4900 HP (3.9 MW), bajo condiciones ISO, con un valor de RPM de trabajo de 7950 que pueden variar entre el 50 y 100 %.
Figura 3.11 Diagrama de la turbina Ruston TB 5000 [13].
Un listado de los datos técnicos de la turbina se encuentra en la referencia [13], de donde se obtuvieron los valores del ángulo de entrada y de salida del flujo, con los que se calcularon la velocidad media, el ángulo medio.
El compresor está formado por 12 etapas, un conjunto de álabes guía a la entrada (IGV) y un conjunto de álabes guía a la salida (EGV). En la tabla 3.1 se muestran las características relevantes del álabe para este trabajo de investigación:
Tabla 3.1 Características del estator de referencia [13]. Ángulo de entrada del flujo 42.33°
Ángulo de salida del flujo 12.33° Longitud de la cuerda del álabe 29 mm Longitud del álabe 86 mm Ángulo medio del flujo 29.45° Velocidad de operación 187.36 m/s
Ángulo de incidencia 0° Número de Reynolds (Re) 3.59 X 105
La cascada que se empleó para la realización de este trabajo experimental está compuesta por 5 álabes rectos. El álabe se escaló 6.93 veces con referencia en la cuerda para obtener el álabe usado en este trabajo de investigación [13]. De esta manera los álabes que se emplean en la cascada tienen una cuerda de 200 mm y fueron fabricados de aluminio mediante un proceso de maquinado con control numérico. La base circular donde se encuentran montados los álabes permite el giro de la cascada, logrando modificar el ángulo de entrada y de salida del flujo. También permite el giro de los álabes para modificar los ángulos de entrada y salida de los álabes y con esto obtener toda una serie de posibilidades en la configuración de la cascada. Las características de la cascada se enlistan en la tabla 3.2:
Tabla 3.2 Características de la cascada experimental [13]. Ángulo de entrada del álabe 42.33°
Ángulo de salida del álabe 12.33° Longitud de la cuerda del álabe 0.2 m Longitud del álabe 0.4 m Paso entre álabes 0.166 m Ángulo medio del flujo 29.45°
Ángulo de incidencia 0° Número de Reynolds (Re) 3.59 X 105
En la figura 3.12 se indican las características geométricas de la cascada relevantes para este trabajo de investigación: Se adecuó la cascada de álabes en la configuración de operación según los datos tomados de las referencias [13, 14]. Dicha configuración geométrica establece que la orientación de la cuerda del álabe coincide con la dirección del flujo, por lo que los ángulos de entrada y salida del álabe y del flujo son idénticos, como también se hace notar en la figura 3.12.
Figura 3.12 Características geométricas de la cascada de álabes.
La figura 3.13 muestra un modelo geométrico de la cascada de álabes indicando las partes que la conforman y la nomenclatura que se usa para referirse a cada componente
Figura 3.13 Modelo geométrico de la cascada de álabes.
3.2 METODOLOGÍA EXPERIMENTAL.
El desarrollo experimental de este trabajo de investigación se divide en tres etapas:
1. Determinar los perfiles de velocidad que conforman la capa límite sobre las dos superficies del álabe objeto de estudio, con lo cual es posible calcular el coeficiente de pérdida por forma.
2. Determinar los perfiles de velocidad en el plano definido por la punta del álabe, con lo cual es posible calcular el coeficiente de pérdida en la punta del álabe. 3. Cuantificar el diferencial de presión en la zona donde se presenta el flujo
secundario, lo que permite calcular el coeficiente de pérdida secundaria.
La medición de perfiles de velocidad y del diferencial de presión total se obtuvieron a una velocidad promedio de entrada de 32.2 m/s, la cual corresponde a una frecuencia de operación del ventilador de 32 Hz. Las mediciones descritas se repiten en forma para dos condiciones de nivel de turbulencia a la entrada de la cascada, como se muestra en la
Tabla 3.3 Matriz experimental. Etapa experimental Tipo de pérdida asociada Velocidad media (m/s) Nivel de turbulencia (%) Observaciones 4.3 1 Forma 32.2 0.89
Perfiles de velocidad que conforman la capa límite. 4.3
2 Punta 32.2
0.89
Perfil de velocidad en el plano definido por la punta
del álabe. 4.3
3 Secundaria 32.2
0.89
Diferencial de presión en la zona donde se presenta el
flujo secundario.
El nivel de turbulencia usado como referencia para cada condición experimental se determinó en el punto medio de la sección de pruebas en una zona aguas arriba de la cascada. El valor del nivel de turbulencia de 4.3% corresponde a una condición del túnel de viento antes de la instalación de instrumentos reductores de fluctuaciones de velocidad, mientras que el valor de 0.89% corresponde a una condición después de instalar dichos instrumentos.
La reducción de las fluctuaciones de velocidad y consecuentemente del nivel de turbulencia en la sección de pruebas de un túnel de viento, se realiza mediante la instalación de panales y mallas o una combinación de ambos, en una zona corriente atrás de la contracción llamada cámara estabilizadora. Para obtener las dos condiciones experimentales, se obtuvo la relación del nivel de turbulencia de referencia con respecto a la condición del túnel de viento antes y después de instalar los elementos reductores de fluctuaciones, como se muestra en la tabla 3.4:
Tabla 3.4 Relación del nivel de turbulencia de referencia con el número de elementos reductores de fluctuaciones. Condición experimental Elementos reductores de fluctuaciones Nivel de Turbulencia de referencia (%)
3.2.1 Medición de perfiles de velocidad que conforman la capa límite sobre álabe.
Para obtener los perfiles de velocidad asociados a la capa límite sobre el álabe central se siguió la metodología mostrada en la figura 3.14:
Algunos de los puntos mostrados en la figura 3.14 se describen a detalle a continuación:
1. Revisión de la instalación experimental.- Se revisa que la entrada acampanada del túnel de viento y el ducto de entrada estén libres de polvo y suciedad y que las ventanas de acceso a la sección de pruebas estén cerradas y fijas.
2. Calibración de la sonda.- La sonda usada para medir perfiles de velocidad que conforman la capa límite es la sonda 55P15. El proceso de calibración se inicia con el montaje de la sonda en la unidad de flujo como lo muestra la figura 3.15:
Figura 3.15 Montaje de la sonda 55P15 para el proceso de calibración.
Posteriormente se inicializa el programa de adquisición de datos, bajo los parámetros especificados en la tabla 3.5:
Tabla 3.5 Parámetros para la calibración de la sonda 55P15. Parámetro Valor / Especificación Gabinete (CTA y Unidad de calibración) COM1
Sonda 55P15 (Capa límite)
Soporte para la sonda (Tipo de tornillo) 55H20
Cable 1864 BNC/BNC (4 metros) Tarjeta de adquisición de datos (modelo) CA-1000
Se verifica que la presión del suministro de aire hacia la unidad de flujo sea la adecuada, ya que dicho equipo requiere del suministro de aire a una presión de 8 bar para su correcto funcionamiento [18]. Se calibró la sonda 55P15 en 20 puntos. Con este proceso se cubrieron las velocidades esperadas en la medición de los perfiles de velocidad. De forma automática dentro del programa, se obtiene una línea de tendencia que se ajusta a un polinomio de cuarto orden, el cual relaciona la velocidad U, con la caída de tensión corregida Ecorren la sonda para los diferentes valores de velocidad. La diferencia entre la velocidad U y la velocidad corregida Ucorr, es el error de la calibración. En las figuras 3.16 y 3.17 se presentan las curvas de calibración de la sonda 55P15 y la distribución de errores respectivamente.
3. Montaje de la sonda en la sección de pruebas.- Una vez terminada la calibración de la sonda se monta en el brazo posicionador para realizar la medición en tiempo real de la velocidad promedio, en un plano corriente atrás de la cascada, como se muestra en la figura 3.18:
Figura 3.18 Medición de la velocidad de referencia.
4. Arranque del túnel de viento.- Se arranca el túnel del viento desde el tablero de control y usando el variador de frecuencia se trabaja alrededor de 32 Hz para obtener una velocidad promedio en el centro de la sección de pruebas, misma que se varía en tiempo real hasta obtener una velocidad de 32.2 m/s.
5. Posición de la sonda en el plano de medición.- Se coloca la sonda a la altura del plano meridional, es decir a 20 cm de la punta y de la raíz del álabe como se muestra en la figura 3.19. La medición se efectuó en el plano meridional ya que, de forma teórica, es en el plano donde se pueden despreciar los efectos de los fenómenos que se presentan en las regiones cercanas a la punta del álabe, a la raíz del álabe y a las paredes que delimitan la cascada de álabes [7].
6. Posición de la sonda en el punto de medición.- Con referencia a la división de la cuerda en 10 partes iguales, se definieron 9 puntos de medición sobre cada una de las superficies del álabe (succión y presión). El brazo posicionador debe estar orientado de forma perpendicular a la superficie en el punto de medición, de acuerdo al diagrama mostrado en la figura 3.20:
Figura 3.20 Orientación de la sonda para capa límite para cada punto de medición. Es necesario ajustar la orientación del brazo posicionador para cada punto de medición. En la figura 3.21 se muestra la orientación del brazo posicionador y del soporte de la sonda para el primer punto de medición sobre la superficie de presión:
De esta forma, los perfiles de velocidad asociados a la capa límite se obtuvieron sobre cada una de las dos superficies del álabe central (succión y presión). Cabe señalar que la medición en cada punto empieza a 2 mm de la superficie, para prevenir que la sonda se dañe al chocar con la superficie, como se muestra en la figura 3.22:
Figura 3.22 Primer punto de medición. Sonda a 2mm de la superficie de presión.
7. Captura de datos.- Es necesario especificar los valores de los parámetros referentes a la captura de datos mediante el software. La frecuencia de muestreo adecuada para el desarrollo de la etapa experimental es de 30 kHz y el tiempo de muestreo es de 30 s, por lo que se tendrá una muestra de 900 000 datos para cada medición puntual de velocidad que se realice.
Los pasos anteriores se realizaron para las dos condiciones de nivel de turbulencia que se muestran en la matriz experimental (tabla 3.3).
3.2.2 Medición del perfil de velocidad flujo adelante en el plano definido por la punta del álabe.
Para obtener el perfil de velocidad en el plano definido por la punta del álabe central se siguió la metodología mostrada en la figura 3.23:
Algunos de los puntos mostrados en la figura 3.23 se describen a detalle a continuación:
1. Revisión de la instalación experimental.- Se revisa que la entrada acampanada del túnel de viento y el ducto de entrada estén libres de polvo y suciedad y que las ventanas de acceso a la sección de pruebas estén cerradas y fijas.
2. Calibración de la sonda.- La sonda usada para medir perfiles de velocidad sin características especiales es la sonda 55P11. El proceso de calibración se inicia con el montaje de la sonda en la unidad de flujo como lo muestra la figura 3.24:
Figura 3.24 Montaje de la sonda 55P11 para el proceso de calibración.
Posteriormente se inicializa el programa de adquisición de datos, bajo los parámetros especificados en la tabla 3.6:
Tabla 3.6 Parámetros para la calibración de la sonda 55P11. Parámetro Valor / Especificación Gabinete (CTA y Unidad de calibración) COM1
Sonda 55P11 (Propósito general) Soporte para la sonda (Tipo de tornillo) 55H20
Cable 1864 BNC/BNC (4 metros) Tarjeta de adquisición de datos (modelo) CA-1000
Se verifica que la presión del suministro de aire hacia la unidad de flujo sea la adecuada, ya que dicho equipo requiere del suministro de aire a una presión de 8 bar para su correcto funcionamiento [18]. Se calibró la sonda 55P11 en 20 puntos. Con este proceso se cubrieron las velocidades esperadas en la medición de los perfiles de velocidad. De forma automática dentro del programa, se obtiene una línea de tendencia que se ajusta a un polinomio de cuarto orden, el cual relaciona la velocidad U, con la caída de tensión corregida Ecorren la sonda para los diferentes valores de velocidad. La diferencia entre la velocidad U y la velocidad corregida Ucorr, es el error de la calibración. En las figuras 3.25 y 3.26 se presentan las curvas de calibración de la sonda 55P11 y la distribución de errores respectivamente.
3. Montaje de la sonda en la sección de pruebas.- Una vez terminada la calibración de la sonda se monta en el brazo posicionador para realizar la medición en tiempo real de la velocidad promedio, en un plano corriente atrás de la cascada definido por la punta del álabe central, como se muestra en la figura 3.27:
Figura 3.27 Medición de la velocidad de referencia en el plano definido por la punta.
4. Arranque del túnel de viento.- Se arranca el túnel del viento desde el tablero de control y usando el variador de frecuencia se trabaja alrededor de 32 Hz para obtener una velocidad promedio en el centro de la sección de pruebas, misma que se varía en tiempo real hasta obtener una velocidad de 32.2.
5. Ajuste de la sonda en el plano aguas arriba de la cascada.- Una vez obtenida la velocidad de referencia se sitúa la sonda para realizar la medición del perfil de velocidad aguas arriba de la cascada en el plano definido por la punta del álabe central, como se muestra en las figuras 3.28 y 3.29:
Figura 3.29 Posición de la sonda de propósito general para obtener el perfil de velocidad aguas arriba de la cascada.
La distancia entre el plano definido por el punto de medición y el borde de ataque del álabe central es la equivalente a ¼ de la cuerda, tomando lecturas cada 1 cm hacia ambas direcciones, es decir, hacia la superficie de succión y hacia la superficie de presión hasta completar 10 lecturas para cada superficie, 20 en total, como se muestra en la figura 3.30:
6. Captura de datos para la zona aguas arriba.- Se obtiene el perfil de velocidad en la zona aguas arriba en el plano definido por la punta del álabe central. Es necesario especificar los valores de los parámetros referentes a la captura de datos mediante el software. La frecuencia de muestreo adecuada para el desarrollo de la etapa experimental es de 30 kHz y el tiempo de muestreo es de 30 s, por lo que se tendrá una muestra de 900 000 datos para cada medición puntual de velocidad que se realice.
7. Ajuste de la sonda en el plano aguas abajo de la cascada.- Se sitúa la sonda para realizar la medición del perfil de velocidad aguas abajo de la cascada en el plano definido por la punta del álabe central, como se muestra en la figura 3.31:
Figura 3.31 Posición de la sonda de propósito general para obtener el perfil de velocidad aguas abajo de la cascada.
La distancia entre el plano definido por el punto de medición y el borde de salida del álabe central es la equivalente a ¼ de la cuerda, tomando lecturas cada 1 cm hacia ambas direcciones, es decir, hacia la superficie de succión y hacia la superficie de presión hasta completar 10 lecturas para cada superficie, 20 en total, como se muestra en la figura 3.32:
Figura 3.32 Puntos de medición en el plano definido por la punta del álabe aguas abajo.
8. Captura de datos para la zona aguas abajo.- Se obtiene el perfil de velocidad en la zona aguas abajo en el plano definido por la punta del álabe central. Es necesario especificar los valores de los parámetros referentes a la captura de datos mediante el software. La frecuencia de muestreo adecuada para el desarrollo de la etapa experimental es de 30 kHz y el tiempo de muestreo es de 30 s, por lo que se tendrá una muestra de 900 000 datos para cada medición puntual de velocidad que se realice.
Los pasos anteriores se realizaron para las dos condiciones de nivel de turbulencia que se muestran en la matriz experimental (tabla 3.3).
3.2.3 Medición del diferencial de presión total en la zona de flujo secundario.
Para obtener el valor promedio del diferencial de presión total en la zona donde se presenta el flujo secundario en la cascada de álabes se siguió la metodología mostrada en la figura 3.33. El diferencial de presión total promedio se utilizó para calcular el
Figura 3.33 Metodología a seguir para obtener los valores de presión total en la zona donde se presenta el flujo secundario en la cascada de álabes.
Algunos de los puntos mostrados en la figura 3.33 se describen a detalle a continuación:
2. Revisión de la instalación experimental.- Se revisa que la entrada acampanada del túnel de viento y el ducto de entrada estén libres de polvo y suciedad y que las ventanas de acceso a la sección de pruebas estén cerradas y fijas.
3. Montaje del tubo de Pitot en la sección de pruebas.- Se monta el tubo de Pitot usando el brazo posicionador para realizar las mediciones de los valores diferenciales de presión total asociados al flujo secundario, tanto en el plano secundario aguas arriba como en el plano secundario aguas abajo, como se muestra en la figura 3.34:
Figura 3.34 Plano secundario de la cascada.
4. Arranque del túnel de viento.- Se arranca el túnel del viento desde el tablero de control y usando el variador de frecuencia se trabaja alrededor de 32 Hz para obtener una velocidad promedio en el centro de la sección de pruebas, misma que se varía en tiempo real hasta obtener una velocidad de 32.2.
5. Medición de los valores de presión total en el plano secundario.- En el plano secundario aguas arriba, se corroboró que el valor de la presión total es prácticamente el mismo debido a los aditamentos que reducen las fluctuaciones de velocidad en la sección de pruebas. Los valores de presión asociados al flujo secundario se obtuvieron en el plano definido como plano secundario aguas abajo, el cual se
Una vez encendido el ventilador se realizó la lectura de los datos de presión total en el manómetro inclinado, corroborando que la orientación del tubo de Pitot sea paralela al flujo en cada uno de los puntos descritos en la figura 3.35:
Figura 3.35 Puntos de toma de presión total en el plano secundario corriente atrás.
Los pasos anteriores se realizaron para las dos condiciones de nivel de turbulencia que se muestran en la matriz experimental (tabla 3.3).