Punto de medición Distancia [mm] Ancho [mm] 26 0 32.22 25 2 31.63 24 4 31.11 23 6 30.63 22 8 30.13 21 10 29.72 20 12 29.04 19 14 28.45 18 16 28.05 17 18 27.41 16 20 26.89 15 22 26.61 14 24 25.89 13 26 25.64 12 28 25.12 11 30 24.46 10 32 24.10 9 34 23.70 8 36 23.27 7 38 22.65 6 40 22.16 5 42 21.46 4 44 21.00 3 46 20.40 2 48 19.95 1 50 19.39 0 51 19.20 CANAL DE FLUJO BORDE DE SALIDA Punto de
medición Distancia [mm] Ancho [mm]
23 0 32.06 22 2 31.58 21 4 30.94 20 6 30.48 19 8 30.08 18 10 29.61 17 12 29.16 16 14 28.48 15 16 28.12 14 18 27.55 13 20 27.02 12 22 26.50 11 24 25.90 10 26 25.53 9 28 25.06 8 30 24.46 7 32 23.88 6 34 23.44 5 36 22.84 4 38 22.26 3 40 21.89 2 42 21.53 1 44 21.02 0 46 20.61
Figura 3. 5. Geometría del canal de flujo en la primera corona de álabes rotores.
Tabla 3. 1. Datos de la geometría de la primera corona de álabes rotores.
Diámetro externo: 258.00 mm
Diámetro interno mayor: 165.01 mm
Diámetro interno menor: 154.00 mm
Número de álabes: 25
Número de canales de flujo: 25
Espesor masa interna: 31.00 mm
Cuerda en la punta del álabe: 31.80 mm
Cuerda en la raíz del álabe: 32.80 mm
Cuerda axial del álabe: 20.0 mm
Diámetro máximo del álabe: 1.70 mm
Diámetro del borde de entrada: 0.30 mm
Diámetro del borde de salida: 0.31 mm
Posición del espesor máximo x
c: 0.50
La corona rotora de la segunda etapa de compresión tiene un diámetro exterior de 263.0 mm con un diámetro interior mayor y menor de 184.0 y 173.0 mm, respectivamente. El espesor de los álabes rotores en el borde de entrada y salida es de 0.52 y 0.68 mm, respectivamente. La longitud de cuerda del álabe es 30.30 mm y la longitud de cuerda axial es 21.40 mm. El álabe rotor de está corona tiene en la punta una inclinación de 40° con respecto al eje axial. La figura 3. 6 muestra el espesor a lo largo del perfil en la punta del álabe; en donde, se observa que el diámetro mayor esta ubicado en la parte central. Las mediciones del espesor en cada punto se realizan a 2 mm de separación entre ellos.
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En la figura 3. 7 se observa la geometría del canal de flujo en el borde de entrada y borde de salida de la segunda corona de álabes rotores. Las mediciones se realizan a lo largo de los álabes a cada 2 milímetros de distancia una de otra. La tabla 3. 2 muestra los datos que se obtuvieron de la segunda corona de álabes rotores.
Tabla 3. 2. Datos de la geometría de la segunda corona de álabes rotores.
Diámetro externo: 263.00 mm
Diámetro interno mayor: 184.00 mm
Diámetro interno menor: 173.00 mm
Número de álabes: 31
Número de canales de flujo: 31
Espesor masa interna: 30.00 mm
Cuerda en la punta del álabe: 30.30 mm
Cuerda en la raíz del álabe: 31.07 mm
Cuerda axial del álabe: 21.40 mm
Diámetro máximo del álabe: 2.20 mm
Diámetro del borde de entrada: 0.48 mm
Diámetro del borde de salida: 0.49 mm
Posición del espesor máximo x
c: 0.50
CANAL DE FLUJO BORDE DE ENTRADA
Punto de
medición Distancia [mm] Ancho [mm]
17 0 21.93 16 2 21.53 15 4 21.13 14 6 20.73 13 8 20.34 12 10 19.94 11 12 19.54 10 14 19.15 9 16 18.75 8 18 18.35 7 20 17.95 6 22 17.60 5 24 17.16 4 26 16.76 3 28 16.36 2 30 15.97 1 32 15.57 0 34 15.17 CANAL DE FLUJO BORDE DE SALIDA Punto de
medición Distancia [mm] Ancho [mm]
18 0 21.67 17 2 21.33 16 4 20.99 15 6 20.66 14 8 20.32 13 10 19.98 12 12 19.65 11 14 19.31 10 16 18.97 9 18 18.63 8 20 18.29 7 22 17.95 6 24 17.62 5 26 17.28 4 28 16.94 3 30 16.60 2 32 16.27 1 34 15.93 0 35 15.76
3. 3. Geometría de los álabes estatores
En el anexo B se muestra la geometría de los álabes estatores utilizados en el compresor de flujo axial. La figura 3. 8 muestra los álabes utilizados en la corona de álabes guía a la entrada y en la primera etapa de compresión, respectivamente.
La figura 3. 9 muestra los cuatro canales de flujo creados por los álabes de las coronas estatoras a través del interior del compresor. Los canales de flujo laterales permiten realizar las mediciones del flujo en los canales centrales debido a la disminución de las perturbaciones del flujo originadas en los álabes localizados en los extremos de las coronas estatoras.
Figura 3. 8. Álabes estatores del compresor: a) de la corona guía a la entrada, b) de la primera etapa de compresión.
(b) (a)
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3. 4. Componentes del compresor 3. 4. 1. Flecha del compresor
La flecha del compresor se muestra en la figura 3. 10; la manufactura de la flecha fue realizada en acero al carbono (cold rooled) grado 1018 (está entre los grados más comúnmente disponibles). La aplicación más común es en ejes, pernos, pines, barras y engranajes; éste material puede ser endurecido hasta Rc 42. En el anexo A se presentan las dimensiones de la flecha. Ésta tiene los diámetros de acoplamiento necesarios para el montaje de las coronas de álabes rotores, con cuña de 1/4 plg (6.35mm) para la sujeción de las mismas. En los extremos se colocan rodamientos (chumaceras) donde descansa y gira la flecha, esto también ayuda ha evitar corrimientos axiales y radiales. Al final de la construcción de la flecha se observa que no presenta desbalance de masa que afecte en el funcionamiento normal del compresor.
3. 4. 2. Carcasa del compresor
La carcasa del compresor axial mostrada en la figura 3. 11 se construye con material plástico con la finalidad de disminuir la rugosidad en su superficie disminuyendo la fricción del flujo de aire. De igual manera, el material de construcción de la carcasa permite la visualización interna del flujo que circula o fluye a través del compresor. La carcasa tiene un diámetro de 266.88 mm con una longitud de 255 mm soportada con un armazón metálico construido con varilla roscada de 0.235 plg (5.97 mm) de espesor.
3. 4. 3. Mecanismo de álabes estatores variables
El diseño del mecanismo de álabes estatores variables se fabrica a partir del conocimiento teórico y empírico, dadas las limitantes existentes en la ESIME-U. Zacatenco. La complejidad mecánica del mecanismo de álabes estatores variables permite un movimiento de rotación libre de los álabes de las coronas estatoras sobre el eje radial en cada sección del mecanismo.
En la posición de diseño los álabes estatores se encuentran alineados a 0° con respecto de la dirección axial. Los álabes estatores guía a la entrada en el compresor de la instalación experimental cambian de posición angular de -20° en la posición de cerrado a +30° en la posición de abierto, teniendo un rango de 50° de rotación. Por otra parte, los álabes estatores variables de la primera etapa de compresión se mantienen en la posición angular de 0° con respecto del eje axial. Las pruebas en el banco experimental se realizaron a once posiciones angulares de los álabes estatores guía a la entrada. La prueba se nombra “AXIAL” y se le proporciona una denominación a cada registro mostrado en la tabla 3. 3.
Tabla 3. 3. Denominación de las posiciones angulares en los IGV’s.
Prueba
Posición angular de los álabes estatores guía a la entrada
[grados] AXIAL-A 0 AXIAL-B 5 AXIAL-C 10 AXIAL-D 15 AXIAL-E 20 AXIAL-F 25 AXIAL-G 30 AXIAL-H -5 AXIAL-I -10 AXIAL-J -15 AXIAL-K -20
Las figuras 3. 12 y 3. 13 muestran las partes que componen el mecanismo de álabes variables, como se presentan a continuación:
1. Perilla de desplazamiento axial
2. Carro de desplazamiento axial de los IGV’s
3. Carro de desplazamiento axial de los álabes estatores variables de la primera etapa de compresión
4. Sistema de desplazamiento radial
5. Corona de álabes estatores guía a la entrada
6. Corona de álabes estatores variables de la primera etapa de compresión 7. Arco soporte de los álabes estatores
8. Tornillo de ajuste de la posición angular 9. Brazo de movimiento angular
10.Disco indicador de la posición angular de los álabes estatores 11.Brazos actuadores
12.Arco actuador
El mecanismo tiene un diseño mecánico complejo realizado por el autor de este trabajo y con la guía del director de la tesis, debido a que debe permitir un movimiento sofisticado de las partes que lo componen. El desplazamiento axial de los álabes estatores se consigue con el movimiento de los carros de desplazamiento “ 2 y 3 ”, en donde están montados los arcos soporte “ 7 ” que contienen a los álabes de los IGV’s “ 5 ” y de la primera etapa de compresión “ 6 ”, los cuales son movidos por medio del accionamiento de la perilla de desplazamiento localizada en la parte frontal del mecanismo principal “ 1 ”; obteniéndose así, el espaciamiento axial entre los álabes rotores y estatores. El material de manufactura de los carros es madera y se desplazan en rieles cilíndricos de metal. La perilla se fabrica con naylamid y las partes del mecanismo se unen con pernos.
El sistema de desplazamiento radial “ 4 ” permite controlar el espaciamiento del claro que existe entre la punta de los álabes de los IGV’s y de la primera etapa de compresión con respecto de la masa interna.
La posición angular de los álabes de la corona de los IGV’s cambia por medio del brazo de movimiento angular “ 9 ” fijando la posición con el tornillo de ajuste “ 8 ”; la posición se puede leer debido a que el mecanismo tiene un disco “ 10 ” que indica los grados de rotación con respecto del eje axial. Los álabes tienen la disponibilidad de rotar sobre la posición radial por medio de los tornillos pivote “ 13 ” que están sujetos a los brazos actuadores “ 11 ”. El conjunto de los brazos actuadores van unidos al arco actuador “ 12 ” para habilitar la sincronía en la rotación de los álabes estatores de la corona de los IGV’s.
Figura 3. 12. Mecanismo de álabes variables (sistema de desplazamiento axial-radial). 2 1 3 Carcasa del compresor 4 5 6
La corona de IGV’s se diseño de acuerdo a la teoría de que en ésta no existe incremento de presión debido a la desaceleración del flujo, sino que ésta sólo funciona en el redireccionamiento de las líneas de flujo. En el trabajo presentado por Rodríguez [29] muestra las características de un compresor de flujo axial, de donde se toma la idea de diseñar la corona de álabes estatores guía a la entrada y álabes estatores variables respecto al número de álabes de las coronas rotoras. Se considera que el área de la sección transversal en la corona de IGV’s permanece constante respecto de la corona rotora de la primera etapa de compresión; por lo que, la distribución circunferencial de los álabes de la corona de IGV’s se diseña con 25 álabes estatores igual a la cantidad de álabes en la primera corona rotora y los álabes estatores variables en la primera etapa de compresión se diseñan con la distribución circunferencial de 28 álabes estatores; 3 álabes adicionales modificando de está manera el área de la sección trasversal (figura 3. 14).
Figura 3. 14. Distribución circunferencial de los álabes en las coronas estatoras; a) IGV’s, b) primera etapa de compresión.
(a) (b)
Figura 3. 13. Mecanismo de álabes variables (sistema de posicionamiento angular). 8 9 7 11 10 13 12
Por razones que limitan al trabajo, la construcción de la corona de los IGV’s y de la primera etapa de compresión se realiza con 5 álabes estatores formando un semi-arco en la periferia de la circunferencia de la carcasa; con esto se tiene la restricción de que la dirección del flujo sólo puede ser optimizada en una locación radial o sección de pruebas localizada en la parte central superior en el compresor.
3. 4. 4. Sección estabilizadora de flujo
Una de las características más importantes en un compresor de flujo axial es la utilización de la sección estabilizadora de flujo a la entrada del compresor. Ésta debe tener la función de disminuir las inestabilidades del flujo de aire antes de tocar la corona de los IGV’s; es decir, las líneas de corriente del flujo de aire se alinean antes de entrar a las etapas de compresión evitando la operación deficiente y la baja eficiencia en el compresor.
En la Figura 3. 15 se muestra el estabilizador de flujo utilizado para disminuir las inestabilidades producidas por la succión del compresor; éste consiste en una nariz cóncava con la superficie lisa para evitar los problemas que se le podrían producir al flujo debido a la rugosidad del material. En el anexo A se muestran las dimensiones del estabilizador de flujo o cono de succión de flujo.
3. 5. Instrumento de medición
La figura 3. 17 muestra el instrumento de medición utilizado para dimensionar la geometría externa de los álabes del compresor; el instrumento se conoce como pie de rey o vernier. Este instrumento cuenta con un sistema electrónico que registra la medición exacta y la visualiza en una pantalla integrada al mismo.
El vernier puede registrar lecturas en el sistema métrico e inglés; y cuenta con una exactitud de centésimas en el sistema métrico y de milésimas en el sistema inglés.
En la figura 3. 18 se muestran las puntas metálicas en forma de “L” fabricadas para dotar al instrumento con una mejor precisión; ya que el registro de las dimensiones de la geometría externa de los álabes con este instrumento se dificulta debido a las características propias del instrumento; no permite una medición exacta en los puntos finos de los álabes.
Los álabes se entintan sobre la superficie de presión y sobre el perfil, dividiendo al área en secciones iguales a 2 mm de distancia entre puntos de medición para el registro del espesor (como se muestra en la figura 3. 19 y en el anexo B).
Figura 3. 17. Puntas metálicas adaptadas al instrumento de medición para la toma de espesores en los álabes.
3. 6. Sonda prismática de tres perforaciones
La utilización de instrumentos de medición como la sonda prismática de tres perforaciones, permite comprender el comportamiento del flujo que circula a través de los canales de flujo y determinar los puntos de presión a lo largo de toda el área efectiva del compresor. Con las mediciones de presión se obtiene el desarrollo de la velocidad a lo largo de los álabes, y se pueden determinar los triángulos de velocidades a la entrada y salida de cada corona de álabes. El alcance de este trabajo es analizar el incremento de presión a la salida del compresor a lo largo de la sección transversal.
La sonda de medición es un instrumento útil en las instalaciones experimentales en la medición de presión en compresores y ventiladores; así como en túneles de viento. En la figura 3.20 se muestra la sonda de medición de tres perforaciones, la cual consiste de un tubo delgado en forma de “L” con tres orificios concéntricos en la punta. El orificio ubicado en la parte central de la punta registra la presión de estancamiento o total en la locación posicionada sobre la dirección del flujo. Los orificios ubicados a los costados o parte externa de la punta tienen la función de direccionar linealmente la punta de la sonda al flujo y de registrar la presión estática en la locación. En el anexo A se muestra en detalle las dimensiones de la sonda.
La sonda de medición se conecta a manómetros de tubo inclinado, en donde se mide la presión estática y total del flujo. Esto permite conocer la presión total en diferentes locaciones a la salida del compresor.
Figura 3. 18. Álabes entintados para el dimensionamiento de la geometría externa.
La sonda de medición se sostiene por un soporte de sonda instalado independiente del banco experimental para evitar errores en la medición producidos por la vibración de la sonda (ver figura 3. 21). El soporte de sonda sostiene a la sonda en posición normal al eje de rotación permitiendo fácil manejo al realizar los registros del flujo en cualquier locación a la salida del compresor. Las dimensiones de la sonda prismática se muestran en el anexo A.
Figura 3. 20. Soporte de sonda de medición.
Sonda de Medición
Soporte de Sonda de Medición Base del Soporte de
Sonda de medición
Figura 3. 19. Sonda prismática de tres perforaciones. Vista lateral
3. 7. Manómetro de tubo inclinado
Los manómetros de tubo inclinado son micromanómetros de líquido, que se utilizan para medir pequeñas presiones o diferencias de presión, como en este caso en la medición de presiones estáticas y dinámicas con sondas prismáticas.
La figura 3. 22 muestra el manómetro de nivel y las partes que lo componen se describen a continuación:
• Manómetro. Este instrumento consta de uno o dos manómetros en forma de tubos cilíndricos
con escalas en kPa. El valor que se registra en el manómetro se multiplica por el factor de inclinación del mismo para obtener la lectura real de medición.
• Perillas niveladoras. Se utilizan para nivelar el manómetro respecto a la superficie de
trabajo.
• Nivel. Mirillas de vidrio donde se visualiza el nivel al que se encuentra el manómetro
respecto a la superficie de trabajo.
• Líquido de lectura. Sustancia de color rojo alojada en el interior del tubo de vidrio; éste se
desplaza con el cambio de presión.
• Perilla de ajuste del líquido de lectura. Esta perilla tiene la función de colocar en la posición
cero el nivel del líquido de medición.
• Tomas de presión. Son las boquillas donde se conectan las mangueras de la presión total y
3. 8. Estación meteorológica
En la figura 3. 23 se muestra la estación meteorológica instalada en el LABINTHAP para la determinación de las condiciones ambientales. En este dispositivo se obtiene el registro de la variación de la temperatura y la presión atmosférica en la localidad durante el tiempo de las pruebas. Las pruebas se realizaron en condiciones arriba del nivel del mar a 2241m con una presión atmosférica de 0.781 bar (782 kPa). Con los valores promedio de presión y temperatura se calcula la densidad promedio del aire dentro del laboratorio con la ecuación de estado:
atm amb p R T ρ = (3. 1)