El diseño y cálculo de etapas de turbomáquinas axiales son normalmente llevados a cabo mediante técnicas y metodologías propias de los fabricantes de estos equipos, esto incluye también los respectivos análisis experimentales en cascadas de álabes en túneles de viento. Uno de los aspectos particulares en el diseño o cálculo de etapas es el que plantea la separación
adecuada o más favorable entre coronas de álabes (recordando que una etapa de turbomáquina axial incluye por lo general, una corona móvil y una fija, aunque existen casos en los que la etapa consiste en una sola corona), ya que este aspecto ha tenido gran relevancia en los nuevos diseños de turbomáquinas axiales.
La importancia de los compresores axiales en las turbinas de gas aeroderivadas esta demostrada por el hecho de que la longitud del conjunto compresor-cámara de combustión-turbina, el 50-60% es la longitud del compresor, reducir o ampliar estas longitudes tiene un impacto en el costo de manufactura de hasta un 40% del total de la turbomáquina. La mayoría de los análisis aerodinámicos esta basado en la suposición que las coronas rotoras y estatoras están separadas lo suficiente para que el flujo permanezca estacionario. De cualquier manera, la tendencia a incrementar la carga aerodinámica y disminuir el tamaño y peso del compresor, exige que la condición de flujo no estacionario por efectos de interacción deba estudiarse, este efecto también es conocido como interacción potencial entre coronas de álabes, o interacción onda-álabe.
La condición de flujo no estacionario puede deberse a varios factores, como por ejemplo vórtices en la punta del álabe, fluctuación en la turbulencia y flujos secundarios en general. Por otro lado, los efectos del flujo no estacionario en estudios recientes indican que estos efectos dependen de la onda generada por el perfil (álabe) aguas arriba (anterior), por la carga del álabe, el espaciamiento axial entre coronas de álabes, por la relación entre número de álabes en la corona móvil y fija, la geometría o perfil del álabe estator y rotor, el número de Mach, el número de Reynolds, flujo libre de vórtices, capa límite en las paredes, etc.
En estudios recientes se han desarrollado técnicas para predecir las condiciones de flujo, muchas de ellas con estudios computacionales a través de métodos numéricos, algunos otros han utilizado programas computacionales comerciales, por ejemplo FLUENT©, ello ha logrado reducir el tiempo de obtención de datos.
La optimización del espaciamiento axial entre coronas de álabes en compresores de alta carga es esencial para evitar un mal comportamiento debido a la interacción rotor/estator. En el estudio realizado se consideraron cuatro condiciones de separación o distancia axial, de 20 a 50% de la cuerda axial del álabe en intervalos de 10%. La relación de compresión, el flujo másico y la velocidad de giro permanecieron constantes. Se utilizó un coeficiente de presión definido por la siguiente ecuación.
( )
2 2 1 u p p C entrada entrada p ⋅ − =ρ
(1.2)El tiempo promedio de distribuciones del coeficiente de presión muestra que las variaciones de presión se presentan en el borde del perfil de la corona fija. Esta fluctuación es mayor en la corona fija que en la corona móvil, presentándose en la zona de presión del álabe estator cercano a al borde de salida; para el álabe estator la fluctuación máxima se encuentra en la superficie de succión muy cercano al borde de entrada.
Cuando el espaciamiento axial se incrementó desde 20% a 30% de la longitud de la cuerda del álabe, la fluctuación máxima del coeficiente de presión se redujo en 38% en el estator y 55% en el rotor. En el siguiente caso, de 30 a 40%, existe una reducción adicional en la fluctuación de la presión de 43% en el estator y 27% en el rotor. Para la condición de 50% de cuerda de espaciamiento, la tendencia en la variación se mantuvo, para el estator la fluctuación de presión fue de 48% y 12% para el rotor.
Tabla 1.2 Variación máxima de fluctuaciones del coeficiente de presión para diferentes condiciones de
espaciamiento axial.
Fluctuación máxima del Coeficiente de presión % Cuerda en
distancia axial
Estator % reducción Rotor % reducción
20 0.61 0.49
30 0.37 0.38 0.23 0.55
40 0.21 0.43 0.16 0.27
50 0.11 0.48 0.14 0.13
Los valores absolutos de fluctuación en los coeficientes máximos son mostrados en la Tabla 1.2. El efecto neto de reducir el espaciamiento axial de 20% de la cuerda al 50% es que la fluctuación de presión se reduce en 82% y 71% en estator y rotor respectivamente.
Cuando se incrementa el espaciamiento axial de 20 a 50% de longitud de cuerda, la fluctuación en la presión cae más rápido en el álabe estator que en el álabe rotor; para un espaciamiento axial grande, la fluctuación de la presión es mayor en el rotor que en el estator.
Las fluctuaciones de presión no estacionarias son confinadas a pequeños espacios cercanos al borde de salida del álabe estator, pero en el rotor se presenta a todo lo largo del álabe; sin embargo, las fluctuaciones de presión máxima ocurren en el lado de presión del álabe estator, contrario a lo que sucede en el álabe rotor, donde la fluctuación máxima se presenta en el lado de succión, en la zona cercana al borde de entrada.
1.6.2. Interacciones Estator/Rotor en un compresor transónico: Parte 1: Efecto del