Quantitative methodologies for measuring resilience in transport

El túnel de viento que se emplea está ubicado en el LABINTHAP y una descripción amplia de las características se encuentra en la referencia [25]. La sección de pruebas consta de un módulo de 0.80 m x 0.87 m x 0.60 m. De tal forma, que en la cascada de álabes la dirección axial está dada por la coordenada X; la dirección tangencial está dada por la coordenada Y; y la dirección radial o la altura del álabe está dada por la coordenada Z, y se ubica en el túnel de viento como se muestra en la Figura 3.1.

Fig. 3.1 Módulo de cascada de álabes

En la pared inferior del módulo de la cascada de álabes, el acrílico se divide en dos partes: una sección circular para el giro de la cascada, que cuenta con 5 orificios, y cuyos centros indican el paso entre álabes, y en donde entra la base giratoria del álabe; y la otra sección donde se coloca la sección circular y que conforma la base rectangular del módulo, como se muestra en la Figura 3.2. Las paredes laterales cuentan con ranuras o ventanas de acceso a la altura de la punta del álabe, esto es para introducir la sonda de hilo caliente. De igual forma, la pared superior cuenta con una ranura para que se conecten al exterior las mangueras de medición de presión estática.

Fig. 3.2 Pared inferior del módulo.

Para lograr los diferentes espaciamientos en la punta del álabe, el módulo cuenta con una pared intermedia de acrílico, cuyas características y dimensiones se muestran en la Figura 3.3.

Fig. 3.3 Pared intermedia con orificios para mediciones de presión estática.

La pared intermedia tiene 121 orificios para la medición de presión estática, dispuestos en un arreglo de 11 x 11. El borde de entrada de la pared intermedia tiene una cuña para disminuir la capa límite en la zona de espaciamiento, la cual tiene una relación de 1:3 con respecto al espesor de la placa de acrílico. El detalle de la cuña se muestra en la Figura 3.3.

3.1.1 Descripción de los álabes y cascada de álabes

Para la cascada de álabes se seleccionó un perfil de un álabe de compresor axial para turbina de gas marca Ruston TB5000. Las coordenadas del álabe se obtuvieron de forma digital, debido a que con el digitalizador tridimensional el proceso es más rápido y con una resolución de 0.01 mm. Teniendo las coordenadas de todo el álabe, se escogió el perfil de la altura media del álabe. Posteriormente se determinaron las dimensiones del álabe para la experimentación, tomando en cuenta las dimensiones del túnel de viento y teniendo en cuenta las relaciones de cascadas de álabes de compresor axial. Las dimensiones del álabe se muestran en la Tabla 3.1 y las características de la cascada se muestran en la Tabla 3.2.

Tabla 3.1 Características del álabe.

Ángulo de entrada del álabe α1 = 42.33°

Ángulo de salida del álabe α2 = 12.33º

Longitud de la cuerda c = 29 mm

Longitud del álabe L = 86 mm

Espesor máximo del álabe emax = 16 mm

Tabla 3.2 Características de cascada experimental.

Factor de escala 6.93

Longitud de la cuerda c = 200 mm

Longitud del álabe L = 400 mm

Paso entre álabes S = 166

Solidez c/S = 1.2

Ángulo de entrada del flujo 29.44° Ángulo de incidencia 0.14°

∞

U 32.2 m/s

Para el maquinado del álabe las coordenadas se pasaron al programa de CAD/CAM Mastercam® V9.0, para maquinarlo en la máquina de CNC marca Haas modelo VF-2, ubicada en UPIITA IPN. El álabe se maquinó de aluminio teniendo una duración de 8 horas de maquinado para cada álabe. Cada álabe cuenta con una raíz para sujetarlo a una base giratoria. La base giratoria se colocó sobre una mesa rectangular de aluminio, de forma que los álabes estén alineados y la cascada tenga el movimiento angular. Un esquema de las bases se muestra en la Figura 3.4.

Fig. 3.4 Álabe y bases giratorias.

3.2 INSTRUMENTACIÓN

3.2.1 Anemómetro de hilo caliente

Para determinar los perfiles de velocidad se utilizó el anemómetro de hilo caliente o anemómetro de temperatura constante (CTA por sus siglas en inglés). La anemometría es una técnica de medición puntual, adecuada para flujos con fluctuaciones muy rápidas, ya sea en 1, 2 o 3 dimensiones [26].

El principio de funcionamiento se basa en el efecto de enfriamiento por convección de un flujo en un cuerpo calentado, en este caso, una resistencia. El anemómetro utilizado es marca Dantec modelo 90C10. El sistema general consiste de un gabinete con 3 módulos de CTA, el gabinete para el sistema de calibración y una computadora con una tarjeta de adquisición de datos. La computadora se conecta al gabinete por medio de un puerto serial, mientras que las señales de salida de los módulos de CTA, las cuales son análogas, las recibe la computadora por medio de la tarjeta de adquisición de datos.

Además, la computadora cuenta con un programa para configurar y calibrar las sondas de hilo caliente, y para adquirir y reducir el número de datos [27]. Además cuenta con el sistema posicionador con su controlador.

3.2.2 Sistema de calibración

El sistema de calibración tipo 90H01/H02 se utiliza para calibrar las sondas para aire, desde un intervalo de velocidad de 0.5 m/s hasta 60 m/s (Figura 3.5).

Fig. 3.5 Unidad de flujo para calibración.

La unidad de calibración se opera desde el programa de aplicación de la computadora. Consiste de un módulo de control de calibración, que está en el gabinete de CTA y una unidad separada de flujo. La unidad de flujo contiene un juego de válvulas, transductores de presión y temperatura, y una cámara estabilizadora con una salida de toberas intercambiables. Opera con aire comprimido, de forma que la unidad crea un chorro libre, con una turbulencia menor a 0.2%, donde la sonda se coloca durante la calibración.

3.2.3 Sonda de hilo caliente

Para este caso se utilizó una sonda de propósito general 55P11, con la cual se midió la velocidad corriente abajo y mediante el programa del anemómetro de hilo caliente se calculó la turbulencia. Las características principales de la sonda son:

• Respuesta rápida. Se pueden medir fluctuaciones de arriba de 100 kHz.

• Resolución espacial alta. Puede resolver ondas Eddies debajo de unas centésimas de milímetro.

• Intervalo dinámico alto. Puede medir velocidades de unos cuantos cm/s hasta varias centenas de m/s.

• Señal continua.

• Poca perturbación de flujo, debido a las dimensiones pequeñas del sensor. En general, la sonda consiste de: un sensor, que forma el elemento de convección; soporte del sensor, que carga el sensor; cuerpo de la sonda, que carga los soportes del sensor; y un conector, para la conexión eléctrica al soporte del sensor. Las principales características del sensor se muestran en la Tabla 3.2 y en la Figura 3.6.

Tabla 3.3 Características del sensor.

Medio de trabajo Aire

Material Tungsteno Plateado - Platino

Resistencia R20 (aprox.) 3.5 Ω

Temperatura máxima 300°C

Temperatura ambiente máxima 150°C

Presión ambiente máxima Dependiendo del montaje

Velocidad mínima 0.05 m/s

Velocidad máxima 500 m/s

3.2.4 Sistema posicionador

Para el mapeo del campo de velocidades se utilizó el sistema posicionador marca

Dantec modelo 41T50. El sistema puede medir en 3 ejes, en un intervalo para

x = 0.590 m, y = 0.590 m y z = 0.690 m, con una resolución de 12.5 mm en x y y, y de 6.25 mm en z. Este sistema cuenta con un controlador operado con el programa de aplicación, de forma que actúa conjuntamente con el CTA. El sistema consiste de una estructura rígida con motores de paso para cada eje.

3.2.5 Tubo de Pitot y manómetros

El tubo estático de Pitot se utilizó para medir la presión de referencia corriente arriba de la cascada. El tubo tipo “L” de 8 mm de diámetro, marca AIRFLOW, tiene una punta elipsoidal con un orificio para medir presión total y 7 agujeros a 25 mm de distancia de la punta para medir presión estática. Este tubo se conectó a dos manómetros inclinados marca AIRFLOW Tipo 4. Para medir la presión total se utilizó el manómetro con escala de 0 a 2.5 kPa, y para medir la presión estática se utilizó el manómetro con escala de 0 a 5.0 kPa.

Como se mencionó en la sección 3.1, se utilizó una pared intermedia con orificios para medir presión estática. Los orificios en el acrílico fueron de 1.75 mm, a estos se les colocaron tubos de latón de 1.5875 mm de diámetro exterior y 0.8763 mm de diámetro interior, de forma que los tubos quedaron a nivel y perpendiculares a la pared. A los tubos se le conectaron mangueras de plástico, y posteriormente las mangueras se conectaron a un manómetro múltiple con 121 tubos en “I”, manufacturado para el propósito de esta tesis. El manómetro tiene una escala de 0 a 250 mm de columna de agua, y tiene las 121 tomas de presión conectadas a un depósito de agua a presión atmosférica, de forma que la lectura sea completa de todas las tomas de presión estática colocadas en la pared.

3.2.6 Barómetro y termómetro

Para conocer la presión atmosférica se utilizó un barómetro marca THOMMEN, con una escala de 590 a 1040 mbar, y una resolución de 1 mbar. También para conocer la temperatura ambiente se utilizó un termómetro digital marca HANNA, con escala de 0 °C a 60 °C y resolución de 0.01 °C.