5.2 Outlook
5.2.3 The cone model
El diseño de un compresor de flujo axial para una turbina de gas, demanda un reto por las decisiones que deben tomarse e interrelaciones presentes entre los parámetros que se consideran durante su diseño, como se ha mencionado.
La compresión de grandes volúmenes de aire es esencial para el buen funcionamiento de la turbina de gas, esto se ha logrado con dos tipos de compresores: el de flujo axial y el de flujo radial; por lo que los ingenieros dedicados al diseño ponen especial atención en el compresor.
Los compresores axiales, en relación a los compresores centrífugos son ampliamente utilizados en las turbinas de gas por su beneficio en términos de tamaño y peso [19], es esta una de las principales razones por la que muchas instituciones y compañías relacionadas con la manufactura y diseño de turbomaquinaria, emplean recursos humanos y tecnológicos en el desarrollo y conocimiento de estas [20].
Así entonces, las investigaciones previas realizadas en el LABINTHAP, en la rama de la turbomaquinaria, han dado como resultado varias propuestas novedosas
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y métodos de análisis en la determinación de aspectos fundamentales del diseño de compresores de flujo axial, por ejemplo:
En 1989 V. Zurita elaboró un estudio teórico para el cálculo de la distribución de las velocidades y presiones sobre la superficie de un álabe, para un compresor de flujo axial [21]. Dicho estudio, se llevó a cabo sobre un perfil de la serie NACA65-010. Utilizando el método de la transformación conforme, el cual tiene sus raíces en la rama de la matemática llamada variable compleja, se reveló la validez y eficacia de dicho método para el diseño y optimización de álabes de compresor de flujo axial.
En 1996 F. García presentó el desarrollo del diseño de un banco experimental para compresores de flujo axial de una etapa, el cual cumplía con las normas internacionales como la AMCA y la British Standard [22]. Dicho diseño permitiría la obtención en forma experimental del campo de flujo a través de compresores axiales, así como la distribución de presión en este tipo de equipos. El desarrollo del banco de pruebas haría posible la obtención de las curvas de comportamiento de compresores de flujo axial y la validación de diseños de álabes.
En 1997 E. Navarro realizó un análisis teórico-experimental de una cascada lineal de álabes de un compresor de flujo axial con un perfil NACA 65-010 para la obtención de pérdidas de presión total y la eficiencia de la cascada, él elabora una comparación con datos obtenidos en el Instituto de Turbomaquinaria de Hannover, Alemania y establece que las coincidencias encontradas son aceptables, por lo que
elabora un programa de computo denominado “Cascada”, el cual determina los
diferentes parámetros que describen el flujo en una cascada, así como los coeficientes de caída de presión de estancamiento y la eficiencia de la cascada [23].
Posteriormente S. Pérez desarrolla el diseño aerodinámico preliminar de un compresor de flujo axial de una etapa, su metodología fue dividida en dos partes; la primera, en la cual obtiene los parámetros aerodinámicos del rotor y estator calculando los triángulos de velocidades, y la segunda en la cual los resultados obtenidos durante la primera etapa, son empleados en la obtención de la geometría del álabe mediante tres métodos diferentes [24]. Observó que al utilizar un grado de reacción de 0.5 se presentaba un mayor margen de operación estable y establece
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Ing. Aldo Geovani Ortiz Andrade que con el diseño aerodinámico no se puede elaborar un diseño confiable de un compresor pues se requiere un diseño que considere los efectos radiales del flujo.
En 2005, R. Aguiñaga realiza el análisis del espaciamiento axial entre coronas de álabes de un compresor de flujo axial basando su estudio en consideraciones geométricas y aerotermodinámicas [25]. Considera el plano de transición entre la corona móvil y la corona fija de álabes, en el cual los valores de salida de la corona móvil se consideran iguales a los valores de entrada de la corona fija; bajo dicha consideración y utilizando únicamente valores de diseño aerotermodinámico de coronas de álabes, evalúa los parámetros que determinan la distancia física entre coronas.
Como resultado de su análisis obtiene la ecuación Aguiñaga-Toledo la cual determina la distancia axial utilizando factores propios del diseño de coronas de álabes, con dicho modelo matemático concluye que, el espaciamiento axial está influenciado por la velocidad axial, velocidad relativa a la salida de la corona, número de álabes y altura de álabes.
En 2007 D. Flores determina las características geométricas y aerodinámicas de un perfil aerodinámico sometido en flujo real incompresible mediante el desarrollo de la ecuación Flores-Toledo [26]. Las características geométricas y aerodinámicas son determinadas a partir de dicho modelo, el cual considera al flujo como ideal e incompresible, sin considerar los efectos que pueden generar la viscosidad y la compresibilidad del fluido. Al comparar los resultados obtenidos de su análisis con el software XFOIL, herramienta cuyo uso en el diseño y análisis de perfiles lleva casi ya 20 años, encuentra que existen variaciones de entre 2.15% y 0.55% con los datos obtenidos mediante el uso de dicho software.
Se observa que los requerimientos básicos del compresor axial son conocidos, en general ellos incluyen una alta eficiencia, alta capacidad de flujo por área frontal y una alta relación de compresión por paso. Es función entonces, de la metodología de diseño de compresores axiales, el proveer compresores que pueden complementar todos esos requerimientos. La metodología de diseño debe ser precisa para minimizar costos y tiempos en el desarrollo; sin embargo esta no debe ser
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complicada y debe ser sencilla tanto como sea posible, así como a su vez, completa y exacta.