Compresores axilares

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UNIDAD 4 Compresores axiales. Teoría alar. Efectos viscosos. Pérdidas. Performance 1. Introducción Los compresores axiales tienen ciertas ventajas y desventajas con respecto a los compresores centrífugos. Entre las ventajas se pueden citar menor área frontal (importante para usos aeronáuticos) y mayores relaciones de compresión y eficiencias, aunque estas últimas ventajas no son tan grandes si seconsideran compresores centrífugos de varias etapas y de diseño moderno. Las principales desventajas del compresor axial son su costo y su relativamente menor robustez, dada la fragilidad de los álabes (comparando con el rotor centrífugo de una sola pieza). El compresor axial consiste en un rotor de forma cilíndrica que gira dentro de una carcasa o estator. El fluído de trabajo circula por elespacio anular entre el rotor y el estator, pasando por hileras de álabes fijos y móviles (Figura 4.1)

Figura 4.1: Compresor axial (Kováts) El rotor está generalmente compuesto de discos en cuyas periferias se montan los álabes móviles (Figura 4.2):

Figura 4.2: Rotor de compresor axial típico (P&WA) Los álabes, tanto fijos como móviles, de los compresores axiales, son en su mayoría del tipo dereacción. Por lo tanto, se estudian y diseñan en base a la teoría de perfiles alares de la aerodinámica, por lo que se presenta una breve reseña de la misma.

2. Teoría alar 2.1 General El ala de un avión, y los álabes de las turbomáquinas axiales de reacción, presentan una sección característica denominada sección o perfil alar. Existen un gran número de formas para estas secciones, paraaplicaciones específicas, cuyas características geométricas y fluidomecánicas se encuentran en varios textos, manuales e informes de ensayo.

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2.2 Perfiles alares La Figura 4.3 indica los parámetros que definen a un perfil alar:

Figura 4.3: Perfil alar, nomenclatura (Gannio) El perfil presenta al flujo un borde de ataque redondeado y uno de salida agudo. Las caras convexa y cóncava definen elespesor del perfil y su línea media. La distancia entre las intersecciones de la línea media con el perfil definen la cuerda t. El largo del álabe (envergadura del ala) es b. 2.3 Teoría del ala Cuando este perfil enfrenta una corriente de velocidad C formando un ángulo se genera sobre el perfil una fuerza que puede descomponerse en dos componentes, una perpendicular y otra paralela a la direccióndel flujo libre. Estas fuerzas se denominan sustentación y resistencia al avance. La aparición de la sustentación puede explicarse en fluídos ideales por medios puramente matemáticos mediante la teoría de la circulación, mientras que la resistencia al avance es debida a la viscosidad del fluído y no aparece si se consideran fluídos ideales. Existe un ángulo de ataque −α1 tal que la sustentacióndesaparece (ángulo de sustentación nula) pero la resistencia al avance en fluídos reales nunca se anula totalmente. 2.3.1 Circulación En el estudio de flujos potenciales se trata el caso de un cilindro rotante inmerso en un flujo potencial y se encuentra que se genera una fuerza perpendicular a la dirección del flujo (efecto Magnus). El valor de esta fuerza L está dado por: L = ρ cΓ , donde Γ es laCirculación, dada por la integral de superficie de la velocidad tangencial del flujo sobre la periferia del cilindro. Este caso del cilindro con circulación puede transformarse mediante una transformación conforme en otra forma geométrica, muy similar a un perfil alar que forma un ángulo α∗ con el flujo. Este es el llamado teorema de Kutta-Joukovsky, y en él se demuestra que la circulación en elplano transformado se puede calcular como:

Γ = π C t senα * ,
por unidad de longitud de envergadura. 2.3.2 Sustentación y resistencia al avance La teoría de la circulación nos permite obtener una primera aproximación al valor de la sustentación. 2 Si la presión dinámica del flujo es 1 ρ C y la superficie sobre la que actúa L es b.t, definimos el 2 coeficiente de sustentación CL como:

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