Ensayo de Turbomaquinas 6-10

ENSAYOS DE TURBOMAQUINAS 2013 LABORATORIO N°6 BANCO DE PRUEBAS Y SISTEMA MEDIDOR DEL COMPRESOR CENTRIFUGO 1. Objetivos Probar y comprobar la eficiencia del compresor centrífugo haciendo variar las posiciones de la mariposa de estrangulación, mantenimiento la frecuencia de rotación constante y para 3 frecuencias distintas.

2. Fundamento Teórico La compresión de los gases, específicamente del aire, es un proceso industrial muy frecuente. Si los caudales del aire o gas son relativamente elevados, y las presiones no excesivas, el turbocompresor aventaja al compresor alternativo y rotativo de desplazamiento positivo. Algunas de estas ventajas son: Construcción compacta  Volumen de máquina reducida  Seguridad de funcionamiento  Carencia de desgaste  Piezas de recambio superfluas  Marcha exenta de vibraciones  Débil consumo de energía eléctrica en el arranque

Estas ventajas no hacen más que justificar la introducción del turbocompresor a la industria, sobre todo cuando se requieren caudales volumétricos elevados.

2.1 Definición de Turbocompresor Los turbocompresores (TC) son turbomáquinas térmicas generadoras en las que, por aportación de energía mecánica desde el exterior, se aumenta la energía del fluido que atraviesa la máquina.

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ENSAYOS DE TURBOMAQUINAS 2013

Figura 1: Compresor centrífugo Las funciones básicas de un turbocompresor no han cambiado mucho desde los tiempos de Alfred Büchi. El turbocompresor se compone de un compresor y una turbina unida por un eje común, tal como puede apreciarse en la fig. 2. La turbina accionada por los gases de escape proporciona la energía que acciona el compresor.

Figura 2: Componentes del turbocompresor

Los TC se pueden clasificar en: a. Radiales b. Diagonales (semiaxiales o de flujo mixto) c. Axiales Los dos primeros se denominan compresores centrífugos. Los compresores axiales no son compresores centrífugos, aunque a veces impropiamente se les designe con ese nombre. Por otra parte, los compresores diagonales son muy corrientes, siendo su teoría fundamental muy similar a la de los compresores radiales.

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ENSAYOS DE TURBOMAQUINAS 2013

Figura 3: Turbocompresor con turbina de doble entrada

Figura 4: Turbocompresor con carcasa de turbina refrigerada por agua para aplicaciones marina

2.2 El Turbocompresor Centrífugo (TCC) El TCC es un tipo de turbocompresor que puede presentar un flujo radial, diagonal, o una combinación de ambos. Por lo tanto, las velocidades periféricas de las secciones medias de entrada y salida son sustancialmente diferentes. Los TCC cuentan un sistema de rodetes y con un sistema difusor. Al aumentar la capacidad de las plantas industriales, aumenta la demanda de los TCC, en sustitución del compresor alternativo. Algunas aplicaciones del TCC son: 1. TC para gas natural en gasoductos, en plantas de licuefacción, así como en sistemas de inyección para obtener un aumento de producción en los campos petrolíferos. 2. TC para amoníaco, campo hasta hace unos años reservado al compresor alternativo, en las grandes centrales de refrigeración y en la fabricación de goma sintética. 3. TC para gases de síntesis tales como la mezcla nitrógeno-oxígeno para producir amoníaco, impulsión de gas en el proceso Solvay, circulación de los gases de síntesis en el proceso de obtención de productos básicos para materiales artificiales. 4. Turboplantes de circulación de gases en las centrales nucleares.

2.3 Tipos de Rodetes

55

ENSAYOS DE TURBOMAQUINAS 2013 En el TCC, el gas entra por el dispositivo de admisión que debe garantizar una entrada uniforme del mismo en el rodete con un mínimo de pérdidas. Un rodete consta de un cierto número de álabes que se fijan de alguna manera. En general, existen varios tipos: 

Abierto: álabes fijos al cubo del rodete. Este tipo de rodete tiene mal rendimiento y poca resistencia, permitiendo solamente velocidades periféricas muy pequeñas. Por esto, es cada vez menos empleado.



Cerrado: álabes se fijan entre la superficie anterior y posterior. Este tipo tiene buen rendimiento, pero es de difícil construcción y sólo permite velocidades periféricas moderadas.



Semiabierto de simple aspiración: álabes se fijan en un solo disco a un lado del mismo.



Semiabierto de doble aspiración: álabes se fijan a uno y otro lado del disco.

Hoy en día, los rodetes más utilizados son los semiabiertos.

2

al ángulo geométrico de

salida del álabe, estos se pueden clasificar en: a. b. c.

2 2

< 90º)

= 90º) 2

> 90º)

Figura 5: Rodete de turbocompresor con álabes de salida radial, curvados a la entrada, del tipo semiabierto. Modernamente se emplea cada vez más la construcción del rodete tipo semiabierto con álabes de 1 1=90º).

de la velocidad relativa sea el

La construcción con salida radial

reduce los esfuerzos centrífugos prácticamente a esfuerzos de tracción; de ahí que para la fijación de los álabes sólo se requiera un disco (rodete semiabierto). Con este tipo de rodete se obtienen velocidades periféricas elevadísimas, superiores a los 450 m/s.

56

ENSAYOS DE TURBOMAQUINAS 2013

2.5 Funcionamiento. Diagramas de velocidades El fluido ingresa por una voluta caracol similar a la del compresor centrífugo, para alimentar la periferia uniformemente. Luego pasa por una corona de paletas similar al difusor de paletas del compresor centrífugo, donde adquiere una componente radial y se acelera (toberas). La velocidad absoluta de entrada al rotor se indica en la Figura 9 como C1:

Figura 9: Diagramas de velocidades (Shepherd)

3. Banco de Pruebas El banco de prueba comprende un compresor centrífugo, el rodete del mismo esta montado sobre el eje del rotor eléctrico que es alimentado con corriente continua. La frecuencia de rotación del rotor se regula mediante el reóstato. El aire ingresa al compresor por el tubo de medida y el recipiente de aire, la parte delantera del tubo de medida está perfilada lo que viene a ser la Lemniscata de Bernoulli, esto ayuda a eliminar las pérdidas de la presión total al entrar el aire en el tubo de medida. El aire que ingresa es enviado al rodete del compresor. El aire que sale del compresor va a la atmósfera por el recipiente de salida y el estrangulador, accionado por el electromotor, que se maneja desde el panel de control. La posición del estrangulador está controlada por el indicador de aguja, que en nuestro experimento consistió en una mina de lapicero.

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ENSAYOS DE TURBOMAQUINAS 2013 El banco experimental comprende además el sistema medidor de frecuencia de rotación, de la potencia eléctrica, de la electropropulsión, el banco piezométrico para las mediciones de la presión, equipos de medida de la presión y de la temperatura del medio ambiente. El sistema medidor permite medir: 

La presión excesiva estática P (mm de columna de alcohol).



La presión excesiva total P2 de salida del compresor (mm de columna de alcohol).



La frecuencia de rotación n del compresor (rpm).



El voltaje U y el amperaje I del electromotor (respectivamente en V y A).



La presión total Pn y la temperatura total Tn del medio ambiente (respectivamente en Pa y K).

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ENSAYOS DE TURBOMAQUINAS 2013

4. Procedimiento del Ensayo 1º Emplearemos, para nuestro experimento, 3 valores para la frecuencia de rotación, éstos son: 4000, 5500 y 6000 r.p.m. 2º Ahora, para cada uno de ellos (frecuencia de rotación) haremos variar la posición de la mariposa del estrangulador desde la posición en la que está completamente abierta, hasta que

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ENSAYOS DE TURBOMAQUINAS 2013 esté completamente cerrada y para nuestras pruebas tomaremos 4 posiciones, como se indica en el cuadro siguiente:

POSICIONES 1 2 3 4

% DE APERTURA 0 (Vertical) Totalmente cerrado 30 60 100 (Horizontal) Totalmente abierto

5. Metodología y fórmulas para la interpretación posterior de los resultados. 5.1 Para la presión total, la adoptamos igual que la presión total en el recipiente de entrada, las cuales se calculan usando el coeficiente de pérdidas s, que es igual a 0,97 para este tipo de recipiente.

P1   Pn  0,97  Pn .... Pa  5.2 La presión total a la salida del compresor (descarga):

P2  Pn  7,85  P2 .... Pa 

Donde el coeficiente 7,85 convierte la presión de mm de columna de alcohol a pascales.

5.3 La presión estática en el tubo de medida (succión):

P  Pn  7,85  P1....Pa 

5.4 El índice total creciente en la etapa del compresor:

C 

P2 P1

5.5 La función gasodinámica  () en el tubo de medida:

() 

60

P Pn

ENSAYOS DE TURBOMAQUINAS 2013 La magnitud de  () se calcula con diezmilésimos. 5.6 Utilizando las tablas de funciones gasodinámicas (véase Apéndice, k = 1,4 para el aire) a partir de la magnitud conocida de la función gasodinámica  () se halla la función gasodinamica de la densidad de la corriente

q().

Es necesario calcular la magnitud con diezmilésimos. Es posible también calcular q() mediante las siguientes fórmulas: k

 k  1 2  k 1 ()  1     k 1  1

1

 k  12  k 1  k  1 2  k 1 q()       1   k 1   2  5.7 El caudal másico del aire en la etapa del compresor:

G

Pn  F  q()  S .... kg / s  Tn

Donde: S = 0,0404 F = área de la sección transversal del tubo de medida (F = 0,00056 m2.) Tn = 297 K. 5.8 El caudal reducido del aire:

Gc  G

101330 Tn .... kg / s Pn 288

5.9 La frecuencia reducida de rotación:

nc  n

288 .... rpm Tn

5.10 El trabajo adiabático al comprimir 1Kg de aire en la etapa del compresor:

Had 

 k 1  k R  Tn  c k  1 .... J / kg  k 1  

5.11 La potencia consumida al girar el rodete:

Ne  V  I.... W 5.12 El trabajo especifico consumido al girar el rodete(teniendo en cuenta las perdidas en los cojinetes y en el electromotor)

61

ENSAYOS DE TURBOMAQUINAS 2013 Hc ' 

Ne .... J / kg  G

5.13 El rendimiento adiabático del compresor:

c ' 

Had Hc '

5.14 Sabiendo el rendimiento del electromotor (m = 0,8) y el de los cojinetes (mec = 0,85) se puede determinar el trabajo específico al girar el compresor:

Hc  Hc 'mec m 5.15 El rendimiento adiabático del compresor:

c 

62

Had Hc

ENSAYOS DE TURBOMAQUINAS 2013 6. Resultado Pn  77802Pa Tn  295,5K

63

n (rpm)

Nº de Ensayos

∆P1(mm OH)

∆P2(mm OH)

V (voltios)

I (Amp.)

4000 4000 4000 4000 5500 5500 5500 5500 6000 6000 6000

1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3

22 21 18 5.5 32 32 24 30 50 50 26

18 20 40 40 38 38 68 84 60 60 130

14.2 13.6 11.5 9.5 17.4 17.1 14.1 10.2 17.4 14.8 10.1

8.5 8.3 7.2 8.8 13.3 13.1 11.7 11.0 13.9 13.3 10.1

ENSAYOS DE TURBOMAQUINAS 2013 PRIMERA PRUEBA

n(rpm)

Angulo Mariposa

∆P2*

∆P1*

4000 4000 4000 4000

100 60 30 0

18 20 40 40

22 21 18 5,5

14.2 13.6 11.5 9.5

8.5 8.3 7.2 8.8

Angulo Mariposa

P1*(Pa)

P2*(Pa)

P (Pa)

πc* (Pa)

π(λ)

90 60 30 0

75467,94 75467,94 75467,94 75467,94

77943,3 77959 78116 78116

77629,3 77637,15 77660,7 77758,825

1,033 1,033 1,035 1,03

0,9978 0,9979 0,9982 0,9994

SEGUNDA PRUEVA

64

V(voltios) I(A)

P*n(Pa F(m^2) ) 77802

0,00056

Q(λ) G (kg/s) 0,0965 0,0945 0,0867 0,0513

S

T*n(K)

0,0404

288

Gc (kg/s)

Had (J/kg)

0,01001 0,01032 0,0098 0,0101 0,00899 0,00927 0,00532 0,00548

2698,912 2698,912 2860,491 2456,123

Ne H´ (J/kg) (w) 123,12 127,92 112,18 64,99

Hc

12299,7003 9347,77223 13053,0612 9920,32653 12478,3092 9483,51502 12216,1654 9284,28571

η*c (%) 28,9 27,2 30,2 26,5

ENSAYOS DE TURBOMAQUINAS 2013

n(rpm)

Angulo Mariposa

∆P2*

∆P1*

V(v)

I(A)

5500 5500 5500 5500

100 60 30 0

38 38 68 84

32 32 24 30

17.4 17.1 14.1 10.2

13.3 13.1 11.7 11.0

77802

0,00056

Angulo Mariposa

P1*(Pa)

P2*(Pa)

P (Pa)

πc* (Pa)

π(λ)

Q(λ)

G (kg/s)

90 60 30 0

75467,94 75467,94 75467,94 75467,94

78100,3 78100,3 78335,8 78461,4

77550,8 77550,8 77613,6 77566,5

1,035 1,035 1,038 1,028

0,9968 0,9968 0,9976 0,997

0,1161 0,1161 0,1004 0,1122

TERCERA PRUEBA.

65

P*n(Pa) F(m^2)

S

T*n(K)

0,0404

288

Gc Had Ne (w) H´ (J/kg) (kg/s) (J/kg)

0,01204 0,01241 2860,491 258,62 21480,0664 0,01204 0,01241 2860,491 259,96 21591,3621 0,01041 0,01073 3102,443 231,14 22203,6503 0,01164 0,012 2293,983 92,4 7938,14433

Hc

η*c (%)

16324,8505 16409,4352 16874,7743 6032,98969

17,5 17,4 18,4 38

ENSAYOS DE TURBOMAQUINAS 2013 n(rpm)

Angulo Mariposa ∆P2* ∆P1* V(voltios) I(A) P*n(Pa) F(m^2) 50 50 26

P2*(Pa) P (Pa) πc* (Pa) π(λ)

Q(λ) G (kg/s) Gc (kg/s) Had (J/kg) Ne (w) H´ (J/kg)

90 60 30 0

75467,94 75467,94 75467,94 75467,94

78273 78273 78822,5 78861,75

0,1458 0,1458 0,1043 0,0919

0,995 0,995 0,9974 0,998

77802

0,00056

288

P1*(Pa)

1,037 1,037 1,044 1,029

13.9 13.3 10.1

T*n(K)

Angulo Mariposa

77409,5 77409,5 77597,9 77645

17.4 14.8 10.1

S

100 60 30

66

60 60 130

0,0404

6000 6000 6000

0,01512 0,01512 0,01082 0,00953

0,01559 0,01559 0,01115 0,00982

3021,848 3021,848 3584,852 2375,081

413,4 424,86 336,3 148,75

Hc

27341,2698 20779,3651 28099,2063 21355,3968 31081,3309 23621,8115 15608,6044 11862,5393

η*c (%) 14,5 14,2 15,2 20

ENSAYOS DE TURBOMAQUINAS 2013 7. Gráficas

Pi c

Pi c Vs Posicion 1,046 1,044 1,042 1,04 1,038 1,036 1,034 1,032 1,03 1,028 1,026

4000 rpm

5500 rpm

6000 rpm

0

50

100

150

Posicion

I vs Posicion 25

I (A)

20 15

4000 rpm

10

5500 rpm

5

6000 rpm

0 0

50 Posicion ( ang )

67

100

ENSAYOS DE TURBOMAQUINAS 2013

G (kg/s)

G vs Posicion 0,018 0,016 0,014 0,012 0,01 0,008 0,006 0,004 0,002 0

4000 rpm 5500 rpm

6000 rpm 0

50

100

Posicion (angu)

Had (J/kg)

Had vs Posicion 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0

4000 rpm 5500 rpm

6000 rpm 0

50

100

Posicion (angu)

Ne vs Posicion 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0

Ne (W)

4000 rpm 5500 rpm

6000 rpm 0

68

50 Posicion (Ang)

100

ENSAYOS DE TURBOMAQUINAS 2013 LABORATORIO N°7 “ENSAYO DE CAPA LIMITE SOBRE UNA PLACA PLANA”

1.-Introducción teórica: El tercer modelo aproximado para resolver problemas fluido dinámicos bidimensionales (con dos componentes de velocidad) recibe el nombre de “modelo de la capa limite”. Fue desarrollado por Prandtl.

2.-Ley De Viscosidad De Stokes Se ha indicado anteriormente que el esfuerzo cortante r en flujo paralelo, en una interfaz paralela a la línea de corriente para fluidos newtonianos está dado por

Se empieza con las ecuaciones de Navier-Stokes para películas delgadas y las ecuaciones de continuidad.

69

ENSAYOS DE TURBOMAQUINAS 2013 2.1.-Suposiciones: -Lejos de los sólidos se supone que el flujo es no viscoso. -En contacto con el sólido existe una capa muy delgada de fluido (capa límite) en la cual las fuerzas de inercia y las viscosas son del mismo orden. -Por lo tanto, el fluido cumple la condición de velocidad cero sobre la superficie del sólido y se desliza sin roce en la superficie exterior de la capa límite. -El espesor de la capa límite (δ) se define como la distancia desde la pared del sólido hasta el punto donde la velocidad del fluido difiere en un 1% del valor de la velocidad lejos del sólido (v∞). -Puesto que la región donde ocurren los fenómenos de fricción se ha restringido a la capa límite y como esta es de muy pequeño espesor pueden realizarse aproximaciones que simplifican la resolución del sistema. Blasius resolvió esta ecuación en forma analítica. Utilizando esta solución analítica, Blasius fue capaz de dar los siguientes resultados exactos para capas límites laminares, utilizando como espesor δ la altura para la cual u = 0.99U. Blasius, resolvió analíticamente las ecuaciones para la capa límite laminar sobre una placa plana sin gradiente de presión ( ∂p / ∂x = 0 ), obteniendo una expresión del espesor de la capa límite en la zona laminar que se adapta bastante bien a los resultados obtenidos de forma experimental:

En donde Rexes el número de Reynolds asociado a la distancia x desde el borde de ataque a la sección considerada: Para flujo turbulento el espesor de capa limite será:

70

ENSAYOS DE TURBOMAQUINAS 2013 Variación del espesor de la capa límite con el número de Reynolds local para el flujo sobre una placa plana. (Adaptado de Hansen,NACA TM 585, 1930).

3.-Objetivos:  Determinar el comportamiento del perfil de velocidades en puntos determinados sobre una placa plana.

 Determinar experimentalmente los campos dimensionales de las velocidades en la capa limite laminar y turbulento.  Determinar el espesor de la capa limite en los distintos puntos 4.-Descripción De La Instalación Se cuenta con un módulo el cual consta de un turbocompresor que será usado como ventilador el cual proporcionara el flujo de aire necesario a nuestro ducto para las mediciones, además se puede controlar el caudal mediante unas compuertas laterales.

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ENSAYOS DE TURBOMAQUINAS 2013 La medida de la velocidad se realiza a través de un tubo de Pitot conectado a un manómetro. En la boca del tubo de Pitot el aire está parado, con lo que la presión en esa boca es la presión de estancamiento: suma de la presión dinámica y la presión termodinámica (que en este caso es la atmosférica por estar la corriente uniforme de aire descargada al ambiente)

El tubo de Pitot se conecta a uno de los extremos de un tubo de columna de líquido, cuyo otro extremo está a la presión atmosférica, es decir la diferencia de presiones entre los dos meniscos del líquido será:

A su vez los dos meniscos del líquido manométrico (se denomina manómetro porque mide diferencias de presiones con la presión atmosférica), están separados verticalmente por una diferencia de cotas h, con lo que también se puede expresar su medida por: ΔP = (ρlíquido-ρaire) g h = ρlíquido g h, Al ser la densidad del aire despreciable frente a la del líquido manométrico. Con todo lo anterior se tiene: Pdinámica = pd = ½ ρaire u2 = Δpmanómetro = ρlíquido g h

5.-Procedimiento Experimental 

Se deben seleccionar las posiciones longitudinales en que se van a realizar las medidas. Es conveniente realizar medidas a intervalos cortos cerca del borde de ataque, y más espaciados en puntos más alejados. Del modulo de pruebas.Se realizarán medidas en las siguientes posiciones: x = 0, 30, 60, 90y 120 mm.



En cada una de estas posiciones longitudinales se procede a la toma de datos. Para cada posición longitudinal se van tomando valores de h (diferencia de cotas entre los meniscos del líquido manométrico) a distintas alturas (y), hasta que no se tengan variaciones, es decir, se esté fuera de la capa límite con corriente uniforme. Se tomarán valores cada Δy = 0.1mmSe debe tener en cuenta que la lectura del manómetro inclinado h se realiza en mm de columna de líquido, con lo que la presión dinámica será:

72

ENSAYOS DE TURBOMAQUINAS 2013  

La densidad del líquido utilizado en este caso es: ρagua = 1000 kg/m3 El diámetro de la sonda es de 3mm, la medida más próxima a la placa plana será se 1.5mm

6.-Toma De Datos

73

ENSAYOS DE TURBOMAQUINAS 2013

7.-Conclusiones. Para finalizar este trabajo práctico, se propone la redacción de un breve informe que recoja las conclusiones extraídas del mismo: dificultades que se han encontrado durante la realización de la práctica, correlaciones entre los resultados teóricos y experimentales, posibles mejoras que se podrían introducir. Demostrar la semejanza entre la teoría y la práctica. 8.-Bibliografía. Fox, R.W.; McDonald, A.T. “Introducción a la Mecánica de Fluidos”, cap. 8 parte C. McGraw-Hill 1995 Shames, I.H. “La Mecánica de los Fluidos”, cap 13. McGraw-Hill, 1995 Internet: Universidad de Oviedo.

74

ENSAYOS DE TURBOMAQUINAS 2013 LABORATORIO N°8

ENSAYO DE DIFUSOR SUBSÓNICO Introducción Una tobera es un dispositivo diseñadopara transformar entalpía en energía cinética. Por el contrario, un difusortransforma energía cinética en entalpía 1. Objetivos:  El objetivo del trabajo es investigar el flujo subsónico y determinar sus principales características aerodinámicas  Examinar el flujo el difusor plano relativamente corto.  Examinar el efecto del ángulo de apertura del difusor sobre el aumento de la presión estática en el difusor y sobre la posición del punto de desprendimiento del flujo de la pared del difusor DESIGNACIONES P* : Presión Total P : Presión Estática B0 : Presión Barométrica d : Coeficiente de resistencia hidráulica del difusor d : Coeficiente de amortiguación de choque W : Velocidad del Flujo  : Densidad del Flujo F : Área de la sección transversal del difusor H : Ancho del difusor plano L : Longitud del Difusor  : Angulo de apertura del difusor

Subíndices 1- sección de entrada 2- sección de salida i - Se trata de las presiones estáticas a lo largo de la longitud de la pared giratoria del difusor, S- desprendimiento del flujo Lim-valor límite del parámetro

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ENSAYOS DE TURBOMAQUINAS 2013 2. Fundamento teórico El difusor es un canal, con las paredes planas o perfiladas, divergente en el sentido del movimiento del flujo, en la Fig. 1 se ve un difusor cónico simétrico relativo al eje longitudinal. Sus dimensiones geométricas se determinan por las áreas F1 de entrada y F2 de salida y por la longitud L, (o por el ángulo de apertura del difusor )

Fig. 1 En el difusor subsónico, F2 > F1 y W2 < W1. El grado de disminución de velocidad del flujo en el difusor depende de la relación F2/F1 y del ángulo  de apertura de las paredes del difusor. La velocidad de flujo subsónico en un canal divergente (en difusor) disminuye, en cambio la presión estática aumenta, lo que sigue de las ecuaciones de continuidad y de Bernoulli. Debido al rozamiento y a la formación de torbellinos cerca de las paredes en el difusor hay pérdidas de presión total  Pd = P1 – P2..Para los ángulos de apertura ( 810 º ) éstas pérdidas se explican principalmente por el rozamiento cerca de las paredes, y para > ( 8 10 º ) por la formación de torbellinos cerca de las paredes del difusor. Las pérdidas de presión total en el difusor debidas a la formación de torbellino se consideran proporcionales a las pérdidas durante la expansión brusca y son proporcionales según el teorema de Bord-Carneaut al cuadrado de la velocidad pérdida:

P  P2  P   d * 1

*

* d

1 2

(W1  W2 )   d 2

1W12 2

(1 

W2 2 ) W1

Al despreciar la variación de la densidad  a lo largo del difusor, de la ecuación de continuidad obtenemos:

76

W2 F1  W1 F2

(1)

ENSAYOS DE TURBOMAQUINAS 2013 En este caso, la ecuación ( 1 ) tendrá la forma:

P1  P2  Pd*   d *

*

1W12 2

Donde :

 d   d (1 

F1 2 ) F2

Es el coeficiente de la resistencia hidráulica del difusor; d es el coeficiente de amortiguación de choque, lo cual según los datos experimentales, depende solo del ángulo de apertura del difusor; mientras mayor sea al ángulo de apertura del difusor, mayor es la apertura de pérdida. A parte del crecimiento de pérdidas, el desprendimiento del flujo conduce a la distorsión de la homogeneidad del perfil de velocidad en la sección de salida, lo que puede empeorar considerablemente en funcionamiento de los equipos colocados detrás del difusor. Una característica importante del difusor es también el ángulo límite de su apertura lim,que determina en inicio del desprendimiento del flujo. La magnitud de lim usualmente se determina por el valor máximo del grado de elevación de presión estática P2 / P1 En la Fig. 2se ve la dependencia del grado de elevación de presión estática (P2 / P1) en el difusor en función del ángulo de apertura del difusor ().

Fig. 2

77

ENSAYOS DE TURBOMAQUINAS 2013 La curva teórica 1 está calculada por la ecuación de continuidad sin tomar en cuenta las pérdidas y la variación de la densidad del flujo a lo largo de la longitud del difusor L, se nota el crecimiento monótono del grado de elevación de presión estática al aumentar  La curva real 2 está debajo de la teórica, debido a la presencia de la capa límite sobre las paredes del difusor y las pérdidas en el difusor real. Cabe notar que la curva 2 tiene un máximo que determina el ángulo límite de apertura del difusor (lim). El desprendimiento del flujo surge cuando  es un poco menor que lim el régimen del desprendimiento desarrollado corresponde al ángulo límite de apertura del difusor (lim). Se puede hallar el punto de desprendimiento del flujo por la distribución de la presión estática Pi a lo largo del difusor (Fig. 3)

Fig. 3 En ausencia de desprendimiento, la presión estática Pi en la dirección de la sección de salida 2 o disminuye o se mantiene constante. El comienzo de ésta zona se considera como el punto de desprendimiento del flujo. 3. Descripción del banco de pruebas y del sistema de medición En la Fig. 4se ve el esquema de banco de pruebas experimentales para investigación de las características aerodinámicas del difusor plano, el banco del contiene el ventilador radial 1,accionado por el por el motor eléctrico de corriente continua 2, el dispositivo de entrada 3, la parte de trabajo 4 con el difusor plano 5 instalado adentra ,el canal 6 con las compuertas 7 de regulación del caudal del aire y el banco de piezómetros 8. La pared de arriba 9 del difusor puede girar cambiando suavemente el ángulo de apertura del difusor ().el giro de la pared se efectúa mediante la manivela 10, fijada sobre la pared delantera de la parte de trabajo 4:

78

ENSAYOS DE TURBOMAQUINAS 2013 La pared de abajo 11 del difusor esta fija y paralela al eje longitudinal 12 del banco. La magnitud del ángulo de apertura del difusor se lee de la escala 13, fijan sobre la pared delantera de la parte de trabajo 4             

1 Ventilador radial 2 Motor eléctrico DC 3 Dispositivo de entrada 4 Parte de trabajo 5 Difusor plano 6 Canal 7 Compuertas de relación de caudal de aire 8 Banco de piezómetros 9 Pared superior del difusor 10 Manivela de giro 11 Pared inferior del difusor 12 Eje longitudinal del Banco 13 Escala de lectura del ángulo de apertura ()

El ancho h del difusor plano es igual a 100 mm. La altura del difusor en la sección 2-2 es 39 mm . En la sección 1-1 la altura del difusor varía en función del ángulo de apertura del difusor () La longitud L de las paredes del difusor es 150 mm.

79

ENSAYOS DE TURBOMAQUINAS 2013 1 Ventilador radial 2 Motor eléctrico DC 3 Dispositivo de entrada 4 Parte de trabajo 5 Difusor plano 6 Canal 7 Compuertas de relación de caudal de aire 8 Banco de piezómetros 9 Pared superior del difusor 10 Manivela de giro 11 Pared inferior del difusor 12 Eje longitudinal del Banco 13 Escala de lectura del ángulo de apertura ()

4. Procedimiento  Se mide la presión barométrica B0 y la temperatura ambiental T0.  Mediante la manivela 10 se hace el ángulo de apertura del difusor =0º. Enciende el motor eléctrico 2, se cierra la compuerta 7 del canal 6, se toman todos los parámetros de medida, las mediciones se continúan para los valores de =4, 6, 8, 10 º  La presión estática excesiva P1 en la entrada del difusor se mide en el primer orificio de la pared difusora del difusor.  La presión total excesiva P2* en la sección de salida (2-2) del difusor se mide por los tubos de Pitot.  La presión estática excesiva P2 en la sección de salida (2-2) del difusor se miden en el duodécimo orificio de la pared giratoria del difusor.  La distribución de la presión estática excesiva Pi a lo largo del difusor se mide en 12 orificios.

5. METODOLOGIA DE INTERPRETACION DE LOS RESULTADOS DE PRUEBAS.

80

ENSAYOS DE TURBOMAQUINAS 2013 Para cada ángulo de apertura del difusor () se efectúa el cálculo de los siguientes parámetros: . FORMULAS PARA EL CÁLCULO CON AGUA Para cada ángulo de apertura del difusor ( ) se efectúa el cálculo de los siguientes parámetros: 1. Se asume la presión absoluta total en la entrada del difusor igual a la presión barométrica.

2. La presión absoluta estática en la entrada del difusor:

3. La presión absoluta total en la salida del difusor:

4. la presión absoluta estática en la salida del difusor

5. La presión absoluta estática local en cada uno de los 12 puntos de medición sobre la pared giratoria

6. La función gasodinámica

en la entrada del difusor.

7. La velocidad reducida del flujo en la entrada del difusor:

Donde

81

ENSAYOS DE TURBOMAQUINAS 2013 8. La velocidad crítica del flujo:

9. La velocidad del flujo a la entrada del difusor:

10. La función geodinámica

en la salida del difusor.

11. La velocidad reducida del flujo en la salida del difusor:

12. La velocidad del flujo a la salida del difusor:

13. El grado de disminución de la velocidad del flujo en el difusor:

Según los resultados de cálculo se traza el grafico

82

ENSAYOS DE TURBOMAQUINAS 2013

14. El grado de elevación de la presión estática en el difusor

Según los resultados de cálculo se traza el grafico

Y por el valor máximo de se determina el 15. La presión dinámica en la entrada del difusor

16. Las pérdidas de la presión total en el difusor

17. El coeficiente de la resistencia hidráulica del difusor

DESIGNACIONES P* : Presión Total P : Presión Estática B0 : Presión Barométrica d : Coeficiente de resistencia hidráulica del difusor d : Coeficiente de amortiguación de choque W : Velocidad del Flujo  : Densidad del Flujo F : Área de la sección transversal del difusor H : Ancho del difusor plano L : Longitud del Difusor  : Angulo de apertura del difusor

83

ENSAYOS DE TURBOMAQUINAS 2013 ENSAYO Nº1 Án gul o de ape rtu ra

α

Pres ion total exce siva salid a ΔP*

Presiones estáticas excesivas en la placa (mm de agua)

2

ΔP1

ΔP2

0

3

46

3

4

6

ΔP 3

ΔP4

44

46

46

44

44

46

82

70

60

58

60

52

8

118

80

72

68

66

9

14

134

82

82

76

12

70

130

100

90

80

Án Pres gul Pres ion o ion total de total exce ape ingr siva rtu eso salid ra a ΔP* α P*1 2 ΔP1

ΔP5 ΔP6 ΔP7 ΔP8

ΔP9

ΔP10

ΔP11

ΔP12

46

46

44

46

46

54

54

54

52

44

50

62

60

58

56

54

52

52

74

66

62

60

62

60

56

62

76

72

68

74

76

76

74

78

Presiones estáticas excesivas en la placa (Pa)

ΔP2

0

783 29.4 451. 431.6 52 30 260 40

3

783 39.2 804. 686.7 52 40 420 00

6

783 78.4 7.58 784.8 52 80 0 00

9

783 137. 4.54 804.4 52 340 0 20

115

131

127

783 686. 5.30 981.0 12 52 700 0 00

84

ΔP3 ΔP4 451 451. .26 260 0 568 588. .98 600 0 667 706. .08 320 0 745 804. .56 420 0 784 882. .80 900 0

ΔP5 431 .64 0 588 .60 0 647 .46 0 725 .94 0 745 .56 0

ΔP6 ΔP7 451 431. .26 640 0 529 510. .74 120 0 588 608. .60 220 0 608 647. .22 460 0 667 706. .08 320 0

ΔP8

ΔP9

ΔP10

ΔP11

451. 451.2 431.64 451.2 260 60 0 60 529. 529.7 510.12 431.6 740 40 0 40 568. 549.3 529.74 510.1 980 60 0 20 588. 608.2 588.60 549.3 600 20 0 60 725. 745.5 745.56 725.9 940 60 0 40

ΔP1 2

451 .26 0 490 .50 0 510 .12 0 608 .22 0 765 .18 0

ENSAYOS DE TURBOMAQUINAS 2013

α

presi ón presió absol n uta absolu total ta en la entrad salida a P*1 P*2 (Pa) (Pa)

presion absoluta estatica local Pi = (78352 – 9.81(∆Pi))Pa P1

P3

P4

0

783 52

3

783 52

6

783 52

9

783 52

12

783 52

783 22. 5 783 12. 7 782 73. 5 782 14. 6 776 65. 3

P1/P *1 0.994 2 0.989 7 0.985 2 0.983 2 0.983 7

P2/P *2 0.99 46 0.99 42 0.99 45 0.99 40 0.99 90

W1( m/s) 30.8 347 41.2 021 49.4 659 52.7 321 51.9 344

W2(m/ s) 29.815 8 30.842 4 30.170 7 31.527 0 12.904 7

12

24

36

48

60

72

1.000

1.000

1.003

α 0 3 6 9 12 L( mm ) (Pi/P 1) , 0 (Pi/P 1) , 3 (Pi/P 1) , 6 (Pi/P 1) , 9 (Pi/P 1) , 12

1.00 0 1.00 1.000 2 1.00 1.000 5 1.00 1.000 7 1.000

1.000

779 00. 7 775 47. 5 771 94. 4 770 37. 4 770 76. 7

P2

1.00 0 1.00 3 1.00 6 1.00 7

1.00 1.00 4 5

85

P5

P6

P7

P8

P9

P10

77920 7790 77900 77920 779 779 779 .3 0.7 . .3 77920.3 00.7 00.7 00.7 77920. 77665 7776 77783 77763 778 778 778 .3 3.4 . .4 77841.8 22.2 22.2 22.2 77841. 77567 7764 77684 77704 777 777 778 77822. .2 5.6 . .5 77743.7 63.4 83.0 02.6 260 77547 7754 77606 77626 777 777 777 77763. .5 7.5 . .0 77704.5 43.7 63.4 43.7 400 77371 7746 77567 77606 776 776 776 77606. .0 9.1 . .4 77645.6 84.9 26.0 06.4 440

W2/ P*1-P1 W1 P12/P1 (Pa) 0.967 451.26 0 1.0000 00 0.748 804.42 6 1.0040 00 0.609 1157.5 9 1.0084 800 0.597 1314.5 9 1.0092 400 0.248 1275.3 5 1.0066 000

P*1-P*2 (Pa)

ξd

λ1

λ2

686.7000

0.065 2 0.048 8 0.067 8 0.104 5 0.538 5

84

96

108

1.000

1.000

1.000

1.000 1.000 1.000

1.000

1.003

1.004

1.004

1.004

1.004 1.004 1.005

1.004

1.006

1.007

1.007

1.007

1.008

1.008 1.008 1.008

1.008

1.007

1.008

1.009

1.009

1.009

1.009 1.009 1.010

1.009

1.006

1.007

1.007

1.008

1.007

1.007 1.007 1.007

1.007

29.4300 39.2400 78.4800 137.3400

0.168

0.096 180 0.099 492 0.097 325 0.101 700 0.041 628

120

132

0.099 0.133 0.160 0.170

144

P11

P12

7790 0.74 0 7792 0.36 0 7784 1.88 0 7780 2.64 0 7762 6.06 0

7790 0.74 0 7786 1.50 0 7784 1.88 0 7774 3.78 0 7758 6.82 0

ENSAYOS DE TURBOMAQUINAS 2013

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ENSAYOS DE TURBOMAQUINAS 2013 ENSAYO Nº1 TABLA DE DATOS:  100 voltios P0=97900Pa – 19848Pa = 78052Pa T = 294.7 K K = 1.4 R = 287.3 J/KgK

α0 0 4 8

∆P*2 3 6 12

∆P1 36 82 106

∆P3 32 48 66

∆P5 30 44 50

∆P7 28 40 48

∆P9 26 40 48

∆P11 24 38 40

α0 0 4 8

P01 (Pa) 78052 78052 78052

P02(Pa) 78028.48 78004.96 77957.92

P1 77769.76 77409.12 77220.96

P3 77801.12 77675.68 77534.56

P5 77816.8 77707.04 77660

P7 77832.48 77738.4 77675.68

P9 77848.16 77738.4 77675.68

91

P11 77863.84 77754.08 77738.4

ENSAYOS DE TURBOMAQUINAS 2013

α0 0 4 8

P1/P01 λ1 W1 P12/P02 λ2 W2 W2/W1 P12/P1 0.99638395 0.0787843 24.7611594 0.99789 0.06016535 18.9094003 0.76367185 1.00120972 0.99176344 0.11900231 37.4012969 0.99678379 0.07429563 23.3504111 0.62432089 1.00445632 0.98935274 0.13535981 42.5423056 0.99718412 0.06951318 21.8473328 0.5135437 1.00670077

Dist. Desde el borde de Entr. (mm) (Pi/P1)=0 (Pi/P1)=4 (Pi/P1)=8

92

24 1 1 1

P01-P1 282.24 642.88 831.04

48 72 96 120 144 1.00040324 1.00060486 1.00080648 1.0010081 1.00120972 1.00344352 1.00384864 1.00425376 1.00425376 1.00445632 1.00406107 1.0056855 1.00588856 1.00588856 1.00670077

P01-P02 Ed 23.52 0.08333333 47.04 0.07317073 94.08 0.11320755

ENSAYOS DE TURBOMAQUINAS 2013 GRAFICOS:

93

ENSAYOS DE TURBOMAQUINAS 2013

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ENSAYOS DE TURBOMAQUINAS 2013 ENSAYO Nº2 TABLA DE DATOS  120 voltios P0=97900Pa – 19848Pa = 78052Pa T = 294.7 K K = 1.4 R = 287.3 J/KgK

α0 0

∆P*2 2

∆P1 66

∆P2

∆P3 54

∆P4

∆P5 54

∆P6

∆P7 54

∆P8

∆P9 54

∆P10

∆P11 54

∆P12

2

6

106

20

60

66

70

74

62

66

66

66

58

62

4

14

144

44

92

90

84

80

72

76

74

74

66

70

6

18

148

72

114

104

98

90

84

86

84

80

68

74

8

20

206

110

132

112

104

96

92

94

90

88

78

88

10

82

210

132

128

114

108

94

94

96

98

100

92

104

12

108

206

152

134

118

114

106

108

114

114

112

106

118

95

ENSAYOS DE TURBOMAQUINAS 2013 α0 0 2 4 6 8 10 12

α0 0 2 4 6 8 10 12

P01 (Pa) P02(Pa) P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P9 P10 P11 P12 78052 78036.32 77534.56 77628.64 77628.64 77628.64 77628.64 77628.64 78052 78004.96 77220.96 77895.2 77581.6 77534.56 77503.2 77471.84 77565.92 77534.56 77534.56 77534.56 77597.28 77565.92 78052 77942.24 76923.04 77707.04 77330.72 77346.4 77393.44 77424.8 77487.52 77456.16 77471.84 77471.84 77534.56 77503.2 78052 77910.88 76891.68 77487.52 77158.24 77236.64 77283.68 77346.4 77393.44 77377.76 77393.44 77424.8 77518.88 77471.84 78052 77895.2 76436.96 77189.6 77017.12 77173.92 77236.64 77299.36 77330.72 77315.04 77346.4 77362.08 77440.48 77362.08 78052 77409.12 76405.6 77017.12 77048.48 77158.24 77205.28 77315.04 77315.04 77299.36 77283.68 77268 77330.72 77236.64 78052 77205.28 76436.96 76860.32 77001.44 77126.88 77158.24 77220.96 77205.28 77158.24 77158.24 77173.92 77220.96 77126.88

P1/P01 0.99337057 0.98935274 0.9855358 0.98513401 0.97930815 0.97890637 0.97930815

96

λ1 0.1067321 0.13535981 0.15787633 0.16006566 0.18904236 0.19088282 0.18904236

W1 33.544887 42.5423056 49.6190337 50.3071179 59.4142215 59.9926613 59.4142215

P12/P02 0 0.99437164 0.99436711 0.99436484 0.99315593 0.99777184 0.99898453

Λ2 2.44948974 0.09832637 0.098366 0.09838584 0.10845035 0.06182838 0.04173063

W2 769.851395 30.9030452 30.9155016 30.9217355 34.0849158 19.4320731 13.1155405

W2/W1 22.9498879 0.72640739 0.62305731 0.61465925 0.57368278 0.3239075 0.22074749

P12/P1 0 1.00446718 1.00754208 1.00754516 1.01210305 1.01087669 1.009026

P01-P1 517.44 831.04 1128.96 1160.32 1615.04 1646.4 1615.04

P01-P02 15.68 47.04 109.76 141.12 156.8 642.88 846.72

Ed 0.03030303 0.05660377 0.09722222 0.12162162 0.09708738 0.39047619 0.52427184

ENSAYOS DE TURBOMAQUINAS 2013

Dist. Desde el borde de Entr. (mm) 12 (Pi/P1)=0

1

(Pi/P1)=2

1

(Pi/P1)=4

1

(Pi/P1)=6

1

(Pi/P1)=8 (Pi/P1)=1 0 (Pi/P1)=1 2

1

97

1 1

24 0 1.0087313 1 1.010192 1.0077490 8 1.0098465 5 1.0080036 1.0055386 8

36 1.0012133 9 1.0046702 3 1.0052998 4 1.0034666 9 1.0075900 5 1.0084140 4 1.0073849 1

48

60 72 1.0012133 0 9 0 1.0040610 1.0036549 1.0032488 7 7 6 1.0055036 1.0065228 8 1.0061152 8 1.0044863 1.0050980 1.0059137 1 8 7 1.0096414 1.0104619 1 5 1.0112825 1.0098505 1.0104662 1.0119027 9 5 9 1.0094362 1.0102568 1.009026 7 2

84 1.0012133 9 1.0044671 8 1.0073382 4 1.0065255 4 1.0116927 7 1.0119027 9 1.0100516 8

96

108 120 1.0012133 0 9 0 1.0040610 1.0040610 1.0040610 7 7 7 1.0069305 6 1.0071344 1.0071344 1.0063216 1.0065255 1.0069333 2 4 9 1.0114876 1.0118979 1.0121030 4 1 5 1.0116975 1.0114923 1.0112871 7 5 3 1.0094362 1.0094362 1.0096414 7 7 1

132 1.0012133 9 1.0048732 9 1.0079497 6 1.0081569 3 1.0131287 3 1.0121080 1 1.0102568 2

144 0 1.0044671 8 1.0075420 8 1.0075451 6 1.0121030 5 1.0108766 9 1.009026

ENSAYOS DE TURBOMAQUINAS 2013 GRAFICAS:

98

ENSAYOS DE TURBOMAQUINAS 2013

99

ENSAYOS DE TURBOMAQUINAS 2013

100

ENSAYOS DE TURBOMAQUINAS 2013 ENSAYO Nº3

TABLA DE DATOS  140 voltios P0=97900Pa – 19848Pa = 78052Pa T = 294.7 K K = 1.4 R = 287.3 J/KgK

α0 0 2 4 6 8 10 12

101

∆P*2 4 10 22 40 50 140 158

∆P1 90 150 224 266 296 290 256

∆P2 30 76 94 158 190 198

∆P3 84 104 136 160 184 180 182

∆P4 102 128 148 160 160 168

∆P5 84 104 124 138 148 146 164

∆P6 95 116 124 134 144 156

∆P7 82 96 116 116 130 136 158

∆P8 100 114 118 130 140 134

∆P9 88 98 110 112 128 138 162

∆P10 98 108 110 126 138 164

∆P11 88 88 98 102 114 130 158

∆P12 98 104 110 126 149 162

ENSAYOS DE TURBOMAQUINAS 2013

α0 0 2 4 6 8 10 12

α0 0 2 4 6 8 10 12

102

P01 (Pa) P02(Pa) P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P9 P10 P11 P12 78052 78020.64 77346.4 77393.44 77393.44 77409.12 77362.08 77362.08 78052 77973.6 76876 77816.8 77236.64 77252.32 77236.64 77307.2 77299.36 77268 77283.68 77283.68 77362.08 77283.68 78052 77879.52 76295.84 77456.16 76985.76 77048.48 77079.84 77142.56 77142.56 77158.24 77189.6 77205.28 77283.68 77236.64 78052 77738.4 75966.56 77315.04 76797.6 76891.68 76970.08 77079.84 77142.56 77126.88 77173.92 77189.6 77252.32 77189.6 78052 77660 75731.36 76813.28 76609.44 76797.6 76891.68 77001.44 77032.8 77032.8 77048.48 77064.16 77158.24 77064.16 78052 76954.4 75778.4 76562.4 76640.8 76797.6 76907.36 76923.04 76985.76 76954.4 76970.08 76970.08 77032.8 76883.84 78052 76813.28 76044.96 76499.68 76625.12 76734.88 76766.24 76828.96 76813.28 77001.44 76781.92 76766.24 76813.28 76781.92

P1/P01 λ1 W1 P12/P02 Λ2 W2 W2/W1 P12/P1 0.99095987 0.12469024 39.1889597 0 2.44948974 769.851395 19.6445989 0 0.98493312 0.1611494 50.6477287 0.99115188 0.12335472 38.7692184 0.76546806 1.00530309 0.97750013 0.19719331 61.9759869 0.9917452 0.1191344 37.4428131 0.60415033 1.01233095 0.9732814 0.21505157 67.5886695 0.99294043 0.11014882 34.618731 0.51219725 1.01609972 0.97026803 0.22697952 71.3375093 0.99232758 0.11484301 36.0940679 0.50596199 1.01759905 0.9708707 0.22464252 70.6030134 0.99908309 0.03965293 12.4625402 0.1765157 1.0145878 0.97428586 0.21093189 66.2938928 0.99959174 0.02645716 8.31523289 0.12542985 1.00969111

P01-P1 705.6 1176 1756.16 2085.44 2320.64 2273.6 2007.04

P01-P02 31.36 78.4 172.48 313.6 392 1097.6 1238.72

Ed 0.04444444 0.06666667 0.09821429 0.15037594 0.16891892 0.48275862 0.6171875

ENSAYOS DE TURBOMAQUINAS 2013

Dist. Desde el borde de Entr. (mm) 12 (Pi/P1)=0

1

(Pi/P1)=2

1

(Pi/P1)=4

1

(Pi/P1)=6

1

(Pi/P1)=8

1

(Pi/P1)=10

1

(Pi/P1)=12

1

103

24 0 1.0122378 9 1.0152081 7 1.0177509 7 1.0142862 9 1.0103459 6 1.0059796 2

36 1.0006081 7 1.0046911 9 1.0090426 9 1.0109395 5 1.0115946 7 1.0113805 5 1.0076291 7

48 0 1.0048951 6 1.0098647 6 1.0121779 9 1.0140792 4 1.0134497 4 1.0090725 3

60 1.0006081 7 1.0046911 9 1.0102757 9 1.0132100 2 1.0153215 3 1.0148981 8 1.0094849 2

72

84

0 1.0056090 3 1.0110978 5 1.0146548 7 1.0167708 6

1.0008109 1.0055070 5 1.0110978 5

1.0154805 1.0171849 5 1.0159327 1.0151051 7 1.0103096 9 1.0101035

96

108 120 1.0002027 0 2 0 1.0050991 1.0053030 1.0053030 2 9 9 1.0113033 1.0119199 7 1.0117144 2 1.0152740 1.0158933 1.0160997 9 1 2 1.0171849 1.0175990 5 1.017392 5 1.0155189 1.0157258 1.0157258 3 5 5 1.0125778 1.0096911 1.0094849 2 1 2

132 1.0002027 2 1.0063229 1 1.0129474 9 1.0169253 4 1.0188413 4 1.0165535 3

144 0 1.0053030 9 1.0123309 5 1.0160997 2 1.0175990 5

1.0145878 1.0096911 1.0101035 1

ENSAYOS DE TURBOMAQUINAS 2013

GRAFICAS:

104

ENSAYOS DE TURBOMAQUINAS 2013

105

ENSAYOS DE TURBOMAQUINAS 2013

7. Conclusiones  Los resultados obtenidos nos muestran una aproximación de lo que es el comportamiento del flujo en el difusor subsónico a diferentes aperturas de ángulos, obteniendo resultados no muy precisos por la inexactitud de los instrumentos y la toma de datos, además de las pérdidas que se presentan, las gráficas obtenidas del grado de disminución de la velocidad y el grado de elevación de presión en función del ángulo, nos muestran aproximadamente la tendencia de estas curvas comparadas con las curvas teóricas, observándose una semejanza aproximada, debida a los errores y pérdidas antes mencionadas.  Tanto los ángulos límites como las distancias de desprendimiento del flujo son aproximados debido a la imprecisión en la toma de datos y lectura de los instrumentos de medida en la ejecución de la experiencia, además de las pérdidas que se presentan en los ductos de entrada.

106

ENSAYOS DE TURBOMAQUINAS 2013 LABORATORIO N°9 FUERZA DE ARRASTRE SUSTENTACION Y DESPRENDIMIENTO DE LA CAPA LIMITE EN UN CILINDRO I.- OBJETIVOS:   

Determinar el desprendimiento de la capa limite que ocurre en un cilindro tanto para flujo laminar como para flujo turbulento. Conocer el gradiente de presión, la región separada, la estela luego que ocurre la separación del flujo en un cilindro. Conocer la técnica para medir coeficientes de resistencia aerodinámica sobre cuerpos sometidos a una corriente de fluido.

II.- FUNDAMENTO TEORICO: A. CAPA LIMITE.Uno de los grandes éxitos de la teoría de la capa limite es la capacidad de predecir la separación de la corriente. Antes de 1904 nadie había pensado que estas capas tan delgadas pudiesen dar lugar a efectos tan fuertes como la separación de la corriente. Desgraciadamente, todavía hoy, la teoría no puede predecir de forma precisa el comportamiento del flujo en la región desprendida ni su interacción con la región exterior. En 1904 Ludwing Prandtl, publico el concepto de la capa límite, de esta manera enlazo con la teoría clásica de fricción sobre cuerpos sumergidos. CAPA LIMITE: Delgada zona de fluido cercana a la superficie de los cuerpos, donde se presentan grandes variaciones de velocidad y donde se concentran los efectos viscosos. A partir del borde de ataque, la velocidad va creciendo desde cero en la superficie hasta el valor del flujo “ ”, a una altura desde la superficie “ ” siendo esta distancia el espesor de la capa limite. Definimos el espesor de la capa límite como el lugar geométrico de los puntos donde la velocidad u paralela a la placa alcanza el 99% del valor de la velocidad exterior .

Los flujos sumergidos incompresibles con alto número de Reynolds se dividen en dos categorías:  Flujos alrededor de cuerpos romos.

107

ENSAYOS DE TURBOMAQUINAS 2013  Flujos alrededor de objetos aerodinámicos. La capa limite o frontera cerca del punto de estancamiento es una capa limite laminar pero si el numero de Reynolds es lo bastante grande sufre una transición corriente abajo a una capa limite turbulenta.

El flujo podría separase del cuerpo y formar una región de separación una región con flujo recirculante. La estela que se caracteriza por un defecto de velocidad (velocidades menores que la velocidad de corriente libre) es una región de difusión creciente que está detrás del cuerpo. Los esfuerzos cortantes causados por la viscosidad se concentran en la delgada capa límite, la región separada y la estela fuera de estas regiones el flujo se comporta como no viscoso. B. EFECTOS DE LA CAPA LIMITE:

Mientras mayor sea el número de Reynolds en la corriente libre, mayor será la velocidad asociada al tamaño del cuerpo, sin embargo, la viscosidad cinemática del fluido puede variar muy poco. Este hecho hace presumir que el flujo a alta velocidad se comporta como fluido de baja viscosidad. Por otra parte, se observa que, para flujos de alta velocidad, el espesor de la capa límite u es muy pequeño (Prandtl, 1904). Por otro lado, el valor de se hace mayor por lo y que para viscosidades pequeñas, los esfuerzos de corte se hacen grandes. Mientras el espesor de la capa límite sea delgado, la variación de presión en la superficie del cuerpo es pequeña. Esto controla la resistencia de forma. Cuando existe despegue o separación de la capa límite respecto del cuerpo crece el fuerzo de forma y también lo hace el de fricción. La siguiente figura muestra este fenómeno.

108

ENSAYOS DE TURBOMAQUINAS 2013

C. DISTRIBUCION DE PRESION ALREDEDOR DE UN CILINDRO:

109

ENSAYOS DE TURBOMAQUINAS 2013 En el grafico se define el punto de separación, ya que cualquier gradiente más fuerte producirá una corriente de recirculación en la pared entonces el espesor de la capa límite crece considerablemente, y la corriente principal se desprende o separa de la pared. Los perfiles de la figura aparecen normalmente de forma secuencial a medida que la capa limite evoluciona a lo largo de la pared de un cuerpo. Por ejemplo en la parte (a) el gradiente favorable se da en la parte frontal del cuerpo, el gradiente nulo se da poco antes de alcanzar el máximo espesor del cuerpo y el gradiente adverso aparece posteriormente en la parte dorsal del cuerpo.

D. APLICACIONES:

Una capa límite laminar se despega más pronto que una turbulenta sobre una esfera lisa. La capa límite turbulenta retrasa el despegue o separación.

Capa límite laminar (mayor resistencia)

Capa límite turbulenta (menor resistencia)

Una aplicación son las pelotas de golf debido a que en su superficie tiene hoyuelos para asegurar deliberadamente una capa limite turbulenta y tener menor resistencia y entonces viajar más lejos.

E. RESISTENCIA DE CUERPOS SUMERGIDOS: Cuando un cuerpo de forma arbitraria se sumerge en una corriente fluida, el fluido ejerce sobre él, fuerzas y momentos las cuales tienen componentes según los tres ejes coordenados.

110

ENSAYOS DE TURBOMAQUINAS 2013

Cuando elegimos un eje paralelo a la corriente no perturbada la fuerza sobre el cuerpo según este eje se denomina resistencia y el momento alrededor del momento de balanceo. La resistencia correspondiente a una pérdida de cantidad de movimiento y debe vencerse de alguna manera si queremos que el cuerpo avance aguas arriba en la corriente fluida. Una segunda componente muy importante de la fuerza es la que normalmente equilibra el peso se denomina sustentación y es perpendicular a la resistencia el momento alrededor de este eje se denomina de guiñada. La tercera componente que no proporciona ni perdida ni ganancia es la fuerza lateral y el momento alrededor de su eje es el de cabeceo. Cuando el cuerpo es simétrico con respecto al plano formado por los ejes de sustentación y resistencia, como es el caso de aviones, barcos y coches, la fuerza lateral y los momentos de guiñada y balanceo desaparecen. Cuando el cuerpo tiene dos planos de simetría como en la figura como los cilindros, alas y todos los cuerpos de revolución y la corriente no perturbada es paralela a la intersección de estos dos planos denominada cuerda principal del cuerpo hay resistencia pero no hay sustentación ni fuerza lateral ni momentos.

111

ENSAYOS DE TURBOMAQUINAS 2013 El flujo alrededor de un cuerpo romo casi siempre se trata empíricamente lo que nos interesa primordialmente es el arrastre la fuerza que el flujo ejerce sobre el cuerpo en la dirección de flujo.

La sustentación, que actúa normal a la dirección del flujo, puede interesar en el caso de los perfiles de ala.

Puesto que el arrastre sobre un objeto romo está dominado por el flujo en la región separada, no tiene mucho interés estudiar el crecimiento de la capa limite en la parte delantera de un cuerpo romo y el esfuerzo cortante viscoso correspondiente en la pared. Así, el interés se concentra en los datos empíricos que proporcionan el coeficiente de arrastre. DESPRENDIMIENTO DE LA CAPA LÍMITE EN UN CILINDRO:

El desprendimiento de la capa límite es un fenómeno no deseado desde el punto de vista del arrastre, ya que detrás del cilindro aparece una zona de menor presión que en el punto de estancamiento “A” aumentando el arrastre. Para el caso teórico no viscoso corresponde: El flujo laminar es muy vulnerable a los gradientes adversos en la parte posterior del cuerpo y la separación aparece en , cosa que no predijo la teoría no viscosa. La capa limite turbulenta es más resistente a la separación, que se retrasa hasta:

112

ENSAYOS DE TURBOMAQUINAS 2013

Flujo alrededor de un cilindro circular: (a) separación laminar; (b) separación turbulenta; (c) distribución de presión sobre la superficie, teórica y experimental. F.

DESCRIPCIÓN DEL LABORATORIO: MATERIALES USADOS:  Ventilador centrifugo.  Túnel de viento.  Micro manómetro.  Desarmadores.  Juegos de llaves. 1. La práctica se realizara en un túnel de viento para estudiar la capa límite. En él un ventilador centrifugo proporciona una corriente de aire uniforme, además el flujo de aire puede regularse. 2. La medida de la velocidad se realizara atreves de la diferencia de presiones Presión Total menos Presión Estática, que me da como resultado la Presión Dinámica, en la boca del tubo el aire está detenido, por lo que es la presión de estancamiento:

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ENSAYOS DE TURBOMAQUINAS 2013 3. Utilizaremos la siguiente fórmula para halla la velocidad en el túnel:

Despejando la velocidad tenemos:

4. Tomaremos el valor de la presión estática y total en cada uno de los trece puntos distribuidos alrededor del cilindro en un Angulo de 180º. 5. Calculamos el valor de la velocidad para determinar si se trata de un flujo laminar o de un flujo turbulento.

6. Ahora hallaremos el valor de Cp. que es el coeficiente de arrastre, mediante la siguientes fórmulas: 

Teoría No Viscosa.

CP  1  4SEN2 , donde 0    180º 

Para Flujo Turbulento.

Graficas a obtener  Angulo Vs La presión, para determinar si se trata de un Flujo laminar 82º. Flujo turbulento 120º. Que se visualiza en el grafico con el desprendimiento de la capa limite.  Angulo Vs Cp., para ver como varia Cp. para los trece puntos en el cilindro para flujo turbulento.

COMPUERTAS CERRADAS PRESION PRESION ANGULO 1 2 180 265 256,616582 165 275 266,300227 150 270 261,458404 135 270 261,458404 120 275 266,300227 105 285 275,983871 90 300 290,509338 75 300 290,509338 60 270 261,458404 45 170 164,621958

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COMPUERTAS ABIERTAS PRESION ANGULO 1 PRESION 2 180 75 72,62733458 165 75 72,62733458 150 76 73,59569904 135 72 69,7222412 120 73 70,69060566 105 75 72,62733458 90 80 77,46915689 75 90 87,1528015 60 70 67,78551228 45 50 48,41822306

ENSAYOS DE TURBOMAQUINAS 2013 30 15 0 -15 -30 -45 -60 -75 -90 -105 -120 -135

80 20 5 20 110 200 300 300 300 280 270 270

77,4691569 19,3672892 4,84182231 19,3672892 106,520091 193,672892 290,509338 290,509338 290,509338 271,142049 261,458404 261,458404

30 15 0 -15 -30 -45 -60 -75 -90 -105 -120 -135

PRESION 75 72,6273346 ESTATICA PRESION ESTATICA 170 164,621958 PRESION TOTAL PRESION TOTAL PRESION ESTATICA PRESION 0,56997932 (KPa) ESTATICA (KPa) PRESION TOTAL PRESION TOTAL 1,29195313 (KPa) (KPa) 34,6884661 Velocidad (m/s) Velocidad (m/s) 68917,4823 Re Re

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30 10 5 10 30 50 80 90 90 77 75 74

29,05093383 9,683644611 4,841822306 9,683644611 29,05093383 48,41822306 77,46915689 87,1528015 87,1528015 74,5640635 72,62733458 71,65897012

20 45

19,36728922 43,57640075

0,15199449 0,34198759 17,7948076 35353,9225

ENSAYOS DE TURBOMAQUINAS 2013

COMPUERTA CERRADA PRESION DINAMICA Cp -91,9946238 -0,127421 -101,6782684 -0,14083374 -96,83644611 -0,13412737 -96,83644611 -0,13412737 -101,6782684 -0,14083374 -111,361913 -0,15424647

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COMPUERTA ABIERTA PRESION DINAMICA Cp -29,05093383 -0,1529052 -29,05093383 -0,1529052 -30,01929829 -0,15800204 -26,14584045 -0,13761468 -27,11420491 -0,14271152 -29,05093383 -0,1529052

ENSAYOS DE TURBOMAQUINAS 2013 -125,8873799 -125,8873799 -96,83644611 0 87,1528015 145,2546692 159,7801361 145,2546692 58,10186767 -29,05093383

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-0,17436558 -0,17436558 -0,13412737 0 0,12071463 0,20119105 0,22131016 0,20119105 0,08047642 -0,04023821

-33,89275614 -43,57640075 -24,20911153 -4,841822306 14,52546692 33,89275614 38,73457844 33,89275614 14,52546692 -4,841822306

-0,1783894 -0,2293578 -0,127421 -0,0254842 0,076452599 0,178389399 0,203873598 0,178389399 0,076452599 -0,0254842

ENSAYOS DE TURBOMAQUINAS 2013

G. CONCLUSIONES:  Comprobamos que el flujo de aire tanto para la compuerta cerrada y abierta es un flujo turbulento.  Comprobamos que el desprendimiento de la capa límite para los dos casos se realizo cerca de los 120º lo que concuerda con nuestra teoría por lo que ambos flujos son turbulentos.  Determinamos el coeficiente de fricción para flujo turbulento con lo cual podemos determinar la fuerza de arrastre en cuerpo romo. H. RECOMENDACIONES:  Para obtener un flujo laminar y poder apreciar el ángulo en el cual ocurre el desprendimiento de la capa límite tendríamos que disminuir el ingreso de aire al túnel de viento.  Para obtener un flujo laminar tendríamos que regular el caudal de aire de ingreso y entre a una menor velocidad.

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ENSAYOS DE TURBOMAQUINAS 2013 LABORATORIO N°10

ENSAYO DE TURBINA EOLICA 1.- OBJETIVOS:  Hallar la potencia eólica de la hélice de la turbina eólica.  Comprender los parámetros e interpretar los datos obtenidos.

2.- FUNDAMENTO TEORICO: TURBINA EÓLICA Para el ensayo de la turbina eólica, se van a utilizar las ecuaciones aerodinámicas correspondientes, utilizando perfiles estandarizados para la sección de los alabes. Para el perfil del alabe de la turbina eólica se ha usado el perfil: NACA 4412, por la facilidad de su fabricación, por presentar un buen coeficiente de sustentación. El ensayo de la turbia eólica se llevó acabo en las instalaciones de nuestra universidad 3.-INSTRUMENTACION      

Turbina eólica Motor eléctrico Medidor de velocidades. Regulador de compuerta. Tacómetro. Ventilador axial.

4.- PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL 1. 2. 3. 4. 5.

Instalación de los equipos de ventilador axial. Regular los ángulos de ataque de los alabes. Encender el motor eléctrico. Arrancar el ventilador axial Colocar la turbina eólica frente al ventilador axial y por acción del viento, la turbina empezara a girar y entonces se toma las medidas de las rpm, velocidad del viento antes de llegar a la turbina.

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ENSAYOS DE TURBOMAQUINAS 2013

5.- ECUACIONES PARA HALLAR LA POTENCIA AERODINAMICA METODOLOGÍA DE CÁLCULO Determinación del coeficiente de potencia (Cp) y la relación de velocidades o celeridad (λ): Para estimar el coeficiente de potencia máximo que se podría lograr para una configuración dada, se usa la siguiente formula experimental desarrollada en 1976 por Wilson R.E., Lissaman P.B.S., Walker S.N. :

En donde: N: número de palas λ: celeridad o relación de velocidades. Cp: coeficiente de potencia máximo. CD: coeficiente de arrastre del perfil. CL: coeficiente de sustentación del perfil. El diseño de la turbina eólica será de tres palas, los coeficientes de arrastre y sustentación a un determinado número de Reynolds serán tomados de los datos del perfil: NACA 4412, asimismo la relación CL/ CD tiene que ser la máxima posible, la que se logra trazando una recta tangente a la curva en el diagrama polar del perfil, CL vs CD esta a su vez nos determina un ángulo de ataque óptimo. Para el ensayo de nuestra turbina tomamos un número de Reynolds de 50000 que nos da en el diagrama polar del perfil una relación de: (CL/ CD) máx.= 33.4; a un ángulo de ataque óptimo de: α = 8 y 12 grados reemplazando nuestros datos en la Ec (01) nos da un: Cp máx. = 0.4445, asimismo tomamos una eficiencia de 80% para nuestro generador (valor razonable para pequeños generadores de imán permanente). Determinación del diámetro del rotor: Para determinar el diámetro del rotor se utilizó la ecuación de potencia de las Turbinas Eólicas:

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ENSAYOS DE TURBOMAQUINAS 2013

Dónde: d: Diámetro del rotor de la turbina eólica (m). P: Potencia de diseño del aerogenerador (W). ρ: Densidad del aire, (0.91Kg/m3) VD: Velocidad de diseño (m/s) A: Área barrida por la turbina (m2) Cp: Coeficiente de potencia (adimensional). η : Eficiencia del generador. Determinación de las RPM del rotor:

Dónde: N: velocidad de giro de la turbina eólica (r.p.m.). U: velocidad tangencial el extremo de la pala (m/s). VD: Velocidad de diseño (m/s) λ : Celeridad.

Triangulo de velocidades en el alabe de la Turbina Eolica En el alabe de la turbina eolica interactuan tres tipos de velocidades que son: - Velocidad Absoluta o velocidad del viento. - Velocidad Tangencial, producida por el movimiento tangencial de las palas. -Velocidad Relativa, es la suma vectorial de la velocidad tangencial mas la velocidad absoluta.

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ENSAYOS DE TURBOMAQUINAS 2013

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ENSAYOS DE TURBOMAQUINAS 2013 DATOS EXPERIMENTALES Y RESULTADOS alfa = 8 grados

Diámetro

Velocidad 1.8 1.8 1.8 1.8 1.8 1.8 1.8

rpm

6.68 7.38 8.01 9.29 9.84 9.89 11

velocidad tangencial 235 240 250 255 269 280 290

22.15 22.62 23.56 24.03 25.35 26.39 27.33

potencia de la turbina eólica 96.35 129.93 166.12 259.16 307.97 312.69 430.23

alfa = 12 grados Diámetro

Velocidad 1.8 1.8 1.8 1.8 1.8

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0 6.4 7.64 8.1 8.94

rpm

velocidad tangencial 0 190 220 230 235

0 17.91 20.73 21.68 22.15

Potencia de la turbina eólica 0 84.74 144.15 171.78 230.96

ENSAYOS DE TURBOMAQUINAS 2013 6.2.- GRAFICA 01

LA GRAFICA SE REALIZO CON UN ANGULO DE ATAQUE DE 12 GRADOS

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ENSAYOS DE TURBOMAQUINAS 2013

6.3.- GRAFICA 02

LA CURVA SE REALIZO CON UN ANGULO DE ATAQUE DE 8 GRADOS

7.-CONCLUSIONES  La mayor potencia se alcanza con un ángulo de ataque de 8 grados.  En el ensayo de la turbina eólica no se pudo tomar los datos de la potencia eléctrica, porque la faja de transmisión de potencia ofrecía mucha resistencia a la rodadura y por lo tanto la velocidad de flujo de aire que el ventilador expulsaba no era suficiente para hacer girar al alternador.

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