laboratorio 1 DIFUSOR SUBSONICO

ENSAYOS DE TURBOMAQUINAS

LABORATORIO N0 1

DIFUSOR SUBSÓNICO

1. OBJETIVOS: ➢ Analizar el flujo de aire a través de un difusor subsónico. ➢ Describir y explicar la influencia del ángulo de apertura del difusor en la variación de la presión a lo largo de este. ➢ Determinar las propiedades aerodinámicas del difusor. 2. MARCO 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 α ).

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 F 2/F1 y del ángulo α 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 α ≤ ( 8∼ 10 º ) éstas pérdidas se explican

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ENSAYOS DE TURBOMAQUINAS principalmente por el rozamiento cerca de las paredes, y para α > ( 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:

P1 − P2 = ∆Pd* = ϕ d *

*

ρ1 ρW2 W (1) (W1 − W2 ) 2 = ϕ d 1 1 (1 − 2 ) 2 2 2 W1

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

W2 F1 = W1 F2

En este caso, la ecuación ( 1 ) tendrá la forma:

P1 − P2 = ∆Pd* = ξ d *

*

ρ1W12 2

Donde :

ξ d = ϕ d (1 −

F1 2 ) F2

Es el coeficiente de la resistencia hidráulica del difusor; ϕ 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 α lim usualmente se determina por el valor máximo del grado de elevación de presión estática P2 / P1

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En la Fig. 2 se ve la dependencia del grado de elevación de presión estática (P2 / P1) en el difusor en función del ángulo de apertura del difusor (α ).

Fig. 2 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 α 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 (α lim). El desprendimiento del flujo surge cuando α es un poco menor que lim el régimen del desprendimiento desarrollado corresponde al ángulo límite de apertura del difusor (α lim).

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Se puede halar 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 contenido es:

➢ ➢ ➢ ➢ ➢ ➢ ➢ ➢ ➢

➢ ➢ ➢ ➢

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 (α ).

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ENSAYOS DE TURBOMAQUINAS 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 (α ) La longitud L de las paredes del difusor es 150 mm.

Figura Nº4

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ENSAYOS DE TURBOMAQUINAS 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 =0,2,4,6,8 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. FORMULAS PARA EL CÁLCULO: 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. P1* = 106.6 B0 [Pa] 2. La presión absoluta estática en la entrada del difusor: P1 = 106.6 B0 – 7.84 (P + P1) [Pa] 3. La presión absoluta total en la salida del difusor: P2* = 106.6 B0 – 7.84 (P + ∆ P2*)

[Pa]

4. la presión absoluta estática en la salida del difusor P2 = 106.6 B0 – 7.84 (P +  P2) [Pa] 5. La presión absoluta estática local en cada uno de los doce puntos de medición sobre la pared giratoria Pi = 106.6 B0 – 7.84 (P + Pi) [Pa]

6. La función gasodinámica Π (λ ) en la entrada del difusor. P π (λ1 ) = 1* P1 7. La velocidad reducida del flujo en la entrada del difusor:

λ1 =

1 − π (λ1 ) k −1 k +1

k −1 k

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Donde k = 1.4, índice adiavático para el aire 8. La velocidad crítica del flujo:

2k RT0 k +1

a=

[m/s] Donde R = 287.3 J / kgK T0 = T0 (ºC) +273 [K]

9. La velocidad del flujo a la entrada del difusor: W1 = λ 1 a

[m/s]

10. La función gasodinámica () en la salida del difusor.

π (λ1 ) =

P2 P2*

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

1 − π (λ1 ) λ2 = k −1 k +1

k −1 k

12.La velocidad del flujo a la salida del difusor: W2 = λ 2 a

[m/s]

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

w=

w2 w1

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

P=

P2 P1

Según los resultados de calculo se traza al grafico

P= Y por lo tanto de

P2 = f (α ) P1

se determina

.

α lim

P

15.La presión dinámica en la entrada del difusor

ρ1W12 = P1* − P1 2

[Pa]

16.Las pérdidas de la presión total en el difusor

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ENSAYOS DE TURBOMAQUINAS ∆ Pd*=P1* - Pd*

[Pa]

17.El coeficiente de la resistencia hidráulica del difusor

ξd =

∆Pd* ρ1W1 2

Según los resultados de cálculo se traza el grafico

ξ d = f (α) 18.el grado local de elevación de la presión estática se calcula e cada de los 12 puntos de medición sobre la pared giratoria

Pi =

Pi P1

Según los resultados de calculo para cada valor de grafico de distribución de

α

se traza el

a lo largo de la longitud L de la pared

Pi giratoria del difusor y utilizando estos gráficos se determina la posición Ls del punto de desprendiendo, relativo a la sección de entrada del difusor. DESIGNACIONES

α

P* : Presión Total P : Presión Estática B0 : Presión Barométrica d : Coeficiente de resistencia hidráulica del difusor ϕd : 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

6. Tabulación de datos

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Á n g u lo d e la p la c a α

∆

∆

∆

∆

∆

∆

∆

∆

∆

∆

P r e s io n e s e s t ∆

∆

∆

Po 2

0 2 4 6 8

6. Resultados 6.1. Tablas

α

α

a=290

P1 P2 9 132 132 13 196 157 26 230 187 Po 1 4 7Po 2 2 8P91 2 4P21 0 7 8 . 61 457 26 .38270 17 . 21 617887

2 4 6 8

. 7 8 . 1 57 26 . 7 97 16 . 6 17 86 . 9 07 96 . 7 8 . 1 57 26 . 6 27 46 . 3 57 16 . 6 57 36 . 7 8 . 1 57 26 1. 3 7 o75 . 18 87 46 . 2 17 275 . 7 8 . 1 57 26 . 0 57 15 . 6 47 45 . 9 87 85 .

P /P

0 L ( m m 2 ( P i/ P 1 ) 4 α

P3 132 157 191 2 P531 . 12 317 987

P/

0) ,. 9 91 02 6 0 . 9 8 3 8 , 01 .0 0 0 .9 7 9 1 - 10 -

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Ed vs alfa

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CONCLUSIONES: ✔ Se comprobó que en la zona laminar como en la zona turbulenta, de los campos adimensionales de velocidad como debería ser su comportamiento según teoría. ✔ Comprobamos como es que fuera de capa limite el efecto de la viscosidad ya no tiene importancia, o sea se convierte un flujo no viscoso. ✔ Tanto los ángulos límites como las distancias de desprendimiento del flujo son aproximadas 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.

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