Desarrollo de MotoresFan y Compresor Axial Pgina 7- 1 7 DISEO
DEL FAN Y COMPRESOR DE BAJA PRESIN (LPC) En los turbofans con ms de
una etapa de compresin del flujo total, se suele denominar
fanalprimerescalndelconjunto,mientrasquealrestodelosescalonesselessuele
denominar Compresor de Baja Presin (Low Pressure Compressor, LPC).
Los datos de partida de que se dispone para poder abordar el diseo
del conjunto son los siguientes: 1.Condiciones del ambiente, T0t,
P0t. 2.Gasto total de aire que circula por el motor, G, obtenido
mediante el clculo de las actuaciones del motor fuera del punto de
diseo. 3.Relacin de compresin global del conjunto fan/LPC, f , que
se utilizar con el fin de obtener el nmero de escalones necesarios
del grupo y que, igualmente, ha sido obtenido del clculo de
actuaciones del motor fuera del punto de diseo. 7.1DISEO
AERODINMICO DEL PRIMER ESCALN DEL FAN El diseo debe ser una solucin
de compromiso en la que se obtengan etapas con altas relaciones de
compresin (con el fin de reducir el nmero de escalones y por lo
tanto el peso) y altos rendimientos.
Lacorrienteatravsdeloslabesdeuncompresoraxialesintrnsicamente
tridimensional,apareciendogradientesdelasvariablesfluidasenlastresdimensiones
fsicas(axialz,radialrycircunferencial).Adicionalmente,laexistenciadeefectos
viscososynoestacionariosconviertenelproblemaenextremadamentecomplicadode
abordar.Losdiseadores,pararesolverlasdificultadesqueplanteaelproblema,
realizan aproximaciones que permiten el uso de tcnicas de anlisis
del problema en dos dimensiones, consistentes en: 1.Estudios de la
corriente en el plano circunferencial z- (Blade-to-Blade analysis)
2.Estudios de la corriente en el plano meridional z-r (Through-Flow
analysis) Los efectos tridimensionales sobre las variables fluidas
se consideran mediante el uso de
correccionesdesegundoorden.Losefectosdelaviscosidad,noestacionariedade
interaccinentreloslabes,seintroducenrecurriendoalautilizacindedatos
experimentales. 7.1.1PROCEDIMIENTO DE DISEO El procedimiento que se
va a llevar a cabo para el diseo del primer escaln del fan es el
siguiente: 1.Seleccin de la seccin de diseo del rtor. 2.Diseo de la
seccin de diseo del rtor. 3.Diseo del resto de las secciones del
rtor a travs de las correspondientes leyes torsionales. 4.Diseo de
la seccin del radio medio del esttor. Desarrollo de MotoresFan y
Compresor Axial Pgina 7- 2 5.Diseo del primer escaln completo.
6.Diseo del perfil aerodinmico. 7.1.2SELECCIN DE LA SECCIN DE DISEO
Laseleccindelaseccindediseodependerdequeobienexistaalgunaseccin
crticadesdealgntipodeconsideracinobiendequedichaseccinseaunabuena
medida del funcionamiento de la etapa:
Desdeelpuntodevistaaerodinmico,paradiseosconnmerosdeMachrelativos
elevados o muy torsionados ( 4 . 0rreii = ), una de las secciones
crticas es la punta del labe. Paradiseospocotorsionados( 5 . 0i
),laseccinmediaesrepresentativadel funcionamiento de la etapa.
Desde el punto de vista estructural la seccin crtica es la raz del
labe. En el caso del rotor del fan, se elige como seccin de diseo
la punta del labe (r = re). 7.1.3DISEO DE LA SECCIN Para realizar
el diseo de la seccin, se seleccionan unos parmetros de calidad que
sean
representativosdelabondaddeldiseo.Estosparmetrosdecalidaddebernser
optimizados (una solucin de compromiso resultar inevitable)
mediante una seleccin apropiada de los parmetros de diseo elegidos.
7.1.3.1PARMETROS DE CALIDAD 1.Gasto de aire por rea frontal del
motor: G/Af
debeintentarsequesealomselevadoposible.Losdiseosparaaplicaciones
aeronuticas se caracterizan por tener reas frontales ms pequeas
para igual gasto de aire que los diseos industriales. 2.Trabajo
especfico de la etapa: e
debe ser lo ms elevado posible. 3.Relacin de compresin de la
etapa: e
debeserlomselevadaposibleconelfindeobtenerelmenornmerodeetapas
necesarias y minimizar, por tanto, el peso y el coste del
componente. 4.Rendimiento de la etapa: e
debe ser lo ms elevado posible.
5.Esfuerzoscentrfugosenlarazdellabeporunidaddedensidaddel material:
fci/m
deben obtenerse valores razonablemente bajos con el fin de
permitir la seleccin de
unmaterialconelcostemsbajoposibley,encualquiercaso,compatibleconlos
valores alcanzados por los materiales existentes en el mercado
actual. Desarrollo de MotoresFan y Compresor Axial Pgina 7- 3
7.1.3.2PARMETROS DE DISEO 1.Relacin de radios interior / exterior:
eiirr= este parmetro influir de forma inversa sobre el gasto por
unidad de rea frontal del motor. Los valores de este parmetro se
encontrarn en el rango:7 . 0 3 . 0i 2.Solidez: sc=
dondeceslacuerdadellabeyseselespaciadoexistenteentredoslabes
sucesivosenunahilera.Valoresdebajoscorrespondenalabespequeosy
separados, los que da lugar a que la corriente se deflecte poco y
el trabajo especfico obtenido sea bajo. Por el contrario, valores
de altos corresponden a labes grandes
yjuntos,loqueprovocaquelacorrientesedeflectemucho,seobtenganaltos
trabajos especficosy, en contraposicin, se obtengan prdidas altas y
rendimientos bajos.Losvaloresdeesteparmetroseencontrarnenelrango: 2
7 . 0 .Hay que tener en cuenta que para radios bajos, la solidez
aumenta. Si en algn momento la solidez se saliera de los lmites,
puede realizarse un ajuste disminuyendo la cuerda hasta un 15%,
aunque esta reduccin no resulta aconsejable desde el punto de vista
de esfuerzos. i e iiiees srsrs = = [7.1] 3.Relacin de velocidades
axiales: 1 z2 zVV=
Elvalorquemejoresrendimientosproducees=1,aunquesielreadeentradaes
mucho mayor que la de salida, pueden aparecer velocidades radiales
y una forma de evitarlo es diseando con 1. En cualquier caso, con
las herramientas de las que se va a disponer en este ejercicio de
diseo, va a ser imposible determinar este efecto,
porloque,aunqueserealiceelestudioparmetricoconestefactor,siemprese
eligir el valor unidad por defecto. 4.ngulo absoluto de la
corriente a la entrada: 1 Valores distintos del nulo slo pueden
obtenerse si se dispone de labes gua (Inlet
GuideVanes,IGV).Lainclusindelabesguaeneldiseotienelaventajade
mejorarlascondicionesaerodinmicasdelairedeentrada(condicionesms
uniformes)y,deestaforma,evitarqueelfanyelLPCentrenensurge.En
contrapartida, la inclusin de labes gua tiene las desventajas de
aumentar el nivel
ruido,aumentarlasprdidasyobteneruntrabajoespecficomenor,yaque
introducenunacomponentedevelocidadtangencialenelflujodeentrada.Los
valores de este parmetro se encuentran en el rango: 15 01 5.Nmero
de Mach relativo de la corriente a la entrada: M1r
Cuantomayorvalortengaesteparmetromejoraunque,debidoalaaparicinde
ondas de choque, por encima de ciertos nmeros de Mach, las prdidas
provocadas Desarrollo de MotoresFan y Compresor Axial Pgina 7- 4
sontanelevadasqueseempeoraeldiseo.Losvalorescaractersticosdeeste
parmetro estn en el rango:7 . 1 M 2 . 1r 1 6.ngulo relativo de la
corriente a la entrada: 1
Valores de 1r altos implican trabajos especficos altos pero
gasto por unidad de rea frontal bajos (indeseable en aplicaciones
aeronuticas). A medida que disminuye el radio, 1
tambindisminuye.Valorescaractersticosdeesteparmetroenpuntade pala:
80 701. 7.1.3.3LIMITACIONES APLICABLES DURANTE EL DISEO 1.Factor de
difusin: D
EstefactorfuedefinidoporLiebleinyproporcionaunaindicacindelgradode
difusindelflujoenlassuperficiesdesuccindelabesencascadas
bidimensionales. Se puede expresar tanto en funcin de velocidades
absolutas como relativas en el caso del rtor: Rtor 12 112V 2V VVV1
D + = [7.2.a] 11 212W 2V VWW1 D + = [7.2.b] 12 112W 2W WWW1 D + =
[7.2.c] Esttor 23 223V 2V VVV1 D + = [7.3]
Unaumentodelfactordedifusinindicaquelacorrientesedeflectams(V2
aumenta y conseguimos ms elevados), pero a su vez los gradientes
adversos que
tienequesoportarlacapalmitesonmayoreshastaunpuntoenquepuede
producirseeldesprendimientodelamisma.Conelfindeevitaresteproblema,se
establecen los siguientes lmites: [ ][ ] =) 1 ( 3 . 0 1 r r r para
6 . 0) 1 ( 1 . 0 1 r r para 35 . 0Di e ii emax[7.4] 2.Nmero de Mach
de la corriente absoluta a la salida del rtor: M2a
Debesersubsnica.AmedidaquenosacercamosalarazM2aaumenta.Sesuele
escoger un lmite de M2a 0.85. 3.Grado de reaccin total: K
Desarrollo de MotoresFan y Compresor Axial Pgina 7- 5
Elgradodereaccintotaldainformacindecmoquedarepartidalacarga
aerodinmica (aumento de presin esttica) entre el rtor y el esttor.
==2V V1h hK2122 1 2[7.5]
AmedidaquenosacercamosalarazKdisminuye.Enningnmomentopuede pasar
que K
