Caracterització del flux a causa de la interacció rotor-estator en turbomàquines mitjançant CFD

Resumen

A les turbomàquines pot haver una forta interacció entre els àleps del rodet i les directrius del difusor que afecten la dinàmica del flux i el rendiment estructural de les màquines. Aquest fenomen s’anomena interacció rotor-estator (RSI), i te una gran influencia en el comportament de la màquina. Aquestes interaccions tenen impacte significant en les característiques de les vibracions i de l’acústica de la màquina i en algunes ocasions aquestes interaccions han portat a la fallada de l’àlep o la directriu. Les inestabilitats i la turbulència juguen un paper fonamental en el RSI i l’ús de la dinàmica de fluids computacional (CFD) s’ha convertit en un requeriment habitual en el disseny de turbomàquines degut a la dificultat i elevat cost de l’experimentació necessària per identificar el fenomen RSI. Actualment els anàlisis de CFD basats en les equacions de Navier-Stokes amb mitjanes de Reynolds (RANS) i un model acoblat de viscositat de turbulència de remolí (EVM), es utilitzat habitualment en el disseny de turbomàquines. Per tant l’elecció de un model de turbulència i del tractament de capa límit apropiat es lluny de ser trivial, donat que un modelat adequat de la turbulència te un paper important per la obtenció de bons resultats en CFD. Per un millor coneixement del fenomen RSI, en la primera part d’aquest treball es realitza amb CFD un estudi no estacionari del flux sobre perfils aïllats, amb l’objectiu de determinar les habilitats dels models RANS en determinar les característiques del flux a la capa límit i el deixant. Es determinen numèricament les velocitats, les fluctuacions de velocitat i les freqüències del despreniment de vòrtex en el deixant en quatre perfils, comparant els resultats obtinguts amb resultats experimentals. Amb l’objectiu de poder conèixer millor la interacció RSI produïda per el moviment dels deixants del rotor sobre la capa límit de l’estator, en una segona part d’aquest treball, s’estudia amb CFD una cascada lineal d’àleps desplaçant-se davant una placa plana. Es determinen les velocitats i les fluctuacions de velocitat a la capa límit, així com les freqüències representatives de la interacció RSI sobre la placa, quan el sistema treballa a condicions de disseny i fora de condicions de disseny, i es comparen els resultats obtinguts amb resultats experimentals. Com a objectiu final es modela amb CFD una bomba centrífuga amb difusor, amb un rodet amb alta càrrega d’àleps. Aquesta màquina s’estudia treballant a condicions de disseny i fora de condicions de disseny, amb l’objectiu de conèixer el complicat patró del flux que es produeix en aquest tipus de bomba. S’han determinat les fluctuacions de pressió degudes a la interacció entre el rodet i el difusor de la bomba, així com les seves freqüències característiques. Els resultats numèrics de CFD son comparats amb resultats experimentals.