Efectos de la Rugosidad de las Aspas en el Rendimiento del Compresor y del Motor-Un Estudio de CFD y Termodinámica
Autores: Alqallaf, Jasem; Teixeira, Joao A.
Idioma: Inglés
Editor: MDPI
Año: 2021
Acceso abierto
Artículo científico
2021
Efectos de la Rugosidad de las Aspas en el Rendimiento del Compresor y del Motor-Un Estudio de CFD y Termodinámica
Categoría
Ingeniería y Tecnología
Subcategoría
Ingeniería Aeroespacial
Palabras clave
Compresores
Degradación
Rugosidad de la superficie
Implicaciones aerodinámicas
Dinámica de Fluidos Computacional
Rendimiento
Licencia
CC BY-SA – Atribución – Compartir Igual
Consultas: 27
Citaciones: Sin citaciones
La degradación de los compresores es una preocupación común para los operadores de motores de turbina de gas (GTE). La rugosidad de la superficie, debido a la erosión o al ensuciamiento, se considera uno de los principales factores del fenómeno de degradación en los compresores que puede afectar negativamente el aumento de presión diseñado, la eficiencia y, por lo tanto, el rendimiento aero/termodinámico del motor. La comprensión de las implicaciones aerodinámicas de la variación de la rugosidad de la superficie de las palas juega un papel significativo en el establecimiento de la magnitud de la degradación del rendimiento. El presente trabajo investiga las implicaciones de la degradación del compresor causada por la operación en entornos erosivos sobre el rendimiento del ciclo de la turbina de gas, vinculando así la aerodinámica del compresor con un ciclo termodinámico. En el núcleo del presente estudio se encuentra la evaluación numérica del efecto de la rugosidad de la superficie en el rendimiento del compresor utilizando herramientas de Dinámica de Fluidos Computacional (CFD). El caso de prueba del motor de investigación empleado en el estudio comprendió un ventilador, un bypass y dos etapas del compresor de baja presión (reforzador). Se investigaron tres condiciones de operación en la línea de velocidad del 100%, incluido el punto de diseño. Se simularon cinco casos de rugosidad, además del caso liso, con una rugosidad equivalente de grano de arena () de 15, 30, 45, 60 y 150 um. Se utilizó el software de simulación de rendimiento de turbinas de gas de Cranfield, Turbomatch, para modelar el rendimiento degradado del motor. El estudio mostró que el aumento de la rugosidad uniforme está asociado con caídas significativas en la eficiencia, la relación de presión del refuerzo (PR), el flujo másico no dimensional (NDMF) y la relación de presión total del motor (EPR), junto con aumentos en la temperatura de entrada de la turbina (TET) y el consumo específico de combustible (SFC). La evaluación de la degradación del rendimiento empleó variables como la eficiencia isentrópica (), la PR del compresor de baja presión (LPC), NDMF, TET, SFC y EPR. La variación en estas cantidades mostró, para el caso de máxima degradación de la superficie de la pala, caídas del 7.68%, 2.62% y 3.53%, aumentos del 1.14% y 0.69%, y una caída del 0.86%, respectivamente.
Descripción
La degradación de los compresores es una preocupación común para los operadores de motores de turbina de gas (GTE). La rugosidad de la superficie, debido a la erosión o al ensuciamiento, se considera uno de los principales factores del fenómeno de degradación en los compresores que puede afectar negativamente el aumento de presión diseñado, la eficiencia y, por lo tanto, el rendimiento aero/termodinámico del motor. La comprensión de las implicaciones aerodinámicas de la variación de la rugosidad de la superficie de las palas juega un papel significativo en el establecimiento de la magnitud de la degradación del rendimiento. El presente trabajo investiga las implicaciones de la degradación del compresor causada por la operación en entornos erosivos sobre el rendimiento del ciclo de la turbina de gas, vinculando así la aerodinámica del compresor con un ciclo termodinámico. En el núcleo del presente estudio se encuentra la evaluación numérica del efecto de la rugosidad de la superficie en el rendimiento del compresor utilizando herramientas de Dinámica de Fluidos Computacional (CFD). El caso de prueba del motor de investigación empleado en el estudio comprendió un ventilador, un bypass y dos etapas del compresor de baja presión (reforzador). Se investigaron tres condiciones de operación en la línea de velocidad del 100%, incluido el punto de diseño. Se simularon cinco casos de rugosidad, además del caso liso, con una rugosidad equivalente de grano de arena () de 15, 30, 45, 60 y 150 um. Se utilizó el software de simulación de rendimiento de turbinas de gas de Cranfield, Turbomatch, para modelar el rendimiento degradado del motor. El estudio mostró que el aumento de la rugosidad uniforme está asociado con caídas significativas en la eficiencia, la relación de presión del refuerzo (PR), el flujo másico no dimensional (NDMF) y la relación de presión total del motor (EPR), junto con aumentos en la temperatura de entrada de la turbina (TET) y el consumo específico de combustible (SFC). La evaluación de la degradación del rendimiento empleó variables como la eficiencia isentrópica (), la PR del compresor de baja presión (LPC), NDMF, TET, SFC y EPR. La variación en estas cantidades mostró, para el caso de máxima degradación de la superficie de la pala, caídas del 7.68%, 2.62% y 3.53%, aumentos del 1.14% y 0.69%, y una caída del 0.86%, respectivamente.