Desarrollo de una herramienta de simulación de turbocompresores axiales fuera de diseño

Moreno Ayerbe, Carmen (2017). Desarrollo de una herramienta de simulación de turbocompresores axiales fuera de diseño. Proyecto Fin de Carrera / Trabajo Fin de Grado, E.T.S.I. Industriales (UPM).

Descripción

Título: Desarrollo de una herramienta de simulación de turbocompresores axiales fuera de diseño
Autor/es:
  • Moreno Ayerbe, Carmen
Director/es:
  • Valdés del Fresno, Manuel
Tipo de Documento: Proyecto Fin de Carrera/Grado
Grado: Grado en Ingeniería en Tecnologías Industriales
Fecha: 2017
Materias:
Palabras Clave Informales: Turbocompresores axiales, rendimiento, simulación, curvas características, correlación de pérdidas, criterio de Lieblein, interfaz, relación de compresión, número de etapas, perfil del álabe
Escuela: E.T.S.I. Industriales (UPM)
Departamento: Ingeniería Energética
Licencias Creative Commons: Reconocimiento - Sin obra derivada - No comercial

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Resumen

Los turbocompresores axiales destacan en la industria por sus buenos rendimientos y capacidad para operar con altos flujos másicos y elevadas relaciones de compresión. El rendimiento de los mismos en condiciones fuera de diseño es un aspecto en continua mejora. Al tratarse de máquinas que trabajan a potencias muy elevadas es evidente que el rendimiento es un factor determinante. Las herramientas informáticas de simulación para el diseño y estudio de turbocompresores juegan un papel fundamental en la mejora de los rendimientos alcanzables. Es por esto que el estudio y la comprensión de los parámetros que afectan al rendimiento resultan especialmente interesantes en el ámbito de la ingeniería. La Unidad Docente de Motores Térmicos, perteneciente al Departamento de Ingeniería Energética de la Escuela Superior de Ingenieros Industriales de Madrid, tiene una línea de investigación propuesta por Manuel Valdés del Fresno, que pretende desarrollar un programa informático de simulación de turbocompresores axiales, que complemente el estudio de los alumnos de la asignatura de Turbomáquinas Térmicas. En 2013 se creó una herramienta informática en Matlab para el diseño de turbocompresores de flujo axial. Esta herramienta permite el diseño y caracterización de todas las etapas del turbocompresor. En 2016 se desarrolló un programa de estudio independiente, también en Matlab que, partiendo de los resultados del programa de diseño, calcula las curvas características del compresor. Las curvas características permiten estudiar y predecir el comportamiento que tendrá el turbocompresor en condiciones distintas para las que fue diseñado. El problema básico que se presenta en el cálculo de estas curvas es la determinación de las pérdidas de los escalonamientos en condiciones distintas de las del punto de diseño y es el objetivo fundamental de este trabajo. El procedimiento que sigue el programa desarrollado en 2016 para determinar las curvas se basa en las correlaciones de Lieblein, que permiten calcular las pérdidas y con éstas el rendimiento correspondiente. El programa utiliza un criterio propuesto también por Lieblein para determinar el rango de validez de la correlación de pérdidas. Sin embargo, las curvas características obtenidas con dicho programa presentan anomalías que cuestionan la validez del uso exclusivo del criterio de Lieblein. Además, en algunos casos los resultados sugieren un ajuste más fino. Este trabajo propone una investigación de la validez de las correlaciones utilizadas para mejorar los resultados. Además para conseguir una única herramienta capaz de diseñar y estudiar el turbocompresor fuera de diseño, los dos programas mencionados deben integrarse en uno. Debido a la actualización continua de las versiones de Matlab, y a la diferencia temporal de creación de ambos programas, los códigos requieren de una actualización para cumplir con dicho propósito. Teniendo en cuenta todo lo anterior, en este trabajo se ha procedido a, en primer lugar, actualizar los códigos de ambos programas para hacerlos compatibles con las últimas versiones de Matlab. Para ello se ha analizado y comprendido el método de cálculo de cada programa, comprobándose y corrigiendo posibles errores asociados al código de los mismos. En segundo lugar se ha desarrollado una interfaz que incluye las prestaciones de ambos programas de forma compacta e intuitiva. Para ello se ha utilizado la aplicación GUIDE de Matlab. En tercer lugar se ha analizado el método de cálculo de las curvas características para identificar las anomalías mencionadas. Haciendo un estudio riguroso de los fenómenos que ocurren en cada zona del mapa de curvas, y haciendo las correcciones oportunas en el código, se ha dotado al programa de la capacidad de detectar el límite de validez de las correlaciones usadas. Además, se han mejorado las correlaciones para el cálculo de pérdidas y se han conseguido resultados más ajustados al comportamiento esperable. Por último se ha utilizado el programa desarrollado para analizar la inuencia de los parámetros de diseño en el rendimiento de los turbocompresores, concretamente el número de escalonamientos, la relación de compresión y el tipo de perfil del álabe. Tras el análisis se ha concluido que cuanto mayor es el número de escalonamientos, para una misma relación de compresión, mayor rendimiento se alcanza. Sin embargo, fuera de diseño se ha observado que un número de etapas intermedio, pese a no optimizar el rendimiento en condiciones de diseño, provocaría menores variaciones del mismo durante su funcionamiento. Es decir, un número de etapas menor da lugar a un turbocompresor más robusto. Además se ha conseguido determinar qué tipo de perfil proporciona mejor rendimiento a lo largo del mapa de curvas características. La conclusión principal que se obtiene es que es importante valorar, a la hora de diseñar un turbocompresor, las condiciones en las que éste va a trabajar. Ante condiciones de trabajo variables, había que realizar un balance entre rendimiento máximo alcanzable y robustez. Es evidente que este trabajo no supone el fin del desarrollo de la herramienta de estudio para la asignatura de Turbomáquinas Térmicas. Por ello y en último lugar, se plantean una serie de propuestas a modo de trabajo futuro. Atendiendo a las hipótesis utilizadas para el desarrollo del programa, se propone la incorporación de correlaciones que permitan prescindir del mayor número de hipótesis para un cálculo más completo de las curvas.

Más información

ID de Registro: 47654
Identificador DC: http://oa.upm.es/47654/
Identificador OAI: oai:oa.upm.es:47654
Depositado por: Biblioteca ETSI Industriales
Depositado el: 06 Sep 2017 10:41
Ultima Modificación: 06 Sep 2017 10:41
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