Caracterización de álabes de turbina axial con difusores de vórtice

Abstract

RESUMEN: Se realizó un estudio de difusores de vórtices en los álabes del rotor en una turbina de alta presión del CFM56 tomando en cuenta, principalmente, las pérdidas aerodinámicas que se producen en la parte superior de los álabes debido al claro que existe entre la carcasa del motor y la punta del álabe, lo que genera una diferencia de presión y de velocidades que se presenta tanto en el lado de succión como en el lado de presión, produciendo vórtices llamados “vórtices de fuga” que se sitúan en el lado de succión, y al combinarse con otras pérdidas en el rotor producen una disminución de la eficiencia de la etapa. Dicho estudio se realizó aplicando dinámica de fluidos computaciones (CFD) para lo cual, primeramente se realizó un análisis de independencia de malla tomando en cuenta la diferencia de flujo másico. El mallado fue realizado en Autogrid 4 y Autogrid 5, siendo este un mallado totalmente estructurado. El análisis fue hecho para una velocidad de rotación de 1434 rpm y con datos que se obtuvieron de diversos manuales del motor CFM56. La simulación numérica fue realizada en estado estacionario, en 3D y se utilizó Spalart Allmaras como modelo de turbulencia para resolver las ecuaciones de Navier Stokes. Se realizaron dos geometrías de difusores de vórtice y dos geometrías con cavidad y difusor de vórtice. Los resultados fueron primeramente comparados con el álabe con punta plana donde se obtuvo una mejora del 10% en la eficiencia para los casos de solo difusor de vórtice. Sin embargo, también se hicieron comparaciones entre los casos; donde se encontró que los difusores de vórtices disminuyen su efectividad al momento de combinarlos con una cavidad en el álabe. ABSTRACT: Analysis of winglet in the rotor blades was done in a high pressure turbine of the CFM56 in order to decrease the aerodynamic losses that occur in the upper part of the blades due to the clearance that exists between the engine housing and the tip of the blade, which generates a difference in pressure and velocity between the suction side and the pressure side, thus leakages vortex are created and are located on the suction side of the blade, which combined with other losses in the rotor produces a decrease in the efficiency of the stage. This study was developed using computational fluid dynamics (CFD). Firstly, grid analysis was done, using the difference between the inlet and the outlet of the mass flow in a flat tip blade, the grid was developed in Autogrid 4 (flat tip blade) and Autogrid 5 (winglet - squealer tip blade). The analysis was done for a rotation speed of 1434 rpm and the data that was obtained from various CFM56 engine manuals. The numerical simulation was done in steady state and Spalart Allmaras was used as turbulence model to solve the Navier Stokes equations Two different geometries of winglet and two different winglet – squealer geometries were studied. The result was compared with a flat tip blade, where an improvement of 10% with winglet application was found; nevertheless, when the geometries Winglet – Squealer were analyzed, the efficiency was almost as the one founded in flat tip. On the whole, the winglet lost its effectiveness when squealer was applied.