Influencia de la disposición entre haces fijos y móviles en la generación de ruido tonal en soplantes axiales

Abstract

En la presente tesis doctoral se realiza el estudio de los fenómenos asociados con la interacción producida entre los haces fijos y móviles en soplantes axiales y, más concretamente, de los relacionados con la generación de estelas. La disposición de las partes fijas y móviles en la etapa de una soplante axial condiciona las estructuras del flujo generados en su interior y, por consiguiente, el comportamiento global de la máquina. Además, se lleva a cabo un estudio de las fuentes de ruido vortical a partir del análisis del desarrollo de vórtices en el seno del fluido. Para obtener una descripción completa del flujo en el interior de la máquina se construyó un banco de ensayos que permitía realizar medidas utilizando anemometría térmica de hilo caliente. Se realizaron una serie de medidas experimentales con el objetivo de estudiar tanto las no estacionaridades presentes en el flujo como las estructuras vorticales. Con toda la información recogida durante las medidas experimentales se identificaron los fenómenos que se producen en el flujo, tales como el transporte de estelas y la mezcla viscosa. Paralelamente se construyó un modelo numérico que permitiera calcular el flujo en el interior de la soplante. Para simular el movimiento de los vórtices provenientes de las estelas, fenómeno que se produce principalmente a caudales fuera de diseño, se utilizo un esquema LES. A partir de la comparación entre los resultados numéricos y experimentales, se concluye que el modelo numérico reproduce fielmente los fenómenos no estacionarios que se producen en el interior de la máquina. También se comprobó la capacidad del esquema LES para resolver las principales estructuras turbulentas presentes en el flujo, tanto a caudal nominal como a caudales fuera del mismo. En la segunda parte de la tesis se identifican las fuentes de sonido de vórtice en este tipo de turbomáquinas. A partir de la evolución temporal de los vórtices en las capas de cortadura se obtiene la distribución de la vorticidad tanto en la zona de los álabes como en el centro del canal. Posteriormente, la analogía aeroacústica de Powell utiliza esas distribuciones para identificar las fuentes de sonido en el interior del ventilador. Los resultados experimentales y los numéricos se procesaron para calcular las escalas de vorticidad presentes en el flujo y así predecir el comportamiento acústico de la máquina. El estudio comparativo de dos configuraciones, tanto rotor-estátor como estátor-rotor, permitió analizar la influencia que tienen tanto la mezcla de estelas como la nucleación de puntos turbulentos en la distribución del término fuente de Powell. Además, queda establecida la relación entre el tipo de configuración de la máquina y la generación de ruido vortical, incluyendo tanto el impacto que se produce en su comportamiento global como en la contribución de los mecanismos de interacción.