Análisis del punto de bloqueo sónico en turbomáquinas axiales mediante modelos de orden reducido

La industria aeroespacial está en continuo movimiento para poder proporcionar motores cada vez mejores. La tendencia que están siguiendo los nuevos diseños resulta en motores más eficientes, que emiten menos contaminantes y producen un menor ruido acústico. Todo esto, intentando mantener el resto de las características de los motores ya existentes y que los costes sean mínimos. El proceso de diseño de nuevas turbinas aeronáuticas precisa de diversos métodos de simulación para poder detectar los problemas de diseño de forma temprana. En función de la fase de diseño (estudio de la viabilidad, concepto, detalle. . . ), el grado de aproximación o simplificación de los modelos utilizados varía. Uno de los modelos más simples utilizados actualmente en la industria para simular la eficiencia termodinámica, es el modelo de línea media. Esta formulación permite evaluar la eficiencia de una turbomáquina de una manera simplificada. El objetivo de este trabajo es estudiar el comportamiento de la formulación de línea media aplicada a una turbomáquina en las proximidades del punto de bloqueo sónico. Este tipo de estudios permiten entender y prever algunos problemas que pueden aparecer en un software de simulación. Entender lo que sucede en las cercanías del punto de bloqueo sónico posibilita el desarrollo de códigos numéricos más robustos. Uno de los principales problemas que existen cuando se modeliza un problema físico a través de ecuaciones matemáticas es que pueden aparecer resultados que matemáticamente tienen sentido pero que no lo tengan desde un punto de vista físico. Así mismo, también es posible que aparezcan ecuaciones incompatibles (sin solución matemática). En las cercanías del punto de bloqueo sónico, el sistema de ecuaciones matemáticas pasa de tener soluciones múltiples a no tener solución, siendo esto un potencial problema para que el modelo falle. En este trabajo se ha desarrollado un modelo matemático utilizando la formulación de línea media (Meanline). El sistema de ecuaciones se ha reducido a una única expresión con una sola incógnita. Al tratarse de una ecuación trascendente, se ha implementado una serie de rutinas en MATLAB para encontrar las soluciones de forma numérica. Se han considerado diferentes posibilidades de suministrar las pérdidas aerodinámicas y se ha estudiado el efecto de dichas pérdidas en el punto de bloqueo sónico. Si bien el modelo desarrollado cuenta con diversas simplificaciones, ha permitido analizar varias características útiles a la hora de implementar un código numérico real dentro de un sistema de diseño de turbomaquinaria. De esta manera, se ha demostrado que en la formulación de línea media existen tres posibles situaciones dependiendo del punto de operación analizado: pueden existir dos, una o ninguna solución. El punto de bloqueo sónico se corresponde con la situación en la que las dos soluciones colapsan en una única. El modelo desarrollado también ha permitido demostrar que el punto de bloqueo sónico no siempre se alcanza en el punto crítico (definido como aquel en el que el flujo pasa de subsónico a supersónico, es decir, número de Mach igual a uno). En particular, se ha observado que, dependiendo de la forma de suministrar las pérdidas aerodinámicas al modelo, las dos soluciones pueden ser subsónicas antes de alcanzar el punto de bloqueo sónico. Por último, también se ha comprobado que, aunque el punto crítico no siempre se corresponde con el punto de bloqueo sónico, sí que coincide siempre con el punto de operación de máxima entropía generada. Ignaci