Una revisión de la literatura sobre turbomáquinas de flujo mixto revela una variación sorprendente en la forma en que los ingenieros utilizan el término "turbomáquina de flujo mixto". En particular, destacan dos concepciones principales del término. Según la primera concepción, 'flujo mixto' se refiere a la unión de las direcciones de flujo axial y radial en un flujo diagonal, lo que resulta en lo que algunos llaman diagonal turbomaquinaria. En la segunda concepción, 'flujo mixto' se refiere a la combinación de distintos elementos donde el flujo es axial en algunos y radial en otros. A este tipo de máquina a veces se le llama turbomáquina combinada axial-radial.

Las turbomáquinas diagonales utilizan un ángulo de flujo entre axial y radial y pueden considerarse meras variantes de las máquinas radiales. El ángulo de flujo diagonal permite que estas máquinas disfruten de algunos beneficios tanto del flujo axial como del radial. Por el contrario, las turbomáquinas combinadas axial-radial representan una integración estratégica de diseños axiales y centrífugos.

A la luz del uso ambiguo del término, uno podría preguntarse razonablemente qué define realmente una turbomáquina de flujo mixto. ¿Es la convergencia de direcciones de flujo, la combinación estratégica de diferentes tipos de máquinas o una fusión de elementos de diseño?

Las turbomáquinas diagonales se caracterizan por el ángulo meridional de salida de su flujo, que oscila entre 0 y 90 grados. Esta geometría permite que el flujo salga más cerca de una dirección axial, con el radio medio de salida mayor que el de la entrada. En los compresores de flujo mixto, este diseño facilita mayores eficiencias dentro de un área de sección transversal restringida. Esta configuración ventajosa aborda una necesidad crítica en diversas aplicaciones como vehículos aéreos no tripulados (UAV), donde la integración de turbinas de gas exige un rendimiento superior dentro de limitaciones espaciales limitadas, así como una alta relación empuje-peso.

Mientras tanto, en las turbinas de flujo mixto, la combinación de elementos de turbina radiales y axiales conlleva sus propios beneficios. Al minimizar la curvatura de la trayectoria del flujo y reducir el flujo secundario, las turbinas combinadas axial-radial pueden optimizar el rendimiento. Este diseño híbrido incorpora un ángulo de cono variable en la entrada de la pala, lo que facilita un ángulo de pala distinto de cero y al mismo tiempo mantiene la integridad radial. El barrido hacia adelante en la entrada no sólo mejora el rendimiento sino que también garantiza la estabilidad estructural, un factor crucial en la eficiencia y confiabilidad de la turbina. En comparación con las turbinas radiales, las turbinas combinadas axial-radial poseen una flexibilidad inherente en diseño y operación, lo que las posiciona como una opción ideal en diversas aplicaciones industriales donde la eficiencia, la adaptabilidad y la confiabilidad son primordiales.

Esta combinación se emplea especialmente en motores de turbina de gas, donde la integración de compresores axiales y centrífugos desempeña un papel fundamental a la hora de mejorar la eficiencia y el rendimiento generales. La combinación implica colocar el compresor de flujo axial como compresor de baja presión en la parte delantera, mientras que el compresor de flujo centrífugo asume el papel de compresor de alta presión en la parte trasera.

La colocación de compresores centrífugos en la etapa final aprovecha el volumen reducido de gas o aire en esa etapa, lo que permite un tamaño de compresor más pequeño y la mitigación de los desafíos asociados con áreas frontales más grandes. Además, el amplio rango operativo de caudales másicos sin atascos hace que los compresores centrífugos sean expertos en manejar el volumen reducido que se encuentra en las etapas finales de compresión.

Por el contrario, las turbinas combinadas radial-axiales emplean la disposición inversa a los compresores centrífugos axiales. En estas turbinas, el flujo ingresa primero a la parte radial, aprovechando la capacidad de rango variable de las turbinas radiales. Luego, el flujo se dirige hacia la parte axial después de la expansión, aprovechando la capacidad de alto caudal inherente a las turbinas axiales. Esta disposición optimiza la utilización de las capacidades de la turbina radial y axial, lo que permite una extracción y utilización eficiente de la energía en un amplio espectro de condiciones de flujo.

En resumen, la categorización de las turbomáquinas combinadas diagonales y axial-radiales bajo el término general "turbomáquina de flujo mixto" tiene un mérito significativo. En el caso de las turbomáquinas diagonales, el término "mezcla" refleja directamente las características del flujo, que se encuentran entre las direcciones puramente axial y radial. Esta ruta de flujo intermedia representa la esencia de mezclar dos patrones de flujo distintos, lo que lleva a la utilización eficiente de las ventajas del flujo axial y radial.

De manera similar, con las turbomáquinas combinadas axial-radial, el término "flujo mixto" resuena con la integración de maquinaria axial y radial. La geometría combinada permite a los ingenieros aprovechar las fortalezas de los compresores axiales y centrífugos en los motores de turbina de gas, logrando así un rendimiento y una eficiencia optimizados. El término "mezcla" aquí subraya la combinación estratégica de estos dos tipos distintos de máquinas, lo que permite la utilización de sus ventajas individuales dentro de un sistema unificado y sinérgico.

Teniendo en cuenta estas consideraciones, nos gustaría plantear una pregunta: ¿Qué significan para usted las turbomáquinas de flujo mixto? ¿Son indicativos de la convergencia de direcciones de flujo, la fusión de diferentes tipos de máquinas o quizás una combinación sutil de varios elementos operativos y de diseño? ¡Apreciamos sus ideas y esperamos leer sus comentarios!

Referencias:

[ 1 ] https://www.softinway.com/wp-content/uploads/2020/09/Flow-Studies-in-a-Mixed-Flow-Compressor-Stage.pdf
[2] Rajakumar, D. y Ramamurthy, Surender y Govardhan, Mukka. (2014). Investigaciones experimentales sobre los efectos de la holgura de la punta en el rendimiento del compresor de flujo mixto: https://doi.org/10.1177/0954410014541102
[ 3 ] https://aviation_dictionary.en-academic.com/786/axial-centrifugal_compressor

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• Fuente: https://blog.softinway.com/what-exactly-is-a-mixed-flow-turbomachine/