Bombas axiales

No utilizan las fuerzas centrifugas. Los alabes del rotor se comportan mas como las alas de los aeroplanos, ya que se genera una fuerza de sustentación con el cambio en la cantidad de movimiento del fluido cuando giran los alabes. El rotor de un helicóptero, por ejemplo es un tipo de bomba axial. La fuerza de sustentación sobre el alabe la causan las diferencias de presión entre las superficies superiores e inferiores del alabe, y el cambio en la dirección del flujo crea un torbellino descendente (una columna de aire que desciende) a través del plano del rotor. Desde una perspectiva de tiempo promediado, hay un salto de presión en el plano del rotor inducido por el flujo de aire descendente.

Pero el plano del rotor puede girarse para que quede horizontal, y entonces se tiene una hélice. Tanto el rotor del helicóptero, como las hélices del aeroplano son ejemplos de ventiladores abiertos de flujo axial, puesto que no hay tubo o carcasa que rodee las puntas de las aspas. El ventilador de ventana común que se encuentra en las ventanas de las recamaras opera en verano según los mismos principios, pero el objetivo es hacer que fluya

aire, y no el ejercer una fuerza. Es seguro que hay una fuerza neta que actúa sobre la carcasa del ventilador. Si el aire corre de izquierda a derecha, la fuerza sobre el ventilador actúa a la izquierda, y el ventilador queda sujeto por el marco de la ventana. Otra función de la carcasa que rodea al ventilador es que actúa como un

tubo corto, el cual ayuda a dirigir el flujo y elimina algunas pérdidas en las puntas de las aspas. El pequeño ventilador para enfriar que se encuentra dentro de las computadoras es un ejemplo de un ventilador de flujo axial; se parece a un ventilador

para las ventanas, pero en miniatura y es un ejemplo de un ventilador de flujo axial entubado.

Si se observa detenidamente un alabe de la hélice del aeroplano que se ilustra en la siguiente figura, un alabe del rotor de un helicóptero, un alabe de la hélice de un modelo de aeroplano controlado por radio o hasta un alabe de un ventilador de ventana, debidamente diseñado, se ve que la superficie esta torcida.

En particular, el perfil del alabe en un corte transversal cerca de la raíz

o la base del alabe esta a un ángulo de inclinación (ϴ) mayor que el perfil en su sección transversal cerca de la punta ϴ base > ϴpunta. La razón es que la velocidad tangencial del alabe se incrementa en forma lineal con el radio:

uϴ =wr

Entonces, a un radio determinado. La velocidad Vrelativa del aire relativa con respecto al alabe en la primera aproximación se estima como la suma vectorial de la velocidad del viento Vviento y la velocidad del alabe Valabe opuesta:

Vrelativa→≅Vviento→−Valabe→

Donde la magnitud de Valabe es igual a la velocidad tangencial del alabe uϴ, de acuerdo con la ecuación uϴ =wr. La dirección de Valabe es tangencial a la trayectoria rotacional del alabe.

En la posición del alabe que se muestra en la figura anterior, Valabe está a la izquierda.

En la siguiente figura se calcula Vrelativa por un método gráfico por medio de la ecuación

Vrelativa→≅Vviento→−Valabe→ con dos radios, el radio base y el radio en la punta del

alabe del rotor que se ilustra en la figura de arriba. Como se puede ver, el ángulo relativo de ataque α es el mismo en cualquier caso. En realidad, la cantidad de deformación por torsión está determinada cuando se establece el ángulo de inclinación w tal que α es igual en cualquier radio.

Observe también que la magnitud de la velocidad relativa Vrelativa aumenta desde la base hasta la punta. Se infiere entonces que la presión dinámica que encuentran los cortes transversales del alabe se incrementa con el radio, y la fuerza de sustentación por unidad de ancho normal al plano de la figura superior también se incrementa con el radio. Las hélices tienden a ser más angostas en la base y más amplias hacia la punta, con el objetivo de aprovechar la mayor contribución de la fuerza de sustentación de la región más cercana a la punta. Sin embargo, el alabe está rodeado exactamente en la punta para evitar excesiva fuerza de arrastre inducida que existiría si el alabe estuviera cortado en forma aguda como la figura antes de la ultima superior.

La ecuación de arriba no es exacta por varias razones. Primero, el movimiento de rotación del rotor impone un movimiento giratorio al flujo de aire. Esto reduce la velocidad tangencial efectiva del alabe relativa con respecto al viento. Segundo, puesto que la base del rotor es de tamaño finito, el aire se acelera alrededor de él, con lo que aumenta localmente la velocidad del aire en los cortes transversales del alabe cercanos a la base. Tercero, el eje del rotor o la hélice podría no estar alineado exactamente paralelo al viento.

Cuando un ventilador de flujo axial de un solo rotor se usa para mover un fluido en una tubería se le llama ventilador axial de tubo. En numerosas aplicaciones prácticas de ingeniería de los ventiladores de flujo axial, como los extractores de aire de las cocinas, ventiladores entubados para los sistemas de aire acondicionado de edificios, campanas de extracción de humo y ventiladores para enfriar el radiador de los automóviles no importa el movimiento giratorio que producen los alabes al girar. Pero el movimiento giratorio y la intensidad incrementada de la turbulencia pueden continuar por buena distancia corriente abajo, y hay aplicaciones donde el flujo giratorio es totalmente indeseable. Entre los ejemplos se encuentran ventiladores en túneles de viento y algunos ventiladores especializados para ventilar minas. Existen dos diseños básicos que eliminan en gran medida el movimiento giratorio: se instala un segundo rotor, que gira en la dirección opuesta, se serie con el rotor ya existente para formar un par de rotores de los sentidos de giro opuestos; tal ventilador se denomina ventilador contra rotatorio de flujo axial. El movimiento giratorio que genera el rotor corriente arriba es anulado por el movimiento giratorio en la dirección opuesta que produce un rotor corriente abajo. Otra opción es añadir un conjunto de alabes de estator, corriente arriba o corriente abajo del rotor. Como lo indica

su nombre, los alabes del estator son aletas guía estacionarias (no giran), que simplemente re direccionan el fluido. Un ventilador de flujo axial con un conjunto de alabes de rotor (la rueda móvil o el rodete o impulsor) y un conjunto de alabes de estator llamadas guías (el estator) se denomina ventilador axial con aletas de guía. El diseño del alabe del estator y del ventilador axial con aletas de guía, es mucho más simple y menos caro de implantar que el diseño de un ventilador contra rotatorio de flujo axial.