Un mapa de compresores es un gráfico que muestra el rendimiento de un compresor de turbomáquinas . Este tipo de compresor se utiliza en motores de turbina de gas , para sobrealimentación de motores alternativos y para procesos industriales, donde se le conoce como compresor dinámico. Se crea un mapa a partir de los resultados de la prueba del equipo del compresor o se predice mediante un programa informático especial. Alternativamente, el mapa de un compresor similar se puede escalar adecuadamente. Este artículo es una descripción general de los mapas de compresores y sus diferentes aplicaciones y también contiene explicaciones detalladas de mapas para un ventilador y compresores de presión intermedia y alta de un motor aeronáutico de tres ejes como ejemplos específicos.
Los mapas de compresores son una parte integral de la predicción del rendimiento de turbinas de gas y motores turboalimentados, tanto en condiciones de diseño como fuera de diseño. También cumplen un propósito crítico en la selección de los compresores correctos para los procesos industriales.
Los ventiladores y las turbinas también tienen mapas de funcionamiento, aunque estos últimos son significativamente diferentes en apariencia a los de los compresores.
Diseño de compresor
Un mapa de compresores muestra el rango de operación de un compresor y qué tan bien funciona dentro de su rango de operación. Dos requisitos fundamentales para el gas que fluye a través de un compresor explican por qué funciona mejor en una condición de diseño y no tan bien en otras condiciones, conocidas como fuera de diseño. Primero, el área de salida debe ser más pequeña que el área de entrada porque el gas comprimido tiene una densidad más alta. El área de salida está dimensionada para pasar el volumen específico en las condiciones de diseño. [1] En segundo lugar, todas las palas del rotor y del estator en un compresor axial, y el inductor del impulsor y las paletas del difusor en un compresor centrífugo, [2] [3] están en ángulo para cumplir con el aire que se aproxima en la condición de diseño para minimizar las pérdidas por incidencia. . Las pérdidas por incidencia reducen la eficiencia de la compresión. El funcionamiento satisfactorio del compresor se basa en controlar el ángulo en el que el gas se acerca a las palas giratorias y estacionarias dentro de un rango aceptable. Desviarse del óptimo primero da como resultado un aumento de las pérdidas / reducción de la eficiencia y luego un bloqueo o velocidad sónica / estrangulamiento que se producen en los pasajes de las palas en los extremos opuestos de un compresor axial al mismo tiempo. [4] También ocurren en un compresor centrífugo en la entrada del impulsor y en el difusor.
El punto de diseño del compresor estará en un área de alta eficiencia, ya sea que el compresor sea parte de un motor de turbina de gas o si se usa para bombear aire a un alto horno. Sin embargo, el compresor tiene que proporcionar un rendimiento adecuado en otras condiciones de funcionamiento que se le impongan, lo que significa que se requiere una alta eficiencia en un rango de funcionamiento más amplio. [5] En el caso de un motor de turbina de gas, debe permitir que el motor se encienda fácilmente y se acelere rápidamente hasta la velocidad de diseño, lo que significa operar a velocidades más bajas que la velocidad de diseño. A velocidades y flujos alejados del punto de diseño, la reducción del área de flujo del compresor no es apropiada para el aumento de densidad real. Un informe de la NACA [6] ilustra gráficamente la diferencia en la contracción requerida en las condiciones de diseño y a baja velocidad. A velocidades más bajas, por ejemplo, el gas no se ha comprimido lo suficiente como para salir del compresor sin afectar adversamente los ángulos de ataque de las palas a través del compresor. Lejos del punto de diseño, las etapas intermedias de un compresor axial continúan funcionando aproximadamente en el ángulo de ataque óptimo, pero las etapas delanteras se desvían en un sentido, hacia la pérdida, y las etapas traseras en la dirección opuesta hacia el estrangulador. [7] La desviación fue aceptable hasta una relación de presión de diseño de aproximadamente 5: 1, produciendo solo una pérdida de eficiencia. Con relaciones de presión de diseño más altas, se evitaba la pérdida de rotación, que se produce a bajas velocidades corregidas, [8] y se requería asfixia con la introducción de álabes de guía de entrada que se cerraban parcialmente a bajas velocidades, o eliminando el aire parcialmente a lo largo del compresor a bajas velocidades. velocidades. [9] Las filas de estatores variables o compresores divididos, que permitían que las etapas delanteras se aceleraran y las traseras se desaceleraran entre sí, también se introducirían por la misma razón. Cuando las relaciones de presión alcanzaban aproximadamente 12: 1, los compresores incorporarían más de una de estas características juntas.
Correcciones para el puesto giratorio
Los primeros ejemplos de diferentes soluciones para aliviar la pérdida de rotación en las etapas delanteras incluyen el Rolls-Royce Avon con paletas de guía de entrada variable y purga entre etapas , el General Electric J79 con paletas de guía de entrada variable y estatores variables, el Bristol Olympus con compresor dividido y el Pratt & Whitney J57 con compresor split y purga de intercompresor. El sangrado del compresor hasta este punto solo había sido necesario para arrancar y acelerar más allá de las velocidades bajas corregidas, donde su pérdida de producción de empuje, debido al vertido por la borda, no era importante.
Un desarrollo adicional fue la purga permanente del compresor que se dirigió de regreso al motor, donde contribuyó al empuje. El Rolls-Royce Conway tenía un compresor dividido con intercompresor sangrado al jetpipe. Un compresor dividido con esta disposición de derivación permitió la relación de presión más alta de cualquier motor Rolls-Royce, en ese momento, sin la necesidad de paletas de guía de entrada variable o purga entre etapas. [10] Era más conocido como un arreglo para una mejor eficiencia de propulsión, un motor de derivación. El Pratt & Whitney J58 usó sangrado por la borda entre etapas para arrancar y acelerar a bajas velocidades corregidas, pero como regresó a estas velocidades a altos números de mach, el sangrado se abrió de nuevo, pero esta vez se dirigió al jetpipe donde enfrió el postquemador y la boquilla. Este enfriamiento contribuyó indirectamente al empuje para permitir que se quemara más combustible en el postquemador. Una disposición similar, pero usando un compresor dividido con intercompresor sangrado al jetpipe, se conoció más tarde como turborreactor 'con fugas', un motor de derivación con solo suficiente derivación para enfriar el postquemador y la boquilla.
Mapa de compresores
Los compresores bombean gas para una amplia variedad de aplicaciones, cada una de las cuales tiene su propia resistencia al flujo que el compresor debe cumplir para mantener el flujo de gas. Un mapa muestra las características de bombeo para la gama completa de caudales y requisitos de presión para su aplicación. El mapa se puede producir accionando el compresor con un motor eléctrico con la resistencia al flujo seleccionada artificialmente usando una válvula reguladora de área variable. El compresor también puede mapearse si es parte de un generador de gas con una válvula en la salida de la turbina. Campbell [11] muestra un compresor General Electric J79 mapeado de esta manera.
Análisis dimensional
El rendimiento del compresor cambia, día a día, con cambios en la presión y temperatura ambiente. Woolenweber [12] muestra el cambio en el rendimiento de un compresor de turbocompresor cuando la temperatura de entrada varía entre 70 y 100 grados F. En el caso de los compresores de avión, la presión de entrada y la temperatura también cambian con la altitud y la velocidad del aire. La presentación de un rendimiento diferente para cada combinación de temperatura y presión de entrada sería inmanejable, pero es posible colapsarlo todo en un solo mapa, que es aplicable a una amplia gama de condiciones de entrada, utilizando análisis dimensional . En el análisis dimensional, las cantidades individuales, como la velocidad del rotor, el flujo másico y la presión de entrega, se agrupan cada una con otras cantidades relevantes de tal manera que los grupos no tienen dimensiones pero aún tienen un significado físico. Por ejemplo, la velocidad del rotor, temperatura de entrada , diámetro del compresor y propiedades del gas y se agrupan como adimensionales que es equivalente al número de máquina de la hoja.
Los grupos de parámetros que se utilizan como base para los mapas de compresores de motores de turbina de gas son la relación de presión total ( salida P / entrada P ),, y eficiencia. , por ejemplo, se simplifica a continuación sin dejar de ser representativo del número de mach. Los mapas para otras aplicaciones utilizan presión de descarga y caudal volumétrico. [13]
Para un compresor y un gas en particular, los grupos de flujo y velocidad se simplifican, eliminando los términos que son constantes para un compresor y una aplicación en particular, es decir, las dimensiones del compresor y las propiedades del gas. , , y γ . Se denominan parámetros pseudoadimensionales. y .
Un paso final es dar a los parámetros pseudoadimensionales unidades estándar para el flujo másico y la velocidad y valores numéricos más reconocibles mediante la aplicación de factores de corrección de la relación de presión y temperatura, también derivados como parte del análisis dimensional.
Los parámetros corregidos son y . [14] Tienen las mismas unidades que los valores originales observados y se corrigen a las condiciones estándar acordadas, la Atmósfera Estándar Internacional a nivel del mar (ISA SL). Alternativamente, pueden mostrarse en relación con el valor de diseño donde el valor de diseño se especifica como 100% o 1.0.
El combustible quemado en un motor de turbina de gas establece la línea de funcionamiento del compresor y también debe usarse en forma "adimensional" para mostrar su efecto en el funcionamiento del motor. [15] Se utiliza como una relación con la presión de la cámara de combustión cuando se muestra en un mapa del compresor. El flujo de combustible corregido se muestra comocombustible . Aunque tanto el aire como el combustible son flujos de fluido, sus parámetros adimensionales son diferentes, y , porque el flujo de aire adimensional es una forma de número de Mach del fluido, mientras que el combustible es el flujo de una fuente de energía incompresible. Las dimensiones del flujo de aire son M / ty las del flujo de combustible son ML 2 / t 3 , [16] donde M, L y t son masa, longitud y tiempo.
El flujo de combustible también se muestra en el mapa de un compresor, pero en la forma de su efecto, es decir, la temperatura de entrada de la turbina. Este efecto se muestra, nuevamente de forma no dimensional, como la relación entre la temperatura de entrada de la turbina y la temperatura de entrada del compresor, y se conoce como relación de temperatura del motor. Grandcoing [17] muestra las líneas de temperatura constante cruzadas cuando un compresor de helicóptero pasa de sin carga a lleno. -cargar con flujo de combustible creciente.
Corregir los valores observados o medidos a las condiciones estándar del día
De la igualdad de los parámetros de flujo en dos días diferentes. día 1 día 2 , los valores medidos en un día se pueden corregir a los que se medirían en un día estándar, por lo que,
corr dónde son valores medidos y 519 degR y 14.7lb / sq in son la temperatura y presión estándar del día.
Los factores de corrección de temperatura y presión son y , entonces corr
Para la velocidad, el valor corregido es corr
Ejemplo : [18] Un motor está funcionando al 100% de velocidad y 107 libras de aire ingresan al compresor por segundo, y las condiciones diurnas son 14.5 psia y 30 grados F (490 grados R).
En un día estándar, el flujo de aire sería que es 105,2 lb / seg. La velocidad seríaque es el 103%. Estos valores corregidos son los que aparecerían en el mapa del compresor para este motor en particular.
Este ejemplo muestra que un compresor funciona aerodinámicamente más rápido en un día "frío" y sería más lento en un día "caluroso". Dado que las condiciones de "día" son las de entrada al compresor, se produce artificialmente un día extremadamente "caluroso" debido al aumento de la temperatura del ariete a altos números de Mach. La velocidad aerodinámica es lo suficientemente baja, a pesar de que el motor está funcionando a su velocidad mecánica nominal del 100%, para entrar en la región de pérdida de rotación en el mapa, por lo que un motor que funcione con estos números de Mach necesita las características adecuadas. La General Electric J93 tenía estatores y álabes de guía de entrada variables. El Pratt & Whitney J58 tenía purga entre etapas del compresor y álabes de guía de entrada de 2 posiciones. El Tumansky R-15 tenía precompresor de refrigeración para reducir la temperatura del aire y evitar bajas velocidades corregidas.
Similitud cinemática
La base para usar parámetros corregidos en el mapa es la similitud cinemática del número de mach . El flujo y la velocidad corregidos definen los números de máquina a través del compresor y los ángulos de flujo en las palas usando triángulos de velocidad . Los triángulos de velocidad permiten transferir flujos entre diferentes marcos de referencia. En este caso, la velocidad del gas y la velocidad circunferencial de la pala en un marco estacionario se convierten en velocidad en un pasaje de marco giratorio (rotor). [19] Las pérdidas en las hileras de palas y paletas dependen principalmente de los ángulos de incidencia y el número de mach. [20] Un punto de funcionamiento particular en el mapa determina los números de mach y los ángulos de flujo en todas partes del compresor. [21]
Vuelo a altos números de Mach
Un ejemplo histórico, el Pratt & Whitney J58 , ilustra la importancia de utilizar valores corregidos. La pérdida de rotación ocurre a bajas velocidades corregidas [22] por lo que ocurre durante el arranque y también por encima del ralentí. Puede aliviarse abriendo una válvula de purga para aumentar el flujo de aire. A velocidades de vuelo muy altas, el compresor volverá a esta área de baja velocidad corregida, por lo que el mismo punto de operación ocurre a baja velocidad de rotación en el suelo y máxima velocidad de rotación a mach 3 a gran altitud. El estancamiento, la baja eficiencia, la vibración de la hoja y la falla que plagaron las bajas velocidades corregidas en el suelo han regresado al 100% de las rpm del rotor a mach 3. [23] El mismo punto de operación en el mapa tiene los mismos números de mach periféricos y axiales, la misma velocidad triángulos, la misma eficiencia [24] a pesar de que la velocidad real del rotor y la temperatura de entrada del compresor son 4750 RPM / 60 ° F en el suelo y 7,000 RPM / más de 600 ° F a Mach 3. [25] [26] El mismo punto de operación corregido requería la misma solución para evitar el estancamiento y aumentar la eficiencia que era purgar el aire de la 4ta etapa del compresor. [27]
Límites operativos
El compresor tiene límites operativos en los extremos de flujo para una velocidad particular que son causados por diferentes fenómenos. La pendiente de la parte de alto flujo de una línea de velocidad constante se debe a los efectos de la compresibilidad. La posición del otro extremo de la línea se ubica mediante la separación del flujo de la cuchilla o del pasaje. Hay un límite de flujo bajo bien definido, marcado en el mapa como una línea de pérdida o de oleaje, en el que se produce la pérdida de la hoja debido a la separación de incidencia positiva. No marcado como tal en los mapas para turbocompresores y motores de turbina de gas, hay un límite de alto flujo que se aproxima más gradualmente en el que los pasajes se ahogan cuando la velocidad del gas alcanza la velocidad del sonido. Este límite se identifica para los compresores industriales como sobrecarga, estrangulador, sónico o muro de piedra. La aproximación a este límite de flujo está indicada por las líneas de velocidad cada vez más verticales. Otras áreas del mapa son regiones donde el estancamiento de las paletas fluctuantes puede interactuar con los modos estructurales de las palas que conducen a fallas, es decir, un estancamiento rotatorio que causa fatiga del metal . [28]
Rangos de funcionamiento para diferentes aplicaciones
Diferentes aplicaciones se mueven sobre su mapa particular a lo largo de diferentes caminos. Un mapa de ejemplo sin líneas operativas se muestra como referencia pictórica con la línea de pérdida / aumento a la izquierda y las líneas de velocidad cada vez más pronunciadas hacia estrangulamiento y sobrecarga a la derecha.
Los mapas tienen características y formas generales similares porque todos se aplican a máquinas con paletas giratorias que utilizan principios similares para bombear un fluido compresible. No todas las máquinas tienen paletas estacionarias (los compresores centrífugos pueden tener difusores con paletas o sin paletas). Sin embargo, un compresor que opera como parte de una turbina de gas o un motor turboalimentado se comporta de manera diferente a un compresor industrial porque sus características de flujo y presión tienen que coincidir con las de su turbina motriz y otros componentes del motor, como la turbina de potencia o la boquilla de chorro para una turbina de gas. y, para un turbocompresor, el flujo de aire del motor que depende de la velocidad del motor y la presión de carga. [29] Se puede mostrar un vínculo entre un compresor de turbina de gas y su motor con líneas de relación de temperatura constante del motor, es decir, el efecto de la carga de combustible / aumento de la temperatura de la turbina que eleva la línea de funcionamiento a medida que aumenta la relación de temperatura.
Una manifestación de comportamiento diferente aparece en la región de estrangulamiento en el lado derecho de un mapa. Es una condición sin carga en una turbina de gas, turbocompresor o compresor axial industrial, pero sobrecarga en un compresor centrífugo industrial. [30] Hiereth y col. [31] muestra un compresor de turbocompresor a plena carga, o carga máxima de combustible, la curva corre cerca de la línea de sobretensión. Una línea de carga completa del compresor de turbina de gas también corre cerca de la línea de sobretensión. La sobrecarga del compresor industrial es un límite de capacidad y requiere altos niveles de potencia para pasar los altos índices de flujo requeridos. [32] Hay un exceso de energía disponible para llevar inadvertidamente al compresor más allá del límite de sobrecarga a una condición peligrosa en días fríos si es impulsado por una turbina de gas. [33] [34] [35]
El compresor de turbina de gas
El compresor tiene que funcionar con la misma velocidad (o relación de transmisión fija) que su turbina motriz y tener la misma potencia y pasar el mismo flujo que su turbina motriz. Esto constituye un generador de gas que produce energía a gas. El compresor también tiene que hacer pasar el mismo flujo que cualquiera que utilice la energía del gas, es decir, etapas de turbina adicionales para un motor de un solo eje o turbinas de energía separadas o una boquilla de chorro. Este requisito de flujo igual se suma a un requisito de relación de presión igual, entre las relaciones generales de compresión y expansión, y juntos posicionan la línea de funcionamiento para un funcionamiento en estado estable.
Los motores de un solo eje que impulsan un generador eléctrico o un rotor de helicóptero / hélice de avión funcionan con el compresor sin carga mientras aceleran a la velocidad de funcionamiento. Sin carga se refiere a un suministro mínimo de combustible según sea necesario para hacer funcionar el generador sin carga eléctrica o el paso del rotor / hélice al mínimo y ocurre cerca del estrangulador. Cohen y col. [36] muestran que los generadores eléctricos funcionan a la velocidad requerida sin carga. Se obtiene un aumento de la carga eléctrica aumentando el flujo de combustible. Barkey y col. [37] dan una descripción detallada de la secuencia de eventos que llevan la turbina del generador a la velocidad de diseño, o frecuencia de la red, sin carga antes de aumentar el combustible a medida que aumenta la carga. Grandcoing [38] muestra el funcionamiento a velocidad constante del motor del helicóptero Turbomeca Artouste desde el ralentí sin carga hasta la potencia máxima. Sin carga es el paso mínimo del rotor y el flujo de combustible inactivo. El aumento en el flujo de combustible se muestra en un mapa del compresor como líneas de relación de temperatura constante del motor, temperatura de entrada de la turbina / temperatura de entrada del compresor. Grandcoing [39] también muestra el efecto de un rápido aumento de carga donde la velocidad disminuye antes de recuperar su ajuste requerido.
Motor a reacción con boquilla de área fija
Los motores de aeronaves con un área de tobera de escape fija tienen una única línea de funcionamiento o funcionamiento en régimen permanente que se fija mediante el flujo de combustible desde el ralentí hasta la velocidad máxima. Los ángulos variables de las paletas y las áreas de flujo (válvulas de purga) en el compresor no cambian la línea de funcionamiento en un punto de operación particular porque los ángulos y las posiciones de las válvulas son únicos para una velocidad corregida, es decir, se controlan de acuerdo con un programa contra la velocidad corregida. . El exceso o la falta de combustible en comparación con el flujo de combustible requerido para el funcionamiento a velocidad constante mueve la línea hacia arriba o hacia abajo mientras el motor cambia de velocidad a un nuevo requisito.
Motor a reacción con boquilla de área ajustable
Campbell [40] muestra el efecto de diferentes áreas de boquillas en la línea de funcionamiento en estado estable. El control automático del área fue deshabilitado para esta investigación. En servicio, el área está abierta al ralentí y se cierra progresivamente a medida que el motor acelera, como se muestra en la programación del área. [41] No se agrega una boquilla ajustable para este propósito en particular, pero si se instala un postquemador, se puede usar para reducir el empuje en vacío y acelerar los tiempos de aceleración hasta el empuje donde el postquemador entra en funcionamiento. La línea de funcionamiento ideal del ventilador en un turboventilador aumentado establece la relación de presión del ventilador lo más alta posible para optimizar el rendimiento y el empuje del ventilador mientras se mantiene un margen de pérdida adecuado del ventilador. La línea de operación del ventilador se controla variando el área de la boquilla que actúa como una válvula de estrangulamiento. El estrangulamiento es una combinación de térmico del combustible ardiendo y geométrico del área de la boquilla ajustable. [42]
Áreas donde puede ocurrir un comportamiento inaceptable
La turbina de la etapa trasera a baja velocidad [43] [44] ocurre con una incidencia negativa excesiva que conduce a una relación de presión menor que uno y la etapa del compresor absorbe potencia del flujo de aire. Dos ejemplos en los que cruzar la línea de sobretensión impidió acelerar a alta velocidad ocurrieron con los primeros diseños del Rolls-Royce Avon [45] y el IAE V2500 [46] y requirieron rediseños importantes del compresor. La pérdida de rotación a bajas velocidades corregidas causó fallas en las palas de los primeros compresores axiales. [47]
Turbocompresores para motores diésel y gasolina
El rango de presión y flujo del compresor se muestra con un gráfico de alfombra de las rpm constantes del motor y las líneas de par constante superpuestas en el mapa. El material OpenCourseWare [48] muestra un gráfico de alfombra de la velocidad del motor y la carga para los requisitos de flujo de aire del motor de camión de 4 tiempos. Shahed [49] muestra líneas de velocidad constante del motor y BMEP del motor para un motor diesel de servicio pesado. Woollenweber [50] muestra los requisitos de flujo de aire del motor a diferentes velocidades del motor y carga / repostaje / par. Hiereth y col. [51] muestran líneas operativas para diversas aplicaciones, como una línea operativa de carga completa para un motor de automóvil de pasajeros, el efecto de un turbocompresor no controlado en un motor diesel de camión y el control de la compuerta de descarga en motores diesel y gasolina de pasajeros, y el efecto de la altitud en una línea de operación del compresor.
Compresores en la industria del petróleo y el gas
Los requisitos del proceso pueden cambiar haciendo que las condiciones del compresor varíen. El compresor puede ser accionado por una máquina de velocidad variable o constante. Si es impulsado por un motor eléctrico de velocidad constante, puede controlarse con paletas de guía de entrada variable o estrangulamiento de succión y descarga. Welch [52] muestra el efecto del ángulo variable de las paletas en el flujo de un compresor centrífugo.
Mapa de un compresor de alta presión con motor aeronáutico
Eje de flujo
El eje x suele ser una función del flujo másico de entrada del compresor, generalmente flujo corregido o flujo adimensional, en oposición al flujo real. Este eje puede considerarse una medida aproximada del número de Mach axial del flujo a través del dispositivo.
Eje de relación de presión
Normalmente, el eje y es la relación de presión ( salida P / entrada P ), donde P es la presión de estancamiento (o altura total).
También se usa ΔT / T (o similar), donde T es la temperatura de estancamiento (o altura total).
Línea de sobretensión
La línea diagonal ligeramente torcida en la parte principal del mapa se conoce como línea de aumento (o pérdida). Por encima de esta línea hay una región de flujo inestable, que es un área que es mejor evitar.
Una sobretensión o bloqueo del compresor provoca una inversión abrupta del flujo de aire en el compresor. Las palas del compresor crean una acción de bombeo al funcionar como aspas aerodinámicas . En un aumento o pérdida, las palas experimentan una pérdida aerodinámica (similar a la pérdida de un ala de un avión) y se vuelven incapaces de contener la presión más alta corriente abajo, con una inversión violenta del flujo resultante. La llama que normalmente está confinada en la cámara de combustión puede salir tanto por la entrada del motor como por la boquilla de escape.
Margen de sobretensión
Como sugiere el nombre, el margen de aumento proporciona una medida de qué tan cerca está un punto de operación de aumento. Desafortunadamente, existen varias definiciones diferentes de margen de sobretensión. Uno popular en uso se define de la siguiente manera:
dónde:
es el flujo másico en el punto de operación, ya sea en estado estacionario o transitorio
es el flujo másico en la oleada, a la misma velocidad corregida que
Líneas de velocidad
Las líneas ligeramente curvas, casi verticales, en la parte principal del mapa son las líneas de velocidad corregida (rotación constante) . Son una medida del número de Mach de la punta de la pala del rotor .
Observe en la ilustración que las líneas de velocidad no se distribuyen linealmente con el flujo. Esto se debe a que este compresor en particular está equipado con estatores variables , que se abren progresivamente a medida que aumenta la velocidad, lo que provoca un aumento exagerado del flujo en la región de velocidad media a alta. A baja velocidad, los estatores variables se bloquean, provocando una relación más lineal entre la velocidad y el flujo.
También tenga en cuenta que más allá del 100% del flujo, las líneas de velocidad se cierran rápidamente debido al ahogamiento. Más allá del estrangulamiento, cualquier aumento adicional en la velocidad no generará un aumento adicional en el flujo de aire.
Eje de eficiencia
Un sub-gráfico muestra la variación de la eficiencia isentrópica (es decir, adiabática ) con el flujo, a velocidad constante. Algunos mapas utilizan la eficiencia politrópica. Alternativamente, con fines ilustrativos, los contornos de eficiencia a veces se trazan en forma cruzada en el mapa principal.
Tenga en cuenta que el lugar geométrico de la eficiencia máxima presenta una ligera deformación en su tendencia ascendente. Esto se debe a la obstrucción del compresor a medida que aumenta la velocidad, con los estatores variables cerrados. La línea de tendencia se reanuda una vez que las variables comienzan a abrirse.
Línea de trabajo
También se muestra en el mapa una línea típica en funcionamiento (o en funcionamiento / en funcionamiento) en estado estable. Este es un lugar de los puntos operativos del motor, ya que está estrangulado.
Al ser un dispositivo de relación de alta presión, la línea de trabajo es relativamente poco profunda. Si la unidad no tuviera geometría variable, habría problemas de manipulación, porque la línea de sobretensión sería muy empinada y cruzaría la línea de trabajo en el flujo parcial.
Durante una aceleración brusca desde una posición de aceleración media, la línea de trabajo del compresor se moverá rápidamente hacia el aumento y luego se acercará lentamente al punto de funcionamiento de estado estable, más arriba en el mapa. El efecto inverso ocurre durante una desaceleración brusca. Estos efectos son causados por la respuesta lenta del carrete (es decir, efectos de inercia) a los cambios rápidos en el flujo de combustible del motor. La sobretensión del compresor es un problema particular durante las aceleraciones bruscas y puede superarse mediante ajustes adecuados en el programa de repostaje y / o el uso de purga (purga de aire del compresor, con fines de manipulación).
En el ejemplo particular que se muestra, una aceleración repentina desde el ralentí en el suelo causaría una sobretensión del compresor de alta presión. La apertura de la purga ayudaría, pero también es posible que se requieran algunos cambios en la programación variable del estator.
Debido a que un compresor de alta presión 've' la capacidad de flujo obstruido de la turbina de alta presión, la línea de trabajo del compresor apenas se ve afectada por las condiciones de vuelo. La pendiente de la línea de trabajo se aproxima a un flujo de salida corregido constante.
Mapa de un ventilador de motor aeronáutico de una etapa
Un ventilador de relación de baja presión (como el que se utiliza en un turbofan de relación de derivación alta ) tiene una gama de líneas de trabajo. A altas velocidades de vuelo, la relación de presión del pistón aumenta la relación de presión de la boquilla fría, lo que hace que la boquilla se ahogue. Por encima de la condición de asfixia, las líneas de trabajo tienden a fusionarse en una línea recta empinada única. Cuando la boquilla se desengancha, la línea de trabajo comienza a volverse más curva, reflejando la curvatura de la característica de la boquilla. Con el número de Mach de vuelo descendente, la relación de presión de la boquilla fría disminuye. Inicialmente, esto no tiene ningún efecto sobre la posición de la línea de trabajo, aparte de la cola curva (sin cortar), que se vuelve más larga. Con el tiempo, la boquilla fría se desenganchará con números de Mach de vuelo más bajos, incluso con el acelerador a fondo. Las líneas de trabajo ahora se volverán curvas, migrando gradualmente hacia el aumento a medida que disminuye el número de Mach de vuelo. La línea de trabajo con el margen de sobretensión más bajo se produce en condiciones estáticas.
Debido a la naturaleza de las limitaciones involucradas, las líneas de trabajo del ventilador de un turbofán mixto son algo más empinadas que las del motor sin mezclar equivalente.
Un ventilador puede tener dos mapas, uno para la sección de derivación (es decir, exterior) y otro para la sección interior que normalmente tiene líneas de velocidad más largas y planas.
Los turboventiladores militares tienden a tener una relación de presión del ventilador de diseño mucho más alta que los motores civiles. En consecuencia, la boquilla final (mixta) se ahoga a todas las velocidades de vuelo, en la mayor parte del rango del acelerador. Sin embargo, en configuraciones de aceleración baja, la boquilla se desatascará, lo que hará que el extremo inferior de las líneas de trabajo tenga una cola curva corta, particularmente a velocidades de vuelo bajas.
Sin embargo, los turboventiladores de relación de derivación ultra alta tienen una relación de presión del ventilador de diseño muy baja (por ejemplo, 1,2 en la sección de derivación). En consecuencia, incluso a velocidades de vuelo de crucero, la boquilla propulsora fría (o final mixta) solo puede ahogarse en configuraciones de aceleración alta. Las líneas de trabajo del ventilador se vuelven más curvas y migran rápidamente hacia el aumento a medida que disminuye el número de Mach de vuelo. Como resultado, la línea de trabajo estática puede tener una sobretensión, particularmente en configuraciones de aceleración baja.
Una solución es tener una boquilla fría (o mixta) de área variable. El aumento del área de la boquilla a bajas velocidades de vuelo aleja la línea de trabajo del ventilador de la sobretensión. [53]
Una solución alternativa es instalar un ventilador de paso variable. La programación del paso de las aspas del ventilador no tiene ningún impacto en la posición de las líneas de trabajo del ventilador, pero se puede usar para mover la línea de aumento hacia arriba, para mejorar el margen de aumento del ventilador. [54]
Mapa de un compresor IP de motor aeronáutico
Algunos turboventiladores tienen un compresor de presión intermedia (IP) ubicado entre el ventilador y el compresor de alta presión (HP) para aumentar la relación de presión general. Los motores civiles estadounidenses tienden a montar el compresor IP en el eje LP, directamente detrás del ventilador, mientras que Rolls-Royce normalmente monta el compresor IP en un eje separado (es decir, IP), que es impulsado por una turbina IP. De cualquier manera, pueden surgir problemas de coincidencia.
El flujo corregido de salida del compresor IP debe coincidir con el flujo corregido de entrada del compresor HP, que disminuye a medida que el motor se acelera. En una cierta pendiente de la línea de trabajo del compresor IP, el flujo corregido de salida del compresor IP permanece constante. Sin embargo, al adoptar una línea de trabajo menos profunda, la relación de presión del compresor IP adicional en un flujo corregido de entrada del compresor IP dado permite que el flujo corregido de salida del compresor IP disminuya y coincida con el flujo corregido de entrada del compresor HP descendente. Desafortunadamente, esto puede conducir a un margen de sobretensión del compresor IP deficiente en el flujo parcial.
El margen de sobretensión se puede mejorar agregando estatores variables al compresor IP y / o agregando una válvula de purga entre los compresores IP y HP. El primero hace que la línea de sobretensión del compresor IP sea menos profunda, alejándola de la línea de trabajo poco profunda, mejorando así el margen de sobretensión del compresor IP.
A una determinada relación de presión del compresor IP, la apertura de la válvula de purga fuerza el aumento del flujo corregido de entrada del compresor IP, hasta un punto en el que el margen de sobretensión del compresor IP tiende a ser mejor. Efectivamente, la apertura de la válvula de purga reduce la línea de trabajo del compresor IP. Cualquier exceso de flujo al demandado por el compresor de alta presión pasa a través de la válvula de purga al conducto de derivación. La válvula de purga normalmente solo se abre en condiciones de estrangulamiento, ya que desperdicia energía.
Referencias
- ^ Correspondencia de flujo de las etapas de compresores axiales, Geoffrey Wilde OBE 1999, ISBN 1 872922 14 7 , Fig.9 Relación de densidad general del compresor
- ^ Propulsión a chorro para aplicaciones aeroespaciales Segunda edición, Hesse y Mumford 1964, Pitman Publishing Corporation, Catálogo de la Biblioteca del Congreso número 64-18757, p.173
- ^ Turboalimentación del motor de combustión interna, Watson y Janota, ISBN 0333242904 , Figura 3.20 Pérdidas por incidencia del difusor de aletas
- ^ Coincidencia de flujo de las etapas de compresores axiales, Geoffrey Wilde OBE 1999, ISBN 1 872922 14 7 , Fig.15 Pérdida de presión total a través de los perfiles aerodinámicos del compresor
- ^ Prueba de modelo de compresor de flujo axial con estatores variables para alto horno, documento ASME 73-GT-78, p.2
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enlaces externos
- Cálculo del mapa del compresor del turbocompresor Speed-Wiz
- Mapas de rendimiento y eficiencia de SoftInWay Inc. del compresor centrífugo
- Predicción de mapas de compresores centrífugos Ctrend y análisis de rendimiento en condiciones fuera de diseño