La sobretensión del compresor es una forma de inestabilidad aerodinámica en compresores axiales o compresores centrífugos . El término describe un flujo de aire violento que oscila en la dirección axial de un compresor, lo que indica que el componente axial de la velocidad del fluido varía periódicamente e incluso puede volverse negativo. En la literatura antigua, el fenómeno de la sobretensión del compresor se identificaba mediante golpes y bocinazos audibles a frecuencias tan bajas como 1 Hertz, pulsaciones de presión en toda la máquina y vibraciones mecánicas severas. [1]
Descripción
La oleada del compresor se puede clasificar en oleada profunda y oleada leve. La oleada del compresor con tasas de flujo másico negativas se considera una oleada profunda, mientras que la que no tiene flujos inversos generalmente se denomina oleada leve. [2] En un mapa de rendimiento, el rango de funcionamiento estable de un compresor está limitado por la línea de sobretensión. Aunque la línea lleva el nombre de una oleada, técnicamente es un límite de inestabilidad que denota la aparición de inestabilidades de flujo discernibles, como una sobretensión del compresor o una parada rotatoria . [3] Cuando el caudal másico desciende a un valor crítico en el que se producen inestabilidades de caudal perceptibles, nominalmente, el valor crítico debe determinarse como un caudal másico de aumento en una línea de velocidad constante; sin embargo, en la práctica, la línea de oleaje en un mapa de desempeño se ve afectada por criterios específicos adoptados para determinar inestabilidades de flujo discernibles.
Efectos
La sobretensión del compresor es un desastre para el compresor y para toda la máquina. Cuando ocurre la sobretensión del compresor, el punto de funcionamiento de un compresor, que generalmente se denota por el par del caudal másico y la relación de presión, orbita a lo largo de un ciclo de sobretensión en el mapa de rendimiento del compresor. El rendimiento inestable causado por la sobretensión del compresor no es aceptable para las máquinas en las que se monta un compresor para ventilar o aire denso. Además de afectar el rendimiento, la sobretensión del compresor también se acompaña de ruidos fuertes. Las frecuencias de sobretensión del compresor pueden variar desde unos pocos hasta docenas de Hertz, según la configuración de un sistema de compresión. [4] Aunque la frecuencia de resonancia de Helmholtz se emplea a menudo para caracterizar la inestabilidad de la sobretensión leve; Se descubrió que la oscilación de Helmholtz no desencadenaba la sobretensión del compresor en algunos casos. [5] [6] Otro efecto de la sobretensión del compresor está en la estructura sólida. Los flujos violentos de la oleada del compresor golpean repetidamente las palas del compresor, lo que provoca fatiga de las palas o incluso fallas mecánicas. Si bien la sobretensión del compresor completamente desarrollada es simétrica en el eje, su fase inicial no es necesariamente simétrica en el eje. En realidad, el daño severo de la sobretensión del compresor a menudo se relaciona con cargas transversales muy grandes en las palas y la carcasa en su transitorio inicial. [7] Una reacción en cadena de la sobretensión del compresor es el apagado de un motor a reacción. Debido a la falta de entrada de aire en el caso de un aumento repentino del compresor, habrá combustible sin quemar en la cámara de combustión, y ese combustible sin quemar se quemará y provocará un apagón cerca de la salida del motor donde el oxígeno es suficiente.
Causas
En la mayoría de los casos de baja velocidad y baja presión, la pérdida de rotación se produce antes de la sobretensión del compresor; [8] [9] sin embargo, todavía no se ha determinado una relación de causa-efecto general entre la pérdida de rotación y la sobretensión del compresor. [6] En una línea de velocidad constante de un compresor, el caudal másico disminuye a medida que aumenta la presión suministrada por el compresor. Los flujos internos del compresor se encuentran en un gradiente de presión adverso muy grande que tiende a desestabilizar el flujo y provocar la separación del flujo . Una oleada de compresor completamente desarrollada se puede modelar como una inestabilidad global unidimensional de un sistema de compresión que generalmente consta de conductos de entrada, compresores, conductos de salida, depósito de gas y válvula de mariposa. [10] [11] Un ciclo de sobretensión del compresor se puede dividir en varias fases. [12] Si la válvula de mariposa se gira para que sea una abertura muy pequeña, el depósito de gas tendría un flujo neto positivo. La presión en el depósito sigue aumentando y luego excede la presión a la salida del compresor, lo que resulta en un gradiente de presión adverso en los conductos de salida. Este gradiente de presión adverso desacelera naturalmente los flujos en todo el sistema y reduce el caudal másico. La pendiente de una línea de velocidad constante cerca de la línea de sobretensión suele ser cero o incluso positiva, lo que implica que el compresor no puede proporcionar una presión mucho más alta al reducir el caudal másico. Por lo tanto, el compresor no podría suprimir el gradiente de presión adverso y el sistema implicaría rápidamente un sobrepaso del gradiente de presión adverso que reduciría drásticamente el caudal másico o incluso haría que los flujos se invirtieran. Por otro lado, la presión en el depósito descendería gradualmente debido a la menor cantidad de flujo suministrado por el compresor, reconstruyendo así un gradiente de presión favorable en los conductos de salida. Y luego se recuperaría el caudal másico y el compresor volvería a funcionar en una línea de velocidad constante, lo que eventualmente desencadenaría el siguiente ciclo de aumento. Por lo tanto, la sobretensión del compresor es un proceso que sigue rompiendo la ruta de flujo de un sistema de compresión y reconstruyéndolo. [13] Se pueden inferir varias reglas generales de la interpretación anterior. La sobretensión del compresor en un sistema con un depósito de gas pequeño es de alta frecuencia y baja amplitud, mientras que una gran reserva de gas produce una sobretensión del compresor de baja frecuencia y alta amplitud; Otra regla general es que la sobretensión del compresor ocurre en un compresor con un gran volumen externo y la pérdida del compresor tiende a aparecer en un sistema con un conducto de salida corto. También vale la pena señalar que la línea de sobretensión de un compresor puede tener pequeñas variaciones en diferentes sistemas, como un banco de pruebas o un motor. [14]
Previniendo la oleada
En la industria del petróleo y el gas, la instrumentación alrededor del compresor impide el funcionamiento de los compresores de gas en condiciones de sobretensión. [15] El caudal de gas medido en la línea de succión del compresor junto con la presión y, a veces, la temperatura, tanto en las líneas de succión como de descarga, se alimenta al controlador de sobretensión. Los algoritmos del controlador utilizan los datos para establecer el rendimiento de la máquina; los datos identifican el punto de operación en términos de flujo y altura desarrollada. Cuando el funcionamiento del compresor se acerca al punto de aumento, el controlador modula una válvula de control de flujo en la línea de reciclaje que permite que el gas se derrame desde la descarga hasta la succión del compresor, manteniendo así el flujo de gas hacia adelante a través de la máquina. La línea de recirculación está bien situado para llevar el gas enfriado desde downsteam del compresor refrigerador después- y para descargar en la alimentación al tambor de succión del compresor. [dieciséis]
Ver también
Referencias
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