Fundamentos y Rendimiento de Compresores de Flujo Axial y Centrífugo

Principios Fundamentales del Compresor

Principio de Funcionamiento

El compresor convierte la energía mecánica de la turbina en energía cinética del aire.

Características Funcionales Clave

• Relación de compresión.
• Caudal de aire.
• Potencia absorbida.

Relación entre Parámetros

A mayor relación de compresión, mayor presión. A mayor presión, mayor caudal de aire en volumen. A mayor caudal de aire en volumen, mayor empuje.

Tipos de Compresores

Compresores de Flujo Centrífugo

El compresor de flujo centrífugo está formado por un rotor o impulsor. El aire penetra axialmente y circula radialmente. La velocidad y la presión aumentan por la aceleración centrífuga.

La sección divergente entre álabes y convergente del área de presión tiene la ventaja de ser robusto y sencillo. Se utiliza en máquinas de baja potencia y acompaña a los compresores axiales como última etapa.

La relación de compresión típica es de 5:1 a 7:1.

Componentes Clave del Compresor Centrífugo

• Rotor o Impulsor: Es la unidad giratoria del compresor.
• Inductor: Zona central curvada del rotor o impulsor que orienta el flujo hacia el rotor.
• Difusor: Conductos que sirven para disminuir la velocidad y aumentar la presión.
• Colector: Componente con forma de codo que conduce el aire, disminuyendo la velocidad y aumentando la presión.

Compresores de Flujo Axial

El aire circula entre el rotor (donde aumenta la velocidad y disminuye la temperatura) y el estator (donde disminuye la velocidad y aumenta la presión).

Ventajas del Compresor Axial

• Mayor gasto másico.
• Mayor empuje.
• Mayor relación potencia/peso.
• Mayor relación de compresión.
• Mayor eficiencia.

Desventajas del Compresor Axial

• Gran complejidad.
• Elevado coste.
• Más susceptibles a FOD (Foreign Object Damage).
• Pérdida de compresor (*stall*).
• Surge.

Estructura y Etapas del Compresor Axial

Los álabes giran entre las etapas de álabes estatores o fijos. Tienen forma de perfiles aerodinámicos y están montados en pasos divergentes-convergentes.

Cada etapa está compuesta por una rueda de álabes giratorios y una de álabes fijos.

Configuraciones Avanzadas y Diseño

Configuraciones de Compresores

• Compresor Multietapa: Permite una mayor relación de compresión.
• Rotor con dos caras activas: Álabes mecanizados por ambas caras, lo que permite disminuir la sección de entrada de aire.

Relación Presión-Temperatura-Velocidad (P-T-V)

• Sección Fría: + Presión (+P) + Temperatura (+T) = Velocidad (V)
• Sección Caliente: + Temperatura (+T) + Velocidad (+V) = Presión (P)

Métodos para Disminuir el Flujo de Aire

1. Manteniendo el exterior del alojamiento del compresor constante y aumentando el diámetro del tambor.
2. Manteniendo los discos o tambor del mismo diámetro y disminuyendo el diámetro exterior.

Cálculo de Ratio de Compresión

Si el ratio de compresión por etapa es 1.2, en un compresor de 13 etapas el ratio total es 10.7:1.

Configuraciones de Flujo Axial por Cuerpos

• Compresor Axial de un solo cuerpo: Presenta limitación en el número de etapas de compresión, riesgo de atasco (*surge*), y desperdicia potencia.
• Compresores de Flujo Axial de doble cuerpo: Utilizados para alta presión.
• Compresores de Flujo Axial de triple cuerpo: Se les denomina IP (Intermediate Pressure).

Equilibrado y Estructura de Rotores

Equilibrado de Rotores

El equilibrado es necesario para mitigar las vibraciones del motor causadas por el desequilibrio.

Proceso de Equilibrado

1. Pesado y distribución de piezas de unión (como tornillos).
2. Pesado y momento de álabes.
3. Equilibrado en un plano de los distintos rotores.
4. Equilibrado en dos planos.

Snubbers y Álabes

Los snubbers disminuyen la eficiencia de las palas un 4%. Si se desprenden, pueden dañar el motor. Como alternativa, se pueden utilizar álabes de composite.

Álabes Fijos del Estator

Los álabes fijos del estator están montados en anillos de retención que están unidos a la carcasa del compresor. Tienen un giro sobre su eje de montaje, evitando problemas de flujo a diferentes rangos de funcionamiento o actitud de vuelo.

Fallos Operacionales: Pérdida de Compresor y Surge

Pérdida del Compresor (*Stall*)

La pérdida del compresor está relacionada con la velocidad tangencial y la velocidad axial. Cuando una etapa del compresor entra en pérdida, se produce un incremento de presión que provoca una reversión de la dirección de flujo, produciendo el surge.

Causas del *Stall*

• Flujo de combustible (*fuel flow*) excesivo.
• Empobrecimiento de la mezcla aire/combustible.
• Operación del motor por encima o por debajo de los parámetros estándar de RPM.
• Flujo de aire turbulento en la entrada del compresor.
• Partes dañadas.

Indicaciones de una Pérdida de Compresor

• Incremento de vibraciones.
• Incremento de la temperatura de gases de escape (EGT).

El Fenómeno del Surge

El surge ocurre cuando el aire revierte su dirección debido a la diferencia de presiones.

Indicaciones del Surge

• Fuertes ruidos y vibraciones.
• Incremento de la temperatura de gases de escape (EGT).
• Pérdida de empuje.
• Variación de N1.
• Llamaradas.

Prevención del Surge

• Álabes guía de entrada de aire.
• Estatores de álabes variables.
• Compresores multiejes.
• Válvulas de sangrado.

Inconvenientes (Consecuencias del Surge)

• Disminuye el empuje.
• Aumenta el consumo de combustible.
• Aumenta la temperatura de gases de escape.