MAPAS DE DESEMPEÑO DEL COMPRESOR Y TURBINA

Mapa del Compresor

El mapa del compresor es también conocido como curva característica del compresor. En condiciones de operación en estado estable el motor opera bajo la línea de operación la cual se puede observar en la figura 2.30, sin embargo durante condiciones transitorias de operación; como aceleración, el punto de operación del compresor puede moverse hacia arriba de la línea de operación, por lo que es muy importante que exista un margen de operación estable.

TERMODINÁMICA DEL MOTOR TURBOVENTILADOR

Cada etapa dentro del compresor posee su propio desempeño aerodinámico y característica conocida como característica de la etapa, el acoplamiento entre las etapas es de crucial importancia para tener en cuenta las pérdidas y adecuar los rangos de operabilidad en condiciones fuera de diseño. El mapa del compresor muestra la suma de todas las etapas, para cualquier condición de operación, los puntos pueden mostrar cualquier etapa individualmente.

Analizando el mapa de la figura 2.30 se observa que la relación de presiones y eficiencia isentrópica son curvas contra flujo de aire corregido para una serie de velocidades. Para cada línea de velocidad corregida existe un máximo en el flujo el cual no puede ser excedido, no importa que relación de presiones es reducida.

Este régimen de operación es referido como choque. Ignorando fenómenos de segundo orden como el efecto de número de Reynolds, ángulos de flujo a la entrada, efectos como bloqueo o distorsión en la entrada se aplica lo siguiente:

• Para compresores de geometría variable el mapa es único.

• Cada punto de operación del mapa tiene un único triángulo de velocidades.

• La relación de presiones, relación de temperaturas y la eficiencia están relacionadas por la ecuación isentrópica del compresor.

Dentro del concepto fuera de diseño es importante mencionar sobre dos fenómenos que ocurren en el compresor “bombeo y bloqueo”.

Bombeo (Surge) – Es la distorsión que resulta de regresar el flujo y puede apagar la flama de la cámara de combustión durante la operación del motor. Este también inhibe el proceso de combustión cuando esta operando, también pueden ocurrir diversos problemas de fatiga en los materiales. Para una mejor operación el efecto de bombeo debe evitarse, por lo que un adecuado margen de “surge” debe mantenerse cuando un motor esta arrancando y durante la operación normal.

TERMODINÁMICA DEL MOTOR TURBOVENTILADOR

Bloqueo (Stall) - Esta es una condición no deseada en el flujo cuando se arranca un compresor de flujo axial o centrífugo y es debido a las condiciones fuera de diseño asociadas con bajos flujos y bajas velocidades, cualquier región que tiene el efecto de bloqueo en el compresor va a limitar el flujo necesario para la operación. Si el flujo a través del compresor pasa con bloqueo, la masa de flujo de aire es restringida y el compresor no va a operar a la relación de presiones a la que fue diseñado.

Los autores Hill y Peterson [15] discutieron sobre dos tipos de bloqueo, ellos mostraron que el compresor podría llegar al bloqueo, debido a un largo y positivo ángulo de ataque ó un largo y negativo ángulo en los álabes del compresor, la relación de presiones obtenida en el compresor es limitada por la región que tiene “bloqueo” debido a estos largos ángulos de ataque. Hill y Peterson explicaron que la inhabilidad del compresor para incrementar la presión cuando tiene en las etapas frontales región de “bloqueo” causa que la densidad del aire en las etapas posteriores sea menor y entonces esta región sigue creciendo dentro de todo el compresor. Esta baja densidad del aire resulta en un incremento en la velocidad axial para mover la misma masa a través de las siguientes etapas. Incrementando la velocidad axial y decreciendo el ángulo de ataque y la separación del flujo del sitio de presión de los álabes, este es conocido como un bloqueo negativo. Para el caso de un bloqueo positivo se aplica el mismo principio de conservación de la masa, sin embargo para bajas velocidades axiales a la entrada, el ángulo de ataque es incrementado y el flujo de separa en el lado de succión del alabe.

Mapa de la Turbina

La figura 2.31 muestra el mapa de turbina, se puede observar la capacidad (flujo corregido), las eficiencias las cuales son graficadas para determinar el trabajo contra velocidades corregidas, la función de flujo de la turbina y la función de flujo de estrangulamiento representado por una línea vertical en el mapa de turbina.

TERMODINÁMICA DEL MOTOR TURBOVENTILADOR

Ignorando efectos de segundo orden como efecto del número de Reynolds y ángulos de entrada se aplica lo siguiente:

• Para geometría variada el mapa es único

• El punto de operación de la turbina esta determinado por componentes a su alrededor.

• Cada punto de operación del mapa tiene un único triángulo de velocidades, expresado como número de Mach.

• La relación de presiones, relación de temperaturas y la eficiencia están relacionadas por la ecuación isentrópica del compresor

Figura 2.31 Mapa de Comportamiento de la Turbina

2.2.4 ANÁLISIS DE COMPONENTES EN CONDICIONES FUERA DE DISEÑO