Con el objetivo de reducir el trabajo absorbido por el compresor llegamos al ciclo compuesto con compresión escalonada. Una disminución del trabajo que absorbe el compresor nos deja mayor salto entálpico disponible en la tobera, por lo que podemos acelerar más el flujo y con ello obtener más empuje.
Si suponemos una compresión isoterma (01-02) y otra isentrópica (01-02s):
Figura 7.1: Diagramas h-s y p-v para una compresión isoterma.
A través de la expresión del trabajo 𝑊𝑐 = 𝑣 ∙ 𝑑𝑝𝐴𝐵 , vemos que el trabajo para la compresión es equivalente al área comprendida entre el eje de coordenadas y la curva. Podemos ver que el área que encierra la curva correspondiente a la compresión isoterma es menor que la que encierra la curva de compresión isentrópica, y por lo tanto menos trabajo absorbido.
Presentamos por lo tanto el ciclo compuesto con compresión escalonada de una turbina de gas.
Figura 7.2: Diagrama h-s que muestra el ciclo compuesto con compresión escalonada.
H 1 1’ 2 3 4 h s 5
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H-1’: el aire es comprimido hasta una presión elegida para optimizar el ciclo en la primera etapa del compresor, tras él entra al intercambiador. 1-1’: el fluido es refrigerado a su paso por el intercambiador, disminuyendo
su temperatura y experimentando una ligera pérdida de presión. 1’-2: el aire entra en el segundo intervalo de refrigeración, aumentando tu
temperatura y tu presión.
2-3: el fluido evoluciona a través de la cámara de combustión
experimentando un aumento de temperatura y una ligera caída de presión.
3-4: los gases de combustión evolucionan por la turbina, produciendo trabajo para accionar el compresor.
4-5: los gases de combustión se expanden en la tobera propulsiva aumentando su velocidad hasta valores superiores a la velocidad de vuelo.
En la práctica resulta imposible realizar una compresión isoterma debido al carácter adiabático de las turbomáquinas utilizadas. Sin embargo se recurre a compresión en intervalos con refrigeración entre estos, asemejándose así en cierta medida a la compresión isoterma.
En el caso del ciclo compuesto con compresión escalonada de turbina de gas, los valores para los cuales se optimiza el trabajo específico y el rendimiento térmico son mayores que para el ciclo simple.
Si comparamos los dos ciclos con sus relaciones de compresión óptimas, la idea del ciclo compuesto resulta mucho más atractivo teniendo en cuenta tanto el rendimiento térmico como el empuje específico. En la figura 7.3 podemos ver que, para una temperatura determinada, el máximo rendimiento en el caso del ciclo compuesto es mayor que en el caso del ciclo simple, y a este se llega con una relación de compresión mayor. En el caso de una temperatura de entrada a turbina de 1100K, el máximo se obtiene con una relación de compresión de 18:1, mientras que para el ciclo simple sería de 12:1. En el caso del trabajo específico ocurriría algo similar. En la figura 7.4 vemos que el trabajo específico tiene un máximo mayor a una mayor relación de compresión. A 1100K, la relación de compresión que maximiza este es de 12:1, mientras que en el ciclo simple sería de 6:1.
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Figura 7.3: Rendimiento térmico en función de la relación de compresión. A la izquierda para una temperatura de entrada a turbina de 1100K y a la derecha para una entrada de 1300K.
Figura 7.4: Trabajo específico en función de la relación de compresión. A la izquierda para una temperatura de entrada a turbina de 1100K y a la derecha para una entrada de 1300K.
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7.2 Tecnología
Debido a estas mejoras en el ciclo térmico, la introducción de una compresión escalonada reduce potencialmente el consumo específico de combustible y el consumo de combustible con unos valores de relación de compresión mayores que en el caso del ciclo simple. Sin embargo, sin nuevos avances tecnológicos, las mejoras en el ciclo térmico podrían verse limitadas por la pérdida de presión sufrida en el intercambiador y los nuevos conductos. En cuanto a las mejoras en el consumo específico del combustible, podrían quedar anegadas por el aumento del peso o del arrastre al incrementar el diámetro de la góndola.
NEWAC (New Aero Engine Core Concepts) ha desarrollado un programa en el que intenta conseguir los objetivos puestos por ACARE (Advisory Council for Aeronautics Research in Europe) para el 2020. Estos objetivos están enfocados a la reducción de ruido y emisiones. Uno de sus intentos se ha centrado en el desarrollo de un turbofan con alta relación de compresión con refrigeración en la compresión, llamado SP3.
En este caso, el flujo a la salida del compresor intermedio es enfriado antes de su entrada al compresor de alta presión. La refrigeración se produce usando aire del conducto de Bypass.
Figura 7.5: Esquema del montaje del motor con refrigeración intermedia
Se ha establecido como base para la comparativa con esta tecnología un turbofan con un núcleo convencional que utilice el nivel tecnología previsto para el año 2020. El turbofan con ciclo compuesto también basado es esta previsión, con una muy alta relación de compresión y un intercambiador tubular. Ambos diseños tienen el mismo diámetro y unidad de flujo por área. En la tabla 7.1 podemos ver los resultados de la comparativa mencionada.
Intercambiador de refrigeración
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La reducción del peso en comparación con el turbofan con núcleo convencional puede atribuirse a varias razones. El peso del intercambiador está ampliamente compensado por el aumento de empuje específico del flujo principal al tener más salto entálpico disponible en la tobera, permitiendo reducir el tamaño del núcleo y aumentando la relación de Bypass para un empuje y diámetro del fan determinado. La alta relación de compresión con refrigeración también aporta ventajas para la reducción de tamaño. Al disminuir la temperatura, la densidad del flujo aumenta, se reduce en gran medida el área necesaria y con ella el peso de los escalonamientos. Además, en este estudio, debido a la disminución del trabajo necesario la turbina de baja presión fue diseñada con un escalonamiento menos, que reduce peso y longitud de la turbomáquina.
Motor Convencional
Motor con compresión
escalonada
Máximo peso en el despegue [x1000kg] 206.5 202.6
Peso del motor Ref. -5.9%
Peso de la turbina de baja presión Ref. -27.1%
Peso núcleo del motor Ref. -32.5%
Peso de componentes añadidos (% del peso del motor)
- 7.7%
Peso del combustible Ref. -3.2%
Consumo específico medio en crucero Ref. -1.5%
Rendiemiento térmico Ref. +0.007
Rendimiento propulsivo Ref. +0.000
Tabla 7.1: Comparativa entre motor convencional y motor con refrigeración basados en la tecnología esperada para el año 2020.
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Intercambiador de calor
La estructura utilizada para la instalación del intercambiador sería una muy similar a la expuesta en la figura 7.6.
La entrada del aire secundario debe recoger la cantidad de flujo necesario comparativamente similar al flujo que transcurre por el núcleo. Cabe mencionar que normalmente se diseña con una configuración de tipo anular. El difusor se hace necesario para reducir la velocidad del flujo con el objetivo de minimizar las pérdidas de carga todo lo posible. De igual manera, el flujo que proviene del compresor intermedio también sufre un proceso de difusión con la misma finalidad.
Figura 7.6: Esquema de la configuración de la refrigeración.
El conducto de entrada que direcciona el flujo primario necesita suficiente longitud para difundir el flujo de forma eficiente y recuperar la presión estática. Sin embargo, difundir y girar el flujo simultáneamente dificulta fuertemente el diseño. El conducto desde el intercambiador hasta el compresor de alta presión contiene un flujo que se está acelerando, el cual puede ser más fácilmente girado un ángulo de hasta 180º.
Teniendo varios pequeños módulos, facilita el mantenimiento y ayuda a minimizar el peso y el volumen. En la configuración propuesta, cada módulo es de flujo cruzado, formando un cierto ángulo, como muestra la figura 7.7, para así reducir el área frontal. Eyector Bypass Difusor Entrada aire refrigeración Compresor intermedio Entrada al intercambiador Salida del intercambiador Compresor alta presión Intercambiador
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Figura 7.7: Esquema del módulo del intercambiador en forma de V.
En el intercambiador propuesto, el diseño consta de entre 20 y 24 módulos, distribuidos en 4 grupos, dejando espacios en la parte superior, la inferior y ambos lados, con el fin de mejorar el acceso al núcleo del motor. En la figura 7.8 podemos observar como quedaría el montaje de todos los módulos del intercambiador .
Figura 7.8: Montaje del intercambiador de refrigeración.
Módulos del intercambiador
Entrada de flujo de alta presión (Desde el compresor intermedio) Salida de aire de
refrigeración
Dirección circunferencial del motor
Salida del aire de alta presión (Hacia compresor de alta presión)
Flujo de aire refrigerante
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7.3 Ventajas
Consumo específico de combustible
En cuanto al reparto de la relación de compresión entre la primera y la segunda etapa, se ha demostrado que el rendimiento térmico es mayor, y por lo tanto el consumo específico de combustible es menor, para bajas relaciones de compresión del compresor intermedio. Este efecto se puede apreciar en la figura 7.9, en la que se ilusta el consumo específico en función de la relación de compresión del compresor intermedio y de la efectividad del intercambiador, en un motor con una relación de compresión global de 50:1 y suponiendo una refrigeración ideal sin pérdidas de carga.
Figura 7.9: Beneficios de introducir refrigeración ideal para una relación de compresión de 50.
Índice de Bypass
También obtenemos una reducción del tamaño del motor y con ello un aumento del índice de Bypass considerable al incrementar la efectividad del intercambiador. En la figura 7.10, se ilustra este efecto para una relación de compresión global determinada y manteniendo el flujo de gases que mueve el fan y el empuje específico. Esta reducción del peso del núcleo puede compensar la penalización en el peso al instalar el intercambiador.
Aumentando la efectividad del compresor aumentamos la refrigeración intermedia, lo que nos aproxima más a la compresión isoterma teórica y, con ello,
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disminuimos el trabajo de compresión y por lo tanto el peso, al reducir el número de escalonamientos. Sin embargo, al aumentar la efectividad estamos aumentando el área, lo que nos trae un aumento, a veces excesivo, del peso.
Figura 7.10: Variacón de la relación de compresión al introducir refrigeración para una relación de compresión de 50.
Temperatura de salida del compresor
Actualmente la temperatura a la salida del compresor tiene un límite debido a la máxima permitida por el metal usado en la fabricación de los álabes. Típicamente son usadas las aleaciones en base níquel, que tienen una temperatura máxima admisible que ronda los 950-1000K. Una limitación de ésta acarrea una limitación de la relación de compresión ya que para un rendimiento politrópico del compresor dado, éstas son dependientes.
En la actualidad, para los turbofanes destinados a aviones de corto alcance no presenta una grave restricción ya que las relaciones de compresión no son excesivamente altas (aproximadamente 30:1). Sin embargo, cuando nos acercamos a valores de relación de compresión de 40:1, como es el caso en los motores para largo alcance, nos aproximamos a esta limitación.
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Si se da el salto el salto hacia la tecnología descrita en este capítulo, se tendrá la posibilidad de aumentar en gran medida la relación de compresión. La temperatura de salida del compresor de alta presión para una relación de compresión determinada es menor cuanto mayor sea la efectividad del intercambiador, o lo que es equivalente, cuanto mayor sea la refrigeración. En la figura 7.11 se muestran las diferentes temperaturas de salida del compresor en función de la efectividad del intercambiador y la relación de compresión del intercambiador intermedio para una relación de compresión global de 80:1.
A modo de comparación vemos que para una relación de compresión global de 80:1, relación de compresión del compresor intermedio de 9:1 y una efectividad del 40%, nos encontraríamos aproximadamente en el límite térmico, mientras que con la tecnología actual, para una relación de compresión de 40:1, ya nos encontramos próximos a ella.
Figura 7.11: Temperatura de salida del compresor de alta presión para una relación de compresión de 80.
Geometría variable
Los análisis presentados en las secciones previas están enfocadas al punto de diseño. Asimismo, se podrán alcanzar beneficios significativos en el funcionamiento fuera de diseño si se utiliza una tobera de geometría variable.
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La tobera de geometría variable nos da la posibilidad de aumentar el flujo de refrigeración, aumentando así la efectividad y disminuyendo el trabajo absorbido por el compresor. En la figura 7.12 se ilustra el efecto en ambos flujos al aumentar la refrigeración. De esta manera nos quedaría un mayor salto entálpico a la salida de la tobera primaria, aumentando así el empuje. Sin embargo, al aumentar el flujo secundario que pasa por el intercambiador, estamos aumentando la pérdida de carga y se reduce el empuje en la tobera secundaria. Esto nos lleva a una situación de compromiso que maximice el empuje en cada punto de operación.
Figura 7.12: Diagramas h-s que representan el efecto del aumento del caudal de refrigeración sobre el flujo primario y sobre el flujo secundario.
2 ’ 𝑊𝑐 ↓ 𝐸𝐼 ↑ 𝑊𝑇 ↓ H 1 2 3 4 5 1’ h s 𝐸𝐼𝐼 ↓ H 2’ 1 ’ H 1’ s h
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Un ejemplo de cómo la tobera de geometría variable puede ser utilizada para aumentar el empuje en condiciones de despegue está ilustrado en la figura 7.13. Durante este punto de operación, el área se incrementa para permitir aumentar el flujo de aire de refrigeración y aumentar la transferencia de calor. El aumento del empuje sería de un 2%.
Figura 7.13: Mejora tras la instroducción de una tobera de geometría variable que varía la cantidad de aire de refrigeración.
7.4 Desventajas y Retos a superar.
Peso
La instalación de nuevos elementos, como un intercambiador de calor y los conductos de entrada y salida de éste, aumentan el peso y el tamaño de la máquina considerablemente. Este efecto es el principal problema por el cual actualmente no es una solución viable. Para intentar combatir este problema nuevos materiales más ligeros y resistentes están siendo estudiados por los distintos fabricantes.
Estos elementos añaden una pérdida de carga al flujo que circula por ellos que debe ser contrarrestada por un mayor número de escalonamientos, lo que en principio implica mayor peso y tamaño. Este hecho se agraba cuando trabajamos con motores pequeños, ya que el aumento del peso es significativamente mucho más importante con respecto al global.
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Intentando optimizar el valor de la relación de compresión hemos comprobado que nos encontramos con relaciones mayores a las del ciclo simple, lo que implica un aumento de escalonamientos y por consiguiente un aumento del peso del núcleo.
Hemos visto que un aumento de la efectividad se traduce en un aumento de la refrigeración y en definitiva una mejora del ciclo al aproximarse en mayor medida a la compresión isoterma. Sin embargo, el aumento de la efectividad puede resultar perjudicial, ya que para unas temperaturas dadas de entrada al intercambiador, un aumento de la efectividad va ligado a un aumento del área y puede resultar un peso excesivo del intercambiador.
Pérdida de presión
Las pérdidas de presión en el intercambiador deben ser tenidas en cuenta. Como muestra la figura 7.14, con el aumento de la pérdida de presión, el consumo específico aumenta y puede llegar a anegar el beneficio en éste por la introducción de una compresión escalonada.
Figura 7.14: Aumento del consumo específico de combustible en función de la pérdida de carga sufrida en el flujo de refrigeración y en el flujo primario.
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Máxima relación de compresión
En el caso del ciclo simple, la relación de compresión global estaba limitada por la máxima temperatura permisible a la salida del compresor de alta presión. Al optar por el ciclo compuesto de compresión escalonada, podemos aumentar la relación de compresión debido a que la temperatura de salida es menor.
Sin embargo, aunque a valores más elevados, la relación de compresión también se encuentra limitada, pero esta vez por la altura mínima admisible en las etapas finales del compresor. Al aumentar la presión y disminuir la temperatura, la densidad aumenta, por lo que el área disminuye considerablemente haciendo que la altura de álabe sea demasiado pequeña.
La altura mínima admisible se determina por aquella a partir de la cual las pérdidas anulares son excesivas, reduciendo el rendimiento por escalonamiento. Si para un radio medio dado reducimos el área necesaria, la relación de aspecto disminuye y la fricción con el tambor y la carcasa se vuelven más importantes.
Ciclo compuesto regenerativo con compresión escalonada
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Ciclo compuesto regenerativo con compresión escalonada
Las actuales tendencia que dirigen los motores hasta menores consumos de combustible se centran principalmente en aumentar el rendimiento propulsivo o aumentar el rendimiento térmico del ciclo termodinámico.
En este apartado vamos a presentar como se podría aumentar el rendimiento térmico, el cual es una medida de la calidad del ciclo termodinámico. Para aumentar este se presentan tres opciones:
Mejorar la eficiencia de los distintos componentes (Rendimientos isentrópicos y pérdidas de carga en conductos.)
Cambio en las características del ciclo (mayor temperatura de entrada a turbina y relación de compresión)
Diferente ciclo termodinámico
Si nos decantamos por el primer caso, el margen de mejora está bastante acotado, ya que con los modernos compresores y turbinas axiales, el rendimiento esta en valores muy próximos a la unidad. Si afrontamos la segunda opción, nos encontramos igualmente con restricciones al no poder elevar más la temperatura de entrada a turbina debido a los materiales de los álabes. Además, no tiene demasiado sentido aumentar únicamente la relación de compresión ya que esta se elige entre unos valores que optimizan el ciclo para una temperatura de entrada en turbina.
Por último, al afrontar un cambio en el ciclo termodinámico, nos encontramos con el ciclo compuesto con compresión escalonada y el ciclo compuesto regenerativo con compresión escalonada. El primero ya ha sido estudiado en el capítulo anterior, por lo que el motivo de esta sección será el desarrollo de la tecnología del ciclo regenerativo compuesto con compresión escalonada. Este diseño abarca un concepto muy utilizado en máquinas de carácter estacionario, ya que en ellas la instalación de un intercambiador que transfiera calor desde el flujo tras la turbina de baja presión hasta el flujo que sale del compresor de alta presión resulta mucho más beneficioso.
Ciclo compuesto regenerativo con compresión escalonada
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