Complementando la excelente respuesta de Nalin, (con un hermoso boceto para arrancar), la sobretensión del compresor del motor a reacción ha sido una realidad en todos los motores fabricados, directamente desde el W.2 de Whittle.
Se requerirá que cualquier compresor funcione en condiciones muy alejadas del punto de diseño, incluyendo arranque del motor, ralentí, potencia reducida, potencia máxima, aceleración y desaceleración. Por lo tanto, está claro que el compresor debe ser capaz de funcionar satisfactoriamente en un amplio rango de velocidades de rotación y condiciones de entrada. Con la paleta del compresor y las dimensiones del anillo elegidas para satisfacer la condición del punto de diseño, es obvio que no serán correctas para condiciones muy alejadas del diseño.
El álabe del compresor tiene un rango limitado de incidencia antes de que las pérdidas se vuelvan inaceptablemente altas, lo que resulta en una baja eficiencia del compresor. Sin embargo, lo que es aún más importante es que los problemas de estancamiento de la cuchilla pueden provocar un aumento de todo el compresor, evitando el funcionamiento del motor en condiciones particulares; Esto puede provocar daños graves en el motor o, en el caso de una aeronave, un peligro de seguridad crítico.
Una sobrecarga del compresor es una enfermedad que afecta a todos los compresores de aire, no solo en la aviación.
El mecanismo de sobretensión en los compresores axiales es complejo y todavía no se comprende completamente. A menudo es difícil distinguir entre un aumento repentino y un estancamiento, y un fenómeno puede conducir fácilmente al otro. También se puede encontrar el fenómeno del bloqueo rotativo: puede conducir a la pérdida de rendimiento y a la vibración severa de la cuchilla sin causar una sobretensión.
Los motores a reacción modernos tienen dos tipos de compresores: compresores axiales (en los chorros más grandes) y compresores centrífugos (motores de eje más pequeño como turbopropulsores y motores de helicóptero). Algunos pueden tener ambos tipos de compresores.
Los grandes motores a reacción modernos tienen dos ejes y dos compresores axiales (Rolls Royce tiene tres), y, por supuesto, ambos son propensos a sobretensiones bajo ciertas condiciones de operación.
Además de eso, la interacción entre los dos es otra causa más de sobrecarga del compresor.
Debido a que los rotores solo están conectados aerodinámicamente, una aceleración causará una sobretensión en el compresor trasero, y una desaceleración tiende a detener el compresor delantero.
Por ejemplo, durante el arranque del motor, el motor de arranque gira el compresor trasero. A medida que se acelera, carece de flujo de aire porque el compresor delantero aún no ha comenzado a girar lo suficiente. Podría detenerse si bombea combustible demasiado pronto, antes de que el compresor delantero haya alcanzado la velocidad suficiente para cumplir con los requisitos de flujo de aire del compresor trasero.
Arrancar un motor de turbina de gas abarca muchas características únicas que solo se encuentran en el rendimiento fuera de diseño. Las condiciones a través de las cuales pasa el motor a medida que acelera a las condiciones normales de funcionamiento están lejos del diseño. Cuando arranque una pala del compresor del motor, para compresores de flujo axial, o impulsor, para compresores centrífugos, es probable que la parada se deba a las condiciones de diseño no asociadas con bajos flujos y bajas velocidades. La parada, como la oleada, es una perturbación no deseada del flujo. Pero, a diferencia del aumento, la pérdida no tiene los mismos efectos perjudiciales. Cualquier región estancada en el compresor limitará el flujo de aire necesario para el funcionamiento del motor. Si el flujo a través de los pasos del compresor se detiene, la velocidad de flujo másico del aire está restringida y el compresor no podrá funcionar a su relación de presión de diseño.
Debido a que, por lo general, es inevitable alguna parada durante el arranque, es deseable una aceleración rápida del motor a través de esta región de flujo estancado.
Todo se debe a la falta de coincidencia del flujo de aire con las capacidades del compresor.
Los compresores funcionarán para usted, pero son muy quisquillosos con el flujo de aire a través de ellos. Casi como un caballo salvaje o una actriz estrella. La diferencia es que el caballo salvaje puede ser domesticado.
▲ Diagrama de sobretensión del compresor del ingeniero. N es la velocidad.
El sistema de control de sobrevoltaje absolutamente enorme, terriblemente notoriamente ridículamente complejo que la humanidad ha visto en un motor a reacción fue el motor Pratt and Whitney JT9D, el primer motor disponible para el nuevo Boeing 747.
Esos ingenieros de Pratt no tenían otra opción. Se les dio un motor y se les dijo que lo hicieran sin sobretensiones sin rediseño del motor. Lo hicieron introduciendo todo tipo de complicaciones, y solo tuvieron éxito parcialmente.
Pobres tipos.
Tenía varias válvulas de purga en varias etapas, un control del álabe del estator para variar los ángulos del álabe del estator de las primeras etapas del compresor trasero (alta presión) y varias características en la unidad de control de combustible hidromecánico, todo para evitar el aumento del compresor. (El control de combustible de hoy en día en los grandes motores a reacción se realiza electrónicamente, por una unidad conocida como Full Authority Digital Engine Control, FADEC o similar, pero cada FADEC todavía tiene algoritmos de control de sobrevoltaje incorporados).
Las “válvulas de purga” debían expulsar el aire del compresor justo en el momento adecuado para “descargar” el compresor, manteniendo un margen de parada del compresor adecuado.
Fue una pesadilla de entender y una pesadilla aún más grande de mantener.
Por ejemplo, si una válvula de purga permaneciera abierta cuando no debería haberlo estado, el motor tendría un EGT limitado y, por lo tanto, no podría desarrollar la potencia máxima.
Por otro lado, si una válvula de purga no se abrió cuando estaba programada para abrir, ¡ ka-boom ! Recogerás piezas del motor del suelo después de la sobretensión. Y tómese unas horas para recuperar su audición.
Perdí el sueño muchas noches manteniendo esas bestias. Esos eran los días, mi amigo……
¡Felicidades, Nalin! Una respuesta muy completa. Si hay algo mejor que la experiencia, ¡es pasión!
“Bueno mejor mejor; nunca descanses hasta que tu bien sea mejor que mejor “.
– Anon
El borde izquierdo de esta cuchilla donde comienza el flujo se llama borde delantero (LE) y el borde derecho donde sale el flujo se llama borde posterior (TE). En el lado superior o en el lado de succión, el aire se acelera inicialmente desde el borde de ataque (LE), causando un gradiente de presión reductor. A medida que el flujo alcanza el grosor máximo de la superficie de sustentación, comienza a disminuir, causando que la presión aumente o comienza a producirse un gradiente de presión positiva. Este gradiente de presión es inestable ya que el flujo de aire sigue siendo positivo (LE hacia el borde de salida (TE)). Esta condición inestable obliga a una separación de flujo: hay flujo inverso sobre la superficie de la superficie de sustentación más allá del punto de separación. Si el ángulo de ataque de la superficie aerodinámica aumenta, este punto de separación avanzará hacia el LE, lo que aumentará el área de separación de flujo. Llegará a un punto en que todo el flujo sobre el perfil se separa, comenzando desde el LE. Esta condición se llama parada . Es un fenómeno local.