Sección del compresor

La sección del compresor del motor de turbina de gas tiene muchas funciones. Su función principal es suministrar aire en cantidad suficiente para satisfacer los requisitos de los quemadores de combustión. 

En concreto, para cumplir su cometido, el compresor debe aumentar la presión de la masa de aire recibida por el conducto de entrada de aire, para luego descargarla a los quemadores en la cantidad ya las presiones requeridas.

Una función secundaria del compresor es suministrar aire sangrado para diversos fines en el motor y la aeronave. El aire de purga se toma de cualquiera de las diversas etapas de presión del compresor. 

La ubicación exacta de los puertos de purga depende, por supuesto, de la presión o temperatura requerida para un trabajo en particular. Los puertos son pequeñas aberturas en la caja del compresor adyacentes a la etapa particular de donde se va a purgar el aire; por lo tanto, varios grados de presión están disponibles simplemente tocando la etapa adecuada. 

El aire a menudo se purga desde la etapa de presión final o más alta ya que, en este punto, la presión y la temperatura del aire son máximas. A veces puede ser necesario enfriar este aire a alta presión. Si se utiliza para la presurización de la cabina u otros fines para los que el exceso de calor sería incómodo o perjudicial.

El aire sangrado se utiliza en una amplia variedad de formas. Algunas de las aplicaciones actuales del aire de purga son: 1. Presurización, calefacción y refrigeración de la cabina; 2. Equipos de deshielo y antihielo; 3. Arranque neumático de motores; y 4. Unidades de accionamiento auxiliares (ADU).

Tipos de compresores 

Los dos tipos principales de compresores que se utilizan actualmente en los motores de aviones de turbina de gas son el flujo centrífugo y el flujo axial. El compresor de flujo centrífugo logra su propósito al recoger el aire que ingresa y acelerarlo hacia el exterior mediante la acción centrífuga. 

El compresor de flujo axial comprime el aire mientras el aire continúa en su dirección original de flujo, evitando así la pérdida de energía causada por los giros. 

Los componentes de cada uno de estos dos tipos de compresor tienen sus funciones individuales en la compresión de aire para la sección de combustión. Se considera que una etapa en un compresor es un aumento de presión. 

Compresores de flujo centrífugo - Centrifugal-Flow Compressors

El compresor de flujo centrífugo consta de un impulsor (rotor), un difusor (estator) y un colector de compresor. Los compresores centrífugos tienen un alto aumento de presión por etapa que puede ser de alrededor de 8:1. 

Generalmente, los compresores centrífugos están limitados a dos etapas debido a problemas de eficiencia. Los dos principales elementos funcionales son el impulsor y el difusor. Aunque el difusor es una unidad separada y se coloca dentro y se atornilla al colector, el conjunto completo (difusor y colector) a menudo se denomina difusor. 

Para aclaraciones durante la familiarización con el compresor, las unidades se tratan individualmente. El impulsor generalmente está hecho de aleación de aluminio forjado, tratado térmicamente, maquinado y alisado para una mínima restricción de flujo y turbulencia.

En la mayoría de los tipos, el impulsor se fabrica a partir de una sola pieza forjada. Este tipo de impulsor se muestra en la figura. El impulsor, cuya función es recoger y acelerar el aire hacia el difusor, puede ser de dos tipos: entrada simple o entrada doble. 

Las principales diferencias entre los dos tipos de impulsores son el tamaño y la disposición de los conductos. El tipo de entrada doble tiene un diámetro más pequeño pero generalmente se opera a una velocidad de rotación más alta para asegurar un flujo de aire suficiente. 

El impulsor de una sola entrada, que se muestra en la figura, permite una conducción conveniente directamente al ojo del impulsor (álabes del inductor) a diferencia de la conducción más complicada necesaria para llegar al lado posterior del tipo de entrada doble. 

Aunque un poco más eficiente en la recepción de aire, el impulsor de entrada única debe tener un diámetro grande para entregar la misma cantidad de aire que el tipo de entrada doble. 

En los conductos para motores compresores de doble entrada se incluye la cámara impelente. Esta cámara es necesaria para un compresor de doble entrada porque el aire debe entrar en el motor casi en ángulo recto con el eje del motor. 

Por lo tanto, para dar un flujo positivo, el aire debe rodear el compresor del motor a una presión positiva antes de ingresar al compresor. En algunas instalaciones se incluyen como partes necesarias de la cámara impelente las puertas auxiliares de entrada de aire (puertas de soplado). 

Estas puertas de soplado admiten aire en el compartimiento del motor durante la operación en tierra, cuando los requisitos de aire para el motor exceden el flujo de aire a través de los conductos de entrada. Las puertas se mantienen cerradas por la acción de un resorte cuando el motor no está funcionando. 

Durante la operación, sin embargo, las puertas se abren automáticamente siempre que la presión del compartimiento del motor cae por debajo de la presión atmosférica. Durante el despegue y el vuelo, la presión del aire en el compartimiento del motor ayuda a los resortes a mantener las puertas cerradas.

El difusor es una cámara anular provista de varias paletas que forman una serie de pasajes divergentes hacia el colector. Los álabes del difusor dirigen el flujo de aire desde el impulsor al colector en un ángulo diseñado para retener la máxima cantidad de energía impartida por el impulsor. 

También entregan el aire al colector a una velocidad y presión satisfactorias para su uso en las cámaras de combustión. Consulte la figura y observe la flecha que indica la ruta del flujo de aire a través del difusor y luego a través del colector.  

El colector del compresor que se muestra en la figura desvía el flujo de aire del difusor, que es una parte integral del colector, hacia las cámaras de combustión. El colector tiene un puerto de salida para cada cámara para que el aire se divida uniformemente. 

Un codo de salida del compresor está atornillado a cada uno de los puertos de salida. Estas salidas de aire están construidas en forma de conductos y se conocen con una variedad de nombres, tales como conductos de salida de aire, codos de salida o conductos de entrada de la cámara de combustión. 

Independientemente de la terminología utilizada, estos conductos de salida realizan una parte muy importante del proceso de difusión; es decir, cambian la dirección radial del flujo de aire a una dirección axial, en la que el proceso de difusión se completa después del giro. Para ayudar a los codos a realizar esta función de manera eficiente, a veces se colocan paletas giratorias (paletas en cascada) dentro de los codos. 

Compresor de flujo axial - Axial-Flow Compressor

El compresor de flujo axial tiene dos elementos principales: un rotor y un estator. El rotor tiene palas fijadas en un husillo. Estas palas impulsan el aire hacia atrás de la misma manera que una hélice debido a su ángulo y contorno aerodinámico. 

El rotor, girando a alta velocidad, toma aire en la entrada del compresor y lo impulsa a través de una serie de etapas. Desde la entrada hasta la salida, el aire fluye a lo largo de una trayectoria axial y se comprime en una proporción de aproximadamente 1,25:1 por etapa. 

La acción del rotor aumenta la compresión del aire en cada etapa y lo acelera hacia atrás a través de varias etapas. Con este aumento de velocidad, la energía se transfiere del compresor al aire en forma de energía de velocidad. 

Las palas del estator actúan como difusores en cada etapa, convirtiendo parcialmente la alta velocidad en presión. Cada par consecutivo de palas de rotor y estator constituye una etapa de presión. El número de filas de álabes (etapas) está determinado por la cantidad de aire y el aumento de presión total requerido. La relación de presión del compresor aumenta con el número de etapas de compresión. La mayoría de los motores utilizan hasta 16 etapas y más.

El estator tiene filas de paletas, que a su vez están unidas dentro de una caja envolvente. Las paletas del estator, que son estacionarias, se proyectan radialmente hacia el eje del rotor y se ajustan estrechamente a cada lado de cada etapa de las palas del rotor. 

En algunos casos, la carcasa del compresor, en la que se colocan las paletas del estator, se divide horizontalmente en dos mitades. Se puede quitar la mitad superior o inferior para la inspección o el mantenimiento de las palas del rotor y el estator.

La función de las paletas del estator es recibir aire del conducto de entrada de aire o de cada etapa anterior y aumentar la presión del aire y entregarlo a la siguiente etapa a la velocidad y presión correctas. También controlan la dirección del aire a cada etapa del rotor para obtener la máxima eficiencia posible de las palas del compresor. 

En la figura se muestran los elementos del rotor y el estator de un compresor de flujo axial típico. Las palas del rotor de primera etapa pueden estar precedidas por un conjunto de álabes de guía de entrada que puede ser fijo o variable.  

Las paletas guía dirigen el flujo de aire hacia las palas del rotor de la primera etapa en el ángulo adecuado e imparten un movimiento giratorio al aire que ingresa al compresor. 

Este remolino previo, en la dirección de rotación del motor, mejora las características aerodinámicas del compresor al reducir la resistencia en las palas del rotor de la primera etapa. Los álabes de guía de entrada son álabes de acero curvos generalmente soldados a cubiertas internas y externas de acero.

En el extremo de descarga del compresor, las paletas del estator están construidas para enderezar el flujo de aire y eliminar la turbulencia. Estas paletas se denominan paletas de enderezamiento o conjunto de paletas de salida. 

Las carcasas de los compresores de flujo axial no solo soportan las paletas del estator y proporcionan la pared exterior de la trayectoria axial que sigue el aire, sino que también proporcionan los medios para extraer el aire del compresor para diversos fines. 

Las paletas del estator generalmente están hechas de acero con cualidades resistentes a la corrosión y erosión. Con bastante frecuencia, están envueltos (encerrados) por una banda de material adecuado para simplificar el problema de sujeción. 

Las paletas están soldadas en las cubiertas y la cubierta exterior está asegurada a la pared interior de la carcasa del compresor mediante tornillos de retención radiales.

Las palas del rotor suelen estar hechas de acero inoxidable y las últimas etapas están hechas de titanio. El diseño de la unión de las palas a las llantas del disco del rotor varía, pero comúnmente se ajustan a los discos mediante métodos de tipo bulbo o de abeto. 

Luego, las cuchillas se bloquean en su lugar mediante diferentes métodos. Las puntas de los álabes del compresor tienen un grosor reducido mediante recortes, denominados perfiles de álabes. Estos perfiles evitan daños graves a las paletas o la carcasa en caso de que las paletas entren en contacto con la carcasa del compresor. 

Esta condición puede ocurrir si las palas del rotor se aflojan excesivamente o si el soporte del rotor se reduce debido a un cojinete defectuoso. Aunque los perfiles de los álabes reducen en gran medida tales posibilidades, en ocasiones un álabe puede romperse bajo la tensión del roce y causar daños considerables a los álabes del compresor y los conjuntos de álabes del estator. 

Las palas varían en longitud desde la entrada hasta la descarga porque el espacio de trabajo anular (tambor a carcasa) se reduce progresivamente hacia atrás por la disminución del diámetro de la carcasa. Esta característica proporciona una velocidad bastante constante a través del compresor, lo que ayuda a mantener constante el flujo de aire.

El rotor presenta una construcción tipo tambor o tipo disco. El rotor tipo tambor consta de anillos que tienen bridas para encajar uno contra el otro, en el que todo el conjunto se puede mantener unido mediante pernos pasantes. 

Este tipo de construcción es satisfactorio para compresores de baja velocidad donde las tensiones centrífugas son bajas. El rotor tipo disco consta de una serie de discos mecanizados a partir de piezas forjadas de aluminio, contraídos sobre un eje de acero, con palas de rotor encajadas en las llantas del disco. 

Otro método de construcción del rotor es mecanizar los discos y el eje a partir de un solo forjado de aluminio y luego atornillar ejes cortos de acero en la parte delantera y trasera del conjunto para proporcionar superficies de soporte de cojinetes y estrías para unir el eje de la turbina. Los rotores tipo tambor y tipo disco se ilustran en las Figuras respectivamente.

La combinación de las etapas del compresor y las etapas de la turbina en un eje común es un motor denominado carrete de motor. El eje común se obtiene uniendo los ejes de la turbina y el compresor mediante un método adecuado. El carrete del motor está soportado por cojinetes, que están asentados en alojamientos de cojinetes adecuados.

Como se mencionó anteriormente, hay dos configuraciones del compresor axial actualmente en uso: el rotor/carrete simple y el rotor/carrete doble, a veces denominado carrete sólido y carrete dividido (carrete doble, carrete doble).

Una versión del compresor de carrete sólido (un carrete) utiliza álabes de guía de entrada variable. Además, las primeras filas de paletas del estator son variables. La principal diferencia entre el álabe guía de entrada variable (VIGV) y un álabe de estator variable (VSV) es su posición con respecto a las palas del rotor. 

VIGV están delante de las palas del rotor y VSV están detrás de las palas del rotor. Los ángulos de las paletas de guía de entrada y las primeras etapas de las paletas del estator pueden ser variables. 

Durante el funcionamiento, el aire entra por la parte delantera del motor y se dirige al compresor en el ángulo adecuado mediante la guía de entrada variable y dirigido por la VSV. El aire se comprime y se fuerza en la sección de combustión. Una boquilla de combustible que se extiende dentro de cada revestimiento de combustión atomiza el combustible para la combustión.

La mayoría de los motores turboventiladores son del tipo de compresor de carrete dividido. La mayoría de los motores turboventiladores grandes usan un ventilador grande con algunas etapas de compresión llamado carrete de baja presión. 

Estos turboventiladores incorporan dos compresores con sus respectivas turbinas y ejes de interconexión, que forman dos sistemas de rotor físicamente independientes. 

Muchos sistemas de doble rotor tienen rotores que giran en direcciones opuestas y sin conexión mecánica entre sí. El segundo carrete, denominado carrete de alta presión y es el compresor para el generador de gas y el núcleo del motor, suministra aire a la sección de combustión del motor.  

Las ventajas y desventajas de ambos tipos de compresores se incluyen en la siguiente lista. Si bien cada tipo tiene ventajas y desventajas, cada uno tiene su uso por tipo y tamaño de motor.

Las ventajas del compresor de flujo centrífugo son: 

• Alto aumento de presión por etapa, 

• Eficiencia en un amplio rango de velocidad de rotación, 

• Simplicidad de fabricación y bajo costo, 

• Bajo peso, y 

• Bajos requisitos de potencia de arranque.

Las desventajas del compresor de flujo centrífugo son: 

• Su gran área frontal para un flujo de aire dado y 

• Pérdidas en las vueltas entre etapas. 

Las ventajas del compresor de flujo axial son: 

• Altas eficiencias máximas; 

• Área frontal pequeña para flujo de aire dado; 

• Flujo directo, lo que permite una alta eficiencia del ariete; y 

• Mayor aumento de la presión al aumentar el número de etapas, con pérdidas insignificantes. 

Las desventajas del compresor de flujo axial son: 

• Buena eficiencia en un rango de velocidad de rotación estrecho, 

• Dificultad de fabricación y alto costo, 

• Peso relativamente alto, y 

• Altos requisitos de potencia de arranque (superados parcialmente por los compresores divididos). 

Difusor - Diffuser

El difusor es la sección divergente del motor después del compresor y antes de la sección de combustión. Tiene la función más importante de reducir el aire de descarga del compresor de alta velocidad a una mayor presión a una velocidad más lenta. 

Esto prepara el aire para entrar en el área de combustión de la llama de la sección de combustión a una velocidad más baja para que la llama de combustión pueda arder continuamente. Si el aire pasara a través del área de la llama a alta velocidad, podría extinguir la llama.