El aumento repentino del compresor es una forma de inestabilidad aerodinámica en los compresores axiales o centrífugos . El término describe un flujo de aire violento que oscila en la dirección axial de un compresor, lo que indica que el componente axial de la velocidad del fluido varía periódicamente e incluso puede volverse negativo. En la literatura temprana, el fenómeno del aumento repentino del compresor se identificaba por golpes y bocinazos audibles a frecuencias tan bajas como 1 hercio, pulsaciones de presión en toda la máquina y vibración mecánica severa. [1]
El aumento repentino del compresor se puede clasificar en aumento repentino profundo y aumento repentino leve. El aumento repentino del compresor con tasas de flujo másico negativas se considera un aumento repentino profundo, mientras que el que no tiene flujos inversos generalmente se denomina aumento repentino leve. [2] En un mapa de rendimiento, el rango de funcionamiento estable de un compresor está limitado por la línea de aumento repentino. Aunque la línea recibe su nombre de un aumento repentino, técnicamente, es un límite de inestabilidad que denota inicios de inestabilidades de flujo discernibles, como aumento repentino del compresor o pérdida de velocidad rotativa . [3] Cuando la tasa de flujo másico cae a un valor crítico en el que tienen lugar inestabilidades de flujo discernibles, nominalmente, el valor crítico debe determinarse como una tasa de flujo másico de aumento repentino en una línea de velocidad constante; sin embargo, en la práctica, la línea de aumento repentino en un mapa de rendimiento se ve afectada por criterios específicos adoptados para determinar inestabilidades de flujo discernibles.
El aumento repentino del compresor es catastrófico para el compresor y toda la máquina. Cuando se produce un aumento repentino del compresor, el punto de funcionamiento de un compresor, que normalmente se denota por el par de la tasa de flujo másico y la relación de presión, orbita a lo largo de un ciclo de aumento repentino en el mapa de rendimiento del compresor. El rendimiento inestable causado por el aumento repentino del compresor no es aceptable para las máquinas en las que se monta un compresor para ventilar o densar el aire. Además de afectar al rendimiento, el aumento repentino del compresor también se acompaña de ruidos fuertes. Las frecuencias de aumento repentino del compresor pueden variar desde unos pocos hasta docenas de hercios según la configuración de un sistema de compresión. [4] Aunque la frecuencia de resonancia de Helmholtz se utiliza a menudo para caracterizar la inestabilidad de un aumento repentino leve, se encontró que la oscilación de Helmholtz no desencadenaba el aumento repentino del compresor en algunos casos. [5] [6] Otro efecto del aumento repentino del compresor es sobre la estructura sólida. Los flujos violentos de aumento repentino del compresor golpean repetidamente las aspas del compresor, lo que provoca fatiga de las aspas o incluso fallo mecánico. Aunque el aumento repentino del compresor completamente desarrollado es axisimétrico, su fase inicial no es necesariamente axisimétrica. En realidad, los daños graves causados por el sobrecalentamiento del compresor suelen estar relacionados con cargas transversales muy grandes sobre las palas y la carcasa en su transitorio inicial. [7] Una reacción en cadena del sobrecalentamiento del compresor es el apagado de un motor a reacción. Debido a la falta de entrada de aire en el caso del sobrecalentamiento del compresor, habrá combustible sin quemar en la cámara de combustión, y ese combustible sin quemar se quemará y provocará el apagado de la llama cerca de la salida del motor, donde hay suficiente oxígeno.
En la mayoría de los casos de baja velocidad y baja presión, el bloqueo rotatorio viene antes del aumento repentino del compresor; [8] [9] sin embargo, aún no se ha determinado una relación general de causa-efecto entre el bloqueo rotatorio y el aumento repentino del compresor. [6] En una línea de velocidad constante de un compresor, el caudal másico disminuye a medida que aumenta la presión suministrada por el compresor. Los flujos internos del compresor están en un gradiente de presión adverso muy grande que tiende a desestabilizar el flujo y causar la separación del flujo . Un aumento repentino del compresor completamente desarrollado se puede modelar como una inestabilidad global unidimensional de un sistema de compresión que generalmente consta de conductos de entrada, compresores, conductos de salida, depósito de gas y válvula de mariposa. [10] [11] Un ciclo de aumento repentino del compresor se puede dividir en varias fases. [12] Si la válvula de mariposa se gira para que sea una abertura muy pequeña, el depósito de gas tendría un flujo neto positivo. La presión en el depósito sigue aumentando y luego excede la presión en la salida del compresor, lo que da como resultado un gradiente de presión adverso en los conductos de salida. Este gradiente de presión adverso desacelera naturalmente los flujos en todo el sistema y reduce el caudal másico. La pendiente de una línea de velocidad constante cerca de la línea de sobretensión suele ser cero o incluso positiva, lo que implica que el compresor no puede proporcionar una presión mucho mayor que la que reduce el caudal másico. Por lo tanto, el compresor no podría suprimir el gradiente de presión adverso y el sistema sufriría rápidamente un exceso de gradiente de presión adverso que reduciría drásticamente el caudal másico o incluso provocaría que los flujos se invirtieran. Por otro lado, la presión en el depósito disminuiría gradualmente debido al menor flujo entregado por el compresor, reconstruyendo así un gradiente de presión favorable en los conductos de salida. Y luego se recuperaría el caudal másico y el compresor volvería a trabajar en una línea de velocidad constante, lo que eventualmente desencadenaría el siguiente ciclo de sobretensión. Por lo tanto, la sobretensión del compresor es un proceso que sigue rompiendo la ruta de flujo de un sistema de compresión y reconstruyéndola. [13] Se pueden inferir varias reglas generales de la interpretación anterior. El aumento repentino del compresor en un sistema con un pequeño depósito de gas es de alta frecuencia y baja amplitud, mientras que un depósito de gas grande produce un aumento repentino del compresor de baja frecuencia y alta amplitud; otra regla general es que el aumento repentino del compresor ocurre en un compresor con un gran volumen externo y el estancamiento del compresor tiende a aparecer en un sistema con un conducto de salida corto. También vale la pena señalar que la línea de aumento repentino de un compresor puede tener pequeñas variaciones en diferentes sistemas, como un banco de pruebas o un motor. [14]
En la industria del petróleo y el gas, la operación de compresores de gas en condiciones de sobrepresión se evita mediante la instrumentación alrededor del compresor. [15] El caudal de gas medido (FT) en la línea de succión del compresor junto con la presión de succión (PT), y a veces la temperatura de succión (TT) y la presión (PT) en la línea de descarga se alimentan al controlador de sobrepresión. Los algoritmos en el controlador utilizan los datos para establecer el rendimiento de la máquina; los datos identifican el punto de operación en términos del flujo y la altura desarrollada. Cuando la operación del compresor se acerca al punto de sobrepresión, el controlador modula una válvula de control de flujo (FCV) en la línea de reciclaje o ajusta la velocidad (SC) del controlador del compresor. La FCV permite que el gas enfriado de la descarga se derrame de nuevo a la succión del compresor, manteniendo así el flujo de gas hacia adelante a través de la máquina. La línea de reciclaje está ubicada idealmente para tomar el gas enfriado desde aguas abajo del posenfriador del compresor y descargarlo en la alimentación al tambor de succión del compresor. [16]
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