Un mapa de compresores es un diagrama que muestra el rendimiento de un compresor de turbomáquinas . Este tipo de compresor se utiliza en motores de turbina de gas , para sobrealimentar motores alternativos y para procesos industriales, donde se lo conoce como compresor dinámico. Un mapa se crea a partir de los resultados de las pruebas de la plataforma de compresores o se predice mediante un programa informático especial. Alternativamente, el mapa de un compresor similar se puede escalar adecuadamente. Este artículo es una descripción general de los mapas de compresores y sus diferentes aplicaciones y también tiene explicaciones detalladas de los mapas para un ventilador y compresores intermedios y de alta presión de un motor aeronáutico de tres ejes como ejemplos específicos.
Los mapas de compresores son una parte integral de la predicción del rendimiento de las turbinas de gas y los motores turboalimentados, tanto en condiciones de diseño como fuera de ellas. También cumplen una función fundamental a la hora de seleccionar los compresores correctos para los procesos industriales.
Los ventiladores y las turbinas también tienen mapas de funcionamiento, aunque estos últimos son significativamente diferentes en apariencia a los de los compresores.
Un mapa de compresores muestra el rango de operación de un compresor y qué tan bien funciona dentro de su rango de operación. Dos requisitos fundamentales para el gas que fluye a través de un compresor explican por qué funciona mejor en una condición de diseño y no tan bien en otras condiciones, conocidas como fuera de diseño. Primero, el área de salida tiene que ser más pequeña que el área de entrada porque el gas comprimido tiene una densidad más alta. El área de salida está dimensionada para pasar el volumen específico en la condición de diseño. [1] Segundo, todas las paletas del rotor y del estator en un compresor axial, y las paletas del inductor y del difusor del impulsor en un compresor centrífugo, [2] [3] están en ángulo para encontrarse con el aire que se aproxima de frente en la condición de diseño para minimizar las pérdidas de incidencia. Las pérdidas de incidencia reducen la eficiencia de la compresión. El funcionamiento satisfactorio del compresor depende de controlar el ángulo en el que el gas se acerca a las paletas giratorias y estacionarias dentro de un rango aceptable. Desviarse del óptimo primero da como resultado mayores pérdidas/eficiencia reducida y luego, estancamiento o velocidad sónica/estrangulamiento que ocurren en los pasajes de las paletas en los extremos opuestos de un compresor axial al mismo tiempo. [4] También se producen en un compresor centrífugo a la entrada del impulsor y en el difusor.
El punto de diseño del compresor estará en un área de alta eficiencia, ya sea que el compresor sea parte de un motor de turbina de gas o que se use para bombear aire a un alto horno. Sin embargo, el compresor tiene que proporcionar un rendimiento adecuado en otras condiciones de funcionamiento que se le impongan, lo que significa que se requiere una alta eficiencia en un rango más amplio de funcionamiento. [5] En el caso de un motor de turbina de gas, debe permitir que el motor arranque fácilmente y acelere rápidamente hasta la velocidad de diseño, lo que significa que debe funcionar a velocidades más bajas que la velocidad de diseño. A velocidades y flujos alejados del punto de diseño, la reducción del área de flujo del compresor no es apropiada para el aumento de densidad real. Un informe de NACA [6] ilustra gráficamente la diferencia en la contracción requerida en la condición de diseño y a baja velocidad. A velocidades más bajas, por ejemplo, el gas no se ha comprimido lo suficiente para salir del compresor sin afectar negativamente los ángulos de ataque de las palas a través del compresor. Lejos del punto de diseño, las etapas intermedias de un compresor axial continúan funcionando aproximadamente en el ángulo de ataque óptimo, pero las etapas delanteras se desvían en una dirección, hacia el estancamiento, y las etapas traseras en la dirección opuesta, hacia el estrangulamiento. [6] La desviación era aceptable hasta una relación de presión de diseño de aproximadamente 5:1, lo que producía solo una pérdida de eficiencia. Con relaciones de presión de diseño más altas, se requirió la prevención del bloqueo rotatorio, que ocurre a velocidades corregidas bajas, [7] y el estrangulamiento con la introducción de álabes guía de entrada que se cerraban parcialmente a bajas velocidades, o mediante la eliminación de aire a mitad de camino a lo largo del compresor a bajas velocidades. [8] También se introducirían filas de estatores variables o compresores divididos, que permitían que las etapas delanteras aceleraran y las traseras desaceleraran una en relación con la otra, por la misma razón. Cuando las relaciones de presión alcanzaran aproximadamente 12:1, los compresores incorporarían más de una de estas características juntas.
Entre los primeros ejemplos de diferentes soluciones para aliviar la pérdida de sustentación rotatoria en las etapas delanteras se incluyen el Rolls-Royce Avon con álabes guía de admisión variables y purga entre etapas, el General Electric J79 con álabes guía de admisión variables y estatores variables, el Bristol Olympus con compresor dividido y el Pratt & Whitney J57 con compresor dividido y purga entre compresores. Hasta este momento, la purga del compresor solo había sido necesaria para arrancar y acelerar más allá de velocidades corregidas bajas, donde su pérdida en la producción de empuje, por descarga por la borda, no era importante.
Un desarrollo posterior fue la purga permanente del compresor enrutada de regreso al motor donde contribuía al empuje. El Rolls-Royce Conway tenía un compresor dividido con purga entre compresores al tubo de salida. Un compresor dividido con esta disposición de derivación permitía la relación de presión más alta de cualquier motor Rolls-Royce, en ese momento, sin la necesidad de álabes guía de entrada variables o purga entre etapas. [9] Era más conocido como una disposición para una mejor eficiencia propulsiva, un motor de derivación. El Pratt & Whitney J58 usó purga entre etapas por la borda para arrancar y acelerar a bajas velocidades corregidas, pero como regresó a estas velocidades a altos números de Mach, la purga se abrió nuevamente, pero esta vez se dirigió al tubo de salida donde enfrió el postquemador y la tobera. Este enfriamiento contribuyó indirectamente al empuje al permitir que se quemara más combustible en el postquemador. Una disposición similar, pero que utiliza un compresor dividido con purga entre compresores hacia el tubo de inyección, se conoció más tarde como turborreactor "con fugas", un motor de derivación con derivación solo suficiente para enfriar el postquemador y la boquilla.
Los compresores bombean gas para una amplia variedad de aplicaciones, cada una de las cuales tiene su propia resistencia al flujo que el compresor debe cumplir para mantener el flujo de gas. Un mapa muestra las características de bombeo para la gama completa de flujos y requisitos de presión para su aplicación. El mapa se puede generar impulsando el compresor con un motor eléctrico con la resistencia al flujo seleccionada artificialmente utilizando una válvula de mariposa de área variable. El compresor también se puede mapear si es parte de un generador de gas con una válvula en la salida de la turbina. Campbell [10] muestra un compresor General Electric J79 mapeado de esta manera.
El rendimiento del compresor cambia, día a día, con los cambios en la presión y temperatura ambiente. Woolenweber [11] muestra el cambio en el rendimiento de un compresor de turbocompresor cuando la temperatura de entrada varía entre 70 y 100 grados F. En el caso de los compresores de aeronaves, la presión y temperatura de entrada también cambian con la altitud y la velocidad del aire. La presentación de un rendimiento diferente para cada combinación de temperatura y presión de entrada sería inmanejable, pero es posible colapsarlo todo en un solo mapa, que es aplicable a una amplia gama de condiciones de entrada, utilizando el análisis dimensional . En el análisis dimensional, las cantidades individuales como la velocidad del rotor, el flujo másico y la presión de entrega se agrupan con otras cantidades relevantes de tal manera que los grupos no tienen dimensiones pero aún tienen un significado físico. Por ejemplo, la velocidad del rotor , la temperatura de entrada , el diámetro del compresor y las propiedades del gas se agrupan como adimensionales , lo que es equivalente al número de Mach de la paleta.
Los grupos de parámetros que se utilizan como base para los mapas de compresores de motores de turbina de gas son la relación de presión total (P de salida /P de entrada ), y la eficiencia. , por ejemplo, se simplifica a continuación, aunque sigue siendo representativo del número de Mach. Los mapas para otras aplicaciones utilizan la presión de descarga o de carga y el caudal volumétrico. [12]
Para un compresor y un gas en particular, los grupos de caudal y velocidad se simplifican eliminando los términos que son constantes para un compresor y una aplicación en particular, es decir, las dimensiones del compresor y las propiedades del gas , , y γ . Se denominan parámetros pseudoadimensionales y .
Un paso final es dar a los parámetros pseudo-adimensionales unidades estándar para el flujo másico y la velocidad y valores numéricos más reconocibles mediante la aplicación de factores de corrección de la relación de presión y temperatura, también derivados como parte del análisis dimensional.
Los parámetros corregidos son y . [13] Tienen las mismas unidades que los valores observados originales y están corregidos según las condiciones estándar acordadas, la Atmósfera Estándar Internacional a nivel del mar (ISA SL). Alternativamente, pueden mostrarse en relación con el valor de diseño, donde el valor de diseño se especifica como 100% o 1,0.
El combustible quemado en un motor de turbina de gas establece la línea de funcionamiento del compresor y también debe usarse en forma "adimensional" para mostrar su efecto en el funcionamiento del motor. [14] Se usa como una relación con la presión de la cámara de combustión cuando se muestra en un mapa del compresor. El flujo de combustible corregido se muestra como combustible . Aunque tanto el aire como el combustible son flujos de fluido, sus parámetros adimensionales son diferentes y , porque el flujo de aire adimensional es una forma de número de Mach de fluido, mientras que el combustible es el flujo de una fuente de energía incompresible. Las dimensiones del flujo de aire son M/t y las del flujo de combustible son ML 2 /t 3 , [15] donde M, L y t son masa, longitud y tiempo.
El flujo de combustible también se muestra en un mapa del compresor, pero en forma de su efecto, es decir, la temperatura de entrada a la turbina. Este efecto se muestra, nuevamente de manera adimensional, como la relación entre la temperatura de entrada a la turbina y la temperatura de entrada al compresor, y se conoce como relación de temperatura del motor. Grandcoing [16] muestra las líneas de temperatura constante que se cruzan cuando un compresor de helicóptero pasa de cero a plena carga con un flujo de combustible en aumento.
A partir de la igualdad de los parámetros de caudal en dos días diferentes día 1 día 2 , los valores medidos en un día se pueden corregir a los que se medirían en un día estándar, por lo que,
corr donde son valores medidos y 519 grados R y 14,7 lb/pulgada cuadrada son la temperatura y la presión diurnas estándar.
Los factores de corrección de temperatura y presión son y , por lo que corr
Para la velocidad el valor corregido es corr
Ejemplo : [17] Un motor está funcionando al 100 % de velocidad y 107 lb de aire ingresan al compresor cada segundo, y las condiciones diurnas son 14,5 psia y 30 grados F (490 grados R).
En un día normal, el flujo de aire sería de 105,2 lb/seg. La velocidad sería de 103 %. Estos valores corregidos son los que aparecerían en el mapa del compresor para este motor en particular.
Este ejemplo muestra que un compresor funciona aerodinámicamente más rápido en un día "frío" y sería más lento en un día "caliente". Dado que las condiciones del "día" son las de la entrada al compresor, se produce un día extremadamente "caliente" artificialmente por el aumento de la temperatura del ariete a altos números de Mach. La velocidad aerodinámica es lo suficientemente baja, a pesar de que el motor funciona a su velocidad mecánica nominal del 100%, para entrar en la región de pérdida de velocidad rotatoria en el mapa, por lo que un motor que funciona a estos números de Mach necesita las características apropiadas. El General Electric J93 tenía álabes guía de entrada y estatores variables. El Pratt & Whitney J58 tenía purga entre etapas del compresor y álabes guía de entrada de 2 posiciones. El Tumansky R-15 tenía refrigeración previa al compresor para reducir la temperatura del aire y evitar velocidades corregidas bajas.
La base para utilizar parámetros corregidos en el mapa es la similitud cinemática de números de Mach . El flujo y la velocidad corregidos definen los números de Mach a través del compresor y los ángulos de flujo sobre las palas utilizando triángulos de velocidad . Los triángulos de velocidad permiten que los flujos se transfieran entre diferentes marcos de referencia. En este caso, la velocidad del gas y la velocidad circunferencial de las palas en un marco estacionario se convierten en velocidad en un paso de marco giratorio (rotor). [18] Las pérdidas en las filas de palas y álabes dependen principalmente de los ángulos de incidencia y el número de Mach. [19] Un punto de operación particular en el mapa determina los números de Mach y los ángulos de flujo en todas partes del compresor. [20]
Un ejemplo histórico, el Pratt & Whitney J58 , ilustra la importancia de utilizar valores corregidos. El bloqueo rotatorio se produce a velocidades corregidas bajas [21], por lo que ocurre durante el arranque y también por encima del ralentí. Se puede aliviar abriendo una válvula de purga para aumentar el flujo de aire. A velocidades de vuelo muy altas, el compresor volverá a esta zona de baja velocidad corregida, por lo que el mismo punto de funcionamiento se produce a baja velocidad de rotación en tierra y a velocidad de rotación máxima a Mach 3 a gran altitud. El estancamiento, la baja eficiencia, la vibración de las palas y las fallas que plagaron las bajas velocidades corregidas en tierra han regresado al 100% de rpm del rotor a Mach 3. [22] El mismo punto de operación en el mapa tiene los mismos números de Mach axiales y periféricos, los mismos triángulos de velocidad, la misma eficiencia [23] a pesar de que la velocidad real del rotor y la temperatura de entrada del compresor son 4750 RPM/60 grados F en tierra y 7000 RPM/más de 600 grados F a Mach 3. [24] [25] El mismo punto de operación corregido requirió la misma solución para evitar el estancamiento y aumentar la eficiencia, que fue purgar el aire de la cuarta etapa del compresor. [26]
El compresor tiene límites de funcionamiento en los extremos de flujo para una velocidad particular que son causados por diferentes fenómenos. La inclinación de la parte de alto flujo de una línea de velocidad constante se debe a los efectos de la compresibilidad. La posición del otro extremo de la línea se encuentra por la separación del flujo de los álabes o del paso. Hay un límite de bajo flujo bien definido marcado en el mapa como una línea de estancamiento o de sobretensión, en el que se produce el estancamiento de los álabes debido a la separación por incidencia positiva. No marcado como tal en los mapas de turbocompresores y motores de turbina de gas es un límite de alto flujo al que se llega de forma más gradual en el que los pasos se obstruyen cuando la velocidad del gas alcanza la velocidad del sonido. Este límite se identifica para los compresores industriales como sobrecarga, estrangulamiento, sónico o muro de piedra. La aproximación a este límite de flujo se indica mediante las líneas de velocidad que se vuelven más verticales. Otras áreas del mapa son regiones donde el estancamiento fluctuante de los álabes puede interactuar con los modos estructurales de los álabes y provocar una falla, es decir, un estancamiento giratorio que causa fatiga del metal . [27]
Las distintas aplicaciones se desplazan por su mapa particular siguiendo diferentes caminos. Se muestra un mapa de ejemplo sin líneas operativas como referencia gráfica, con la línea de pérdida/sobrecarga a la izquierda y las líneas de velocidad cada vez más pronunciadas hacia el estrangulamiento y la sobrecarga a la derecha.
Los mapas tienen características similares y una forma general porque todos se aplican a máquinas con álabes giratorios que utilizan principios similares para bombear un fluido compresible. No todas las máquinas tienen álabes estacionarios (los compresores centrífugos pueden tener difusores con álabes o sin álabes). Sin embargo, un compresor que funciona como parte de una turbina de gas o un motor turboalimentado se comporta de manera diferente a un compresor industrial porque sus características de flujo y presión tienen que coincidir con las de su turbina motriz y otros componentes del motor, como la turbina de potencia o la tobera de chorro para una turbina de gas y, para un turbocompresor, el flujo de aire del motor que depende de la velocidad del motor y la presión de carga. [28] Un vínculo entre un compresor de turbina de gas y su motor se puede mostrar con líneas de relación de temperatura del motor constante, es decir, el efecto del abastecimiento de combustible/aumento de la temperatura de la turbina que eleva la línea de funcionamiento a medida que aumenta la relación de temperatura.
Una manifestación de un comportamiento diferente aparece en la región de estrangulamiento en el lado derecho de un mapa. Es una condición sin carga en una turbina de gas, turbocompresor o compresor axial industrial, pero sobrecarga en un compresor centrífugo industrial. [29] Hiereth et al. [30] muestra una curva de carga completa, o carga máxima de combustible, de un compresor de turbocompresor que se extiende cerca de la línea de sobretensión. Una línea de carga completa de un compresor de turbina de gas también se extiende cerca de la línea de sobretensión. La sobrecarga del compresor industrial es un límite de capacidad y requiere altos niveles de potencia para pasar los altos caudales requeridos. [31] El exceso de potencia está disponible para llevar inadvertidamente al compresor más allá del límite de sobrecarga a una condición peligrosa en días fríos si es impulsado por una turbina de gas. [32] [33] [34]
El compresor debe funcionar a la misma velocidad (o relación de transmisión fija) que su turbina motriz y tener la misma potencia y pasar el mismo caudal que su turbina motriz. Esto constituye un generador de gas que produce energía a gas. El compresor también debe pasar el mismo caudal que cualquier elemento que utilice la energía a gas, es decir, etapas de turbina adicionales para un motor de un solo eje o turbinas de energía independientes o una tobera de chorro. Este requisito de caudal igual se suma a un requisito de relación de presión igual, entre las relaciones generales de compresión y expansión, y juntos posicionan la línea de funcionamiento para un funcionamiento en estado estable.
Los motores de un solo eje que impulsan un generador eléctrico o un rotor de helicóptero/hélice de avión funcionan con el compresor sin carga mientras aceleran hasta la velocidad de operación. Sin carga se refiere a un suministro mínimo de combustible necesario para hacer funcionar el generador sin carga eléctrica o al paso del rotor/hélice al mínimo y ocurre cerca del estrangulador. Cohen et al. [35] muestran que los generadores eléctricos funcionan hasta la velocidad requerida sin carga. Se obtiene un aumento en la carga eléctrica al aumentar el flujo de combustible. Barkey et al. [36] dan una descripción detallada de la secuencia de eventos que llevan a la turbina del generador a la velocidad de diseño, o frecuencia de red, sin carga antes de aumentar el combustible a medida que se activa la carga. Grandcoing [37] muestra el funcionamiento a velocidad constante del motor del helicóptero Turbomeca Artouste desde el ralentí sin carga hasta la potencia máxima. Sin carga es el paso mínimo del rotor y el flujo de combustible en ralentí. El aumento en el flujo de combustible se muestra en un mapa del compresor como líneas de relación de temperatura constante del motor, temperatura de entrada de la turbina/temperatura de entrada del compresor. Grandcoing [37] también muestra el efecto de un aumento rápido de carga donde la velocidad disminuye antes de recuperar su ajuste requerido.
Los motores de aeronaves con un área de boquilla de escape fija tienen una sola línea de funcionamiento o de funcionamiento en estado estable que se fija mediante el flujo de combustible desde el ralentí hasta la velocidad máxima. Los ángulos de álabes variables y las áreas de flujo (válvulas de purga) en el compresor no cambian la línea de funcionamiento en un punto de funcionamiento en particular porque los ángulos y las posiciones de las válvulas son únicos para una velocidad corregida, es decir, se controlan de acuerdo con un cronograma en relación con la velocidad corregida. El exceso o la falta de combustible en comparación con el flujo de combustible necesario para el funcionamiento a velocidad constante mueve la línea hacia arriba o hacia abajo mientras el motor cambia la velocidad a un nuevo requisito.
Campbell [10] muestra el efecto de diferentes áreas de boquillas en la línea de funcionamiento en estado estable. El control automático del área se desactivó para esta investigación. En servicio, el área está abierta al ralentí y se cierra progresivamente a medida que el motor acelera, como lo muestra la programación del área. [38] No se agrega una boquilla ajustable para este propósito en particular, pero si se instala un postquemador, se puede usar para reducir el empuje en ralentí y acelerar los tiempos de aceleración hasta el empuje donde el postquemador se vuelve operativo. La línea de operación del ventilador ideal en un turbofán aumentado establece la relación de presión del ventilador lo más alta posible para optimizar el rendimiento y el empuje del ventilador mientras se mantiene un margen de pérdida de sustentación adecuado. La línea de operación del ventilador se controla variando el área de la boquilla que actúa como una válvula de estrangulamiento. El estrangulamiento es una combinación de térmica del combustible que se quema y geométrica del área de la boquilla ajustable. [39]
La turbinación de la etapa trasera a baja velocidad [40] [41] se produce con una incidencia negativa excesiva que conduce a una relación de presión inferior a uno y a que la etapa del compresor absorba potencia del flujo de aire. Dos ejemplos en los que cruzar la línea de sobretensión impidió acelerar a alta velocidad ocurrieron con los primeros diseños del Rolls-Royce Avon [42] y el IAE V2500 [43] y requirieron rediseños importantes del compresor. El bloqueo rotatorio a bajas velocidades corregidas provocó fallas en las paletas de los primeros compresores axiales. [44]
El rango de presión y caudal del compresor se muestra con un gráfico de líneas de rpm constantes del motor y de par constante superpuestos en el mapa. El material de OpenCourseWare [45] muestra un gráfico de líneas de velocidad y carga del motor para los requisitos de caudal de aire de un motor de camión de 4 tiempos. Shahed [46] muestra líneas de velocidad constante del motor y BMEP del motor para un motor diésel de servicio pesado. Woollenweber [47] muestra los requisitos de caudal de aire del motor a diferentes velocidades del motor y carga/combustible/par. Hiereth et al. [48] muestran líneas de funcionamiento para diversas aplicaciones, como una línea de funcionamiento a plena carga para un motor de turismo, el efecto de un turbocompresor no controlado en un motor diésel de camión y el control de la válvula de descarga en motores diésel y de gasolina de pasajeros, y el efecto de la altitud en una línea de funcionamiento del compresor.
Los requisitos del proceso pueden cambiar, lo que hace que varíen las condiciones del compresor. El compresor puede ser accionado por una máquina de velocidad variable o de velocidad constante. Si es accionado por un motor eléctrico de velocidad constante, puede ser controlado con álabes guía de entrada variables o con estrangulamiento de succión y descarga. Welch [49] muestra el efecto del ángulo variable de los álabes en el flujo de un compresor centrífugo.
El eje x suele ser una función del caudal másico de entrada del compresor, normalmente un caudal corregido o un caudal adimensional, en contraposición al caudal real. Este eje puede considerarse una medida aproximada del número de Mach axial del caudal que pasa por el dispositivo.
Normalmente, el eje y es la relación de presiones (P salida / P entrada ), donde P es la presión de estancamiento (o presión total).
También se utiliza ΔT/T (o similar), donde T es la temperatura de estancamiento (o carga total).
La línea diagonal ligeramente torcida en la parte principal del mapa se conoce como línea de oleaje (o de estancamiento). Por encima de esta línea hay una región de flujo inestable, que es mejor evitar.
Una sobrecarga o pérdida de aire en el compresor provoca una inversión abrupta del flujo de aire en el compresor. Las aspas del compresor crean una acción de bombeo al funcionar como perfiles aerodinámicos . En una sobrecarga o pérdida de aire, las aspas experimentan una pérdida aerodinámica (similar a la pérdida de aire en el ala de un avión) y se vuelven incapaces de retener la presión más alta aguas abajo, con una violenta inversión de flujo resultante. La llama, que normalmente está confinada en la cámara de combustión, puede salir por la entrada del motor y por la boquilla de escape.
Como sugiere el nombre, el margen de sobretensión proporciona una medida de qué tan cerca está un punto operativo de la sobretensión. Desafortunadamente, existen varias definiciones diferentes de margen de sobretensión. Una de las más utilizadas es la siguiente:
dónde:
es el flujo másico en el punto de operación, ya sea en estado estable o transitorio
es el flujo másico en el aumento repentino, a la misma velocidad corregida que
Las líneas ligeramente curvas, casi verticales, en la parte principal del mapa son las líneas de velocidad corregida (rotación constante). Son una medida del número de Mach de la punta de la pala del rotor .
Observe en la ilustración que las líneas de velocidad no se distribuyen linealmente con el flujo. Esto se debe a que este compresor en particular está equipado con estatores variables , que se abren progresivamente a medida que aumenta la velocidad, lo que provoca un aumento exagerado del flujo en la región de velocidad media a alta. A baja velocidad, los estatores variables están bloqueados, lo que provoca una relación más lineal entre la velocidad y el flujo.
Tenga en cuenta también que, más allá del 100 % de flujo, las líneas de velocidad se cierran rápidamente debido al estrangulamiento. Más allá del estrangulamiento, cualquier aumento adicional de la velocidad no generará ningún aumento adicional del flujo de aire.
Un gráfico secundario muestra la variación de la eficiencia isentrópica (es decir, adiabática ) con el flujo, a velocidad constante. Algunos mapas utilizan la eficiencia politrópica. Alternativamente, para fines ilustrativos, los contornos de eficiencia a veces se representan en forma cruzada en el mapa principal.
Tenga en cuenta que el punto de máxima eficiencia muestra una ligera curvatura en su tendencia ascendente. Esto se debe a que el compresor se obstruye a medida que aumenta la velocidad, con los estatores variables cerrados. La línea de tendencia se reanuda una vez que las variables comienzan a abrirse.
También se muestra en el mapa una línea típica de funcionamiento en estado estable (o en funcionamiento/marcha). Esta es la ubicación de los puntos de funcionamiento del motor, cuando está acelerado.
Al ser un dispositivo de alta relación de presión, la línea de trabajo es relativamente poco profunda. Si la unidad no tuviera geometría variable, habría problemas de manejo, porque la línea de sobrepresión sería muy empinada y cruzaría la línea de trabajo en el flujo parcial.
Durante una aceleración brusca desde una posición de aceleración media, la línea de trabajo del compresor se moverá rápidamente hacia el aumento repentino y luego se acercará lentamente al punto de funcionamiento en estado estable, más arriba en el mapa. El efecto inverso ocurre durante una desaceleración brusca. Estos efectos son causados por la respuesta lenta del carrete (es decir, efectos de inercia) a los cambios rápidos en el flujo de combustible del motor. El aumento repentino del compresor es un problema particular durante las aceleraciones bruscas y se puede superar con ajustes adecuados en el programa de abastecimiento de combustible y/o el uso de purga (purga de aire del compresor, para fines de manejo).
En el ejemplo particular que se muestra, una aceleración brusca desde el ralentí en tierra provocaría un aumento repentino de la presión del compresor. Abrir la válvula de purga ayudaría, pero también podrían ser necesarios algunos cambios en el programa del estator variable.
Debido a que un compresor de alta presión "ve" la capacidad de flujo estrangulado de la turbina de alta presión, la línea de trabajo del compresor apenas se ve afectada por las condiciones de vuelo. La pendiente de la línea de trabajo se aproxima a un flujo de salida corregido constante.
Un ventilador de baja relación de presión (como el que se utiliza en un turbofán de alta relación de derivación ) tiene una serie de líneas de trabajo. A altas velocidades de vuelo, la relación de presión del ariete aumenta la relación de presión de la tobera fría, lo que hace que la tobera se estrangule. Por encima de la condición de estrangulamiento, las líneas de trabajo tienden a fusionarse en una única línea recta empinada. Cuando la tobera se desestrangula, la línea de trabajo comienza a volverse más curvada, lo que refleja la curvatura característica de la tobera. A medida que disminuye el número de Mach en vuelo, la relación de presión de la tobera fría disminuye. Inicialmente, esto no tiene ningún efecto sobre la posición de la línea de trabajo, aparte de la cola curvada (desestrangulada), que se vuelve más larga. Finalmente, la tobera fría se desestrangulará a números de Mach en vuelo más bajos, incluso a máxima potencia. Las líneas de trabajo ahora se curvarán, migrando gradualmente hacia el aumento repentino a medida que disminuye el número de Mach en vuelo. La línea de trabajo con margen de aumento más bajo se produce en condiciones estáticas.
Debido a la naturaleza de las restricciones involucradas, las líneas de trabajo del ventilador de un turbofán mixto son algo más empinadas que las del motor no mixto equivalente.
Un ventilador puede tener dos mapas, uno para la sección de derivación (es decir, exterior) y otro para la sección interior, que normalmente tiene líneas de velocidad más largas y planas.
Los turbofán militares tienden a tener una relación de presión de diseño del ventilador mucho mayor que los motores civiles. En consecuencia, la tobera final (mixta) se obstruye a todas las velocidades de vuelo, en la mayor parte del rango de aceleración. Sin embargo, en configuraciones de aceleración bajas, la tobera se desobstruye, lo que hace que el extremo inferior de las líneas de trabajo tenga una cola corta y curva, particularmente a bajas velocidades de vuelo.
Sin embargo, los turbofán con relación de derivación ultraalta tienen una relación de presión de diseño del ventilador muy baja (por ejemplo, 1,2, en la sección de derivación). En consecuencia, incluso a velocidades de vuelo de crucero, la tobera de propulsión fría (o final mixta) solo puede obstruirse con ajustes de aceleración altos. Las líneas de trabajo del ventilador se vuelven más curvas y migran rápidamente hacia el aumento repentino a medida que disminuye el número de Mach en vuelo. Como resultado, la línea de trabajo estática puede estar bien dentro del aumento repentino, particularmente con ajustes de aceleración bajos.
Una solución es tener una boquilla fría (o mixta) de área variable. Aumentar el área de la boquilla a bajas velocidades de vuelo aleja la línea de trabajo del ventilador del sobrevoltaje. [50]
Una solución alternativa es instalar un ventilador de paso variable. La programación del paso de las aspas del ventilador no tiene impacto en la posición de las líneas de trabajo del ventilador, pero se puede utilizar para mover la línea de sobretensión hacia arriba, para mejorar el margen de sobretensión del ventilador. [51]
Algunos turbofán tienen un compresor de presión intermedia (IP) ubicado entre el ventilador y el compresor de alta presión (HP) para aumentar la relación de presión general. Los motores civiles estadounidenses tienden a montar el compresor IP en el eje LP, directamente detrás del ventilador, mientras que Rolls-Royce normalmente monta el compresor IP en un eje separado (es decir, IP), que es impulsado por una turbina IP. De cualquier manera, pueden surgir problemas de coincidencia.
El caudal corregido de salida del compresor IP debe coincidir con el caudal corregido de entrada del compresor HP, que disminuye a medida que se reduce la velocidad del motor. En una determinada pendiente de la línea de trabajo del compresor IP, el caudal corregido de salida del compresor IP permanece constante. Sin embargo, al adoptar una línea de trabajo menos profunda, la relación de presión adicional del compresor IP en un caudal corregido de entrada del compresor IP determinado permite que el caudal corregido de salida del compresor IP disminuya y coincida con el caudal corregido de entrada del compresor HP que disminuye. Desafortunadamente, esto puede generar un margen de sobretensión deficiente del compresor IP en el caudal parcial.
El margen de sobretensión se puede mejorar agregando estatores variables al compresor IP y/o agregando una válvula de descarga entre los compresores IP y HP. El primero hace que la línea de sobretensión del compresor IP sea menos profunda, alejándola de la línea de trabajo poco profunda, mejorando así el margen de sobretensión del compresor IP.
En una relación de presión dada del compresor IP, la apertura de la válvula de descarga obliga a que el flujo corregido de entrada del compresor IP aumente hasta un punto en el que el margen de sobrecarga del compresor IP tiende a ser mejor. En efecto, la apertura de la válvula de descarga reduce la línea de trabajo del compresor IP. Cualquier exceso de flujo respecto del demandado por el compresor de alta presión pasa a través de la válvula de descarga hacia el conducto de derivación. La válvula de descarga normalmente solo se abre en condiciones de estrangulamiento, ya que desperdicia energía.
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