Un mapa de compresores es un gráfico que muestra el rendimiento de un compresor de turbomaquinaria . Este tipo de compresor se utiliza en motores de turbina de gas , para sobrealimentar motores alternativos y para procesos industriales, donde se le conoce como compresor dinámico. Se crea un mapa a partir de los resultados de las pruebas del equipo compresor o se predice mediante un programa informático especial. Alternativamente, se puede escalar adecuadamente el mapa de un compresor similar. Este artículo es una descripción general de los mapas de compresores y sus diferentes aplicaciones y también tiene explicaciones detalladas de mapas para un ventilador y compresores de presión intermedia y alta de un motor aeronáutico de tres ejes como ejemplos específicos.
Los mapas de compresores son una parte integral de la predicción del rendimiento de los motores turboalimentados y de turbina de gas, tanto en condiciones de diseño como fuera de diseño. También cumplen un propósito fundamental a la hora de seleccionar los compresores correctos para procesos industriales.
Los ventiladores y las turbinas también tienen mapas de funcionamiento, aunque estos últimos difieren significativamente en apariencia al de los compresores.
Un mapa de compresor muestra el rango operativo de un compresor y qué tan bien funciona dentro de su rango operativo. 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, lo que se conoce como fuera de diseño. En primer lugar, el área de salida tiene que ser más pequeña que el área de entrada porque el gas comprimido tiene una mayor densidad. El área de salida está dimensionada para pasar el volumen específico en las condiciones de diseño. [1] En segundo lugar, todas las palas del rotor y del estator en un compresor axial, y las paletas inductoras y difusoras del impulsor en un compresor centrífugo, [2] [3] están en ángulo para enfrentarse al aire que se aproxima de frente en las condiciones de diseño para minimizar las pérdidas por incidencia. . Las pérdidas por 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/reducción de la eficiencia y luego estancamiento o velocidad sónica/estrangulamiento que se producen en los pasajes de las palas en los extremos opuestos de un compresor axial al mismo tiempo. [4] También ocurren en un compresor centrífugo en la entrada al 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 si se utiliza para bombear aire a un alto horno. Sin embargo, el compresor debe proporcionar un rendimiento adecuado en otras condiciones operativas que se le imponen, 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 se acelere rápidamente hasta la velocidad de diseño, lo que significa operar 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 la NACA [6] ilustra gráficamente la diferencia en la contracción requerida en las condiciones 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 aspas 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 la pérdida, y las etapas traseras en la dirección opuesta hacia la estrangulación. [6] La desviación era aceptable hasta una relación de presión de diseño de aproximadamente 5:1, lo que producía sólo una pérdida de eficiencia. En relaciones de presión de diseño más altas, se requirió la prevención de la pérdida de rotación, que ocurre a bajas velocidades corregidas, [7] y se requirió obstrucción con la introducción de paletas guía de entrada que se cerraban parcialmente a bajas velocidades, o eliminando el aire parcialmente a lo largo del compresor a bajas velocidades. velocidades. [8] También se introducirían filas de estatores variables o compresores divididos, que permitían que las etapas delanteras aceleraran y las traseras desaceleraran entre sí, por la misma razón. Cuando las relaciones de presión alcanzaran aproximadamente 12:1, los compresores incorporarían más de una de estas características juntas.
Los primeros ejemplos de diferentes soluciones para aliviar la pérdida de rotación en las etapas delanteras incluyen el Rolls-Royce Avon con paletas guía de entrada variables y purga entre etapas, el General Electric J79 con paletas guía de entrada variables y estatores variables, la Bristol Olympus con compresor dividido y la Pratt & Whitney J57 con compresor dividido y purga de intercompresor. Hasta este momento, la purga del compresor solo había sido necesaria para arrancar y acelerar más allá de las bajas velocidades corregidas, donde su pérdida de producción de empuje, por arrojarlo por la borda, no era importante.
Otro avance fue el purgado permanente del compresor devuelto al motor, donde contribuía al empuje. El Rolls-Royce Conway tenía un compresor dividido con purga del intercompresor al jetpipe. 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 paletas guía de entrada variables o purga entre etapas. [9] Era más conocido como un dispositivo para una mejor eficiencia propulsora, un motor de derivación. El Pratt & Whitney J58 usó purga al agua entre etapas para arrancar y acelerar a velocidades bajas corregidas, pero como volvió a estas velocidades con números de mach altos, la purga se abrió nuevamente, pero esta vez se dirigió al tubo de chorro donde enfrió el posquemador y la boquilla. Este enfriamiento contribuyó indirectamente al empuje al permitir que se quemara más combustible en el postquemador. Una disposición similar, pero que utilizaba un compresor dividido con purga del intercompresor al tubo de chorro, se conoció más tarde como turborreactor con "fugas", un motor de derivación con suficiente derivación 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 toda la gama de caudales y requisitos de presión para su aplicación. El mapa se puede producir accionando el compresor con un motor eléctrico con la resistencia al flujo seleccionada artificialmente usando una válvula reguladora de área variable. El compresor también podrá mapearse si forma parte de un generador de gas con una válvula a 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 turbocompresor cuando la temperatura de entrada varía entre 70 y 100 grados F. En el caso de los compresores de aviones, la presión y la 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 agruparlo todo en un solo mapa, que es aplicable a una amplia gama de condiciones de entrada, mediante análisis dimensional . En el análisis dimensional, cantidades individuales como la velocidad del rotor, el flujo másico y la presión de suministro se agrupan con otras cantidades relevantes de tal manera que los grupos no tienen dimensiones pero sí 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 equivale al número de coincidencia de las palas.
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 salida /P entrada ), y eficiencia. , por ejemplo, se simplifica a continuación sin dejar de ser representativo del número de máquina. Los mapas para otras aplicaciones utilizan presión de cabeza o descarga y flujo volumétrico. [12]
Para un compresor y un gas en particular, los grupos de flujo 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 flujo másico y velocidad y valores numéricos más reconocibles mediante la aplicación de factores de corrección de 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 al nivel del mar (ISA SL). Alternativamente, se pueden mostrar 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 pone en funcionamiento la línea del compresor y también debe usarse en forma "adimensional" para mostrar su efecto en el funcionamiento del motor. [14] Se utiliza como 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 del fluido, mientras que el combustible es un 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 de la turbina. Este efecto se muestra, nuevamente de forma adimensional, como la relación entre la temperatura de entrada de la turbina y la temperatura de entrada del compresor, y se conoce como relación de temperatura del motor. Grandcoing [16] muestra las líneas de temperatura constante cruzadas cuando el compresor de un helicóptero pasa de sin carga a plena carga con un flujo de combustible creciente.
A partir de la igualdad de los parámetros de flujo en dos días diferentes día 1 día 2 , los valores medidos en un día se pueden corregir a aquellos que se medirían en un día estándar, de modo que,
corr donde están los valores medidos y 519 grados R y 14,7 lb/pulgada cuadrada son la temperatura y presión estándar del día.
Los factores de corrección de temperatura y presión son y , entonces 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 estándar, el flujo de aire sería de 105,2 lb/seg. La velocidad sería la cual es 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 "diurnas" son aquellas a la entrada del compresor, se produce artificialmente un día extremadamente "caliente" por el aumento de la temperatura del ariete a números de Mach elevados. La velocidad aerodinámica es lo suficientemente baja, a pesar de que el motor funciona al 100 % de su velocidad mecánica nominal, como para entrar en la región de pérdida de rotación en el mapa, por lo que un motor que funciona con estos números de Mach necesita las características adecuadas. El General Electric J93 tenía estatores y paletas guía de entrada variables. El Pratt & Whitney J58 tenía purga entre etapas del compresor y paletas guía de entrada de 2 posiciones. El Tumansky R-15 contaba con refrigeración por precompresor para reducir la temperatura del aire y evitar bajas velocidades corregidas.
La base para utilizar parámetros corregidos en el mapa es la similitud cinemática del número de Mach . El flujo y la velocidad corregidos definen los números de Mach a través del compresor y los ángulos de flujo hacia las palas usando triángulos de velocidad . Los triángulos de velocidad permiten transferir flujos entre diferentes sistemas de referencia. En este caso, la velocidad del gas y la velocidad circunferencial de la pala en un marco estacionario se convierten en velocidad en un pasaje de marco giratorio (rotor). [18] Las pérdidas en las filas de palas y paletas 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. La pérdida de rotación ocurre a velocidades bajas corregidas [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 área de baja velocidad corregida, por lo que se produce el mismo punto de funcionamiento a baja velocidad de rotación en el suelo 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 plagaban las bajas velocidades corregidas en el suelo han regresado al 100% de rpm del rotor en mach 3. [22] El mismo punto de operación en el mapa tiene los mismos números de mach axiales y periféricos, la misma velocidad triángulos, 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 el suelo y 7000 RPM/más de 600 grados F a Mach 3. [24] [25] El mismo punto de funcionamiento corregido requería la misma solución para evitar el estancamiento y aumentar la eficiencia, que consistía en 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 pendiente 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 localiza mediante pala o paso de separación del flujo. Hay un límite de flujo bajo bien definido marcado en el mapa como una línea de pérdida o de oleada, en la que se produce la pérdida de la pala debido a la separación de incidencia positiva. No está marcado como tal en los mapas para turbocompresores y motores de turbina de gas un límite de alto flujo que se acerca más gradualmente en el cual los pasajes se obstruyen cuando la velocidad del gas alcanza la velocidad del sonido. Este límite se identifica para los compresores industriales como de sobrecarga, estrangulador, sónico o de muro de piedra. La aproximación a este límite de flujo está indicada por las líneas de velocidad que se vuelven más verticales. Otras áreas del mapa son regiones donde la pérdida fluctuante de las paletas puede interactuar con los modos estructurales de las palas y provocar fallas, es decir, la pérdida por rotación causa fatiga del metal . [27]
Diferentes aplicaciones se mueven sobre su mapa particular por caminos diferentes. Se muestra un mapa de ejemplo sin líneas operativas como referencia pictórica con la línea de pérdida/marcha 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 y forma general similares porque todos se aplican a máquinas con paletas giratorias que utilizan principios similares para bombear un fluido comprimible. No todas las máquinas tienen paletas estacionarias (los compresores centrífugos pueden tener difusores de paletas o sin paletas). 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 impulsora y otros componentes del motor, como la turbina de potencia o la boquilla de chorro para una turbina de gas. y, en el caso de 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 suministro de combustible/aumento de temperatura de la turbina que eleva la línea de funcionamiento a medida que aumenta la relación de temperatura.
Una manifestación de comportamiento diferente aparece en la región estranguladora en el lado derecho del 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 del compresor del turbocompresor, o carga máxima de combustible, que corre cerca de la línea de sobretensión. Una línea de carga completa de un compresor de turbina de gas también corre cerca de la línea de compensación. La sobrecarga del compresor industrial es un límite de capacidad y requiere altos niveles de potencia para superar los altos caudales requeridos. [31] El exceso de energía 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 impulsora, tener la misma potencia y pasar el mismo flujo que su turbina impulsora. Éste constituye un generador de gas que produce energía gaseosa. El compresor también tiene que pasar el mismo flujo que cualquier otro que utilice la energía del gas, es decir, etapas de turbina adicionales para un motor de un solo eje o turbinas de potencia separadas o una boquilla de chorro. Este requisito de flujo igual se suma al requisito de relación de presión igual, entre las relaciones generales de compresión y expansión, y juntos posicionan la línea en funcionamiento para una operación 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 alcanzar la velocidad de funcionamiento. Sin carga se refiere a un suministro mínimo de combustible necesario para hacer funcionar el generador sin carga eléctrica o paso del rotor/hélice al mínimo y ocurre cerca del estrangulamiento. Cohen y cols. [35] muestran generadores eléctricos funcionando a la velocidad requerida sin carga. Se obtiene un aumento de la carga eléctrica aumentando el flujo de combustible. Barkey et al. [36] brindan una descripción detallada de la secuencia de eventos que llevan la turbina del generador a la velocidad de diseño, o frecuencia de la red, sin carga antes de aumentar el combustible a medida que aumenta la carga. Grandcoing [37] muestra el funcionamiento a velocidad constante del motor de 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 inactivo. 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 rápido aumento de carga donde la velocidad cae antes de recuperar su ajuste requerido.
Los motores de avión con un área de boquilla de escape fija tienen una única línea operativa o de funcionamiento en estado estacionario que se fija mediante el flujo de combustible desde el ralentí hasta la velocidad máxima. Los ángulos de paletas variables y las áreas de flujo (válvulas de purga) en el compresor no cambian la línea de funcionamiento en un punto de operación particular porque los ángulos y las posiciones de las válvulas son únicos para una velocidad corregida, es decir, se controlan de acuerdo con un programa en función de la velocidad corregida. . El exceso o la falta de combustible en comparación con el flujo de combustible requerido para un funcionamiento a velocidad constante mueve la línea hacia arriba o hacia abajo mientras el motor cambia de velocidad a un nuevo requisito.
Campbell [10] muestra el efecto de diferentes áreas de boquilla en la línea de funcionamiento en estado estacionario. El control automático del área fue desactivado para esta investigación. En servicio el área está abierta al ralentí y se cierra progresivamente a medida que el motor acelera según lo muestra la programación del área. [38] No se agrega una boquilla ajustable para este propósito 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 entra en funcionamiento. La línea de operación de ventilador ideal en un turboventilador aumentado establece la relación de presión del ventilador lo más alta posible para optimizar el rendimiento y el empuje del ventilador manteniendo al mismo tiempo un margen de calado adecuado. La línea de operación del ventilador se controla variando el área de la boquilla que actúa como una válvula reguladora. La estrangulación es una combinación de temperatura del combustible quemado y geométrica del área de boquilla ajustable. [39]
La turbina de la etapa trasera de baja velocidad [40] [41] ocurre con una incidencia negativa excesiva que conduce a una relación de presión menor que uno y la etapa del compresor absorbe 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 importantes rediseños del compresor. La pérdida de rotación a bajas velocidades corregidas provocó fallas en las palas de los primeros compresores axiales. [44]
El rango de flujo y presión del compresor se muestra con un diagrama de alfombra de rpm constantes del motor y líneas de par constante superpuestas en el mapa. El material de OpenCourseWare [45] muestra un diagrama de alfombra de la velocidad y carga del motor para los requisitos de flujo 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 flujo de aire del motor a diferentes velocidades del motor y carga/repostaje/par. Hiereth et al. [48] muestran líneas operativas para diversas aplicaciones, como una línea operativa a plena carga para un motor de automóvil de pasajeros, el efecto de un turbocompresor no controlado en un motor diésel de camión y el control de válvula de descarga en motores diésel y de gasolina de pasajeros, y el efecto de la altitud en una línea de operación de compresores.
Los requisitos del proceso pueden cambiar provocando que varíen las condiciones del compresor. El compresor puede ser accionado por una máquina de velocidad variable o de velocidad constante. Si es impulsado por un motor eléctrico de velocidad constante, puede controlarse con paletas guía de entrada variables o estrangulación de succión y descarga. Welch [49] muestra el efecto del ángulo variable de paletas en el flujo de un compresor centrífugo.
El eje x suele ser alguna función del flujo másico de entrada del compresor, generalmente flujo corregido o flujo adimensional, a diferencia del flujo real. Este eje puede considerarse una medida aproximada del número de Mach axial del flujo a través del dispositivo.
Normalmente, el eje y es la relación de presión (P salida /P entrada ), donde P es la presión de estancamiento (o carga total).
También se utiliza ΔT/T (o similar), donde T es la temperatura de estancamiento (o cabeza total).
La línea diagonal ligeramente torcida en la parte principal del mapa se conoce como línea de aumento (o pérdida). Por encima de esta línea hay una región de flujo inestable, que es un área que es mejor evitar.
Una sobretensión o calado del compresor provoca una inversión abrupta del flujo de aire en el compresor. Las palas del compresor crean una acción de bombeo al funcionar como perfiles aerodinámicos . En una oleada o pérdida, las palas experimentan una pérdida aerodinámica (similar a la pérdida del ala de un avión) y se vuelven incapaces de contener la presión más alta aguas abajo, lo que resulta en una violenta inversión del flujo. La llama que normalmente está confinada en la cámara de combustión puede salir tanto por la entrada del motor como por la boquilla de escape.
Como sugiere el nombre, el margen de sobretensión proporciona una medida de qué tan cerca está un punto operativo del aumento. Desafortunadamente, existen varias definiciones diferentes de margen de aumento. Uno popular en uso se define de la siguiente manera:
dónde:
es el flujo másico en el punto de operación, ya sea en estado estacionario o transitorio
es el flujo másico en aumento, a la misma velocidad corregida que
Las líneas ligeramente curvadas, casi verticales, en la parte principal del mapa son las líneas de velocidad corregida (de rotación constante). Son una medida del número de Mach en 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, provocando un aumento exagerado del flujo en la región de velocidad media a alta. A baja velocidad, los estatores variables se bloquean, lo que provoca una relación más lineal entre velocidad y flujo.
También tenga en cuenta que más allá del 100% del flujo, las líneas de velocidad se cierran rápidamente debido a la asfixia. Más allá del estrangulamiento, cualquier aumento adicional en la velocidad no generará ningún aumento adicional en el flujo de aire.
Un subgráfico muestra la variación de la eficiencia isentrópica (es decir, adiabática ) con el flujo, a velocidad constante. Algunos mapas utilizan eficiencia politrópica. Alternativamente, con fines ilustrativos, a veces los contornos de eficiencia se trazan en forma cruzada en el mapa principal.
Obsérvese que el lugar de máxima eficiencia muestra un ligero giro en su tendencia ascendente. Esto se debe a la obstrucción del compresor 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 trabajo (u operativa/en funcionamiento) en estado estable. Este es un lugar de los puntos de funcionamiento del motor, cuando está acelerado.
Al ser un dispositivo con una relación de presión alta, la línea de trabajo es relativamente poco profunda. Si la unidad no tuviera geometría variable, habría problemas de manejo, porque la línea de oleada sería muy empinada y cruzaría la línea de trabajo a flujo parcial.
Durante una aceleración brusca desde una configuración de aceleración media, la línea de trabajo del compresor se moverá rápidamente hacia el aumento y luego se acercará lentamente al punto de funcionamiento de estado estable, más arriba en el mapa. El efecto inverso se produce 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 mediante ajustes adecuados en el programa de abastecimiento de combustible y/o el uso de purga (purga de aire del compresor, para fines de manipulación).
En el ejemplo particular que se muestra, una aceleración brusca desde el ralentí provocaría un aumento repentino del compresor de alta presión. Abrir la 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 obstruida 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 constante corregido.
Un ventilador de baja relación de presión (como el que se usa en un turboventilador de alta relación de derivación ) tiene una variedad de líneas de trabajo. A altas velocidades de vuelo, la relación de presión del ariete influye en la relación de presión de la boquilla fría, provocando que la boquilla se ahogue. Por encima de la condición de estrangulamiento, las líneas de trabajo tienden a fusionarse en una línea recta empinada única. Cuando la boquilla se desbloquea, la línea de trabajo comienza a volverse más curvada, reflejando la curvatura de la característica de la boquilla. Con la caída del número de Mach en vuelo, la relación de presión de la boquilla fría disminuye. Inicialmente esto no tiene ningún efecto sobre la posición de la línea de trabajo, aparte de la cola curva (sin trabas), que se hace más larga. Con el tiempo, la boquilla fría se desbloqueará con números de Mach de vuelo más bajos, incluso a toda velocidad. Las líneas de trabajo ahora se volverán curvas y migrarán gradualmente hacia la oleada a medida que disminuya el número de Mach de vuelo. La línea de trabajo con margen de sobretensión más bajo se produce en condiciones estáticas.
Debido a la naturaleza de las limitaciones involucradas, las líneas de trabajo del ventilador de un turboventilador mixto son algo más pronunciadas que las del motor no mezclado 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 turbofan militares tienden a tener una relación de presión de diseño mucho mayor que los motores civiles. En consecuencia, la boquilla final (mixta) se obstruye en todas las velocidades de vuelo, en la mayor parte del rango del acelerador. Sin embargo, con ajustes de aceleración bajos, la boquilla se desbloqueará, lo que provocará que el extremo inferior de las líneas de trabajo tenga una cola corta y curva, particularmente a bajas velocidades de vuelo.
Sin embargo, los turboventiladores 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 boquilla propulsora fría (o final mixta) sólo puede estrangularse con ajustes de aceleración altos. Las líneas de trabajo del ventilador se vuelven más curvas y migran rápidamente hacia la aceleración a medida que disminuye el número de Mach en vuelo. Como resultado, la línea de trabajo estática puede estar en pleno apogeo, 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 aumento. [50]
Una solución alternativa es instalar un ventilador de paso variable. Programar el paso de las aspas del ventilador no tiene ningún 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 turbofan 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 flujo corregido de salida del compresor IP debe coincidir con el flujo corregido de entrada del compresor HP, que disminuye a medida que se acelera el motor. Con una determinada pendiente de la línea de trabajo del compresor IP, el flujo 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 flujo corregido de entrada del compresor IP determinado permite que el flujo corregido de salida del compresor IP disminuya y coincida con el flujo corregido de entrada del compresor HP decreciente. Desafortunadamente, esto puede provocar un margen de sobretensión del compresor IP deficiente en flujo parcial.
El margen de sobretensión se puede mejorar agregando estatores variables al compresor IP y/o agregando una válvula de purga 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.
A una relación de presión del compresor IP dada, abrir la válvula de purga fuerza que el flujo corregido de entrada del compresor IP aumente, hasta un punto en el que el margen de sobretensión del compresor IP tiende a ser mejor. Efectivamente, abrir la válvula de purga baja la línea de trabajo del compresor IP. Cualquier exceso de flujo respecto al demandado por el compresor HP pasa a través de la válvula de purga hacia el conducto de derivación. La válvula de purga normalmente sólo se abre en condiciones estranguladas, ya que desperdicia energía.
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