iv.- compresores axiales (tg)

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IV.- COMPRESORES AXIALES (TG) pfernandezdiez.es IV.1.- INTRODUCCIÓN La misión de los álabes del rotor accionados por la turbina, es aumentar la velocidad del aire y la presión dinámica, pues dicho rotor recoge la energía que le entrega la turbina. La presión estática au- menta también en el rotor, pues en el diseño de los álabes, se les da mayor sección de salida que de entrada, lo que provoca un efecto difusor. En el estator, la velocidad decrece a medida que aumenta la presión estática, mientras que la pre- sión dinámica disminuye al disminuir la velocidad, si bien esta disminución queda compensada por el aumento en el rotor. Por lo tanto, en el rotor aumentan la velocidad y la presión total y en el estator disminuye la velo- cidad, aumenta la presión total y disminuye la presión dinámica. El aire va pasando del rotor al esta- tor y así sucesivamente, aumentando la energía del gasto másico de aire para que llegue a la cámara de combustión en cantidad y presión adecuadas. La temperatura aumenta al aumentar la presión, debido a que parte de la energía mecánica se convierte en calor. El diseño de los TC axiales entraña una gran dificultad dada la importancia espe- cial que el método aerodinámico y el método de diseño de los álabes torsionados tiene en estas máqui- nas. El ángulo de desviación (β 1 -β 2 ) de los álabes de un turbocompresor axial tiene que ser muy reduci- do si se quiere mantener un elevado rendimiento, siendo inferior a 45º, mientras que en las Turbinas de vapor o de gas es mucho mayor. De los triángulos de velocidades, Fig IV.2, para una velocidad media, c a = Cte, se obtiene: c 2u c 1u = w 2u w 1u w 2u = - c 2 cot g β 2 ; w 1u = - c 1 cot g β 1 El salto entálpico periférico en un escalonamiento de un turbocompresor axial, es: T u = u Δc u = u ( c 2u - c 1u ) = u c a ( cotg β 1 - cot g β 2 ) pfernandezdiez.es TG-IV.-55

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  • IV.- COMPRESORES AXIALES (TG)pfernandezdiez.es

    IV.1.- INTRODUCCIN

    La misin de los labes del rotor accionados por la turbina, es aumentar la velocidad del aire y la

    presin dinmica, pues dicho rotor recoge la energa que le entrega la turbina. La presin esttica au-

    menta tambin en el rotor, pues en el diseo de los labes, se les da mayor seccin de salida que de

    entrada, lo que provoca un efecto difusor.

    En el estator, la velocidad decrece a medida que aumenta la presin esttica, mientras que la pre-

    sin dinmica disminuye al disminuir la velocidad, si bien esta disminucin queda compensada por el

    aumento en el rotor.

    Por lo tanto, en el rotor aumentan la velocidad y la presin total y en el estator disminuye la velo-

    cidad, aumenta la presin total y disminuye la presin dinmica. El aire va pasando del rotor al esta-

    tor y as sucesivamente, aumentando la energa del gasto msico de aire para que llegue a la cmara

    de combustin en cantidad y presin adecuadas.

    La temperatura aumenta al aumentar la presin, debido a que parte de la energa mecnica se

    convierte en calor. El diseo de los TC axiales entraa una gran dificultad dada la importancia espe-

    cial que el mtodo aerodinmico y el mtodo de diseo de los labes torsionados tiene en estas mqui-

    nas.

    El ngulo de desviacin (1-2) de los labes de un turbocompresor axial tiene que ser muy reduci-

    do si se quiere mantener un elevado rendimiento, siendo inferior a 45, mientras que en las Turbinas

    de vapor o de gas es mucho mayor.

    De los tringulos de velocidades, Fig IV.2, para una velocidad media, ca= Cte, se obtiene:

    c2u c1u = w2u w1u

    w2u = - c2 cotg 2 ; w1u = - c1 cotg 1

    El salto entlpico perifrico en un escalonamiento de un turbocompresor axial, es:

    Tu = u cu = u ( c2u - c1u ) = u ca ( cotg 1 - cotg 2 )

    pfernandezdiez.es TG-IV.-55

  • a) Seccin interior de una turbina axial monoeje

    b) Seccin interior de una turbina axial de dos ejes concntricos

    c) Seccin interior de una turbina axial de dos ejes no concntricosFig IV.1.- Seccin interior de algunas tipos de turbinas de gas axiales

    Fig IV.2.- Escalonamiento de un turbocompresor axial y tringulos de velocidades

    pfernandezdiez.es TG-IV.-56

  • De esta ecuacin se deduce que como en un turbocompresor axial la diferencia ( cotg 1- cotg 2 )

    es muy pequea, el aumento del salto por escalonamiento se tiene que conseguir mediante un aumen-

    to de la velocidad perifrica

    u o de

    c a. Como ambas posibilidades son muy limitadas, y como a un sal-

    to perifrico pequeo le corresponde un incremento de presin por escalonamiento pequeo, la rela-

    cin de compresin c por escalonamiento en los TC axiales es muy pequea, del orden de 1,15 a 1,35

    aproximadamente, y mucho menor que en el turbocompresor centrfugo.

    Sin embargo sto no es problema para que en la actualidad el turbocompresor axial predomine so-

    bre el turbocompresor centrfugo en campos tales como las grandes potencias, los grandes caudales e

    incluso grandes relaciones de compresin para la impulsin de grandes caudales, del orden de c = 4,

    que se alcanzan aumentando el nmero de escalonamientos. Estos escalonamientos se suceden unos a

    otros, ya sean de tambor o de disco, constituyendo una mquina compacta con una reducida rea

    transversal, Fig !V.2, lo que constituye una gran ventaja sobre el turbocompresor centrfugo, p.e. en la

    aplicacin a los turborreactores de los aviones que precisan de pequeas superficies frontales.

    Los TC axiales se clasifican en subsnicos y supersnicos. Nuestro estudio tratar nicamente de

    los TC subsnicos, que son los ms corrientes.

    Fig !V.3.- Esquema del corte longitudinal de un turbocompresor axial

    Por lo que respecta a las prdidas, saltos entlpicos, rendimientos, potencias, refrigeracin, etc, lo

    visto en los TC centrfugos, es ntegramente aplicable a los TC axiales.

    Como la relacin de compresin por unidad es limitada, se pueden alcanzar valores extraordina-

    riamente elevados, disponiendo un cierto nmero de ellas en serie.

    IV.2.- INCREMENTO DE LA PRESIN TERICA EN UN ESCALONAMIENTO DE TURBO-COMPRESOR AXIAL

    El incremento de entalpa en un escalonamiento adiabtico del compresor es igual al trabajo reali-

    zado:

    i3 - i1 = u ( c2u - c1u )

    Tcomp= ( i2 +

    c22

    2 ) - ( i1+ c1

    2

    2 ) = u ( c2u - c1u )

    habiendo supuesto que la energa cintica es sensiblemente la misma a la salida del escalonamiento 3

    pfernandezdiez.es TG-IV.-57

  • que a la entrada del escalonamiento 1, c3 c1.

    Como en un turbocompresor axial el incremento de presin por escalonamiento es muy reducido,

    la variacin de la densidad es tambin muy pequea; si en primera aproximacin se supone, para

    un solo escalonamiento, que la densidad = Cte, (no para el turbocompresor completo), se obtiene:

    di = du + p dv + v dp = du + p dv = dQ = 0 = v dp =

    dp

    i3 - i1 = p3- p1

    por lo que el incremento de presin terico en un escalonamiento de un turbocompresor axial es:

    p3- p1= = Cte ; c3 c1 = u ( c2u - c1u ) =

    2 {( w1

    2 - w22 ) + ( c1

    2 - c22 )} = ( p2 - p1 ) + ( p3 - p2 )

    Rotor de un turbocompresor axial.- En la corona mvil del escalonamiento de un turbocompre-sor axial con, = Cte, el incremento de entalpa, (para un observador que acompaa al fluido), es de la

    forma:

    i1 +

    w12

    2 = i2+ w2

    2

    2 ; p2 - p1

    = i2 - i1= w1

    2 - w22

    2

    que indica que, el aumento de entalpa en el rotor implica un aumento de la presin esttica, debido

    al proceso de difusin del flujo relativo, w1 > w2.

    Estator de un turbocompresor axial.- Asimismo el incremento de presin terico en el estator (corona fija) del escalonamiento de un turbocompresor axial con, = Cte y c3 c1, es:

    i2 +

    c22

    2 = i3 + c3

    2

    2 i3 - i2 = c2

    2 - c32

    2 = c2

    2 - c12

    2

    por cuanto se trata de un proceso adiabtico y en el mismo no se realiza ningn trabajo.

    El aumento de entalpa es debido a un proceso de difusin, c2 > c1.

    El establecer la hiptesis = Cte equivale a tratar al compresor como una bomba hidrulica, por

    lo que las ecuaciones anteriores son las que dan los incrementos de presin en una bomba hidrulica o

    en un ventilador, ambos de tipo axial, mientras que en los TC axiales no constituyen ms que una

    aproximacin.

    IV.3.- FACTOR DE DISMINUCIN DE TRABAJO EN LOS TC AXIALES

    Las ecuaciones que se han visto hasta ahora son slo vlidas en la teora unidimensional, es decir,

    para un nmero infinito de labes, por lo que en el turbocompresor axial es preciso considerar, al

    igual que se hizo en el turbocompresor radial, un factor de disminucin de trabajo.

    El trabajo perifrico o energa comunicada al fluido por el rodete, Tu, (teora unidimensional), es:

    Tu = u cu = u ( c2u - c1u ) = u ca ( cotg 1 - cotg 2 )

    que representa el aumento de entalpa del fluido en el escalonamiento.

    Para un gas perfecto, el aumento de entalpa:

    c p Tu = u ca ( cotg 1- cotg 2 )

    pfernandezdiez.es TG-IV.-58

  • en la que el subndice u indica que se trata del incremento de temperatura deducido del diagrama de

    velocidades, y el subndice se aade para expresar la validez de la ecuacin slo en la teora unidi-

    mensional. Por lo tanto, el incremento real de temperatura Tu que experimenta el fluido a su paso

    por el escalonamiento, es:

    Tu =

    u cac p

    ( cotg 1- cotg 2 )

    y el factor de disminucin de trabajo en el turbocompresor axial:

    =

    TuTu

    = TuTu

    < 1

    Tu trabajo perifricoTu el trabajo perifrico deducido del diagrama de velocidades

    Fig IV.4.- Variacin de ca de la base a la punta del labe

    en un turbocompresor axial Fig IV.5.- Factor de disminucin de trabajo , en funcin de

    la relacin de cubo en un turbocompresor axial.

    El que el factor sea menor que la unidad se debe a que la velocidad media

    c a se ha obtenido me-

    diante la ecuacin de continuidad, en el supuesto de que

    c a sea constante de la base a la punta del

    labe.

    Sin embargo, en el turbocompresor axial real el valor de

    c a no es constante, como se indica en la

    Fig IV.4, que representa la variacin de

    c a segn medidas experimentales desde la base a la punta

    del labe del turbocompresor axial, por lo que el valor de

    c a en la ecuacin:

    Tu =

    u cac p

    ( cotg 1 - cotg 2 )

    es excesivamente elevado; como consecuencia de la distribucin no uniforme de la velocidad

    c a, el va-

    lor de cu y el factor ( cotg 1- cotg 2 ) tambin son excesivos.

    En los clculos, el factor de disminucin de trabajo se puede suponer del orden de 0,86; depende de

    la relacin de cubo , y para ms exactitud deber tomarse de la Fig IV.5 en funcin de dicha relacin.

    IV.4.- GRADO DE REACCIN DE UN TURBOCOMPRESOR AXIAL

    Si seguimos manteniendo la teora unidimensional = Cte el grado de reaccin de un turbocom-

    presor axial se puede definir utilizando la misma ecuacin que define el grado de reaccin de las tur-

    binas hidrulicas, es decir:

    pfernandezdiez.es TG-IV.-59

  • = Salto de presin en la corona mvil

    Salto de presin en el escalonamiento =

    p2- p1p3- p1

    donde los subndices se refieren a las secciones indicadas en la Fig IV.2 que corresponde a un escalo-

    namiento con grado de reaccin: 0,5 < < 1.

    El grado de reaccin de un turbocompresor axial puede tener un valor cualquiera comprendido en-

    tre 0 y 1 e incluso tomar valores menores que 0 y mayores que 1.

    Todos estos valores pueden realizarse con una corona mvil, y una corona fija, que en el caso gene-

    ral, puede disponerse antes o despus de la corona mvil.

    En la Fig IV.6 se presentan cinco casos en que toma sucesivamente los valores:

    < 0 ; = 0 ; 0 < < 1, habiendo tomado, = 0,5 ; = 1 y > 1

    Para cada uno de estos cinco casos se han trazado los tringulos de velocidades y al pie de ellos los

    esquemas de la corona mvil y fija, siendo stas la disposiciones ms corrientes.

    Tambin es posible colocar la corona fija (estator) antes de la mvil.

    A fin de establecer mejor la comparacin, en los cinco casos se ha mantenido la misma velocidad

    perifrica

    u , as como el mismo cu y, por tanto, el trabajo absorbido en todos los escalonamientos de

    la Fig IV.6, u cu , es el mismo; el valor, c1a = c2a = ca , es igual tambin en todos los tringulos.

    El grado de reaccin = 0 correspondiente al escalonamiento puro de accin y el grado de reaccin < 0 se utilizan a veces donde es posible la instalacin de un difusor del compresor para la transfor-

    macin de energa, por ejemplo, en los exhaustores.

    Fig IV.6.- Tringulos de velocidad de diferentes escalonamientos de turbocompresor axiales, con la misma relacin de presiones, y distintos grados de reaccin, < 0; = 0; = 0,5; = 1; > 1

    El grado de reaccin = 1 corresponde al escalonamiento de reaccin pura.

    En general, la gama ms utilizada hasta el presente en los grados de reaccin de los TC axiales ha

    sido la de, 0,4 a 1, y tambin algunas veces el grado de reaccin mayor que 1.

    Dentro de esta gama se encuentran los tres tipos de escalonamientos correspondientes a los trin-

    gulos de velocidades de la Fig IV.7 que constituyen una clasificacin que ha sido muy empleada, en

    los que, c3 = c1.

    - Escalonamiento simtrico: = 0,5 ; 1 < 90 ; 2 < 90, Fig IV.7a.

    pfernandezdiez.es TG-IV.-60

  • - Escalonamiento sin rotacin (a la entrada): 0,5 < < 1 ; 1 = 90 ; 2 < 90, Fig IV.7b.

    - Escalonamiento con contrarotacin (a la entrada): > 1; 1 > 90 ; 2 < 90, Fig IV.7; este tipo de

    escalonamiento se disea para una salida del rodete axial, 2 = 90.

    El escalonamiento de = 0,5 se llama escalonamiento simtrico, porque la corona mvil se obtiene de la corona fija por medio de una simetra. No se debe confundir el escalonamiento simtrico con el

    escalonamiento de labes simtricos, muy utilizados estos ltimos en las turbinas trmicas de accin.

    Los TC axiales de turbina de gas de aviacin se caracterizan por tener grandes velocidades perifri-

    cas, y se utiliza el turbocompresor axial de = 0,5 que tiene la ventaja constructiva de utilizar el mis-

    mo perfil de labe para la corona mvil y la corona fija, pudiendo realizar una compresin ms unifor-

    me.

    a) Escalonamiento simtrico = 0,5 ; 1 < 90;

    b) Escalonamiento sin rotacin (a la entrada) 0,5 < < 1; 1 = 90;

    c) Escalonamiento con contrarotacin (a la entrada) > 1; 1 > 90Fig IV.7.- Tringulos de velocidades e incrementos de presin en la corona fija y en la corona mvil,

    para los tres tipos de escalonamientos ms corrientes de TC axiales

    En las turbinas estacionarias, (sus velocidades perifricas son ms reducidas), se utiliza un turbo-

    compresor axial de = 1 porque para una misma velocidad perifrica r u se alcanza una mayor presin

    en el escalonamiento, y al mismo tiempo se consigue un compresor ms estable.

    Comparando entre s los tipos de escalonamientos representados en la Fig IV.7, vamos a conside-

    rar las siguientes situaciones:

    - Si suponemos

    u y

    c a iguales en ambos, as como el ngulo de desviacin (1 - 2), la presin para

    = 1 es mayor que para = 0,5, puesto que en este ltimo la diferencia ( cotg 1- cotg 2 ) es menor que en el primero, ya que del tringulo de velocidades se deduce que:

    cotg 1- cotg 2 =

    sen (2- 1 )sen 1 sen2

    - Si suponemos

    u y

    c a iguales, as como ( cotg 1- cotg 2 ) , las presiones creadas por los escalona-

    mientos tambin son iguales, mientras que (1 - 2) ser mayor en el caso de = 0,5 por lo que las pr-

    didas sern tambin mayores y la estabilidad de funcionamiento del compresor ser menor.

    pfernandezdiez.es TG-IV.-61

  • IV.5.- COEFICIENTES DE DISEO DE UN TURBOCOMPRESOR AXIAL

    Coeficiente de carga .- El coeficiente de carga o de presin de un escalonamiento, referido ala punta del labe, expresa la capacidad de trabajo Tu por unidad de masa o salto energtico adiabti-co isentlpico en el escalonamiento; se define como:

    =

    Tuu2/g

    El coeficiente de diseo as definido, vara de la base a la punta, a lo largo de la longitud radial del

    labe, por lo que viene referida, en cada caso, a la seccin de que se trate.

    En los TC de varios escalonamientos los valores de en la base y en la mitad del labe

    son:

    base < 1 mitad del labe < 0,7

    Coeficiente de caudal o de flujo .- Est relacionado con el tamao de la mquina para un gas-

    to msico G dado y se define por: =

    cmu

    En el diseo de los TC axiales de varios escalonamientos, se recomienda mantener:

    0 ,45

    Los valores usuales de referidos al dimetro medio, suelen estar comprendidos entre 0,5 y 0,8.

    Relacin de cubo .- Se define como la relacin entre el radio de la base y el radio de la punta del

    labe:

    =

    rbaserpunta del labe

    El coeficiente se escoge tanto mayor, cuanto mayor sea el coeficiente de presin adoptado; la

    experiencia demuestra que el valor ptimo de oscila entre un mnimo y un mximo dados por:

    0 ,9 1,4 - 0 ,9 < < ( 0 ,8 0 ,85 ), que equivale a: 0,5 < < 0,85.

    Nmero especfico adimensional de revoluciones nescaln.- Este coeficiente para cada escalo-namiento de un turbocompresor axial se define en la forma:

    nescaln =

    (1 - 2 ) 3/4

    Nmero de Mach.- Sabemos que para un escalonamiento, se tiene: Tu = u

    2

    2

    Aumentar la relacin de compresin de un escalonamiento equivale a aumentar el trabajo Tu para lo cual, una vez escogido un valor de , la velocidad perifrica

    u aumenta, lo que implica para valores

    constantes de

    c a y

    c u a la entrada del rodete un aumento de

    w 1 que, al acercarse a la velocidad del

    sonido

    c s aumenta el n de Mach,

    M = w1cs

    , hasta llegar al valor crtico, que viene a estar comprendido

    entre 0,65 y 0,85, pasando de rgimen subsnico a transnico.

    pfernandezdiez.es TG-IV.-62

  • En los labes de gran espesor y gran curvatura el nmero crtico es an menor. Tambin disminu-

    ye al aumentar el ngulo de ataque, y depende finalmente del ngulo de posicin del perfil en el enre-

    jado de labes.

    Si el rgimen pasa de supersnico a subsnico, en el compresor se crean ondas de choque, con

    acompaamiento de desprendimientos locales, aumento de las prdidas y disminucin del rendimien-

    to. Para que se desencadenen estos fenmenos basta conque en algn punto del perfil, que se encuen-

    tra de ordinario en la superficie convexa, en donde la velocidad local es muy superior a la velocidad

    media de la corriente, se llegue a la velocidad del sonido.

    Como el n de Mach crtico viene referido a la velocidad media, se explica que los fenmenos super-

    snicos ocurran antes de que la velocidad media de la corriente alcance la velocidad del sonido.

    En esta situacin aumenta la resistencia al arrastre y disminuye simultneamente el empuje as-

    censional, lo que equivale a un descenso rpido del rendimiento del turbocompresor. Para un mismo

    enrejado de labes se tiene que mantener la semejanza de tringulos para evitar el choque, por lo

    que un aumento de

    u implica un aumento de

    w 1 y

    c a, y cuya limitacin lleva consigo la limitacin de

    la velocidad perifrica

    u .

    En los TC de varios escalonamientos, si se mantiene que, M > Mcrt, se puede lograr un aumento del salto entlpico por escalonamiento, con la consiguiente reduccin del nmero de los mismos, apro-

    vechando el hecho de que la temperatura del aire aumenta con la compresin y, por lo tanto, la veloci-

    dad del sonido tambin, que es del orden de cs = 20 T

    IV.6.- FORMAS BSICAS DEL PERFIL DE UN TURBOCOMPRESOR AXIAL

    El diseo de la carcasa y del tambor, para que se logre siempre una disminucin de la altura del

    labe en el sentido del flujo, que tenga en cuenta la disminucin del volumen especfico con la compre-

    sin, se puede hacer de seis maneras bsicas, que se representan en la Fig IV.8.

    Fig IV.8.- Formas bsicas del corte de un turbocompresor axial

    Dimetro exterior dext constante, Fig IV.8a.- La disminucin creciente de la altura del labe se consigue aumentando el dimetro en la base dbase en el sentido de la compresin. Con este tipo se al-

    canzan grandes valores del trabajo de compresin por escalonamiento, de 30 a 40 kJ/kg, reducindose

    el nmero de escalonamientos.

    Las desventajas de este diseo son:

    pfernandezdiez.es TG-IV.-63

  • - Si el gasto es pequeo y la relacin de compresin total es grande, los labes de las ltimas coro-

    nas mviles son muy cortos, lo que influye desfavorablemente en el rendimiento

    - Esta construccin es tecnolgicamente complicada

    Dimetro dbase constante.- En este diseo el dimetro dext es variable, siendo el trabajo por es-

    calonamiento menor que en el caso anterior, pero desaparecen las dos desventajas enumeradas.

    Dimetro dm constante, Fig IV.8c

    El dimetro dm aumenta al principio y luego disminuye, Fig IV.8d; en el recorrido L1, el

    dimetro dm aumenta, para disminuir luego en el recorrido L2.

    El dimetro dm aumenta en el sentido del flujo, Fig IV.8e.- Con este tipo se consigue dismi-

    nuir el nmero de escalonamientos, para caudal volumtrico pequeo y grado de compresin elevado.

    El dimetro dm disminuye en el sentido del flujo, Fig IV.8f.- Con este tipo se consiguen eleva-

    dos rendimientos, si los caudales volumtricos son pequeos y las relaciones de compresin elevadas.

    La eleccin de uno u otro tipo depender tambin del grado de reaccin, que puede variar de un

    escalonamiento a otro, y depender finalmente de la aplicacin a que se destine el compresor.

    IV.7.- NUMERO DE ESCALONAMIENTOS DE UN TURBOCOMPRESOR AXIAL

    Al igual que en los TC radiales se puede hacer una estimacin del nmero de esca-lonamientos a

    base de los datos iniciales conocidos, calculando para cada escalonamiento el nmero especfico adi-

    mensional de revoluciones nescaln.

    Para determinar Z se calcula primero

    nq = 5 ,5431 n

    QTu3/4

    para la unidad completa y despus, con ayuda de la Tabla IV.1, el valor de nescaln que proceda.

    Tabla IV.1.- Estudio comparativo de los tres diseos bsicos de TC axiales en funcin del grado de reaccin

    Escalonamiento Simtrico Sin rotacin Contrarotacin

    Grado de reaccin 0,5

    los escalonamientos Poco rozamientoBuen rendimiento

    los escalonamientos Reduccin del nmero de escalonamientos

    los escalonamientos Aumento de la capacidad para un cierto trabajograndeReduccin del nmero de escalonamientos Intermedio pequeo

    p

    0 ,5 < < 1 > 1

    u y c a la misma en todos

    w y c a la misma en todos

    w y

    u la misma en todos

    w intermedia

    u intermedia

    c a intermedia

    w grande

    u pequea

    c a pequea

    w pequea

    u grande

    c a grande

    El caudal medio es Q =

    Q1+ Q22 , siendo Q1 un dato inicial de clculo en el diseo del turbocom-

    presor de forma que:

    pfernandezdiez.es TG-IV.-64

  • Q2= Q1

    p2p1

    1 + (

    p2p1

    ) 1 - 1

    i

    en la que

    p2p1

    es la relacin de compresin y i es el rendimiento interno que hay que estimar, alcan-

    zndose rendimientos internos en cada escalonamiento del orden de 0,9 a 0,92, siendo el rendimiento

    interno de todo el compresor del orden de 0,86 a 0,90.

    El salto energtico total en la mquina es:

    itotal =

    - 1 R TF { (

    pFpE

    ) - 1 - 1}

    IV.8.- DIMENSIONES PRINCIPALES DE UN TURBOCOMPRESOR AXIAL DE DIMETRO EXTERIOR CONSTANTE

    Basndose en la teora de la semejanza, se han hecho numerosos estudios tericos y experimenta-

    les, que se recogen en la Fig IV.9, Eckert, que slo es aplicable al diseo (a) de la Fig IV.8, y que per-

    miten estimar rpidamente las dimensiones principales de un turbocompresor axial de dimetro exte-

    rior constante.

    Por lo que se refiere a los tres diseos fundamentales estudiados anteriormente, la grfica de la

    Fig IV.9, se puede aplicar a los diseos (a) y (b) de la Figura IV.8 (sin rotacin a la entrada 1= 90, y

    rotacin positiva 1 < 90), pero en ningn caso al diseo (c) en contrarotacin 1 > 90

    Fig IV.9.- Diagrama de Eckert para el clculo de las dimensiones de un turbocompresor axial tipo (a) de la Fig IV.8

    En la Fig IV.10 se presentan los valores ptimos para el coeficiente de presin y de caudal , la

    relacin de cubo y el rendimiento interno ptimo i de un escalonamiento, en funcin del nmero es-

    pecfico de revoluciones e del turbocompresor axial referido a un escalonamiento .

    Para determinar el nmero especfico de revoluciones del turbocompresor axial nescaln de cada es-

    calonamiento, hay que calcular el salto adiabtico isentrpico medio del escalonamiento en la forma:

    pfernandezdiez.es TG-IV.-65

  • i = 1,03 IZ

    en la que el valor 1,03 tiene en cuenta el factor de recalentamiento del fluido.

    El nmero especfico de revoluciones del turbocompresor axial de cada escalonamiento nescaln, dis-

    minuye desde el primero hasta el ltimo escalonamiento, aumentando al mismo tiempo la relacin de

    cubo y el coeficiente de presin.

    Si se conoce el nmero especfico de revoluciones 1 para el primer escalonamiento, se obtienen de

    la Fig IV.10 los valores de, 1, 1, 1, i1.

    En los TC de varios escalonamientos no siempre es posible optimizar todos los escalonamientos,

    sino que habr que apartarse en algunos de ellos de la condicin de rendimiento ptimo; en esta situa-

    cin se puede utilizar el grfico de la Fig IV.10, que permite estimar el rendimiento a alcanzar en

    cada caso. Este grfico no es vlido para el diseo con contrarotacin.

    Fig IV.10.- Valores ptimos de , a, y i, en funcin del nmero especfico de revoluciones

    de un escalonamiento de turbocompresor axial, sin rotacin a la entrada, 1 = 90

    Para calcular el dimetro exterior de los labes se puede utilizar

    d p =

    4 Q1 (1 - )2 1 up

    donde:

    - up es la velocidad perifrica en la punta del labe a la entrada del escalonamiento que coincide

    con la velocidad ue correspondiente al dimetro exterior

    - Q1 es el caudal volumtrico del primer escalonamiento

    - 1 es el coeficiente de caudal del primer escalonamiento

    Si n es el n de rpm y d p =

    u p n , en el intervalo 300 mm < dp < 600 mm, la longitud axial del labe

    es b = (0,25 + 0,35) dp

    Para dimetros dp mayores los valores son en general ms pequeos y para dimetros menores

    ms grandes.

    pfernandezdiez.es TG-IV.-66

  • IV.9.- PROCEDIMIENTO DE CALCULO DE UN TURBOCOMPRESOR AXIAL

    En el diseo de un turbocompresor axial es importante tener en cuenta las siguientes considera-

    ciones:

    - Rendimiento ptimo en el punto de diseo, objetivo muy frecuente en todo diseo

    - Mayor economa en la construccin, an sacrificando algo el rendimiento

    - Seguridad de funcionamiento y resistencia.- Si el salto adiabtico isentlpico total alcanzable en

    un escalonamiento de turbocompresor axial oscila, por ejemplo, entre 8 y 15 kJ/kg, y se busca una m-

    quina totalmente exenta de vibraciones y bombeo, se escogern dentro de la gama indicada los valores

    ms bajos; para los TC mviles se escogern los valores intermedios y los ms elevados para los turbo-

    rreactores de los aviones.

    - El nmero de revoluciones es con frecuencia el factor decisivo en el diseo; de manera que si el

    nmero de revoluciones viene prescrito por la mquina conducida, turbocompresor para un motor tur-

    bina de gas que acciona un alternador), el diseo puede ser totalmente distinto que si ste pudiese ser

    elegido arbitrariamente en el proyecto.

    - Realizacin de un diseo adiabtico o diseo refrigerado.

    Diseo refrigerado de un turbocompresor axial.- Con los datos iniciales del proyecto y el dia-grama (i - s) se conocen:

    a) Presin y temperatura del gas a la entrada del turbocompresor, pE , TE

    b) Relacin total de compresin

    pFpE

    c) Salto adiabtico isentlpico total o salto energtico en la mquina i

    d) Presin y temperatura real del gas al final de la compresin pF, TF, calculada esta ltima me-

    diante la estimacin de un rendimiento interno medio del escalonamiento ie y del factor de recalenta-

    miento.

    e) El caudal msico G constante en toda la mquina o el caudal volumtrico a la entrada, estando

    ambos relacionados por la ecuacin:

    QF = G vE = G

    R TFpF

    f) Seleccin del nmero de revoluciones n (si no es un dato del proyecto).

    g) Clculo del nmero de escalonamientos Z.

    h) Decidir entre diseo con circulacin constante o torbellino libre: ca= Cte ; a= Cte ; cu r = Cte, o

    diseo con grado de reaccin constante, = Cte, de la base a la punta.

    i) Seleccin del perfil del labe en la base, que tenga un coeficiente de empuje ascensional elevado,

    un coeficiente de arrastre bajo y que sea estable en una amplia gama de ngulos de ataque. Con fre-

    cuencia se selecciona primero un perfil base simtrico, a continuacin se escoge una lnea media y una

    distribucin de espesores.pfernandezdiez.es TG-IV.-67

  • j) Seleccin de los coeficientes de presin , de caudal , y de empuje ascensional Ca desde la en-

    trada a la salida de la mquina.

    k) Determinacin del dimetro medio del primer escalonamiento y de la longitud radial del labe l

    a la entrada del mismo, si no se tiene en cuenta el espesor de los labes, por medio de las ecuaciones,

    c1= a1 u ; ue1= de1 n ; dm1 l1 ca1= G vE

    En este esquema se prescinde de la refrigeracin, que se podra hacer despus de cada cuerpo del

    turbocompresor, o incluso despus de cada escalonamiento en los TC ms eficientes, y consideramos

    cada cuerpo o cada escalonamiento, idealmente adiabticos.

    Valores usuales de ca son: Compresores estacionarios: 80120 m/segCompresores mviles: 140200 m/seg

    La longitud radial l de los labes no debe ser menor de 35 a 40 mm.

    Los valores de dm1 y l1 estn relacionados entre s y con la relacin de cubo por la ecuacin:

    =

    db1dp1

    = dm1- l1dm1+ l1

    = 0,50,85

    en la que se escoge, por ejemplo 0,5 en el primer escalonamiento y 0,85 en el ltimo.

    l) Determinacin del dimetro medio del ltimo escalonamiento, utilizando el coeficiente de caudal

    a ltimo y vF.

    m) Seleccin de la forma del corte meridional.

    n) Construccin de los tringulos de velocidades, tanto a la entrada como a la salida, al menos en la base, labe medio, y punta del labe (aunque conviene hacerlo en 5 o ms secciones del labe). A

    continuacin se comprueba el ngulo de desviacin (2 - 1) que ha de tener un valor conveniente. Es

    muy difcil que los ngulos de la corriente a la entrada

    y a la salida 1 y 2 coincidan con los ngulos que for-

    man las tangentes a la lnea media del labe por lo

    que, en general, aun en el punto de diseo, la desvia-

    cin de la corriente (2 - 1) no coincidir con la desvia-

    cin que marca la lnea media del perfil, como se obser-

    va en la Fig IV.11.

    ) Determinacin del paso relativo tL en todas las sec-

    ciones, que suele oscilar entre 0,9 y 1. El nmero Z de

    labes viene relacionado con el paso por la ecuacin

    t = dZ

    o) Determinacin de la cuerda del perfil Lm en el dime-

    tro medio.

    p) Diseo del labe de la base a la punta, teniendo en cuenta la ecuacin:

    pfernandezdiez.es TG-IV.-68

    Fig IV.11.- Corte meridional de una corona mvil de turbocompresor axial y desarrollo cilndrico

  • ca L ( u -

    cu2 )

    2 + ca2 = Cte

    q) Comprobacin del nmero de Mach en cada seccin del labe

    r) Determinacin del rendimiento del escalonamiento, del estado del gas y de la longitud del labe

    a la salida del escalonamiento.

    Se repite el proceso de clculo para los dems escalonamientos y finalmente se determina el rendi-

    miento interno del turbocompresor.

    IV.10.- CONDUCTOS DE ENTRADA A LOS COMPRESORES

    La misin fundamental de los conductos de entrada consiste en recuperar al mximo la presin to-

    tal del aire y enviarla al compresor con un mnimo de prdidas a lo largo del mismo, que se conoce

    como efecto de recuperacin de la presin; el conducto de entrada no debe presentar fenmenos de tur-

    bulencia y su resistencia aerodinmica debe ser mnima para no restar caractersticas y rendimientos

    al avin. Para su estudio los dividiremos en dos grandes grupos dependiendo del nmero Mach para

    el que se disean, subsnicos y supersnicos.

    Conductos de entrada subsnicos.- Los conductos de entrada subsnicos en aviones tienen, en general, forma divergente, Fig IV.12, transformando la energa de velocidad en energa de presin.

    Las prdidas de presin a lo largo de los conductos son tanto mayores cuanto ms largo sean stos y

    mayor su curvatura a igualdad de velocidad, densidad, forma del

    perfil, etc.

    Los conductos subsnicos pueden ser simples o divididos Fig IV.13.

    El conducto simple es el ms sencillo y eficaz al estar situado en la parte delantera del motor del avin, disposicin que permite la aspi-

    racin de aire sin turbulencia y adems se puede disear totalmen-

    te recto o con una pequea curvatura. Cuando el motor se aloja en

    el interior de la estructura, el conducto de admisin suele ser ms

    largo que en los motores de aviones polimotores, en los que al ir los

    motores en el exterior, el difusor de entrada de aire es sensiblemente ms corto.

    Fig IV.13.- Conductos simple y dividido

    El conducto de entrada dividido se suele emplear en aviones militares de alta velocidad en los que

    se ha bajado y adelantado la posicin del piloto para permitirle una mayor visibilidad, adems de ocu-pfernandezdiez.es TG-IV.-69

    Fig IV.12.- Conducto subsnico

  • par la zona frontal equipos de radar, tiro, etc.; est conducto dividido plantea siempre ms problemas

    que el simple, debido a la admisin de aire y a las prdidas de presin que ocasiona.

    Para disminuir las prdidas en el proceso de compresin, el difusor se disea de forma que la dis-

    minucin de la velocidad de la corriente de aire se realice antes de la entrada en el motor, lo que im-

    plica un aumento de presin. La longitud del difusor y el ngulo que forman sus paredes con el eje del

    motor deben cumplir determinados requisitos; la longitud debe ser adecuada para mantener el flujo

    de aire sin excesiva resistencia y as disminuir las prdidas de presin.

    En cuanto al ngulo de divergencia del difusor, no suele pasar los 8 para evitar que se produzcan

    zonas turbulentas. Ambos requisitos condicionan una admisin insensible a los diversos valores ope-

    rativos del ngulo de ataque. Como las velocidades del motor varan independientemente da la veloci-

    dad de la aeronave, el diseo del conducto de entrada resulta muy complejo, por lo que es de suma im-

    portancia mantener una distribucin uniforme de velocidad y presin en la corriente de entrada, ya

    que variaciones sensibles en esos parmetros causaran altos consumos y la inestabilidad o entrada

    en prdida del compresor.

    Conductos de entrada supersnicos.- A velocidades de vuelo supersnicas, las prdidas asocia-das a la generacin de ondas de choque adquieren un valor considerable. Detrs de la onda, la veloci-

    dad disminuye y la presin aumenta, dando lugar a una disminucin del grado de compresin y un

    aumento de la resistencia exterior.

    La compresin supersnica se consigue reduciendo la velocidad del aire a travs de una onda de

    choque hasta que la corriente de aire se haga subsnica. Una vez que el nmero Mach se ha reducido

    a un valor menor que la unidad, el aire se decelera aun ms en un difusor subsnico para adecuar su

    entrada al motor, ya que la velocidad de entrada del aire en el compresor debe ser subsnica.

    Fig IV.14.- Conducto supersnico, tipo Pitot

    El ejemplo ms simple de conducto de entrada supersnico es el de tipo Pitot, Fig IV.14, en el que

    la compresin supersnica se consigue a travs de una nica onda de choque normal, prolongndose

    la compresin en un difusor subsnico simple. Si se coloca una superficie inclinada por delante de la

    onda de choque, se genera otra onda de choque oblicua que reduce la intensidad de la primera, dismi-

    nuyendo as las prdidas totales.

    El rea de entrada se puede variar automticamente por medios mecnicos (geometra variable),

    manteniendo as una seccin idnea, de acuerdo con la velocidad del avin.

    Como el motor slo puede aceptar una determinada cantidad de aire, el exceso que exista durante

    la fase transnica se desva a la corriente de aire libre, lo cual se consigue variando el rea de entrada

    o mediante tubos de vertido al exterior.

    Difusor supersnico.- El paso de una corriente subsnica a una supersnica, como el que tiene lugar en una tobera, se realiza suavemente, variando las propiedades del fluido de una manera conti-

    pfernandezdiez.es TG-IV.-70

  • nua. El paso de una corriente supersnica o subsnica, como el que tiene lugar en un difusor, es siem-

    pre brusco. Si por la forma del conducto la corriente no cambia sensiblemente de direccin, tubo ciln-

    drico, se produce un choque normal; la corriente supersnica se va decelerando, producindose un cho-

    que en el paso brusco del nmero, M > 1 a M < 1, actuando el cilindro como difusor.

    En un difusor supersnico-subsnico, formado por un conducto convergente-divergente, si la pre-

    sin final es superior a la presin crtica se produce una onda de choque en la garganta; a travs de la

    onda hay una discontinuidad en la presin y en la velocidad, pero no en la temperatura de estanca-

    miento, que permanece constante antes y despus de la onda. La onda de choque va acompaada de

    grandes prdidas de presin, por lo que el proyecto de un difusor supersnico exige el conocimiento de

    estas prdidas para reducirlas a un mnimo.

    El choque normal se puede dar a la entrada o en el interior de un difusor en vuelo supersnico y

    puede ocurrir tambin en compresores de gran velocidad. Existe formulacin que permite calcular la

    velocidad despus del choque normal

    c j en funcin de la velocidad antes del choque

    c i como el pro-

    ducto de la velocidad antes y despus del choque igual al cuadrado de la velocidad del sonido, es decir:

    ci c j = cs2

    apareciendo una discontinuidad en las propiedades del fluido, por lo que existir una relacin entre

    las presiones, temperaturas y densidades antes y despus del choque.

    Aunque tericamente el choque normal se podra dar en un conducto de seccin constante, en la

    prctica, y a causa de los efectos de la capa lmite, que no se han tenido en cuenta, el choque oscila

    axialmente en el conducto. Para que el choque sea estable es necesario que exista una discontinuidad

    o cambio de seccin en el conducto. El difusor supersnico se tiene que disear teniendo en cuenta el

    aumento considerable de las prdidas y disminucin del rendimiento, que se origina al producirse las

    ondas de choque. Si el difusor se disea sin tener sto en cuenta, es decir, si se disea como difusor

    subsnico, pero se utiliza como difusor supersnico, a la entrada se origina una onda de choque.

    En la Fig IV.16a se representa un difusor de entrada subsnico en la admisin de aire del compre-

    sor de un turborreactor con las curvas de variacin de, p, ptot, T, Ttot y

    c , desde la admisin hasta la

    entrada de la primera corona mvil; en la Fig IV.15b, se representa esto mismo para una corriente su-

    persnica. Si el nmero M es pequeo, de 1 a 1,5, las prdidas por choque son pequeas y todava se

    pueden utilizar difusores subsnicos. A mayores velocidades de vuelo estas prdidas aumentan rpi-

    damente con perjuicio de la economa del motor.

    Si el motor est destinado a velocidades de vuelo supersnicas conviene emplear difusor supers-

    nico. Este se configura de forma que se provoca en la admisin un sistema de ondas oblicuas, en las

    cuales los parmetro del aire experimentan menor discontinuidad, y las prdidas son menores. Con el

    nmero de ondas de choque oblicuas disminuyen las prdidas, por lo que provocando dichas ondas de

    choque, el trnsito a corriente supersnica se realiza con menos prdidas.

    En los turborreactores, pulsorreactores y estatorreactores la eficiencia del difusor de entrada se

    puede valorar mediante el llamado coeficiente de cada de presin total total del difusor; cuanto ma-

    yor sea total tanto mayor ser la presin lograda a la salida del difusor.

    pfernandezdiez.es TG-IV.-71

  • Tabla IV.2.- Valores de total para M = 3

    Para M = 3con un salto normal 0,328

    1 salto oblicuo y 1 normal 0,62 oblicuos y 1 normal 0,763 oblicuos y 1 normal 0,87

    total

    Difusores de un turborreactor, a) Subsnico; b) Supersnico

    Fig IV.15.- Curvas de variacin de p, ptot, T, Ttot y c en la admisin

    Si designamos con el subndice 1 la salida del difusor, con el subndice 0 la presin en la corriente

    no perturbada, y con el subndice tot los parmetros de estancamiento, el coeficiente total se define

    en la forma:

    total = p1 totp0 tot

    que viene compendiado en la Tabla IV.2, para M = 3.

    En la actualidad, para M = 2,2 se pueden alcanzar valores de total = 0,90 y an mayores.

    En la Fig IV.16 se muestran los tres tipos de difusores supersnicos:

    - Difusor con compresin exterior, Fig IV.16a. Consta de carcasa exterior y cuerpo central con cono

    escalonado. El sistema de ondas oblicuas se establece delante del plano de entrada

    - Difusor con compresin interior, Fig IV.16b. Las ondas se crean en el interior del difusor

    - Difusor con compresin interior y exterior, Fig IV.16c

    Las Fig IV.17 representan respectivamente difusores de compresin interior y exterior, en los cua-

    les la forma del difusor es tal que el nmero de saltos se multiplica de tal manera que tericamente se

    obtiene una compresin continua (isentrpica); de ah el nombre que reciben este tipo de difusores. Su

    rendimiento es muy elevado.

    Los labes fijos y mviles de un turbocompresor y, en general los de las turbinas de gas, actan

    como difusores, en contraposicin a los de las turbinas de vapor que actan como toberas. La utiliza-

    pfernandezdiez.es TG-IV.-72

  • cin de coronas supersnicas en los TC permite obtener grandes elevaciones de presin por escalona-

    miento, con la ventaja muy estimable en aeronutica de reducir el peso de la mquina. Para compren-

    der la importancia y significado del compresor supersnico basta ver que con un nmero M = 2, y difu-sin completa (estancamiento) se consigue una relacin de compresin isentrpica de 7,72, mientras

    que con M = 0,85 slo se llega a 1,62.

    a) Con compresin exterior; b) Con compresin interior; c) Con compresin mixtaFig IV.16.- Difusores supersnicos

    Fig IV.17.- Difusores isentrpicos, a) De compresin interior; b) De compresin exterior

    IV.11.- COMPRESORES AXIALES EN TURBORREACTORES

    Los motores de bajo ndice de derivacin llevan a la entrada del compresor una etapa de labes es-

    tticos gua, fijos al soporte del eje y a la carcasa exterior. Su misin es la de dirigir convenientemente

    el aire al primer escaln del rotor, as como el permitir pasar aire caliente extrado de las ltimas eta-

    pas del compresor cuando se crea hielo.

    Cualquier disminucin en las prdidas lleva consigo un aumento del rendimiento del compresor.

    El conjunto compresor-turbina se disea de forma que se alcance el mximo rendimiento en crucero,

    manteniendo unas caractersticas aceptables en cualquier operacin del avin.

    Como el rendimiento del compresor axial es mayor que el del centrfugo, se obtiene mayor energa

    calorfica en el flujo de aire para un mismo consumo, y por lo tanto, mayor expansin, aumento de la

    velocidad y mayor empuje.

    Fig IV.18.- Turbocompresor axial

    El compresor axial, presenta una gran dificultad en el acoplamiento compresor-turbina para que

    su funcionamiento sea estable en toda la gama operativa, experimentando asimismo mayores proble-

    mas de suciedad, erosin y vibraciones.

    El consumo de combustible y el empuje estn muy ligados con la relacin de compresin y la

    temperatura de entrada en la turbina T3, parmetro que es el ms limitativo del motor.pfernandezdiez.es TG-IV.-73

  • Los compresores axiales pueden ser simples, dobles e incluso triples. Un compresor simple lleva

    una sola turbina, independientemente del nmero de escalones que sta tenga.

    El compresor doble est formado por dos compresores, uno de BP y otro de AP, estando alimentado

    cada compresor por su propia turbina. Entre ambos ejes compresor-turbina no hay ningn tipo de

    contacto mecnico y ambos giran libremente apoyndose en los respectivos cojinetes.

    Fig IV.19.- Comparacin de rendimientos

    Motores de doble flujo, (turbofanes).- En las turbinas de aviacin denominadas Turbofan (criterio americano), o by-pass (criterio ingls), el flujo de aire que entra en las mismas se divide en

    dos; por el interior del motor entra el flujo primario y por el exterior el flujo secundario.

    El fan (ventilador) tiene una o varias etapas del motor sobredimensionadas, (de mayor dimetro que el resto); su misin es obtener empuje aumentando la cantidad de movimiento de la masa de aire,

    sin participar en la combustin en ningn momento.

    Fig IV.20.- Esquema de Turbofan

    Las principales ventajas de un Turbofan son:

    - Bajo consumo especifico

    - Mantenimiento de un empuje aceptable a baja velocidad

    - Mantenimiento de un bajo nivel de ruido

    - Mayor empuje

    - Mejor aceleracin y deceleracin

    - Buenas caractersticas de puesta en marcha

    El ndice de derivacin de un turbofan, tambin denominado by-pass-ratio, es la relacin entre el

    flujo secundario y el primario.

    pfernandezdiez.es TG-IV.-74

  • A partir de una relacin, 3/1, se denominan motores de gran indice de derivacin. Es importante

    resaltar que estos motores desarrollan mucho ms empuje debido al flujo secundario que al primario,

    pues prcticamente la relacin de empuje coincide con la relacin de flujos, obtenindose aproximada-

    mente un 80% del empuje por el fan y el 20% en el flujo primario que atraviesa el motor.

    IV.12.- EL TURBOCOMPRESOR SUPERSNICO

    A los TC modernos se les pide ptimo rendimiento, ptima utilizacin de los materiales y ptima

    capacidad de adaptacin en amplias zonas de funcionamiento, todo lo cual exige entre otras cosas in-

    vestigacin del comportamiento del turbocompresor en la zona prxima o superior a la velocidad del

    sonido. Se ha progresado mucho en la investigacin terica del flujo a travs de un compresor en la hi-

    ptesis de fluido ideal y en la investigacin experimental del flujo a travs de los TC axiales en perfi-

    les aislados, en enrejados, capa lmite, corrientes secundarias y comportamiento a cargas parciales.

    Para ampliar la zona de funcionamiento estable de los TC se utilizan hoy da no slo directrices orien-

    tables, sino tambin labes mviles orientables.

    Con el turbocompresor supersnico se consigue reducir el peso y volumen del compresor a un mni-

    mo, utilizando velocidades circunferenciales del orden de los 420 m/seg. Si entonces la velocidad rela-

    tiva del fluido en el rodete es supersnica se denomina dicho escalonamiento supersnico, o tambin

    si la velocidad absoluta en la corona fija excede la velocidad del sonido. Tambin se han conseguido

    relaciones de compresin muy elevadas, disminuyendo as la dimensin axial de la mquina al redu-

    cirse el nmero de escalonamientos; con l se pueden obtener grandes caudales, pero con rendimien-

    tos bajos, a causa de la prdida de presin total, que tiene lugar a travs de la onda de choque. El di-

    seo de un turbocompresor supersnico es delicado por las prdidas y desprendimientos de la corrien-

    te asociadas con la onda de choque.

    Hay tres formas de disear un escalonamiento supersnico de turbocompresor:

    - Corona mvil supersnica y corona fija subsnica

    - Corona mvil subsnica y corona fija supersnica

    - Corona mvil y fija supersnicas

    En la Fig IV.21 se presenta un esquema de la corona mvil de un turbocompresor supersnico,

    junto con las coronas fijas anterior y posterior al mismo y los tringulos de velocidades, as como la re-

    duccin de velocidad relativa en la corona mvil; este esquema pertenece al primer tipo con corona

    mvil supersnica y corona fija subsnica

    La velocidad

    c 0 puede ser del orden de 0,8 a 0,85 la velocidad del sonido.

    En la corona fija el gas se acelera hasta la velocidad del sonido, de manera que, c1 = cs.

    La velocidad relativa

    w 1 excede mucho la velocidad del sonido.

    El diseo se hace de forma que a la entrada del rodete tenga lugar un choque oblicuo AB seguido

    de un choque normal BC; de esta manera el reparto en dos choques hace disminuir las prdidas. El

    rodete funciona como difusor, de forma que la velocidad

    w 2 es menor que la velocidad del sonido. En

    estos TC se ha conseguido, con buen rendimiento, una relacin de presiones superior a 4 en un solo

    escalonamiento; pero el rendimiento desciende rpidamente al funcionar el compresor fuera del punto

    de diseo.

    pfernandezdiez.es TG-IV.-75

  • Fig IV.21.- Corona mvil supersnica de un turbocompresor axial con las coronas anterior y posterior fijas

    An se pueden conseguir mayores relaciones de compresin por escalonamiento con el tercer tipo

    mencionado, con corona mvil y fija supersnicas. Tcnicamente se puede llegar en un solo escalona-

    miento a una relacin de compresin 6.

    En la Fig IV.22 se presentan los tringulos de velocidades correspondientes, indicndose los n-

    meros de Mach absolutos y relativos para un caso particu-

    lar que incorpora este diseo. A veces se dispone de un ni-

    co escalonamiento supersnico seguido de varios escalona-

    mientos subsnicos, pudindose obtener relaciones totales

    de compresin muy elevadas, hasta 20 y an mayores.

    Algunas de las mejoras ms significativas que se han con-

    seguido en el diseo de los TC, es la llamada difusin con-

    trolada para la compresin transnica y subsnica, redu-

    ciendo a un mnimo la separacin de la capa lmite y con

    ello el arrastre. Al poder funcionar a nmeros M ms eleva-

    dos se consigue una mayor relacin de compresin por esca-

    lonamiento, un menor nmero de labes, menor peso y ma-

    yor estabilidad. Con ello los bordes de ataque poseen mayor

    espesor y, por lo tanto, mayor resistencia a la erosin.

    El rea frontal del turbocompresor supersnico no es inferior a la del turbocompresor subsnico.

    Los TC transnicos, en los que las velocidades relativas en la corona mvil o absolutas en la coro-

    na fija pueden exceder ligeramente la del sonido, no tienen los inconvenientes y dificultades de los TC

    supersnicos; los escalonamientos transnicos han dado resultados satisfactorios en la primera o dos

    primeras coronas de un turbocompresor axial, establecindose un limite superior de M = 1,2 a 1,3 que

    no conviene exceder.

    Fenmenos anlogos con prdidas de rendimiento y desprendimiento de la capa lmite tienen lu-

    gar en los TC subsnicos cuando se alcanzan en algunas partes del mismo velocidades supersnicas,

    para lo cual basta conque la velocidad de los gases llegue a los 120 m/seg, que puede ser la velocidad

    del sonido si el gas bombeado est fro.

    pfernandezdiez.es TG-IV.-76

    Fig IV.22.- Escalonamiento supersnico de un turbo-compresor axial con coronas mvil y fija supersnicas