miniatura|Diagrama esquemàtic del funcionament d'un motor turborreactor de flux centrífug. Dibuixat amb XaraXtreme per Emoscopes 03:59, 14 de desembre de 2005 (UTC) Un mapa de compressor és un gràfic que mostra el rendiment d'un compressor de turbomàquina. Aquest tipus de compressor s'utilitza en motors de turbina de gas, per sobrealimentar motors alternatius i per a processos industrials, on es coneix com a compressor dinàmic. Un mapa es crea a partir dels resultats de les proves del banc de compressors o predit per un programa informàtic especial. Alternativament, el mapa d'un compressor similar es pot escalar adequadament. Aquest article és una visió general dels mapes de compressors i les seves diferents aplicacions i també té explicacions detallades dels mapes per a un ventilador i compressors d'intermèdia i alta pressió d'un motor aeronàutic de tres eixos com a exemples específics.
Els mapes de compressors són una part integral de la predicció del rendiment dels motors de turbina de gas i turboalimentats, tant en condicions de disseny com fora de disseny. També tenen una funció crítica en la selecció dels compressors correctes per als processos industrials.
Els ventiladors i les turbines també tenen mapes de funcionament, tot i que aquests últims són significativament diferents en aparença dels compressors.
Disseny del compressor Un mapa del compressor mostra el rang de funcionament d'un compressor i com funciona dins del seu rang de funcionament. Dos requisits fonamentals per al gas que flueix a través d'un compressor expliquen per què funciona millor en una condició de disseny i no tan bé en altres condicions, conegudes com a fora de disseny. En primer lloc, l'àrea de sortida ha de ser més petita que l'àrea d'entrada perquè el gas comprimit té una densitat més alta. L'àrea de sortida està dimensionada per passar el volum específic en la condició de disseny. En segon lloc, totes les pales del rotor i l'estator d'un compressor axial, i l'inductor de l'impulsor i les pales difusores d'un compressor centrífug, estan inclinades per trobar l'aire que s'acosta frontalment en la condició de disseny per minimitzar les pèrdues d'incidència. Les pèrdues d'incidència redueixen l'eficiència de la compressió. El funcionament satisfactori del compressor es basa en controlar l'angle en què el gas s'acosta a les pales giratòries i estacionàries dins d'un rang acceptable. Desviar-se de l'òptim primer resulta en un augment de les pèrdues/eficiència reduïda i després en l'aturada o la velocitat sònica/asfíxia que es produeixen als passatges de les pales als extrems oposats d'un compressor axial al mateix temps. També es produeixen en un compressor centrífug a l'entrada del rotor i al difusor.
El punt de disseny del compressor estarà en una zona d'alta eficiència, tant si el compressor forma part d'un motor de turbina de gas com si s'utilitza per bombar aire a un alt forn. Tanmateix, el compressor ha de proporcionar un rendiment adequat en altres condicions de funcionament que se li imposen, la qual cosa significa que es requereix una alta eficiència en un rang de funcionament més ampli. En el cas d'un motor de turbina de gas, ha de permetre que el motor s'arrenqui fàcilment i s'acceleri ràpidament fins a la velocitat de disseny, la qual cosa significa funcionar a velocitats inferiors a la velocitat de disseny. A velocitats i fluxos allunyats del punt de disseny, la reducció de l'àrea de flux del compressor no és adequada per a l'augment real de densitat. Una NACA L'informeFig.14 il·lustra pictòricament la diferència de contracció necessària a la condició de disseny i a baixa velocitat. A velocitats més baixes, per exemple, el gas no s'ha comprimit prou per sortir del compressor sense afectar negativament els angles d'atac de les pales a través del compressor. Lluny del punt de disseny, les etapes intermèdies d'un compressor axial continuen funcionant aproximadament a l'angle d'atac òptim, però les etapes davanteres es desvien en una direcció, cap a la parada, i les etapes posteriors en la direcció oposada cap a l'estrangulament. La desviació era acceptable fins a una relació de pressió de disseny d'aproximadament 5:1, produint només una pèrdua d'eficiència. A relacions de pressió de disseny més altes, es va requerir la prevenció de la parada rotativa, que es produeix a velocitats corregides baixes, i l'estrangulament amb la introducció de pales guia d'entrada que es tancaven parcialment a baixes velocitats, o eliminant aire a mig camí al llarg del compressor a baixes velocitats. Pel mateix motiu, també s'introduirien fileres d'estators variables o compressors dividits, que permetien que les etapes davanteres acceleressin i les posteriors disminuïssin les unes respecte a les altres. Quan les relacions de pressió arribaven a aproximadament 12:1, els compressors incorporaven més d'una d'aquestes característiques juntes.
Correccions per a la parada giratòria Entre els primers exemples de diferents solucions per alleujar la parada rotatòria a les etapes davanteres hi ha el Rolls-Royce Avon amb àleps guia d'entrada variables i purga entre etapes, el General Electric J79 amb àleps guia d'entrada variables i estators variables, el Bristol Olympus amb compressor dividit i el Pratt & Whitney J57 amb compressor dividit i purga intercompressor. Fins a aquest punt, la purga del compressor només havia estat necessària per arrencar i accelerar més enllà de baixes velocitats corregides, on la seva pèrdua per la producció d'empenta, per abocament per la borda, no era important.
Un desenvolupament posterior va ser la purga permanent del compressor dirigida de tornada al motor, on contribuïa a l'empenta. El Rolls-Royce Conway tenia un compressor dividit amb purga intercompressor al tub d'injecció. Un compressor dividit amb aquesta disposició de derivació permetia la relació de pressió més alta de qualsevol motor Rolls-Royce, en aquell moment, sense la necessitat de pales guia d'entrada variables ni purga interetapa. Era més conegut com una disposició per a una millor eficiència propulsiva, un motor de derivació. El Pratt & Whitney J58 utilitzava una purga interetapa per l'aigua per arrencar i accelerar a baixes velocitats corregides, però com que tornava a aquestes velocitats a nombres de mach elevats, la purga es tornava a obrir, però aquesta vegada dirigida al tub d'injecció, on refredava el postcombustidor i la broqueta. Aquest refredament contribuïa indirectament a l'empenta, permetent que es cremés més combustible al postcombustidor. Una disposició similar, però que utilitzava un compressor dividit amb purga intercompressor al tub d'injecció, es va conèixer més tard com a turborreactor "amb fuites", un motor de derivació amb només la derivació suficient per refredar el postcombustidor i la broqueta.
Mapa del compressor Els compressors bomben gas per a una àmplia varietat d'aplicacions, cadascuna de les quals té la seva pròpia resistència al flux que el compressor ha de complir per mantenir el gas fluint. Un mapa mostra les característiques de bombament per a la gamma completa de fluxos i requisits de pressió per a la seva aplicació. El mapa es pot produir accionant el compressor amb un motor elèctric amb la resistència al flux seleccionada artificialment mitjançant una vàlvula d'estrangulació d'àrea variable. El compressor també es pot mapejar si forma part d'un generador de gas amb una vàlvula a la sortida de la turbina. Campbell mostra un compressor General Electric J79 mapejat d'aquesta manera.
Anàlisi dimensional El rendiment del compressor canvia dia a dia amb els canvis en la pressió i la temperatura ambient. Woolenweber mostra el canvi en el rendiment d'un compressor turboalimentat quan la temperatura d'entrada varia entre 70 i 100 °F. En el cas dels compressors d'avions, la pressió i la temperatura d'entrada també canvien amb l'altitud i la velocitat de l'aire. La presentació de diferents rendiments per a cada combinació de temperatura i pressió d'entrada seria impossible de gestionar, però és possible agrupar-ho tot en un sol mapa, aplicable a una àmplia gamma de condicions d'entrada, mitjançant l'anàlisi dimensional. En l'anàlisi dimensional, les quantitats individuals com la velocitat del rotor, el cabal màssic i la pressió de subministrament s'agrupen amb altres quantitats rellevants de manera que els grups no tenen dimensions però encara tenen un significat físic. Per exemple, la velocitat del rotor , temperatura d'entrada , diàmetre del compressor i propietats del gas i s'agrupen com a adimensionals que és equivalent al nombre de Mach de la pala.
Els grups de paràmetres que s'utilitzen com a base per als mapes de compressors de motors de turbina de gas són la relació de pressió total ( P sortida / P entrada ), , i eficiència. , per exemple, es simplifica a continuació tot i que continua sent representatiu del nombre de Mach. Els mapes per a altres aplicacions utilitzen pressió d'altura o de descàrrega i cabal volumètric.
Per a un compressor i un gas concrets, els grups de cabal i velocitat es simplifiquen eliminant els termes que són constants per a un compressor i una aplicació concrets, és a dir, les dimensions del compressor i les propietats del gas. , , i . S'anomenen paràmetres pseudo-adimensionals i .
Un pas final és donar als paràmetres pseudo-adimensionals unitats estàndard per al flux màssic i la velocitat i valors numèrics més recognoscibles aplicant factors de correcció de la relació de pressió i temperatura, també derivats com a part de l'anàlisi dimensional.
Els paràmetres corregits són i Tenen les mateixes unitats que els valors observats originals i es corregeixen segons les condicions estàndard acordades, l'Atmosfera Internacional Estàndard a nivell del mar (ISA). SL). Alternativament, es poden mostrar en relació amb el valor de disseny, on el valor de disseny s'especifica com a 100% o 1,0.
El combustible cremat en un motor de turbina de gas estableix la línia de funcionament del compressor i també s'ha d'utilitzar en forma "no dimensional" per mostrar el seu efecte sobre el funcionament del motor. S'utilitza com a relació amb la pressió del combustor quan es mostra en un mapa del compressor. El flux de combustible corregit es mostra com Tot i que tant l'aire com el combustible són fluxos de fluids, els seus paràmetres adimensionals són diferents. i , perquè el flux d'aire adimensional és una forma de nombre de Mach del fluid, mentre que el combustible és el flux d'una font d'energia incompressible. Les dimensions del flux d'aire són M/t, i les del flux de combustible són ML² / t³, on M, L i t són la massa, la longitud i el temps.
El flux de combustible també es mostra en un mapa del compressor, però en forma del seu efecte, és a dir, la temperatura d'entrada de la turbina. Aquest efecte es mostra, de nou de manera adimensional, com la relació entre la temperatura d'entrada de la turbina i la temperatura d'entrada del compressor, i es coneix com a relació de temperatura del motor. Grandcoing mostra les línies de temperatura constant que es creuen a mesura que un compressor d'helicòpter passa de sense càrrega a plena càrrega amb l'augment del flux de combustible.
Correcció dels valors observats o mesurats a les condicions estàndard del dia De la igualtat dels paràmetres de flux en dos dies diferents dia 1 dia 2, els valors mesurats en un dia es poden corregir als que es mesurarien en un dia estàndard, per tant,
corr where are measured values and 519 degR and 14.7lb/sq in are the standard day temperature and pressure.
Els factors de correcció de temperatura i pressió són i , així correcció
Per a la velocitat, el valor corregit és correcció
Exemple: Un motor funciona al 100% de la velocitat i entren 107 lliures d'aire al compressor cada segon, i les condicions diürnes són de 14,5 psia i 30 graus F (490 graus R).