thumb|Animație a unui compresor axial. Paletele care stau formează statorul. Un compresor axial este un tip de compresor care comprimă continuu un fluid de lucru. Este un dispozitiv în rotație cu palete profilate aerodinamic, în care fluidul curge în principal într-o singură direcție, paralelă cu axa de rotație.Bazil Popa (coord.) ș.a., Manualul inginerului termotehnician, vol. II, București: Editura Tehnică, 1986, pp. 296–302 Acest lucru deosebește compresoarele axiale de alte tipuri de compresoare dinamice, cum ar fi compresoarele centrifuge, compresoarele axial-centrifuge și compresoarele cu curgere mixtă, în care fluidul care curge are o componentă radială semnificativă îndreptată spre exterior față de axa de rotație.
Paletele rotorului acționează asupra fluidului, crescându-i energia pe măsură ce acesta trece prin compresor. Paletele staționare încetinesc fluidul, transformând componenta tangențială a curgerii în presiune. Compresoarele sunt de obicei antrenate de un motor electric, o turbină cu abur sau o turbină cu gaze.
Compresoarele axiale produc un debit continuu de gaz comprimat. Au un randament ridicat și un debit masic mare în raport cu dimensiunea secțiunii lor transversale. Sunt mai complexe și mai scumpe în comparație cu alte compresoare, necesitând mai multe trepte cu palete pentru a obține o creștere mare a presiunii.
Compresoarele axiale sunt parte integrantă a instalațiilor de turbine cu gaze mari, cum ar fi motoarele cu reacție, motoarele pentru navale rapide și centralele electrice mici. De asemenea, sunt utilizate în aplicații industriale, cum ar fi instalațiile cu volum mare de pompare a aerului, a aerului pentru furnale, a aerului pentru cracarea catalitică în pat fluidizat și pentru dehidrogenarea propanului. În plus, datorită performanței și funcționării corespunzătoare în întreaga anvelopă de zbor (limitele de funcționare sigure pentru o aeronavă), acestea sunt utilizate pe scară largă în aplicațiile aerospațiale.
Aplicațiatipică Tipulcurgerii Raport de presiunipe treaptă Randamentpe treaptă Industrială subsonică 1,05–1,2 88–92 % Aerospațială transonică 1.15–1.6 80–85 % Cercetare supersonică 1,8–2,2 75–85 %
Descriere thumb|upright=1.5|Compresorul axial al unui motor turboventilator TF30 al Pratt & Whitney Compresoarele axiale constau din coroane alternante de palete cu profile aerodinamice în mișcare de rotație („mobile”), respectiv staționare („fixe”). Paletele mobile sunt montate radial pe un tambur aflat pe un arbore central care se rotește, ansamblu care formează rotorul. Paletele fixe sunt montate tot radial într-o carcasă tubulară, care formează statorul. O coroană de palete mobile împreună cu una de palete fixe formează împreună o treaptă. Rotorul transmite energie cinetică fluidului de lucru, crescându-i viteza în direcțiile axială și tangențială. Statorul transformă energia cinetică crescută în presiune statică – canalele dintre paletele fixe lucrând ca niște difuzoare – și redirecționează direcția de curgere a fluidului pentru a-l pregăti pentru paletele rotorului din treapta următoare. Perry, R.H., Green, D.W. (Eds.) (2007). Perry's Chemical Engineers' Handbook (ediția a 8-a). McGraw Hill. Lungimea paletelor (zona dintre tamburul rotorului și carcasă) scade de-a lungul direcției de curgere pentru a menține un număr Mach optim pe măsură ce fluidul este comprimat.
Raportul dintre creșterea presiunii într-o coroană de palete a rotorului și creșterea totală a presiunii într-o treaptă este cunoscut sub numele de .
Funcționare Creșterea presiunii într-o singură treaptă este limitată de viteza relativă dintre rotor și fluid și de caracteristicile profilelor aerodinamice. O treaptă tipică dintr-un compresor industrial va produce în regimul de proiectare o creștere a presiunii între 15 % și 60 % (rapoarte ale presiunii de 1,15–1,6), cu un randament interior de 90–95 %. Pentru a obține diferite rapoarte de presiune, compresoarele axiale sunt proiectate cu un număr diferit de trepte și viteze de rotație (turații). Ca regulă generală, se poate presupune că fiecare treaptă dintr-un anumit compresor are aceeași creștere de temperatură, . Prin urmare, la intrare temperatura din fiecare treaptă, trebuie să crească progresiv prin compresor, iar raportul la intrare trebuie să scadă, implicând astfel o reducere progresivă a rapoartelor presiunilor din trepte. Prin urmare, treapta din spate realizează un raport al presiunilor semnificativ mai mic decât prima treaptă. Rapoarte de presiune mai mari pe treaptă sunt posibile și dacă viteza relativă dintre fluid și rotoare este supersonică, dar acest lucru se realizează în detrimentul randamentului și al debitelor. Astfel de compresoare, cu rapoarte ale presiunilor pe trepte de peste 2, sunt utilizate doar acolo unde minimizarea dimensiunii, greutății sau complexității compresorului este critică, cum ar fi în cazul avioanelor militare.
Profilele aerodinamice ale paletelor sunt optimizate și adaptate pentru viteze ale fluidului și turații ale rotorului specifice. Deși compresoarele pot funcționa în alte condiții cu debite, viteze sau rapoarte ale presiunilor diferite, acest lucru poate duce la o scădere a randamentului sau chiar la o întrerupere parțială sau completă a debitului (efecte cunoscute sub numele de „desprinderea stratului limită” și „pompaj”). Astfel, o limită practică a numărului de trepte și a raportului general al presiunilor provine din interacțiunea diferitelor trepte atunci când este necesar să funcționeze în afara condițiilor de proiectare. Aceste condiții „variabile” pot fi atenuate într-o oarecare măsură prin asigurarea unei anumite flexibilități în compresor. Acest lucru se realizează în mod normal prin utilizarea unor statoare reglabile sau cu supape care pot devia între trepte o parte din fluidul din curgerea principală. Motoarele cu reacție moderne, pentru a furniza aerul necesar arderii la un raport al presiunilor de aproximativ 40:1, utilizează 2–3 compresoare în serie, care funcționează la turații diferite, cu o flexibilitate suficientă pentru toate condițiile de zbor.
Cinetică și ecuațiile conservării energiei thumb|upright=1.5|Triunghiurile vitezelor într-o paletă mobilă la intrare (sus) și la ieșire (jos) Legea conservării impulsului afirmă că suma impulsurilor forțelor externe care acționează asupra unui fluid care ocupă temporar volumul de control este egală cu modificarea netă a impulsului prin volumul de control.
Fluidul intră în volumul de control la raza cu viteza tangențială și iese la raza cu viteza tangențială . și sunt vitezele la intrare și, respectiv, la ieșire față de stator. și sunt componentele axiale ale vitezelor la intrare și, respectiv, la ieșire față de stator. și sunt componentele tangențiale ale vitezelor la intrare și, respectiv, la ieșire față de stator. și sunt vitezele la intrare și, respectiv, la ieșire față de paletele mobile. este viteza tangențială a paletelor. sunt unghiurile de intrare și ieșire ale paletelor fixe, iar cele ale paletelor mobile.
Variația impulsului este forța cu care paleta acționează asupra volumului de control: (din triunghiul vitezelor)
Puterea consumată de o paletă pentru o transformare izentropică, , dedusă din triunghiul vitezelor este:
Aceeași putere dedusă din variația entalpiei fluidului în paletele mobile este:
din care se obține relația:
ceea ce implică:
Comprimarea izentropică în paletele rotorului:
Prin urmare:
ceea de implică:
Raportul dintre diferența de presiune dintre intrarea în paletele mobile și ieșirea din ele și diferența de presiune totală pe treaptă se numește grad de reacțiune.
Prin urmare:
Caracteristica și performanțele thumb|upright=1.5|Caracteristica dreaptă a compresorului axial ideal și caracteristica curbă a celui real. Diferența dintre ele sunt pierderile în trepte.
Performanțele în regimul de proiectare Performanțele unui compresor axial sunt reprezentate în caracteristica compresorului, diagrama în care sunt reprezentate raportul presiunilor și randamentul în funcție de debitul masic corectat pentru diferite valori ale turației compresorului.
Compresoarele axiale, în special în apropierea regimului lor de proiectare, sunt de obicei supuse unei analize prin calcul, iar o estimare bună a performanței lor poate fi făcută înainte de prima lor funcționare pe stand. Caracteristica compresorului arată intervalul complet de funcționare, adică și valorile în afara regimului proiectat, de la ralanti până la cea mai mare turație a rotorului, care, pentru un motor civil, poate apărea în vârful caracteristicii, sau, pentru un motor militar, în regimul de viteză ascensională maximă într-o zi rece. Nu este afișat domeniul sub ralanti, necesar pentru analiza pornirii motorului la sol sau în zbor, fiind antrenat de curentul de aer.
Performanța unei singure trepte a compresorului poate fi reprezentată grafic prin reprezentarea coeficientului de încărcare al treptei, în funcție de coeficientul de debit, .
Raportul real dintre presiunea realizată de treaptă și debit este mai mic decât în cazul unei trepte fără pierderi. Pierderile se datorează frecării de palete, desprinderii stratului limită, instabilității curgerii și distanței dintre palete.
Funcționarea în regim variabil thumb|upright=1.5|Caracteristica în regim variabil a unui compresor axial, indicând coeficientul de încărcare al treptei, în funcție de coeficientul de debit
Performanța unui compresor este definită în regimul său de proiectare. Însă în practică punctul de funcționare al compresorului poate diferi de punctul de proiectare; aceasta este cunoscută sub numele de „funcționare în regim variabil”.
Din ecuațiile (1) și (2) se obține:
Valoarea lui nu se schimbă într-un interval larg până la desprinderea stratului limită. De asemenea, deoarece modificările unghiului aerului de la rotor la stator sunt mici, unde este unghiul de intrare în paletele fixe. este constant.
Notând valorile de proiectare cu apostrof:
pentru regimuri variabile (din ):
pentru valori pozitive ale lui panta curbei este negativă și invers.
Instabilități Există mai multe tipuri de instabilități care pot să apară într-un compresor axial. Edward Greitzer a folosit un model de sistem de comprimare de tip pentru a prezice răspunsul tranzitoriu al unui sistem de comprimare după o mică perturbație a funcționării staționare. El a găsit un parametru adimensional care a prezis ce tip de instabilitate a compresorului ar rezulta: desprinderea stratului limită sau pompajul. Parametrul a folosit turația rotorului, frecvența rezonatorului Helmholtz al sistemului și o „lungime efectivă” a conductei compresorului. Acestea au produs o valoare critică care a prezis fie desprinderea stratului limită, fie pompajul, unde panta raportului presiunilor față de debit se schimba de la negativă la pozitivă.
Pompajul thumb|upright=1.5|Deplasarea punctului regimului de funcționare în ciclul pompajului În graficul presiunii în funcție de debit, curba punctată care separă graficul în două zone, cea de funcționare stabilă și cea de funcționare instabilă este curba de pompaj. Procese și utilaje în industria petrolieră, Universitatea Petrol-Gaze din Ploiești, curs 4, p. 14, accesat 2026-05-15 Această curbă este formată prin unirea punctelor de presiune maximă la diferite turații. Regimurile de la stânga curbei sunt instabile din cauza ruperii complete a curgerii. Acest fenomen afectează performanța compresorului și este nedorit.
Ciclul pompajului Următoarea explicație pentru pompaj ia în considerare funcționarea unui compresor la o turație constantă cu reducerea treptată a zonei de ieșire prin închiderea unei supape. Ceea ce se întâmplă, adică traversarea liniei de pompaj, este cauzată de încercarea compresorului de a furniza aer, care funcționează în continuare la aceeași viteză, la o presiune de ieșire mai mare.