Compresor Axal

Fig 2. Compresor experimental de Alstom de 14 etapas. Pueden apreciarse las tres primeras etapas variables en el estator, accionadas mediante palancas exteriores. Cortesía de Alstom.

 

El desarrollo del compresor axial se impulsó a partir de 1926, gracias a la teoría del perfil aerodinámico expuesta por A.A. Griffith, lo que permitió pasar de los modestos rendimientos que tenían estos compresores en relación a los centrífugos (apenas alcanzaban el 55%) a rendimientos más parecidos a los actuales, superando ya entonces el70-80%. Hoy se sobrepasa con facilidad el 85%.

En los compresores de este tipo la corriente de aire fluye en dirección axial, a través de una serie de álabes móviles situados en el rotor y de otros fijos situados en la carcasa o estator, concéntricos todos ellos al eje de rotación. A diferencia de la turbina, que también emplea álabes fijos y móviles, el recorrido de la corriente de un compresor axial va disminuyendo de área de su sección transversal, en la dirección de la corriente en proporción a la reducción de volumen del aire según progresa la compresión de escalón a escalón.

El aire al salir del compresor pasa a través de un difusor que lo prepara para entrar a la cámara de combustión.

La función del compresor

El compresor es el primer elemento que forma parte de la turbina de gas propiamente dicha. Su función es aumentar la presión del aire de admisión que proporciona el oxígeno comburente para la cámara de combustión en relaciones de compresión que oscilan entre 1:15 y 1:30.

En el compresor se realiza la primera transición indicada por el ciclo Brayton: la compresión, idealmente isoentrópica.  Como puede apreciarse en la figura 2, la presión y la temperatura aumentan, disminuye el volumen y la entropía se mantiene constante (en condiciones ideales):

Básicamente existen dos tipos de compresores: los centrífugos y los axiales. En los primeros, la corriente de salida es perpendicular a la de entrada. En los segundos, ambas corrientes son paralelas al eje de rotación. A pesar de que los primeros tienen saltos de presión mayores, las ventajas de los compresores axiales y su facilidad de integración en el conjunto de la turbina hace que estos sean preferibles a los centrífugos. El problema principal de su baja relación de compresión se soluciona fácilmente colocando múltiples etapas. Cada etapa impulsa el aire hacia la etapa siguiente, aumentando su presión en una relación de compresión por etapa que oscila entre 1:1,15 y 1:1,35, hasta conseguir la relación de presión deseada

El diseño de los turbocompresores axiales entraña una gran dificultad ya que el diseño de los álabes responde a estrictos criterios aerodinámicos. 

 

El funcionamiento del compresor de flujo axial: alabes del rotor y álabes del estator

El compresor de flujo axial consta de múltiples rotores a los que están fijados los álabes cuyo perfil es aerodinámico. El rotor gira accionado por la turbina, de manera que el aire es aspirado continuamente hacia el compresor, dónde es acelerado por los álabes rotativos y barrido hacia la hilera adyacente del álabes del estator.

Este movimiento, por tratarse los álabes de perfiles aerodinámicos, crea una baja presión en el lado convexo (extrados o lado de succión) y una zona de alta presión en el lado cóncavo (intrados o lado de presión). El aire, al pasar por los álabes, sufre un aumento de velocidad sobre la parte convexa inicial del perfil, para reducirse luego cuando prosigue el movimiento hacia el borde de salida. Ocurre por lo tanto un proceso de difusión. Este proceso se desarrolla a lo largo de todas las etapas que componen el compresor.

La elevación de presión del flujo de aire se debe a este proceso de difusión, que tiene lugar en los pasajes de los álabes del rotor y en un proceso similar realizado en los álabes del estator. El estator sirve además para corregir la deflexión dada al aire por los álabes del rotor y para que el aire pueda presentar el aire con el ángulo correcto a la siguiente etapa, hacia la próxima etapa de los álabes del rotor. La última hilera de los álabes del estator actúan como “enderezadores del aire” a fin de limitar la turbulencia de manera que el aire ingrese al sistema de combustión a una velocidad axial suficientemente uniforme.

A través de cada etapa el aumento de presión es muy pequeño, entre 1:1,15 y 1:1,35. La razón que motiva tan pequeño aumento de presión es que si se desea evitar el desprendimiento de la capa límite y la consiguiente entrada en pérdida aerodinámica de los álabes, el régimen de difusión y el ángulo de incidencia deben mantenerse dentro de ciertos límites. La pequeña elevación de presión en cada etapa, junto con la trayectoria uniforme del flujo de aire, contribuye a lograr la alta eficiencia del compresor axial.

 
A medida que el aire avanza a través de las diferentes etapas del compresor la densidad del aire aumenta, a la vez que la presión. Para mantener constante la velocidad axial del aire a medida que se incrementa su densidad, desde el extremo de baja presión hacia el de alta presión existe una reducción gradual en el área anular de circulación de aire, entre el eje del rotor y el alojamiento del estator.
 
Es posible disminuir el área anular de circulación por aumento gradual del diámetro del rotor, por disminución del diámetro de la carcasa, o por una combinación de ambos.
 
En todas las turbinas habituales en centrales eléctricas se trata de compresores multietapa centrífugos de flujo axial, esto es, paralelo al eje. Cada etapa impulsa el aire hacia la etapa siguiente, aumentando su presión en una relación de compresión por etapa que oscila entre 1:1,5 y 1:2,5
 

Aspectos a tener en cuenta en el diseño de compresores axiales 

La velocidad tangencial del extremo del álabe: el número Mach 

La velocidad tangencial del extremo del álabe del rotor. En las cercanías o más allá de la velocidad del sonido se producen ondas de choque muy perjudiciales para la estructura mecánica del compresor. De hecho, esa limitación constituye una de las principales limitaciones para construir turbinas más potentes. La velocidad del sonido depende de la temperatura y la presión, por lo que para facilitar el estudio, entre otros, del comportamiento de un objeto moviéndose a altas velocidades se define el número de Mach como la relación existente entre la velocidad de un objeto en unas condiciones de presión y temperatura determinadas y la velocidad del sonido en esas mismas condiciones:
 
 
 
Así, se definen 4 posibles velocidades: 
  • Velocidad subsónica,  M < 0,7
  • Velocidad transónica 0,7 < M < 1,2
  • Velocidad supersónico 1,2 < M < 5
  • Velocidad hipersónico M > 5 
Se denomina Mach crítico al número de Mach de un objeto moviéndose en el seno de un fluido en el que el punto de máxima velocidad local del fluido (aire) que le rodea alcanza la velocidad del sonido. Esto último equivale a que en dicho punto (el punto de máxima velocidad local del aire) se alcanza un Mach igual a 1. Hay que tener en cuenta que el aire y el álabe se mueven en direcciones diferentes, por lo que la velocidad a la que el álabe ‘ve’ el aire es superior a su movimiento tangencial. El número Mach de una turbina se sitúa en torno a 0,7. La velocidad tangencial del extremo de un álabe nunca puede superar esa velocidad, ya que se producen unas peligrosas ondas de choque y una importante pérdida de rendimiento del compresor, lo que constituye una limitación importantísima para construir ruedas de álabes de mayor tamaño o, siendo de pequeño tamaño, para que giren a mayor velocidad. 

Compresor a diferentes velocidades

Otro efecto a tener en cuenta en el escalonamiento de un compresor y el diseño de sus etapas es que a determinadas velocidades las últimas etapas es posible que funcionen con bajo rendimiento y las primeras etapas trabajen sobrecargadas. Esto puede ser corregido ya sea con extracción de aire entre etapas o se puede conseguir mucha mayor flexibilidad y rendimiento partiendo el compresor en dos sistemas rotatorios completamente independientes mecánicamente, cada uno arrastrado por su propia turbina a velocidades diferentes. El compresor de alta presión tiene álabes más cortos que el de baja y es más ligero de peso. Puesto que el trabajo de compresión de compresor de alta trabaja a mayor temperatura que el de baja se podrán conseguir velocidades más altas antes de que las puntas de los paletas alcancen su límite de 0,7 Mach, ya que la velocidad del sonido aumenta con la temperatura. Por consiguiente el compresor de alta podrá rodar a mayor velocidad que el de baja. 

Comparación entre compresores axiales y turbinas axiales 

Un compresor axial simple suele estar constituido por múltiples etapas, tantas como sea necesario hasta alcanzar la relación de presión que se busca. Es interesante comparar el número de etapas que tiene un compresor axial con las de de una turbina axial: para la misma relación de presiones (el primero comprimiendo, la segunda expandiendo), el compresor necesita de muchas más etapas. Las diferencias provienen de los propios procesos del flujo; cuando el fluido se acelera rápidamente en un conducto sufre una pérdida moderada de presión de remanso, pero cuando experimenta una rápida deceleración, que provoca un gradiente adverso de presión, se puede producir desprendimiento del flujo y, en consecuencia, grandes pérdidas. Para limitar estas pérdidas, es necesario mantener la relación de deceleración del flujo a través de las coronas de álabes en valores bajos, circunstancia que implica el que para una relación de compresión dada, un compresor axial tenga muchos más escalonamientos que una turbina axial. 
 

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