¿Por qué un compresor centrífugo en un motor de avión es menos susceptible a estancarse y sobrevoltaje?

La razón se reduce al principio de funcionamiento de los compresores: un compresor centrífugo, como su nombre lo indica, simplemente gira muy rápido y la fuerza centrífuga comprime el aire. Como puede ver en la imagen a continuación, las paletas del impulsor de un compresor centrífugo solo ayudan a empujar el aire en un círculo (a diferencia de un perfil aerodinámico) y la fuerza centrífuga hace la compresión: El compresor centrífugo está en un círculo azul. Como puede ver, cuando el impulsor gira, empuja el aire hacia un lado.

Fuente de la imagen: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/6/6f/Saturn_MD-120_cutaway.jpg

Un compresor axial tiene aspas que funcionan como pequeños rotores (que en realidad son solo alas giratorias): los rotores aceleran el aire y los estatores reducen la velocidad del aire nuevamente, usando esa energía cinética para comprimir el gas. Al igual que las alas, estas palas pueden detenerse y perder su función siempre que el flujo de entrada se altere lo suficiente (de modo que el ángulo de ataque local de una parte de la pala sea demasiado alto para las condiciones de flujo locales dadas). Esta parada puede potencialmente extenderse a otras palas o a todo el motor.

Como dijiste, las paletas de un impulsor en un compresor centrífugo no funcionan como superficies aerodinámicas (en cambio, simplemente giran y empujan el aire, como un torniquete), por lo que si encuentran perturbaciones en el flujo de aire, no se detendrán como un perfil aerodinámico lo haría. Por supuesto, si dicha perturbación del flujo de aire es algo así como una restricción severa del flujo de aire, el compresor aumentará, pero esto se considera raro en la práctica.

Por lo tanto, es mucho más fácil hacer que un compresor axial suba o se detenga (simplemente alterando mucho el flujo de aire) en comparación con un compresor centrífugo, que requiere que se restrinja el flujo de aire.

Para un sistema de compresión que opera en condiciones normales, una reducción del caudal másico conduce a un aumento del aumento de la presión. Al reducir continuamente el caudal másico, se alcanza el punto de relación de presión máxima a partir del cual el compresor funciona de forma diferente. Esto podría provocar un bloqueo aerodinámico en el flujo y degradar el rendimiento.

• El bloqueo giratorio (a menudo llamado bloqueo) es un mecanismo de operación estable que permite que el compresor se adapte a un flujo másico muy pequeño y afecta el rendimiento general. Aparecen unas zonas estancadas llamadas 'celdas' que tienen muy poco flujo (baja velocidad). Es posible comparar esto con el bloqueo en las superficies aerodinámicas, pero el bloqueo causado por las celdas afectará la incidencia de las palas adyacentes (o filas aguas abajo). Tenga en cuenta que el bloqueo puede (en realidad, con bastante frecuencia) preceder al aumento, pero no siempre.

• La oleada es un proceso inestable en el que el caudal másico medio anular varía con el tiempo y de forma cíclica. El compresor pasa de una fase no bloqueada a una bloqueada y viceversa. Esa inestabilidad de flujo no solo está relacionada con el compresor, sino con todo el sistema donde opera. Es común modelar esto con una válvula de mariposa (vea la imagen a continuación).

En la zona de operación nominal, el compresor es incondicionalmente estable ya que las líneas del compresor y del acelerador tienen un comportamiento "opuesto". Una pequeña reducción en el flujo másico lleva a aumentar el aumento de presión a través del compresor y disminuir la caída de presión en el acelerador. Por lo tanto, el flujo se acelerará hasta un equilibrio.

En la región inestable, el acelerador no compensa los cambios en el aumento de presión debido a la inestabilidad del flujo másico.

Para responder a su pregunta, los mecanismos presentados anteriormente son válidos para cualquier sistema de compresión.

De hecho, los compresores centrífugos a veces funcionan con parada: cerca de las puntas del inductor o sobre el impulsor debido a la asimetría aguas abajo. Pero podrían permanecer estables incluso con la presencia de un estancamiento, y es menos probable que ocurra un aumento.

La razón de esto es que gran parte de la compresión se realiza por efectos centrífugos con o sin pérdida de rotación. La línea del compresor en la región estancada (en el diagrama anterior) es probablemente más plana (y por lo tanto más estable) para un centrífugo.

El trabajo realizado por un compresor se puede estimar mediante el teorema de Euler (considerando el momento de entrada/salida del momento):

Esto implica dos formas de hacer trabajar a un compresor: desviar el flujo (V theta) y/o ampliar la sección (radio r). El último obviamente está relacionado con las fuerzas centrífugas.

Si se producen paradas, la desviación (V theta) se verá afectada, al menos localmente (ya que la parada rotatoria es un fenómeno 3D no axisimétrico). Para el compresor axial, la mayor parte del aumento de presión se produce por desviación. Esto no es tan significativo para el compresor centrífugo.