¿Qué es la válvula de purga transitoria en un motor de turbina de gas?

El compresor de alta presión en un motor típico tiene muchas etapas (por ejemplo, GE90-115 tiene 9) todas funcionando en el mismo eje y, por lo tanto, todas a la misma velocidad. El problema es que a veces el flujo/presión que producen las etapas delanteras no coincide con el flujo/presión que pueden aceptar las etapas traseras. Cuando esto sucede, el compresor se detendrá (esto es malo).

Esto puede suceder en varias situaciones diferentes, y una de ellas es un transitorio rápido. Por ejemplo, una aceleración muy rápida desde el ralentí hasta la máxima potencia.

Durante este transitorio rápido, las etapas delanteras podrían estar tratando de bombear demasiado aire en comparación con lo que las etapas traseras pueden aceptar. Eventualmente, todo se equilibrará, pero durante unos segundos puede haber un desajuste.

Hay varias formas diferentes en que los diseñadores de motores pueden adaptarse a esta situación. Una es una válvula de purga transitoria.

Cuando el motor realiza una aceleración muy rápida, la válvula de purga transitoria se abre y parte del aire del compresor simplemente se descarga por la borda. Cuando el motor alcanza una condición de funcionamiento estable, la válvula se cierra.

Además de las válvulas de purga transitorias, las válvulas de purga en general también se utilizan para canalizar aire a alta presión para diferentes usos, ya sea para el motor o la aeronave. El aire de la válvula de purga se puede dirigir al borde de ataque de la góndola y las alas del motor para deshielo o antihielo.

El aire de la válvula de purga también se puede utilizar para enfriar diferentes partes del motor (combustores, turbinas, etc.) y para presurizar los compartimentos de los cojinetes (?). Mi comprensión del aire de purga del motor a reacción proviene de motores más antiguos, por lo que los motores actuales pueden ser diferentes. Estoy bastante seguro de que todavía se usa para descongelar/anticongelar.

El aire sangrado también se ha utilizado para arrancar motores en aviones multimotor. Arranque un motor en cada lado, luego dirija el aire de purga al motor de arranque del otro motor.

En algunos motores modernos, el uso de aire de purga transitorio ha sido reemplazado por paletas de guía del compresor ajustables y otros métodos para administrar el funcionamiento del compresor.

¿Puede explicar el propósito de las válvulas de purga en general?

Consulte ¿Cómo evitan las sobretensiones las válvulas de purga variable? por qué se utilizan purgas para evitar que el compresor se detenga. Una respuesta a esa pregunta ya sugiere el uso de la purga en la operación transitoria. Esta respuesta describirá el rendimiento transitorio con más detalle mediante el uso de la característica/mapa del compresor que describe la relación entre la relación de presión (PR, en el eje vertical), el flujo másico corregido (Wc en el eje horizontal), la eficiencia (η, contorno líneas en el gráfico) y líneas de velocidad constante corregida y referida (Nc en el gráfico) usando las líneas Beta ( ¿Qué son las "líneas beta" de un componente de motor de turbina de gas? ) para la estabilidad numérica cuando se usa en software de rendimiento de simulación de turbina de gas.

¿Qué es una válvula de purga transitoria y cuál es su propósito?

Esta respuesta de DanielK ya explica en palabras lo que sucede, esta respuesta se basa en esa respuesta para brindar un poco más de información sobre los problemas que enfrentan los desarrolladores de turbinas de gas para diseñar motores estables para un cierto uso de vida esperado.

Cuando no tiene en cuenta los límites del motor y reduce o aumenta el combustible de manera brusca, el motor puede llegar a regiones en las que no puede funcionar o consume demasiada vida o incluso destruye la turbina. Por ejemplo, una línea operativa de desaceleración/aceleración SLAM (línea continua azul) para un motor turbohélice pequeño puede tener el siguiente aspecto en la característica del compresor:

La imagen muestra claramente que la aceleración de la parte inferior izquierda a la parte superior derecha cruza la línea roja de la izquierda. Tenga en cuenta que en el software de simulación, la representación digital de la característica del compresor se extrapola más allá de la línea de sobretensión; en la vida real, el compresor no puede funcionar a la izquierda de esta línea de sobretensión. El punto de funcionamiento de la turbina de gas debe estar incluso unos pocos porcentajes a la derecha para lograr estabilidad.

Si no nos fijamos únicamente en el margen de sobretensión, vemos que la temperatura de salida de la cámara de combustión (TT4) también será demasiado alta:

Para evitar que la línea de operación cruce la línea de sobrevoltaje hacia la izquierda durante la operación transitoria, hay varias técnicas disponibles:

• uso de paletas de estator variables del compresor (VSV) que mueven efectivamente la línea de sobretensión hacia la izquierda en el mapa del compresor,
• uso de purga para mover la línea operativa a la derecha de la línea de sobretensión aumentando el margen de sobretensión,
• programación de combustible.

Optimizar la adición de combustible (adición gradual, por ejemplo, programas de flujo de combustible basados ​​en la presión del quemador) al ciclo y el uso de VSV y purgar el aire del compresor hará que el motor se mantenga dentro de los límites, vea la línea de operación discontinua: