¿El aspa del compresor ralentiza el flujo de aire o lo acelera?

¿Las aspas del compresor son en realidad una barrera para el flujo de aire, o el flujo de aire es acelerado por el compresor?

Estas no son alternativas exhaustivas. Tenga en cuenta que el flujo de fluido subsónico cuando se contrae se acelera y la presión disminuye ( principio de Bernoulli ).

Lo que hace el compresor es aumentar la presión. La velocidad disminuye ligeramente.

¿Las paletas del compresor son en realidad una barrera para el flujo de aire?

En realidad es complicado. En cierto sentido lo son. El compresor siempre toma el aire alrededor de M0.5 independientemente de la velocidad de vuelo. Eso significa que a menor velocidad, el motor necesita aspirar aire de una corriente más ancha, mientras que a mayor velocidad se derrama algo de aire sobre los labios de admisión. Entonces, en cierto sentido, el compresor es una barrera.

Pero entonces, el compresor debe aumentar la energía de la corriente, de lo contrario el motor no podría producir ningún empuje. Solo la energía va en presión, no en velocidad. Entonces, en este sentido, definitivamente no es una barrera.

De hecho, el empuje actúa principalmente sobre el compresor, porque es la superficie más significativa hacia popa sobre la que puede actuar la presión en la cámara de combustión.

A velocidad supersónica funciona de manera diferente. Ahora los cambios de presión no pueden afectar el flujo aguas arriba, por lo que el aire ya no puede derramarse sobre los labios de admisión. En cambio, ahora la entrada debe desacelerarla mediante ondas de choque y luego expandirse en un difusor.

Esto es necesario, porque la turbomaquinaria solo funciona bien en flujo subsónico¹. Dado que la presión aumenta a medida que disminuye la velocidad del flujo, esto también aumenta la relación de presión general del motor y, por lo tanto, su eficiencia.

Tenga en cuenta que el aire también se calienta, a través del calentamiento adiabático , ya que se ralentiza y se comprime. En algún lugar alrededor de M5-6, el aire se vuelve tan caliente por la compresión que ya no es práctico agregarle más calor quemando combustible, por lo que por encima de esa velocidad, la combustión debe ocurrir en un flujo supersónico. Este es el motor scramjet. No tiene ningún compresor o turbina, porque obtiene toda la compresión de la constricción del flujo y su turbomaquinaria no funcionaría a esa velocidad de todos modos.

Los álabes del rotor de los compresores de tipo axial del motor a reacción aceleran el flujo de aire. Es importante tener en cuenta que el cambio de velocidad neto en la velocidad suele ser negativo, es decir, el flujo de aire a través de la sección del compresor en su conjunto suele ser más lento. Además, la admisión del motor generalmente también reduce la velocidad del flujo de aire al tiempo que aumenta la presión. Esto ocurre dentro del flujo de aire antes del contacto directo con el compresor.

Los compresores axiales de motores a reacción se componen de múltiples etapas de presión con el diseño principal de aumentar la presión, no la velocidad. Cada etapa de presión se compone de pares de rotores y estatores. Los rotores consisten en filas de palas de compresor dispuestas radialmente sobre un husillo giratorio. Los estatores consisten en filas fijas de paletas dispuestas radialmente y colocadas después y entre los rotores.

Los álabes del compresor de los rotores aceleran el flujo de aire e imparten un aumento momentáneo de la velocidad. Posteriormente, las paletas del estator y la geometría decreciente del diseño del compresor disminuyen la velocidad y cambian la dirección del flujo de aire (que también es una aceleración). Cada etapa de presión aumenta la presión, típicamente con una pequeña disminución neta en la velocidad.

Consulte la siguiente figura y extracto de texto del Manual técnico de centrales eléctricas de Jeppesen A&P:

La tarea de un compresor axial es aumentar la presión del aire en lugar de la velocidad del aire. Por lo tanto, cada etapa del compresor aumenta la presión del aire entrante mientras que la velocidad del aire aumenta y luego disminuye alternativamente a medida que el flujo de aire avanza a través del compresor. Las palas del rotor aceleran ligeramente el flujo de aire, luego las paletas del estator difunden el aire, ralentizándolo y aumentando la presión. El resultado general es una mayor presión de aire y una velocidad de aire relativamente constante desde la entrada hasta la salida del compresor.

^{Figura 3-29}

Bueno, algunas matemáticas básicas podrían revelar la respuesta.

Si un turborreactor tiene una relación de compresión de, digamos, 20:1, el flujo de gas que ingresa a la cámara de combustión tendrá una presión 20 veces mayor que el flujo de gas que ingresa a la entrada del motor.

Si asumimos que el área de la sección transversal general del paso de gas a través de los estatores y rotores en el compresor no cambia (por lo general, este no es el caso), entonces el flujo de gas tendría que disminuir.

Dado que Mdot = rho * Vdot = rho * A * vdot

y por IGL por simplicidad, P = rho * R * T

esto da

Mdot = (P/RT) * A * vdot

Dado que Mdot y A permanecen constantes y P aumenta, vdot debe disminuir para compensar. Si bien la temperatura aumenta, no es suficiente para compensar el cambio de presión, lo que se puede demostrar con un análisis de sensibilidad.

Idealmente, desea desacelerar el flujo de gas lo menos posible, ya que la disminución del impulso crea un impulso de arrastre sobre el motor. Tanto los compresores centrífugos como los axiales reducen su volumen a medida que el gas fluye a través del núcleo para reducirlo.