Calado del compresor

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Un estancamiento del compresor es una interrupción local del flujo de aire en el compresor de una turbina de gas o un turbocompresor . Un estancamiento que da como resultado la interrupción completa del flujo de aire a través del compresor se conoce como sobretensión del compresor . La gravedad del fenómeno varía desde una caída momentánea de potencia apenas registrada por los instrumentos del motor hasta una pérdida completa de la compresión en caso de una sobretensión, lo que requiere ajustes en el flujo de combustible para recuperar el funcionamiento normal.

El estancamiento del compresor era un problema común en los primeros motores a reacción con una aerodinámica simple y unidades de control de combustible manuales o mecánicas , pero se ha eliminado prácticamente gracias a un mejor diseño y al uso de sistemas de control hidromecánicos y electrónicos, como el Full Authority Digital Engine Control . Los compresores modernos están cuidadosamente diseñados y controlados para evitar o limitar el estancamiento dentro del rango operativo de un motor.

Existen dos tipos de bloqueo del compresor:

El bloqueo rotatorio es una interrupción local del flujo de aire dentro del compresor que continúa suministrando aire comprimido, pero con una efectividad reducida. El bloqueo rotatorio surge cuando una pequeña proporción de los perfiles aerodinámicos experimentan un bloqueo del perfil aerodinámico , interrumpiendo el flujo de aire local sin desestabilizar el compresor. Los perfiles aerodinámicos bloqueados crean bolsas de aire relativamente estancado (denominadas celdas de bloqueo ) que, en lugar de moverse en la dirección del flujo, giran alrededor de la circunferencia del compresor. Las celdas de bloqueo giran con las palas del rotor, pero a un 50 a 70% de su velocidad, lo que afecta a las palas aerodinámicas posteriores alrededor del rotor a medida que cada una se encuentra con la celda de bloqueo. La propagación de la inestabilidad alrededor del anillo de la trayectoria del flujo es impulsada por el bloqueo de la celda de bloqueo que causa un pico de incidencia en el álabe adyacente. El álabe adyacente se bloquea como resultado del pico de incidencia, lo que provoca la "rotación" de la celda de bloqueo alrededor del rotor. También pueden ocurrir paradas locales estables que son axisimétricas, cubriendo la circunferencia completa del disco del compresor, pero sólo una parte de su plano radial, mientras que por el resto de la cara del compresor continúa pasando el flujo normal.

Un bloqueo rotacional puede ser momentáneo, resultado de una perturbación externa, o puede ser constante a medida que el compresor encuentra un equilibrio de trabajo entre las áreas bloqueadas y no bloqueadas. Los bloqueos locales reducen sustancialmente la eficiencia del compresor y aumentan las cargas estructurales en los perfiles aerodinámicos que encuentran celdas de bloqueo en la región afectada. Sin embargo, en muchos casos, los perfiles aerodinámicos del compresor están críticamente cargados sin capacidad para absorber la perturbación del flujo de aire normal, de modo que las celdas de bloqueo originales afectan las regiones vecinas y la región bloqueada crece rápidamente hasta convertirse en un bloqueo total del compresor.

El estancamiento axisimétrico , más comúnmente conocido como aumento de presión del compresor o aumento de presión , es una interrupción total de la compresión que da como resultado una inversión del flujo y la expulsión violenta del aire previamente comprimido a través de la entrada del motor, debido a la incapacidad del compresor de continuar trabajando contra el aire ya comprimido detrás de él. El compresor experimenta condiciones que exceden el límite de sus capacidades de aumento de presión o está altamente cargado de modo que no tiene la capacidad de absorber una perturbación momentánea, lo que crea un estancamiento rotacional que puede propagarse en menos de un segundo para incluir a todo el compresor.

El compresor recuperará el flujo normal una vez que la relación de presión del motor se reduzca a un nivel en el que el compresor sea capaz de mantener un flujo de aire estable. Sin embargo, si las condiciones que indujeron el estancamiento persisten, el retorno del flujo de aire estable reproducirá las condiciones en el momento del aumento repentino y el proceso se repetirá. ^[2] Este estancamiento "enclavado" o autorreproducción es particularmente peligroso, con niveles muy altos de vibración que provocan un desgaste acelerado del motor y posibles daños, incluso la destrucción total del motor a través de la rotura de los álabes del compresor y del estator y su posterior ingestión, destruyendo los componentes del motor aguas abajo.

Un compresor solo bombeará aire de manera estable hasta una cierta relación de presión. Más allá de este valor, el flujo se interrumpirá y se volverá inestable. Esto ocurre en lo que se conoce como la línea de sobrepresión en un mapa de compresores . El motor completo está diseñado para mantener el compresor funcionando a una pequeña distancia por debajo de la relación de presión de sobrepresión en lo que se conoce como la línea de operación en un mapa de compresores. La distancia entre las dos líneas se conoce como margen de sobrepresión en un mapa de compresores. Pueden ocurrir varias cosas durante el funcionamiento del motor para reducir la relación de presión de sobrepresión o aumentar la relación de presión de operación. Cuando las dos coinciden, ya no hay margen de sobrepresión y una etapa del compresor puede detenerse o el compresor completo puede sobrecalentarse como se explicó en las secciones anteriores.

Lo siguiente, si es lo suficientemente grave, puede causar estancamiento o subidas bruscas.

• La ingestión de objetos extraños que provoquen daños, así como la erosión por arena y suciedad, pueden hacer descender la línea de sobretensión.
• La acumulación de suciedad en el compresor y el desgaste que aumenta las holguras de las puntas del compresor o las fugas en los sellos tienden a elevar la línea de operación.
• La pérdida total del margen de sobretensión con sobretensión violenta puede ocurrir con un impacto de aves . El rodaje en tierra, el despegue, el vuelo a baja altura (militar) y la aproximación a tierra son situaciones en las que los impactos de aves son un peligro. Cuando un compresor ingiere un ave, el bloqueo resultante y el daño del perfil aerodinámico provocan sobretensión del compresor. Ejemplos de desechos en una pista o en la cubierta de vuelo de un portaaviones que pueden causar daños son pedazos de caucho de neumáticos, basura y tuercas y tornillos. Un ejemplo específico es una pieza de metal que cae de otro avión . ^[3] Las pistas y las cubiertas de vuelo de los portaaviones se limpian con frecuencia en un intento de evitar la ingestión de objetos extraños.
• Operación de aeronaves fuera de su envoltura de diseño; por ejemplo , maniobras de vuelo extremas que resulten en separaciones del flujo de aire dentro de la entrada del motor, vuelo en condiciones de formación de hielo donde el hielo puede acumularse en la entrada o el compresor, vuelo a altitudes excesivas. ^[4]
• Operación del motor fuera de los procedimientos del manual de vuelo; por ejemplo , en los primeros motores a reacción, movimientos bruscos del acelerador ( aceleración brusca ) cuando las notas del piloto especificaban movimientos lentos del acelerador. El exceso de combustible elevó la línea de operación hasta que se encontró con la línea de sobrealimentación. (La capacidad de control de combustible se amplió para limitar automáticamente el exceso de combustible para evitar sobrealimentaciones).
• Flujo de aire turbulento o caliente en la admisión del motor, por ejemplo , uso de empuje inverso a baja velocidad de avance, lo que resulta en la reingestión de aire turbulento caliente o, en el caso de aeronaves militares, la ingestión de gases de escape calientes provenientes del disparo de misiles.
• Gases calientes procedentes de disparos de armas que pueden producir distorsión en la entrada; por ejemplo , Mikoyan MiG-27 .

Los atascos axiales simétricos del compresor, o sobretensiones del compresor, se identifican inmediatamente porque producen uno o más estallidos extremadamente fuertes del motor. Es habitual escuchar informes de chorros de llamas que emanan del motor durante este tipo de atasco del compresor. Estos atascos pueden ir acompañados de un aumento de la temperatura de los gases de escape, un aumento de la velocidad del rotor debido a la gran reducción del trabajo realizado por el compresor parado y, en el caso de aeronaves multimotor, un movimiento de guiñada en la dirección del motor afectado debido a la pérdida de empuje.

La respuesta adecuada a las paradas del compresor varía según el tipo de motor y la situación, pero normalmente consiste en reducir de forma inmediata y constante el empuje del motor afectado. Si bien los motores modernos con unidades de control avanzadas pueden evitar muchas causas de parada, los pilotos de aviones a reacción deben seguir teniendo esto en cuenta al reducir la velocidad aerodinámica o aumentar el acelerador.

Un sistema antibloqueo del compresor es un sistema de purga del compresor que expulsa automáticamente el aire no deseado para evitar que el compresor se detenga. ^[5] Otros métodos de prevención del bloqueo pueden incluir un tratamiento antibloqueo de la punta de la carcasa. ^[6]

El motor turborreactor Rolls-Royce Avon se vio afectado por picos de presión en el compresor al comienzo de su desarrollo en la década de 1940, lo que resultó difícil de eliminar del diseño. Tal era la importancia y urgencia percibidas del motor que Rolls-Royce obtuvo la licencia del diseño del compresor del motor Sapphire de Armstrong Siddeley para acelerar el desarrollo.

El motor, así rediseñado, pasó a propulsar aviones como el bombardero English Electric Canberra y los aviones de pasajeros De Havilland Comet y Sud Aviation Caravelle .

Durante el desarrollo del Concorde Supersonic Transport (SST) en la década de 1960, se produjo un importante incidente cuando un aumento repentino de presión en el compresor provocó una falla estructural en la entrada. El impacto que se propagó hacia adelante desde el compresor fue lo suficientemente fuerte como para provocar que una rampa de entrada se desprendiera y saliera despedida por la parte delantera de la entrada. ^[7] Se reforzó el mecanismo de la rampa y se cambiaron las leyes de control para evitar que volviera a ocurrir. ^[8]

Un bloqueo del compresor contribuyó a la muerte en 1994 de la teniente Kara Hultgreen , la primera mujer piloto de caza de la Armada de los Estados Unidos con base en portaaviones . Su avión, un Grumman F-14 Tomcat , experimentó un bloqueo del compresor y una falla en su motor izquierdo, un turbofán Pratt & Whitney TF30 , debido a la alteración del flujo de aire causado por el intento de Hultgreen de recuperarse de una posición de aproximación final incorrecta ejecutando un derrape lateral ; los bloqueos del compresor debidos a un ángulo de guiñada excesivo eran una deficiencia conocida de este tipo de motor.

La pérdida en 1977 del vuelo 242 de Southern Airways , un McDonnell Douglas DC-9-9-31 , mientras penetraba en una célula de tormenta eléctrica sobre Georgia se atribuyó a pérdidas de sustentación del compresor provocadas por la ingestión de grandes cantidades de agua y granizo . Las pérdidas de sustentación hicieron que las aspas chocaran con las paletas estacionarias de sus dos motores turbofán Pratt & Whitney JT8D-9 . Las pérdidas de sustentación fueron tan graves que provocaron la destrucción de los motores, dejando a la tripulación de vuelo sin otra opción que realizar un aterrizaje de emergencia en una vía pública, matando a 62 pasajeros y otras ocho personas en tierra.

El 6 de diciembre de 1997, un avión de transporte Antonov 124 se estrelló inmediatamente después de despegar del aeropuerto Irkutsk-2 en Rusia. Tres segundos después de despegar de la pista 14, a una altura de unos 5 metros (16 pies), el motor número 3 se sobrecargó. Al ascender con un ángulo de ataque alto , los motores 1 y 2 también sobrecargó, lo que provocó que el avión se estrellara a unos 1.600 metros (5.200 pies) más allá del final de la pista. Chocó contra varias casas en una zona residencial, matando a las 23 personas a bordo y a 45 personas en tierra. ^[9]

El 6 de noviembre de 1967, el vuelo 159 de TWA , un Boeing 707 en su recorrido de despegue del entonces llamado Aeropuerto Greater Cincinnati , pasó al vuelo 379 de Delta Air Lines , un McDonnell Douglas DC-9 atascado en la tierra a unos pocos pies del borde de la pista . El primer oficial del avión de TWA escuchó un fuerte estruendo, que ahora se sabe que fue una pérdida de aire del compresor inducida por la ingestión de gases de escape del Delta 379 cuando lo sobrepasaron. Creyendo que se había producido una colisión, el copiloto abortó el despegue. Debido a su velocidad, el avión se salió de la pista, hiriendo a 11 de los 29 pasajeros, uno de los cuales murió cuatro días después como resultado de las lesiones.

En diciembre de 1991, el vuelo 751 de Scandinavian Airlines , un McDonnell Douglas MD-81 que volaba de Estocolmo a Copenhague, se estrelló tras perder ambos motores debido a la ingestión de hielo, lo que provocó que el compresor se parara poco después del despegue. Debido a un sistema de aceleración automática recién instalado, diseñado para evitar que los pilotos redujeran la potencia durante el ascenso en el despegue, las órdenes del piloto de reducir la potencia al reconocer el aumento de potencia fueron anuladas por el sistema, lo que provocó daños en el motor y una falla total del mismo. El avión de pasajeros realizó con éxito un aterrizaje forzoso en un claro del bosque sin pérdida de vidas.

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El motor a reacción — Rolls-Royce plc, 1995. ISBN  0-902121-23-5 .