Clase 5 3 Compresores axiales

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TURBOMÁQUINAS TÉRMICAS
CT-3412
5.2 COMPRESORES AXIALES
Prof. Nathaly Moreno Salas
Ing. Victor Trejo
CONTENIDO
� Características de Funcionamiento fuera de Diseño
� Compresores Multietapas
� Curva Característica de un Compresor Axial
� Bombeo (Surge) � Bombeo (Surge) 
� Desprendimiento (Stall)
� Desprendimiento Rotativo (Rotating Stall)
� Campo de Aplicación
Características de Funcionamiento 
fuera de Diseño
� De la ecuación de Euler sabemos que:
� Horlock (1958) estableció que los ángulos de salida del flujo 
2W
r
2C
r
U
r
1W
r
1C
r
xC
r
1α
1β2α
2β)(1 122
0 αβφψ tgtg
U
h +−=∆=
� Horlock (1958) estableció que los ángulos de salida del flujo 
β2 (rotor) y α1 (estator) no varían apreciablemente para una 
gama de ángulos de incidencia, hasta que se alcanza el punto 
de desprendimiento
� Por lo tanto se puede escribir:
cttettgtg ==+ 12 αβ
t
U
h φψ −=∆= 1
2
0
El ∆∆∆∆h0 aumenta cuando el flujo másico
disminuye, con una velocidad de giro
constante y t positivo
Características de Funcionamiento 
fuera de Diseño
t
t
t
En el punto de diseño
d
d
dd tt
φ
ψφψ −=⇒−= 1
1
Las condiciones fuera de diseño
no dependen de la elección del
t
t
no dependen de la elección del
grado de reacción de diseño
Si R = 0,5, el grado de reacción no 
varia
Si R > 0,5 y t < 0, el grado de 
reacción disminuye con el 
coeficiente de flujo
Si R < 0,5, el grado de reacción 
aumenta con el coeficiente de flujo
Características de Funcionamiento 
fuera de Diseño
Al ser t = ctte, se puede relacionar el punto de diseño con cualquier 
otro punto 
d
d
dd tt
φ
ψφψ −=⇒⋅−= 1
1 φ
ψφψ −=⇒⋅−= 1
1 tt
dφ φ
Igualando ambos términos





 −−=⇒




 −⋅−=
d
d
dddd
d
φ
ψ
φ
φ
ψψ
ψ
φ
ψφψ 111
1
Características de Funcionamiento 
fuera de Diseño
ψd → 1 más elástico (menor variación de
ψ con φ)
ψd → 0 menos elástico (mayor variación de
ψ con φ)
4,03,0 << dψ
Rango más eficiente
Compresores Múltiples Etapas
Un compresor multietapas no es más que una serie de compresores de
una sola etapa, cada uno actuando aislado, pero es necesario conocer
el funcionamiento como un todo, sobre todo para entender las fuentes
de pérdidas en el compresor y la operación fuera de diseño
T0I
P0I
T0II
P0II
Compresores Múltiples Etapas
Es posible hacer un análisis por etapas donde las condiciones de salida de una sean las 
Condiciones de entrada de la siguiente y así repetir hasta que las condiciones de salida
Sean las requeridas, pero si las etapas del compresor son idénticas entre si
Se asume ηp ≈ ηetapa porque el
∆TO de la etapa es pequeño∆TO de la etapa es pequeño
ψ = ctte en todas las etapas
( )
γη
γ
p
I
II
II
II
P
P
T
TN
T
T
1
0
0
0
0
0
0 1
−






=∆+=
pC
U
T
2
0
ψ=∆
Para compresores axiales, se tienen los siguientes valores como 
referencia
rp max etapa = 1,12 – 1,4 ∆T0max etapa = 40 K
Compresores Múltiples Etapas
La eficiencia del compresor multietapa se puede calcular






−





−
1
1
0
γ
γ
II
P
P











−








= −
1
1
0
0
0
γη
γη
p
I
II
I
tt
P
P
P
La eficiencia total a total será menor que la eficiencia politrópica.
Para efectos de diseño y análisis se fijan eficiencias politrópicas
ya que son independientes del número de etapas del compresor y
por lo tanto una más confiable manera de comparar pérdidas
Operación fuera de diseño 
compresores multietapas
� Stage Stacking: método para cálculo del 
comportamiento de un compresor desde la entrada de 
la primera etapa y tomando como condición de 
entrada de la siguiente, la condición de salida previa.
� Cuando un compresor multietapas opera a velocidad 
parcial o a baja carga, las diferentes etapas trabajan parcial o a baja carga, las diferentes etapas trabajan 
a diferentes condiciones de manera simultánea: las 
primeras etapas trabajan cerca de desprendimiento, 
bajo flujo másico, alta incidencia, mientras las últimas 
etapas trabajan cerca de estrangulamiento, debido a 
que la densidad es baja, lo que produce un incremento 
de la velocidad relativa en comparación a la condición 
de diseño.
Curva Característica de un Compresor 
Axial (1/3)
Stall zone
Curva Característica de un Compresor 
Axial (2/3)
Curva Característica de un Compresor 
Axial (3/3)
BHP
� Disminuye el consumo de potencia
con incrementos de volumen, muy favorable
al encendido por derivación en la descarga
o removiendo la carga aguas abajo, lo cual lo 
aleja de la condición de bombeo.
� Trabaja bien en paralelo con otros 
Volumen en la entrada 
Compresor axial
Compresor centrífugo
� Trabaja bien en paralelo con otros 
compresores axiales, con la ventaja de que las 
presiones no deben hacer match de forma 
precisa, sin riesgo de bombeo u oscilaciones de 
carga.
� Los compresores axiales trabajan bien con 
compresores centrífugos en tandem, conectados 
en un arreglo en serie, cuando se requieren altas 
presiones de proceso, la forma
de la curva permite flexibilidad para 
acomodarse a los requerimientos del compresor 
centrífugo. 
• BLOQUEO (CHOKE)
• STONEWALL
• LÍNEA DE BOMBEO (SURGE LINE)
Límites de Operación (1/2)
• LÍNEA DE BOMBEO (SURGE LINE)
• LÍNEA DE INESTABILIDAD
• Inicio de bombeo
• Inicio de cualquier perturbación axi-
simétrica y periódica del flujo 
A mayor número de etapas y a mayor relación de compresión es menor
el rango operacional entre bombeo y bloqueo
Límites de Operación (2/2)
Bombeo o Surge (1/2)
� El ángulo de incidencia define el inicio del bombeo.
� Cuando el ángulo de incidencia excede el punto de 
desprendimiento, el álabe no permite el movimiento 
del gas.del gas.
� Como no puede ir hacia adelante va hacia atrás, 
oponiéndose al flujo que va entrando, 
produciéndose un choque.
� Incremento muy rápido y alto de la temperatura 
por recompresión del gas.
Bombeo o Surge (2/2)
01
01
_
_
_
_1
Ap
TCm
F
F
F
r
r
SM
p
in
workingin
surgein
surgep
workingp
•
=








×−= Línea de trabajo y Línea de Bombeo
Mecanismo de Inicio de Bombeo
BOMBEO O SURGEBOMBEO O SURGE
Desprendimiento (Stall)
� Se define como la 
separación del flujo de los 
álabes o sección de flujo 
bajo la acción de un 
gradiente adverso de 
presión.presión.
� Esto ocasiona que el cambio 
de área en la sección de 
flujo de los álabes de un 
compresor sea muy 
pequeña.
� Reduce el rango de 
operación estable de los 
compresores, al provocar el 
desprendimiento del fluido.
Desprendimiento (Stall)
Desprendimiento Rotativo 
(Rotating Stall)
Cuando un álabe en una cascada 
alcanza el punto de desprendimiento, los 
álabes es vez de alcanzar el 
desprendimiento juntos, lo hacen en 
diferentes configuraciones, que viajan a 
+ i
diferentes configuraciones, que viajan a 
través del anillo de flujo del compresor 
(rotan)
- i
SURGE
• Causada por una contra 
presión en el compresor 
que causa 
desprendimiento del flujo 
en el extrados (presión) y 
reverso del mismo
STALL
• Causada por el 
desprendimiento del flujo 
en el intrados del perfil 
(succión)
• Puede ser: estable, no 
estable, periódico o no-
ROTATING STALL
• Es cuando el fenómeno de 
stall (desprendimiento) no 
es estable en relación a 
localización
• Se produce un patrón de 
flujo circunferencial no 
Comparación entre Inestabilidades
reverso del mismo
• A lo largo de todo el 
compresor
• Se considera una 
inestabilidad del sistema
• El comportamiento es 
unidimensional por lo que 
todo el anillo es afectado 
simultáneamente
• Las frecuencias asociadas 
a surge son menores a las 
asociadas a rotating stall
estable, periódico o no-
periódico
flujo circunferencial no 
uniforme usualmente en la 
dirección de giro del 
rotor.
• En el anillo se encuentran 
una o más regiones de 
flujo desprendido 
llamadas “stall cells”
Comparación entre Inestabilidades
FENÓMENO EFECTO IMPACTO EN LOS 
ÁLABES
BOMBEO Separación súbita del 
flujo y contraflujo
Esfuerzo severo,
alternativo en las etapas 
frontalesEfecto de las Inestabilidades
frontales
DESPRENDIMIENTO 
ROTATIVO
Separación parcial del 
flujo, condiciones de 
operación estables
Vibración continua 
excitando las etapas
frontales
BLOQUEO Velocidad del sonido en 
la última etapa, 
condiciones de 
operación estables
Vibración no continua 
dependiendo del diseño
Campo de Aplicación
� Compresores de alta velocidad y 
gran caudal, pero son más pequeños
y eficientes que los compresores 
centrífugos.
� Mayor costo que un compresor 
centrífugo, pero al ser de mejor e
eficiencia, menor costo de operación.eficiencia, menor costo de operación.
�La relación de compresión es menor 
que en un centrífugo.
� Mayor cantidad de etapas que un 
Centrífugo.
� Rango de trabajo a partir de 
30.000 cfm hasta 300.000 cfm, existen 
unidades de hasta 1.000.000 cfm.
� Aplicaciones:
� Turbinas de gas aviación
� Turbinas de gas estacionarias
� Compresor de procesos
Algunas consideraciones de diseño 
(Stagger)
� Para valores fijos de R y Cx, 
la selección de los valores de 
α2 fijan un valor límite de α1.
� A mayores α2 el valor óptimo 
de φ disminuye, lo que implica 
altas velocidades de giro y 
álabes de baja curvatura.
� Para bajos valores de α2
� El punto de diseño es más 
cercano a la línea de surge
� Mayor flexibilidad para 
incrementar el flujo másico
� Se sacrifica eficiencia
álabes de baja curvatura.
� Curvas características más 
suaves.
� El flujo másico de diseño es 
mayor que el flujo másico de 
máximo rp lo cual lo aleja de 
la línea de bombeo.
� Menor número de etapas, 
pero incremento de la 
longitud de los álabes.