COMPRESOR CENTRIFUGO Y AXIAL

1. COMPRESOR CENTRIFUGO;

•Los compresores centrífugos, también llamados compresores radiales, son un tipo especial detur maquinaria que incluye bombas, ventiladores, o compresores.

•Los modelos más primitivos de este tipo de máquina eran bombas y ventiladores. Lo que diferencia a estos de los compresores es que el fluido de trabajo puede ser considerado incompresible, permitiendo así un análisis preciso a través de la ecuación de Bernouilli. Por contra, cualquier compresor moderno se mueve a altas velocidades por lo que su análisis debe asumirse un fluido compresible.

•fluido a base de comunicarle energía cinética-energía/velocidad con el rotor. Esta energía cinética se transforma en un incremento de presión estática cuando el fluido pasa por un difusor.

     BASE DE FUNCIONAMIENTO:

•El compresor centrífugo se fundamenta esencialmente en una o varias ruedas impulsoras, montadas sobre una flecha (eje) de acero y encerradas en una cubierta de hierro fundido. El número de impulsores (turbinas) que se puede ensamblar depende principalmente de la magnitud de la presión que queremos desarrollar durante el proceso de compresión.

•Las ruedas impulsoras rotativas son esencialmente las únicas partes móviles del compresor centrífugo y por tanto la fuente de toda la energía impartida al vapor durante el proceso de compresión.

•La acción del impulsor es tal, que tanto la columna estática como la velocidad del vapor, aumentan por la energía que se imparte al mismo.

•La fuerza centrífuga aplicada al vapor confinado entre los álabes del impulsor y que gira con los mismos, origina la autocomprensión del vapor en forma similar a la que se presenta con la fuerza de gravedad, que hace que las capas superiores de una columna de gas compriman a las inferiores.

 FUNCIONAMIENTO:

•Un compresor centrífugo es una turbo máquina de alta velocidad rotacional que consta de dos partes fundamentales, una es el impulsor o rotor giratorio y otra parte es la carcasa o estator.

•El impulsor gira a alta velocidad y puede estar impulsado por una turbina o un motor eléctrico.

•Al girar éste causa un vacío en la entrada de los álabes lo que provoca una succión del fluido que se encuentre en su entorno, aumentando la velocidad de éste a través de pasaje entre álabes y permitiendo que la fuerza centrífuga someta a la acción radial las partículas de fluido con la finalidad de generar un aumento en la energía de presión a la salida del impulsor, este efecto se puede observar en la figura:

•Entre el estator y el rotor del impulsor existe un espacio, llamado espacio muerto. Por otro lado el estator o carcasa aloja un conducto divergente en espiral y en forma de difusor denominado apropiadamente difusor.

•Al salir el fluido de la punta del impulsor a gran velocidad pose gran energía cinética pero cuando cae al espacio muerto esa energía cinética se convierte en energía de presión antes de que el fluido hiciera contacto con el difusor en la carcasa, logrando de esta manera un aumento en la relación del compresor, siguiendo aumentando conforme el fluido se desplaza a través de la voluta del compresor.

 IMPULSOR

•En la figura se ha retirado la voluta del impulsor quedando al descubierto tanto la succión del compresor como los pasajes entre álabes del impulsor. Como el impulsor va a estar girando a alta velocidad, los álabes guiarán el aire hasta la descarga generando el proceso de aumento de energía en el fluido antes mencionado.

• A continuación en la figura se presenta un dibujo isométrico donde se indica la sección transversal de un compresor centrífugo, además se presenta la forma teórica en la cual se considera que se desliza el flujo de aire a través del pasaje del álabe. El flujo se desliza a través de una superficie hipotética S1 que es una superficie perpendicular a los álabes

• En la figura se representa la forma teórica en la cual se desliza el flujo sobre una superficie S2 que es una superficie paralela a los álabes del compresor. Es muy importante considerar las dos superficies S1 y S2 debido a que las dos superficies en su conjunto definen el flujo real que es de carácter tridimensional, es decir los flujos sobre S1 y S2 son de carácter bidimensional mientras que la combinación de las dos superficies producen el efecto tridimensional.

VENTAJAS DE UN COMPRESOR CENTRIFUGO:

• .Cuando se tiene de 2000 a 200,000 ft/ min. Según sea la relación de presión, el compresor es más económico, porque se puede instalar una sola unidad.
• Ofrece una variación bastante amplia en el flujo con un pequeño cambio en la carga.
•  La ausencia de piezas rozantes permite trabajar más tiempo entre los intervalos de mantenimiento.
• .Cuando el terreno es costoso, se pueden obtener mayores volúmenes en un lugar pequeño. Cuando se genera vapor en el proceso, será adecuado para moverlo una turbina de vapor de conexión directa. 

DESVENTAJAS

• Los compresores centrífugos son sensibles al peso molecular del gas que se comprime. ( Los cambios en el peso molecular pueden hacer que las presiones de descarga sean altas o bajas).
• Se requieren velocidades muy altas, por lo tanto hay que tener cuidado de balancear muy bien los rotores y con los materiales empleados en las componentes.
• Un aumento en la caída de presión en el sistema puede ocasionar reducción en el volumen del compresor.
• Se requieren sistemas para aceite lubricante y aceite para sellos

OPERACIÓN

La compresión se realiza con diversos propósitos entre los cuales están los siguientes:

• Transmisión de Potencia.
• Alimentación de un proceso de combustión.
• Transporte y distribución de gas.
• Hacer circular un gas a través de un proceso o sistema.
• Obtención de condiciones más favorables en una reacción química.
• Obtención y mantenimiento de niveles de presión reducidos mediante la remoción de gases del sistema.

MÉTODOS DE COMPRESIÓN

Desplazamiento positivo (flujo intermitente)

Atrapar cantidades consecutivas de gas en una cámara gas, reducir el volumen (incrementando así la presión) y empujar luego el gas comprimido fuera de la cámara .

Atrapar cantidades consecutivas de gas en un espacio cerrado, trasladarlo sin cambio de volumen a la descarga de un sistema de alta presión, comprimir el gas por contra flujo del sistema de descarga y finalmente empujar el gas comprimido fuera de la cámara.

Compresores Dinámicos (Flujo continuo)

Comprimir el gas por la acción mecánica de un impulsor o rotor con paletas en rápida rotación, el cual imparte velocidad y presión al gas que está fluyendo (la velocidad se convierte en presión en difusores estacionarios o paletas).

Eyectores (Flujo continuo)

Utilizar un chorro de gas o vapor que arrastre el gas a comprimir para luego convertir la alta velocidad de la mezcla en presión en un difusor localizado  corriente abajo. Los Eyectores normalmente operan con una presión de admisión inferior a la atmosférica.

2  . COMPRESOR AXIAL

•      El compresor axial fue utilizado en alguna de las primeras turbinas, pero debido a los pocos conocimientos de aerodinámica de la época, dio como resultado compresores con rendimientos muy bajos. Hoy en día, gracias a su alto rendimiento y facilidad de acoplamiento es el más utilizado en aviación.
•       Los compresores axiales están formados por varios discos llamados rotores y estatores que llevan acoplados una serie de álabes. Entre rotor y rotor se coloca un espaciador, el cual permite que se introduzca un estator entre ambos. 
•       Estos espaciadores pueden ser independientes o pertenecer al rotor. Cada disco de rotor y estator forman un escalón de compresor. En el rotor se acelera la corriente fluida para que en el estator se vuelva a frenar, convirtiendo la energía cinética en presión.
•         Este proceso se repite en cada escalón. En algunos compresores se colocan en el cárter de entrada unos álabes guía, los cuales no forman parte del compresor, pues solo orientan la corriente para que entre con el ángulo adecuado.
•        Los primeros compresores axiales utilizados fueron turbinas turbinas con sentido sentido de giro inverso inverso…
•         Ofrecía eficiencias menores a 40% para máquinas de gran relación de compresión.La razón de esta baja eficiencia es lo que hoy se conoce como Stall. Para entonces, los compresores centrífugos poseían una eficiencia del 80-90%. 
•         Luego de los estudios y pruebas de A. A. Griffit (1926) en compresores axiales… Se alcanzaron eficiencias cercanas a 90% para bajas relaciones de compresión.

• Al acelerar bruscamente un flujo como es el caso de las turbinas axiales existe una pequeña variación en la presión de estancamiento.
• No ocurre lo mismo para el caso de una desaceleración brusca, ya que existirá un fuerte desprendimiento que se traducirá en grandes pérdidas de energía.
• Por esta razón à limitaciones para los compresores axiales como etapas de baja relación de compresión  para lograr un gran rendimiento.
• Compresor axial à máquina que necesita gran número de etapas para poseer gran eficiencia

       ETAPA DE UN COMPRESOR AXIAL

          

•Primero, debemos saber que : La etapa de un compresor está compuesta por un estator y un rotor.

1.Entrada al rotor.

2.Salida del rotor y entrada al estator.

3.Salida del estator.

        La etapa de un compresor está compuesta por una rejilla de álabes en el rotor seguida por una rejilla de álabes en el estator y el fluido de trabajo pasa a través de éstas sin cambios significativos en el radio (distancia entre la base y la punta del álabe). En compresores es usual el empleo de múltiples etapas para desarrollar altas relaciones de presión.

      

1.IGV → Inducen rotación en la primera etapa.

2.Conjunto rotor-estator.

3.Contracción de área para mantener velocidad meridional ya que el gas aumenta su densidad durante la compresión.

4.Radio medio Constante.

     DIFUSIÓN

     •La difusión es un proceso crítico, que debe ser bien estudiado para recuperar la presión de forma óptima.

•    Proceso dinámico donde el fluido es desacelerado. 

        PREMISAS EN EL ESTUDIO DE UN COMPRESOR AXIAL

      

•         La velocidad en la dirección radial  es igual a cero.
•         Se estudian en el plano medio del álabe (representativo de la etapa
•          Si la relación de envergadura respecto a la cuerda no es grande.       
•          Flujo en régimen permanente, “incompresible”, infinito número de álabes 
•           La velocidad axial Cx permanece constante en el paso de una etapa a otra. 
•          Etapa Normal 

         FACTOR DE FLUJO Y FACTOR DE CARGA

             

        En una etapa:

• El factor de flujo representa la cantidad de fluido de trabajo que la etapa puede manejar.

• El factor de carga representa la cantidad de trabajo transferido y está fuertemente asociado con la deflexión. Las turbinas pueden trabajar eficientemente con grandes deflexiones, mientras que si la deflexión es muy grande en un compresor se produce desprendimiento y la eficiencia cae.

 La elección de estos parámetros forma parte del diseño, pero ya que están relacionados con los triángulos de velocidad, varían con el régimen de operación.

       

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