Turbomaquinas Térmicas: Compresores Axiales

Una de las turbomáquinas térmicas mas utilizadas es el compresor. Un compresor es una máquina de fluido que está construida para aumentar la presión y desplazar cierto tipo de fluidos llamados compresibles, tal como lo son los gases y los vapores. Esto se realiza a través de un intercambio de energía entre la máquina y el fluido en el cual el trabajo ejercido por el compresor es transferido a la sustancia que pasa por él convirtiéndose en energía de flujo, aumentando su presión y energía cinética impulsándola a fluir. En este caso desarrollaremos el compresor del tipo axial, en donde al flujo va en dirección axial o paralela al eje de rotación.

El desarrollo del compresor axial se impulsó a partir de 1926, gracias a la teoría del perfil aerodinámico expuesta por A.A. Griffith, lo que permitió pasar de los modestos rendimientos que tenían estos compresores en relación a los centrífugos (apenas alcanzaban el 55%) a rendimientos más parecidos a los actuales, superando ya entonces el70-80%. Hoy se sobrepasa con facilidad el 85%.

(13 June 1893 – 13 Oct 1963)

Alan Arnold Griffith

En los compresores de este tipo la corriente de aire fluye en dirección axial, a través de una serie de álabes móviles situados en el rotor y de otros fijos situados en la carcasa o estator, concéntricos todos ellos al eje de rotación. A diferencia de la turbina, que también emplea álabes fijos y móviles, el recorrido de la corriente de un compresor axial va disminuyendo de área de su sección transversal, en la dirección de la corriente en proporción a la reducción de volumen del aire según progresa la compresión de escalón a escalón.

El aire al salir del compresor pasa a través de un difusor que lo prepara para entrar a la cámara de combustión.

El funcionamiento del compresor de flujo axial: alabes del rotor y álabes del estator

El compresor de flujo axial consta de múltiples rotores a los que están fijados los álabes cuyo perfil es aerodinámico. El rotor gira accionado por la turbina, de manera que el aire es aspirado continuamente hacia el compresor, dónde es acelerado por los álabes rotativos y barrido hacia la hilera adyacente del álabes del estator.

Este movimiento, por tratarse los álabes de perfiles aerodinámicos, crea una baja presión en el lado convexo (extrados o lado de succión) y una zona de alta presión en el lado cóncavo (intrados o lado de presión). El aire, al pasar por los álabes, sufre un aumento de velocidad sobre la parte convexa inicial del perfil, para reducirse luego cuando prosigue el movimiento hacia el borde de salida. Ocurre por lo tanto un proceso de difusión. Este proceso se desarrolla a lo largo de todas las etapas que componen el compresor.

La elevación de presión del flujo de aire se debe a este proceso de difusión, que tiene lugar en los pasajes de los álabes del rotor y en un proceso similar realizado en los álabes del estator. El estator sirve además para corregir la deflexión dada al aire por los álabes del rotor y para que el aire pueda presentar el aire con el ángulo correcto a la siguiente etapa, hacia la próxima etapa de los álabes del rotor. La última hilera de los álabes del estator actúan como “enderezadores del aire” a fin de limitar la turbulencia de manera que el aire ingrese al sistema de combustión a una velocidad axial suficientemente uniforme.

A través de cada etapa el aumento de presión es muy pequeño, entre 1:1,15 y 1:1,35. La razón que motiva tan pequeño aumento de presión es que si se desea evitar el desprendimiento de la capa límite y la consiguiente entrada en pérdida aerodinámica de los álabes, el régimen de difusión y el ángulo de incidencia deben mantenerse dentro de ciertos límites. La pequeña elevación de presión en cada etapa, junto con la trayectoria uniforme del flujo de aire, contribuye a lograr la alta eficiencia del compresor axial.