Capítulo 15.4 – Compressores

1. Capítulo 15.4 – Compressores Compressores Capítulo 15.4 Elaborado por João Baleizão

2. Motor da família CFM56

3. Admissão de ar e Fan • IGV’s: • - Servem para dirigir o ar da conduta de admissão para a parte da frente do compressor. • Podem ser ocas para permitir a passagem de tubos de lubrificação dos rolamentos ou fazer o sistema de anti-ice.

4. Fan & Booster (LPC)

5. Fan & Booster (LPC) • Fan: • Em motores de compressor axial duplo, a Fan compõe o 1º andar do LPC. • Fan pode ser accionada por uma turbina livre (caso de turbo-fan com três veios) • Vantagens na colocação da Fan à frente: estar numa zona fria e permitir a utilização de uma conduta de admissão de ar convencional. • Reduz os danos por FOD, impedindo que entrem para o caudal primário.

6. Fan & Booster (LPC) • Fan: • As Fan Blades são maiores que as blades dos primeiros andares do compressor no fluxo primário. • Pode haver mais que um andar de Fan (rotor + stator). • Nas Fan Blades passa o fluxo primário e secundário, sem haver distinção.

7. Compressores • A função dos compressores é: • Comprimir o ar. • Comprimindo o ar, tem-se uma combustão mais eficiente e de onde se pode extrair mais energia e potência dos gases de escape. • Energia da combustão é proporcional à massa de ar consumida. Assim, queremos obter sempre pressões superiores à atmosférica (maior quantidade de ar para o mesmo volume, logo maior impulso). • Tipos de compressores: • Centrífugos: mais antigos, robustos, pouco eficientes e atingem taxas de compressão baixas que os axiais. • Axiais: mais recentes e bastante eficientes, capazes de atingir elevadas taxas de compressão e capazes de comprimir elevadas massas de ar.

8. Compressores centrífugos • Ar admitido junto ao cubo e obrigado a rodar através do impeller (rotor). • Ar conduzido pelo impeller para a periferia (aumento da velocidade por elevado rpm), aumentando a pressão devido à redução da secção. • Ar deixa o impeller a grande velocidade, passa pelo diffuser, reduzindo a velocidade e aumentando a pressão e temperatura (princípio das condutas subsónicas). • Ar direccionado para a conduta de saída, o colector.

9. Compressores centrífugos

10. Compressores centrífugos • Compressores axiais apresentam maior eficiência e maiores taxas de compressão que os centrífugos. • Compressores centrífugos com dois andares são montados no mesmo veio.

11. Compressores axiais • Compressores axiais: • Fluxo do ar com a direcção do eixo do motor. • Atravessa vários andares de pás móveis (rotor – blades) e fixas (stator – vanes). • Secção da passagem do ar vai diminuindo gradualmente. • Permitem elevadas compressões a grandes massas de ar através de uma secção de diâmetro reduzido.

12. Compressores axiais

13. Compressores axiais

14. Compressores axiais

15. Compressores axiais • Compressores axiais: • Cada andar de compressor é constituído por um conjunto de pás móveis (rotor) e pelo conjunto de pás fixas seguintes (stator). • As taxas de compressão por andar designam o aumento da pressão de um andar para o andar seguinte. • A taxa de compressão total de um compressor define o aumento de pressão da entrada no primeiro andar até à saída do último andar. Exemplo: Taxa de compressão por andar = 1.25 Pressão no andar i = 17.8 psi Pressão no andar i+1 = ?

16. Compressores axiais (LPC + HPC) Low Pressure Compressor High Pressure Compressor (apenas rotor) O LPC roda à velocidade N1, o HPC roda a N2. As duas velocidades são independentes embora mantenham uma relação por forma a não haver desequilíbrios do compressor. Diz-se usualmente que o LPC roda ao N1 que considerar o melhor para a sua operação (de acordo com o impulso a obter).

17. Triângulos de velocidade nos compressores axiais • Para um observador em terra: • A neve cai verticalmente e o carro desloca-se horizontalmente. • Para um observador no carro: • - A neve cai obliquamente (resultante do movimento vertical da neve e do movimento horizontal do carro).

18. Triângulos de velocidade nos compressores axiais As primeiras pás fixas (vanes), chamadas IGV’s (Inlet Guide Vanes) destinam-se a mudar a direcção do fluxo do ar orientando-o de forma adequada com o ângulo de ataque desejado em relação às pás móveis (blades). As IGV’s têm as faces paralelas e não alteram a sua secção entre a entrada (bordo de ataque – leading edge) e a saída (bordo de fuga – trailing edge) Convém relembrar que, quando o motor está em funcionamento, as blades têm velocidade de rotação elevada.

19. Triângulos de velocidade nos compressores axiais

20. Triângulos de velocidade nos compressores axiais

21. Triângulos de velocidade nos compressores axiais

22. Ângulos de ataque Se RPM (N1 e/ou N2) é constante, Wa varia se a pressão total de entrada ou a temperatura do ar variarem (altitude). GRANDE ÂNGULO DE ATAQUE Wa pequeno + Velocidade entrada pequena = Grande ângulo de ataque PEQUENO ÂNGULO DE ATAQUE Wa grande + Velocidade entrada elevada = Pequeno ângulo de ataque

23. Zonas de funcionamento estável (Working line) Zona de pequenos débitos (Stall) • CONDIÇÕES DE MAU FUNCIONAMENTO DO COMPRESSOR • Baixa velocidade do avião • Grande ângulo de ataque do avião • RPM elevado • Altitude elevada • Gelo na entrada de ar • Perda (Stall) e Bombagem (Surge)

24. Baixa velocidade do avião O vector B diminui, sem haver alteração de RPM, a resultante C ficará com orientação correspondente a um ângulo de ataque maior das pás móveis (blades). Há um valor de B para o qual as pás entram em perda (zona esquerda do gráfico pois Wa é proporcional ao vector B).

25. Grande ângulo de ataque do avião Irregular distribuição de pressões, o que implica uma diminuição de débito na zona do compressor correspondente aos turbilhões. Diminuição de Wa dirige o funcionamento para a esquerda do gráfico.

26. RPM elevado Aumentando Y sem aumentar B, leva-nos para a zona esquerda do gráfico de funcionamento, gerando situações de instabilidade. Pode acontecer quando há uma variação súbita do throttle para aumentar RPM. Aumento de RPM com Wa constante, indica deslocamento para a zona esquerda do gráfico.

27. Altitude elevada A densidade do ar baixa, logo Wa diminui e o fenómeno anterior repete-se. A altitudes elevadas, a viscosidade do ar altera-se (n.º de Reynolds) e o comportamento aerodinâmico das pás piora, devido à menor estabilidade da camada limite.

28. Gelo na entrada de ar Gelo nos bordos de ataque da capotagem ou nas IGV’s faz com que a secção livre se reduza, reduzindo o fluxo de ar e instabilizando-o através de turbilhões.

29. Perda (Stall) e Bombagem (Surge) • STALL: • Provoca vibrações devido ao desequilíbrio de forças nas pás. • Baixa o rendimento do compressor devido às perdas de energia no turbilhões e vibrações. • Redução do trabalho útil, implicando a redução do impulso. • Provoca o fenómeno de bombagem (surge). • SURGE: É a inversão momentânea e cíclica (100 ciclos/segundo) do sentido do fluxo do ar. • Pode provocar a extinção da chama (flame-out).

30. Dispositivos que evitam a bombagem - IGV’s (Inlet Guide Vanes) variáveis e VSV’s (Variable Stator Vanes) - VBV’s (Variable Bleed Valves) - Sistema anti-gelo - Controlo de combustível (fuel control)

31. Difusor do compressor À saída do compressor, o ar mantém a velocidade mas apresenta pressão e temperatura mais elevadas, quando comparando com a entrada do mesmo compressor. Caso fosse mantida a velocidade que se tem na saída do compressor, poder-se-ia apagar a chama. Assim sendo, é necessário reduzir a velocidade por forma a manter a estabilidade da chama, tal como transformar o movimento do fluxo de helicoidal em rectilíneo. Para isso, é utilizado um difusor (redução da velocidade e aumento da pressão estática, pressão total mantém-se).