La pérdida de compresor, también llamada Stall o Surge (Parte I)
Entre los muchos fallos que podría generar un sistema tan complejo como el motor a reacción, se encuentra lo que se denomina la pérdida de compresor, conocida en inglés como "surge" o "compressor Stall". Este fenómeno puede tener importantes consecuencias de rendimiento tanto para el motor como para el avión, dependiendo de la severidad de este problema. Los efectos pueden ir desde una caída momentánea de la potencia a una pérdida total de la compresión. En general se pueden distinguir dos categorías: la pérdida de todo el compresor o la pérdida sufrida solo por unos cuantos álabes.
En su definición mas simplista, la perdida de compresor hace referencia a la interrupción del flujo de aire normal a través del motor a reacción. Cuando los álabes del compresor entran en pérdida, el aire que normalmente se ve forzado a ir hacia atrás no puede seguir su camino delante - detrás. Ahora se crea una situación de alta presión en en mitad del motor que a veces puede crear una explosión y hacer que el aire escape hacia adelante y hacia atrás de forma simultánea. Cuando esto ocurre usualmente se pueden ver llamaradas en ambas partes del motor, acompañadas de sonoras detonaciones. Esta reversión violenta del flujo normal de aire produce una pérdida instantánea de potencia en el motor. Al ocurrir esto el piloto también sentirá una sacudida o guiñada del avión en el sentido del motor que ha sufrido la pérdida de potencia. Además de todo esto el avión muestra una vibración característica, que es muy difícil de replicar en los simuladores.
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| El flujo normal de aire en un motor a reacción se puede ver en el motor de arriba. Cuando se produce una pérdida de compresor el aire puede dar la vuelta y salir por la parte delantera. |
Las causas de la pérdida de compresor son usualmente:
- Ingestión o impacto con algún ave
- Fallos internos del propio motor
- Fallos del sistema de sangrado del motor
- Cambios internos en la proximidad de las puntas de los álabes con la estructura.
La magnitud de los síntomas de este fallo no dependen de lo grande que pueda ser la detonación o de la cantidad de vibraciones que sienta el piloto, sino de la cantidad de revoluciones o la estabilidad del propio compresor. Normalmente, baja altitud y selecciones altas de potencia producen grandes detonaciones y vibraciones extremas con momentos de guiñada muy violentos. Las pérdidas de compresor asociadas a vuelos de gran altitud suelen ocurrir cuando se cambia la potencia del motor a la hora de adquirir un nivel de vuelo o cuando se inicia un cambio de este. En estos casos la detonación no es tan alta y la vibración no es tan extrema, pero suelen producir altas temperaturas EGT en el motor. Esto a veces requiere que se reduzca la potencia del motor. Algunas pérdidas de compresor se recobran solas sin intervención del piloto, otras deben de ser atendidas y generalmente requieren una reducción de potencia en el motor afectado. Las pérdidas de compresor más severas no se pueden recobrar. A veces es más conveniente seguir volando el avión y dejar que el motor se estabilice solo.
En los casos poco severos estas pérdidas se recobran solas y el piloto solo nota que la temperatura del motor se acerca o sobre pasa los límites. por ello en muchos casos estas pérdidas pueden pasar desapercibidas y ser catalogadas por la tripulación como un fallo de motor.
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| En los modernos aviones comerciales se tiende a evitar la pérdida del compresor gracias al conocido FADEC. Este sistema se encuentra conectado al FMS para que el cálculo de potencia en cada fase de vuelo sea automático. Al introducir la cantidad de pista disponible en el FMS, el FADEC puede calcular la potencia necesaria para el despegue. |
El FADEC es un sistema de control del motor completamente autónomo y totalmente digital. (Full Authorised Digital Engine Control). Esto significa que, a diferencia de las antiguas unidades de control del motor -ECU-, la regulación completa y el control del motor se efectúa automáticamente dentro del FADEC sin intervención de los pilotos. El FADEC viene a ser otra "caja negra" (ordenador de abordo) que suele ir montado en el motor o muy cerca de este (...e irónicamente suele ser de color gris tal cual se puede ver en la foto). Este computador se comunica con el resto de los sistemas por medio de un protocolo de comunicación que viaja a través de un bus de datos estandarizado para aviación, normalmente un ARINC 429 del que ya hemos hablado en este blog.
Para evitar las pérdidas de compresor, los FADEC monitorizan los parámetros básicos del motor, entre los más importantes se encuentran las RPM (revoluciones por minuto) y/o el EPR (Engine Pressure Ratio) que es la proporción de presión en la parte delantera y trasera del motor.
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| En esta ilustración se muestran los álabes del llamado Fan, que no es otra cosa que el primer escalón de compresión (compresión d baja) de un motor a reacción moderno. Se suele identificar con el nombre de N1 en el cockpit y la monitorización se efectúa a través de las revoluciones del eje.. En este caso es un CF34-8E5 que equipa a los EMBRAER E-Jet 170. |
La pérdida en detalle
Los álabes de un motor a reacción funcionan básicamente como las alas de un avión. Son superficies aerodinámicas que interactúan con el aire. Un ala puede entrar en pérdida y lo mismo puede sucederle a un álabe. En la ilustración inferior se puede ver uno de estos álabes y su forma característica. Son paletas pequeñas que tienen un retorcimiento similar al de pequeñas hélices. La raíz (root) suele ir encastrada en un disco que es movido por el eje. Como se puede ver, la punta de los álabes (blade tip) se asemeja mucho a un ala. Si cortamos el álabe en distintas partes de su longitud, podremos ver que el retorcimiento varía al igual que lo hace en la hélice.
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| Si cortamos el álabe transversalmente en tres puntos diferentes de su longitud, podremos ver que el llamado "stagger angle" (equivalente al ángulo de ataque de un ala), varía debido al retorcimiento (twisting). De esta manera la velocidad rotacional junto con el retorcimiento hacen que el flujo de aire sea compensado a lo largo de la longitud del álabe. Como se puede ver, la dirección de este flujo de aire es perpendicular a la dirección del álabe. |
El triángulo de velocidades en el álabe
En la ilustración inferior se puede ver un corte de un álabe en el que se aprecian los vectores y el ángulo de ataque. Como en cualquier superficie aerodinámica, de lo que se trata es de que el flujo de aire pase a través de esta superficie sin turbulencias. es lo que llamamos flujo laminar (laminar flow). La cuerda (chord) del álabe forma un ángulo de ataque con el viento relativo. Este viento relativo a su vez es función de la velocidad rotacional del eje (revoluciones por minuto del motor) y del flujo axial o aire que entra en el motor desde el difusor de entrada.
Tal como ocurre en cualquier ala de avión, si se excede el ángulo de ataque, la superficie entra en pérdida. Esto quiere decir que el flujo pasas de ser laminar a turbulento. Normalmente los álabes son fijos y no pueden cambiar el ángulo de retorcimiento, pero lo que si puede variar es las revoluciones por minuto del motor. Esto es lo que ocurre por ejemplo, cuando el piloto mueve la palanca de gases hacia adelante.
Imaginemos ahora el siguiente caso. Cuando estamos esperando para despegar, el avión se encuentra quieto o con muy poco movimiento. En este caso la ingestión de aire en el difusor de entrada del motor tiene la misma velocidad (axial velocity). Si empujamos la palanca de gases hacia adelante hasta el máximo para el despegue, el motor se acelera. Las RPM incrementan y como el flujo axial en los primeros momentos es más o menos el mismo, se produce un triangulo de velocidades diferente que sda lugar a un excesivo ángulo e ataque y por lo tanto a una pérdida o flujo turbulento en el álabe. Ver diagrama debajo.
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| Dos casos diferentes: a la izquierda el motor está al ralentí. El ángulo de ataque con respecto al flujo relativo es el correcto. A la derecha hemos avanzado la palanca de gases (aumenta el vector RPM) y el flujo axial es el mismo. El resultado es un excesivo ángulo de ataque con respecto al flujo relativo. Se produce una pérdida en el ciompresor. |
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Hola, buen articulo. Quisiera que alguien me saque de una duda.
ResponderEliminarEntiendo que los alabes móviles de los motores a reacción conocidos como VSV y las válvulas de sangrado de aire del compresor (BV) actúan de acuerdo al flujo másico de aire entrando al compresor. Me explico, dependiendo la densidad del aire, es que la EEC o ECU calcula la cantidad de combustible a utilizar en la combustión y la cantidad de aire que se requiere, y para llevar a cabo este medida de aire la EEC abre o cierra las VSV y las válvulas de sangras (BV).
Lo que no me explico y quisiera que alguien me de una respuesta. es como la EEC calcula la densidad del aire en cada instante?. entiendo que realiza ese calculo a través de los sensores de presión y temperatura del motor (P2/T2). Pero con que formula matemática realiza ese calculo. Sera a través de la formula de los gases ideales PV=nRT? y si es así. como determina la humedad relativa que pueda estar presente.
Gracias y si algún iluminado me ayuda se lo agradeceré mucho.
Hola estimado lector. Te pongo, por si fuera de alguna ayuda, lo que dice Valentín Sáinz Díez en su famoso libro El motor de reacción y sus sistemas auxiliares:
Eliminar"El control de empuje de un reactor se efectúa regulando la cantidad de combustible inyectado dentro de las cámaras. Cuando se requiere un empuje elevado, se adelantan las palancas de gases (THROTTLES) y la presión en las cámaras aumenta debido a un mayor flujo de combustible. La consecuencia es un aumento en la corriente de gas y, en definitiva de la velocidad a traves de la turbina, la cual se encargara de aumentar las r.p.m. del compresor, incrementando el flujo de aire y produciendo un aumento de empuje.
Esta relación entre el flujo de aire a través del motor y el combustible suministrado, se complica por cambios de altitud, temperatura de aire y velocidad del avión. Estos cambios varían la densidad del aire de entrada al motor y, consecuentemente, la masa de aire que lo atraviesa.
En los motores de doble compresor el aumento de empuje que experimentan en días fríos, se hace a expensas de empuje en los días de mayor temperatura, en los que se reduce el empuje del motor. Para disponer del máximo empuje posible en los días calurosos, es necesario regular la temperatura de entrada en turbinas (T5) dentro de una gama de valores y con independencia de las revoluciones y cargas del motor, (Efecto de la temperatura en el empuje).
Por tanto, la misión principal del control de combustible es dosificar, medir y enviar a los inyectores el combustible adecuado en cada condición.
La unidad de computación recibe una serie de parámetros fijos. Los más importantes son: temperatura total de entrada al compresor (T2), r.p.m. del compresor de alta (N2 ) y presión de entrada a las cámaras de combustión (P4 ). Estas variables, junto con otras secundarias como pueden ser: temperatura de combustible, relación de flujo de combustible, presión de descarga del compresor, etc., variarán la magnitud del empuje para un flujo de combustible dado.
El empuje del motor de reacción puede variar enormemente con la densidad del aire de entrada al motor. En condiciones estáticas, la densidad del aire es función de la presión barométrica (altitud) y temperatura ambiente (O.A.T.). Además de estos parámetros, en vuelo, el empuje se ve afectado por la velocidad del aire de impacto (ram). La densidad del aire es función de la temperatura total de entrada (T2 ). Para una posición fija del mando de gases, el control de combustible compensa automáticamente las variaciones de densidad de aire y temperatura de entrada, enviando el flujo de combustible a las cámaras, de acuerdo con la demanda de r.p.m. del motor.
Las presiones fundamentales a medir en el motor de reacción, son: Presión total de aire de impacto en la entrada (Pt2 ), Presión total de gases en la descarga (Pt7) y Presión de descarga del compresor (Pt4)."
Como ves no se hace referencia a ningún sensor medidor de humedad, es más, en algún punto del libro se habla de la inyección de agua para aumemtar el empuje. Esto se hacía antiguamente para enfriar el aire en el compresor. A veces era una mezcla de agua-metanol. En el mismo libro se dice en varias partes que "Las condiciones que afectan al peso de un volumen de aire dado, son presión temperatura y, en menor importancia, la humedad." Efectivamente, un aumento de humedad causará un menor empuje porque la densidad del aire es algo menor, pero el calculo exacto solo se realiza cuando se quiera tener en cuenta específicamente este efecto y no en la operación normal del motor (que va sobrado).
EliminarTe cuento más: en nuestro novísimo avión P&W1500 que montan nuestros flamantes CSeries (A220), el manual técnico dice sobre los sensores y el cálculo de combustible:
"The fuel scheduling and limit protection is based on the following
sensors:
• N1 speed
• N2 speed
• Ambient air pressure (Pamb)
• Inlet air temperature (T2)
• Inlet pressure (P2)
• Burner pressure (Pb)
• Exhaust gas temperature (EGT)"
...nada relacionado con la humedad. Espero que haya sido de alguna ayuda.
Un cordial saludo
Manolo
Saludos amigo buenos días... es posible que pérdidas de compresor consecutivas afecten estructuralmente a los álabes??.. en lenguaje coloquial, los llamados Stall o Stoleos del motor pueden doblar un álabe??
ResponderEliminarHola querido lector, muchas gracias por tu comentario. Es un tema interesante.
EliminarEl stall por si mismo no debería representar un serio problema si la dirección del flujo sigue la dirección correcta. Recordemos que un stall es una pérdida al igual que ocurre en las alas del avión. Esto es, el aire se desprende del álabe.
Ello por si solo no es un gran problema. Pero si el stall da lugar a que se cree una gran presión dentro de la cámara de combustión, es posible que el flujo se invierta dando lugar a una explosión con una llamarada amarilla. Esto es lo que se conoce como surge.
En ese caso lo que comentas es perfectamente posible. El motor se puede dañar. En cualquier caso el motor debe ser revisado precisamente para descartar que exista algún daño.
Un cordial saludo
Manolo
hola , podrías comentar los principales motivos por el que se generaban compessor stall en el TF 30 del F14 A?
ResponderEliminarmuchísimas gracias. excelente blog.
Cuando el F-14 Tomcat entró en servicio por primera vez, estaba propulsado por un par de motores Pratt & Whitney TF30 que en realidad habían sido diseñados para el F-111B. La idea era que la Marina pudiese operar un avión similar. Recuérdese que hubo un intento infructuoso de navalizar el F-111. También se pensó en la idea de compartir sistemas y por ello se decidió dotar a los F-14 con el TF30. En el F-111 estos motores iban bien, pero el F-111 era más un bombardero polivalente que un caza y eso marcaba la diferencia.
EliminarAunque los TF30 eran potentes (se dijo que no lo suficientemente potentes para un caza como el F-14), también es cierto que eran increíblemente problemáticos, y se le atribuyen varios accidentes. Se dice que unos 40 Tomcat a lo largo de los años se perdieron por problemas con estos motores. Más adelante los motores TF30 fueron reemplazados por los más fiables General Electric F110-GE-400 que, además de dar más empuje, resolvieron efectivamente todos los problemas del TF30, pero muchos F-14 todavía continuaron utilizando los motores antiguos hasta bien entrada la década de 2000.
Muchos aerotrastornados consideran al F-14 Tomcat como un icono. Para muchos aficionados es su avión favorito y no encuentran una explicación lógica a su poca vida operativa cuando la comparan con la longevidad del F-15 y el F-16.
La verdad es que el F-14 Tomcat era un avión de combate muy avanzado que fue diseñado específicamente para un escenario bélico basado en un conflicto nuclear. Mirando la historia de este aparato (…y del mundo) con cierta perspectiva, es cuando podemos ver el papel que jugó el diseño en este maravilloso y enorme super-caza naval. La Marina quería un avión de combate con una relación empuje-peso (en configuración limpia) de 1 o mejor (la Fuerza Aérea de los EE. UU. tenía los mismos objetivos para el F-15 Eagle y el F-16 Fighting Falcon). La relación empuje-peso del F-14A era similar a la del F-4 Phantom II; sin embargo, el nuevo diseño de fuselaje y ala proporcionaban una mayor sustentación y un mejor perfil de ascenso que el F-4. No se consiguió el mismo resultado que en los F-15, pero aun así, el aparato era tan bueno que se llevaron a cabo complejos planes para actualizar el F-14 y que pudiera seguir operativo en el siglo XXI, pero estos planes nunca llegaron a buen término.
Los motores TF30 y el Tomcat
EliminarSe llegó a decir que el Tomcat era “un precioso avión propulsado por dos pedazos de chatarras”. Quizás la frase es un poco fuerte, pero la realidad es que pronto se descubrió que el TF30 no se adaptaba bien a las demandas del combate aéreo y era propenso a que el compresor entrara en pérdida con altos ángulos de ataque (AOA) si el piloto movía rápida y agresivamente las palancas. Existía un problema muy grave con eso. Debido a que las góndolas del motor se encontraban muy separadas (para aumentar la sustentación y llevar más armamento), las pérdidas del compresor en un AOA alto eran especialmente peligrosas porque tendían a producir un empuje asimétrico que podía inducir en el Tomcat una espiral invertida o una barrena plana, muy difícil de recuperar.
¿Por qué no ocurría lo mismo en el F-111?
Los F-111 de la USAF y la RAAF operaban de forma diferente. El F-111, aunque técnicamente designado como un "caza", en realidad se utilizó como avión de ataque al suelo y bombardero táctico. Una misión típica de ataque a tierra se caracteriza por cambios menos abruptos en la aceleración, el ángulo de ataque y la altitud que una misión de combate aire-aire. Si bien el bombardeo y el ataque a tierra pueden necesitar en ocasiones maniobras duras y violentas para evitar los misiles y aviones enemigos, estas maniobras generalmente no son tan extremas y violentas como las requeridas en el combate aire-aire. Hay que tener en cuenta también que el F-111 es un avión más grande y menos maniobrable. El F-111B pesaba casi 40 toneladas. Los bombarderos necesitan motores potentes para transportar sus cargas útiles a velocidades de combate, pero también tienen envolventes de vuelo muy diferentes a las de los cazas.
En el F-14 se decía que “desde el principio, se enseña a los pilotos a volar el motor antes que volar el avión”, según declaraciones del capitán Lee Tillotson, coordinador del programa F14 de la Marina, al Washington Post en 1984. “El piloto tiene que estar muy pendiente de lo que hace con las palancas de gases en todo momento”.