lunes, 22 de febrero de 2016

La pérdida de compresor, también llamada Stall o Surge (Parte I)

Entre los muchos fallos que podría generar un sistema 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 tiene importantes consecuencias de rendimiento tanto para el motor, como para el avión.

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.

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 con 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 violentas. 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.


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. 


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.

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.

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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