Compressores de fluxo axial: o princípio da operação

Objetivo

Obter base conceitual sobre máquinas térmicas e processos que envolvam sistemas térmicos.

Compressores de fluxo axial: princípio de funcionamento

Tanto os compressores quanto as turbinas de fluxo axial se caracterizam por possuir discos com palhetas no seu entorno. A carcaça que cobre estes discos também possui palhetas, fixas, no caso. Cada par de jogos de palhetas fixas e móveis constitui um estágio.

As palhetas móveis têm por missão acelerar o gás, as palhetas fixas reduzem a velocidade do gás e aumentam a pressão do mesmo.

As turbinas trabalham em forma exatamente oposta aos compressores, a energia associada à pressão do gás é transformada em energia cinética nas palhetas estacionárias. O gás a alta velocidade entra nas palhetas móveis, onde a energia cinética é transformada em trabalho mecânico (”trabalho de eixo”).

É visível a importância que têm um aprimorado projeto aerodinâmico do perfil das palhetas, sendo que este projeto deverá levar em contas as características do escoamento compressível vistas naaula anterior.

Ao fazer o diagrama de velocidades será necessário levar em conta esta dupla passagem em cada um dos estágios do compressor.

A equação de transferência de energia em compressores deve levar em conta o efeito da

dupla linha de palhetas, como indicado no desenho.

V1,V2 e V3 indicam a velocidade absoluta dos gases em cada ponto.

U indica a velocidade tangencial das palhetas.

W1 e W2 são as velocidades relativas do gás em relação às palhetas, nos diferentes

pontos.

Vax1 e Vax2 são as velocidades absolutas do gás na direção do eixo do compressor.

O ar se aproxima do rotor com uma velocidade V1 e um ângulo alfa1. Combinando

vetorialmente V1 e a velocidade tangencial das palhetas, U, se obtém a velocidade

relativa do gás em relação às palhetas, W1. Por sua vez, W1 faz um ângulo beta1 com a

direção axial.

Depois de passar através do rotor, a velocidade do ar é incrementada de V1 para V2, o

gás deixa o rotor com uma velocidade relativa W2, num ângulo beta2, este ângulo é

determinado pelo ângulo da palheta.

Assumindo que o projeto seja feito de tal modo que a velocidade axial seja mantida

constante, Vax1=Vax2, o valor de V2 pode ser obtido.

Condições usuais de projeto são que V1 é aproximadamente igual a V3 e que alfa3 é

aproximadamente igual a alfa1, de tal modo que o gás fica pronto para entrar no estágio

seguinte em condições similares ao anterior.

U - velocidade tangencial do rotor.

V1,V2 e V3 - velocidade absolutas do gás em cada ponto.

Vax - componente da velocidade absoluta do gás na direção do eixo, que foi suposta constante.

Alfa1 e alfa2 - ângulos das velocidades absolutas do gás com a direção do eixo.

Beta1 e Beta2 - ângulos das velocidades relativas do gás com a direção do eixo.

Vt1, Vt2 - componentes tangenciais das velocidades absolutas do gás nesses pontos.

Ômega - velocidade de rotação do eixo.

Como pode observar-se a potência do compressor pode ser expressa em função das

velocidades e os raios.

O diagrama termodinâmico apresentado no slide No. 10 é aplicável também a cada

estágio de um compressor de fluxo axial. A transformação 1-2 seria no rotor e a 2-3 no

conjunto de palhetas fixas na carcaça (estator).

Lembrando as equações vistas no slide No. 10, onde a potência foi calculada a partir das

propriedades termodinâmicas, igualando aquela expressão com a obtida neste slide, em

função das velocidades, pode ser calculada a variação da temperatura de estagnação,

correspondente ao processo isentrópico ideal.

O grau de reação é uma grandeza útil para os projetistas de compressores.

Ele é definido como a razão do incremento de entalpia através do rotor com o incremento

de entalpia do ar através do estágio. Ou seja, compara o efeito das palhetas móveis do

rotor com o que acontece noconjunto rotor+estator.

É possivel obter equações em termos das velocidades e ângulos associados ao estágio,

em dois casos simples:

Quando a velocidade axial permanece constante através do estágio.

Quando o ar deixa o estágio com a mesma velocidade absoluta com que entrou.

Foi obtida uma expressão para o grau de reação em função da velocidade axial (suposta

constante), a velocidade tangencial e os ângulos alfa e beta.

Para o caso em que o grau de reação seja 50 %, acontece que o ângulo de velocidade

absoluta na entrada do rotor é igual ao ângulo da velocidade relativa na saída do mesmo,

e é igual também ao ângulo da velocidade absoluta na saída do estágio, também

acontece que o ângulo da velocidade absoluta na saída do rotor é igual ao ângulo