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[WWII] Sobre compresores, turbos e intercooler va la cosa


amalahama

Me he cruzado con un documento gráfico interesantísimo que ilustra muy bien lo que ya expuse en el post Dora vs Mustang, sobre los diferentes compresores existentes en los aviones de la 2GM y su efecto a baja y alta cota:

 

http://www.escuadron69.net/v20/foro/index.php?/topic/60137-dora-vs-mustang/?p=904253

 

Comencemos con facts: La densidad del aire disminuye la altura, hasta tal punto que a 30.000 ft, la cantidad de aire que entra en la cámara de combustion es la tercera parte de la cantidad de aire que entra a nivel del mar (a mismo volumen y menor densidad...)

 

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Por lo tanto, un motor atmosférico como, por ejemplo, el Lycoming básico de una cessna, pierde mucha potencia con la altura. Hablamos de un 50% a 20000 ft. Y es sólo motor; no estamos considerando la pérdida también de tracción que sufre la hélice a esas altitudes:

 

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OMFG!!! Qué hacer, se preguntaban los ingenieros durante la 1GM, al observar horrorizados como por más que se tunearan los motores aquellos trastos con telas no podían subir más, debido al bajón de performances. Y entonces a algún listo pensó en instalar un compresor ('supercharger' en inglés) para aumentar la presión de admisión y, por ende, la cantidad de aire que entra en el motor, y mejorar así las performances en altura. Tenemos un 'Supercharger type 1'

 

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La solución, que parece cojonuda en un principio, tenía defectos. Lo primero es que un compresor (a diferencia del turbocompresor que monta tu coche diésel), se mueve extrayendo potencia del motor. Como el aire acondicionado. Sólo que esa potencia se usa para generar más potencia. Sí, suena a violación de todas las leyes termodinámicas, pero al final no lo es tanto; aumentas la potencia sí, pero el consumo específico es decir, la cantidad de combusible que te cuesta cada Cv, también sube.

 

Otra putada es que los motores alcanzan máxima presión de admisión, más o menos, cuando están a baja cota sin necesidad de compresión alguna, por lo que el trabajo que hace el compresor sobra. Como el compresor gira solidario con el eje del motor, sigue funcionando incluso cuando no hace falta, por lo que es necesario instalar válvulas de alivio para deshacerse de ese excedente de presión a baja cota. Es decir estás extrayendo potencia para luego tirarla. Y otro problema; un compresor además de aumentar la presión, también aumenta la temperatura del fluido.

 

A baja cota, con el compresor funcionando y tirando aire para mantener la presión de admisión dentro de limites, el efecto de la temperatura es una putada, porque hace que haga el efecto contrario; bajar la densidad, y por tanto la cantidad de aire que entra en la cámara de combustión. Resultado, a baja cota, un motor de tipo 1 funciona mucho peor que uno sin compresor, pero en alta cota, cuando el invento empieza a funcionar del carajo, le gana de lejos.

 

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La solución parcial, el compresor de múltiples velocidades

 

Estar calentando aire para tirarlo por la válvula de alivio a bajas cotas no suena bien, y con eso los ingenieros volvieron a devanarse los sesos por ver de qué manera podían apañar aquello para que no fuera tan cutre. Y así nació el compresor de múltiples velocidades (sí, como las velocidades de tu coche, con su embrague y todo).

 

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Este sistema resuelve el problema parcialmente. Para cotas muy bajas, como prácticamente no hace falta compresión, se engrana una marcha corta al compresor de manera que gire mucho más lento que el eje motor. La altitud crítica (pa' que nos entendamos, la altitud a partir de la cual la válvula de alivio se cierra y el cacharro deja de despilfarrar aire) a esta 'marcha corta' es muy baja, y por lo tanto los primeros pies se comporta como si de un motor atmosférico se tratara (con un ligero aumento de potencia respecto al motor base quizás). A partir de una altura "preprogramada" en el cerebro del piloto o en algún dispositivo anecoico (7000 ft en el ejemplo), se engrana la marcha larga y aquello empieza a girar a regimen normal. Al principio la presión que dá sigue siendo alta, por lo que la válvula de alivio se abre, pero enseguida se obtiene la altitud crítica de este segundo régimen, obviamente mucho más arriba:

 

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El DB601 y su compresor de engranaje hidráulico

 

Lo ideal es desacoplar la velocidad del compresor con la velocidad del eje, y que el compresor gire al régimen necesario para que la presión de admisión sea la máxima siempre, y a su vez no se despilfarre aire por la válvula de alivio. Y claro, quien sino los Alemanes iban a dar con la tecla del santo grial de la compresión en motores de combustión

 

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Los motores Daimlez-Benz del BF-109E montaban esta maravilla de la ingeniería. En vez de tener un compresor directamente enganchado al eje motor, desacoplamos ambos y hacemos que un fluido intermedio haga de transmisor del movimiento. Fluido que podemos manejar a nuestro antojo para que la relación entre ambos sea la que queramos en cada momento. Brillante eh?

 

Bueno las transmisiones hidráulicas tienen pérdidas debida al deslizamiento y además son bastante pesadas, pero el resultado merece la pena.

 

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Nótad una cosa. En cualquiera de los tres casos, LA POTENCIA POR ENCIMA DE LA ALTITUD CRÍTICA ES SIEMPRE LA MISMA. Es decir, complicando el sistema de transmisión del compresor mejoramos la potencia a baja cota, pero a partir de una cierta altura, el resultado que obtenemos será siempre el mismo.

Merlins, los compresores multietapas y el intercooler

 

Pero, ¿Qué ocurre si, más que mejorar las prestaciones a baja cota, queremos que nuestro motor siga dándolo todo hasta, digamos, 30.000 ft? Los compresores son capaces de dar una relación de compresión limitada, es decir, con un sólo compresor sólo podras aumentar la presión de admisión hasta cierto límite, pero y si queremos más volar más alto, más rápido, más lejos? La respuesta: añadir una etapa de compresión más:

 

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Nada impide poner compresores en serie, siempre que la salida de uno sea "limpia" (es decir, sin turbulencias ni corrientes desprendidas) a la entrada del siguiente. Hoy día es habitual que los turbofanes tengan 8, 10 o 12 etapas seguidas, axiales eso sí, para conseguir relaciones de compresión espectaculares.

 

Obviamente el segundo compresor tiene que tener la posibilidad de ser desconectado (embragado) a baja cota, para no reventar el motor. Como antes, el sistema de embragado podía tener un numero definido de velocidades, o ser hidráulico y contínuo.

 

Cuando se quiso que el Spitfire volase más alto y más rápido, Rolls-Royce substituyo el escuálido compresor de dos velocidades del Merlin 45 (Spity V) por un sistema de dos compresores, cada uno de dos velocidades, y un intercooler (más sobre esto después) en el Merlin 60 series (Spity VII y siguientes). Un sistema de dos etapas es, no obstante, considerablemente más complejo, pesado y voluminoso. Para el Spity VII hubo de rediseñar el morro para dar cabida a los nuevos elementos; aún así el incremento de prestaciones fue impresionante, y por ello se seleccionó como corazón del P-51D, dándole la espalda a Allison y sus novedosos turbocompresores.

 

Comparando un motor de dos etapas con uno monoetapa de velocidad variable, destaca sobre todo cómo la altitud crítica aumenta considerablemente:

 

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Pero no sólo de compresores multietapas vive el Merlin. Otro añadido importante fue el intercooler*

 

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¿Recuerdas uno de los puntos débiles de los compresores? A la salida, el aire está considerablemente más caliente, pero lo que nos interesa a la hora de mejorar las prestaciones de un motor es aumentar la densidad del aire que pasa por admisión. Y el efecto de la temperatura juega en contra.

 

No podemos evitar que durante la compresión el aire se caliente. Pero podemos enfriarlo después, y además de gratis. Independiente de la temperatura que haga en el exterior, el aire comprimido siempre, forever, va a estar a mayor temperatura. Haga fuera -15ºC o 40ºC. Es la magia del aire acondicionado. Esto permite que el aire comprimido se pueda enfriar, como máximo, a la misma temperatura que el ambiente, usando un 'simple' intercambiador de calor.

 

Y digo 'simple' porque desgraciadamente, aunque podemos enfriar el aire 'gratis', tenemos poco tiempo para hacerlo. Esto obliga a usar un complejo sistema de radiadores cargados de líquidos refrigerantes (glicol) para deshacerse del calor rápidamente y bajar la temperatura, a pesar de la velocidad a la que el fluido se mueve. El sistema de intercooler es normalmente un sistema independiente al sistema de refrigeración del motor y del aceite. Así que el invento no salía barato tampoco, en cuanto a peso se refiere.

 

Pero el resultado, desde luego, es espectacular. Un motor con intercooler mejora en todos los aspectos, tanto a baja como a alta cota. Normalmente el efecto del intercooler es más evidente cuando las relaciones de compresión son más altas, es decir, a alta cota, pues mientras más trabajo haga el compresor, más calentará el fluido. Así pues, el Merlin 60, con sus compresores multietapas y su intercooler, fue un motor 'bisagra' en el conflicto, dando a los cazas que lo montaban la capacidad de decidir sobre el futuro de la contienda.

 

Motores tardíos del eje

 

Los alemanes intentaron adaptar sus diseños a los compresores multietapas, en una carrera por mejorar las prestaciones de sus interceptadores, que combatian contra bombarderos volando cada vez más y más altos. Ciertas versiones del Jumo 213 adaptadas al vuelo de alta cota contaban con los susodichos sistemas, aunque el éxito en servicio fue limitado y el grueso de la aviación germana siguió contando con motores de una sola etapa. Sin embargo, los ingenieros del eje no creyeron que el peso, la complejidad y la fragilidad de los intercooler compensaran la mejora de rendimiento, y usaron un sistema alternativo de inyección de MW50 (50% metanol, 50% agua) directamente en el compresor.

 

El MW50 tenía varios efectos beneficiosos. El primero era que disminuía la temperatura de la mezcla, gracias a la alta capacidad calorífica y densidad del agua. Además, la mezcla permitía aumentar la presión de admisión sin que el combustible autodetonara, y finalmente, se aumentaba la densidad global de toda la mezcla. El benificio era espectacular, especialmente a baja cota, donde precisamente el retraso de la autodetonación permitía aprovechar el funcionamiento del compresor casi a tope.

 

La cantidad de mezcla que llevaban los aviones era, sin embargo, limitada, y a la larga el aumento de la presión de admisión podía influir en la vida del motor; sin embargo el uso del MW50 no estaba limitado por tiempo, y de hecho la capacidad refrigerante del agua permitía mantener el motor a una temperatura moderada aún exprimiéndolo al máximo. Aunque los motores aliados tenían la posibilidad de ser forzados más allá de su punto de diseño usando el "war emergency power", esta reserva se limitaba a aumentar la presión de admisión, aumentando el riesgo de autodetonación, y por regla general los efectos en el motor eran más destructivos que en el caso del MW50.

 

--TO DO --

Motores Allison, PW Twin Wasp y los turbocompresores

 

* - Intercooler cuando va montado entre las dos etapas de compresión. Si el intercambiador de calor se monta a la salida de la segunda etapa, justo antes de la admisión, entonces se llama Aftercooler. Pero en esencia, el funcionamiento y el resultado es el mismo.


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