Etapa cero

Una etapa cero , a veces escritaLa etapa '0' [ ^{1 ] es} una etapa de compresor adicional que se agrega al frente de los motores a reacción y otros motores de turbina de gas para aumentar su rendimiento. ^{[ 2 ]} Esta adición sirve para mejorar la eficiencia del motor al aumentar tanto la relación de presión global del ciclo como el flujo másico del núcleo, sin alterar las dimensiones del núcleo del motor. En los casos en que se requiere una mejora adicional del rendimiento, se puede agregar una etapa subsiguiente antes de la etapa cero inicial, denominada etapa cero-cero .

Esta técnica, denominada "etapa cero" , se utiliza a menudo junto con otras modificaciones del motor para lograr un mayor empuje o reducir las temperaturas de funcionamiento de la turbina. ^{[ 3 ]} Esto es especialmente relevante al adaptar los motores para aumentar el peso de la aeronave o para nuevas aplicaciones. Por ejemplo, en situaciones donde se modifica el diseño de una aeronave para acomodar cargas más pesadas, la etapa cero puede proporcionar el aumento de empuje necesario sin requerir un reemplazo completo del motor, lo que ofrece una actualización más eficiente y rentable.

Una comparación con otras formas de mejorar un motor existente sin rediseñarlo drásticamente muestra que, en un caso particular, por ejemplo, el Rolls-Royce/SNECMA M45H , el empuje podría haberse incrementado en un 25 % con un compresor de baja presión (LP) de cero etapas o en un 10 % con una turbina de alta presión (HP) mejorada o con inyección de agua. ^{[ 4 ]}

El Lightning F.1 estaba propulsado por un motor Rolls-Royce Avon de 15 etapas . Para el Caravelle III se añadió una etapa cero, junto con una nueva turbina (un total de 16 etapas). Para el Caravelle VI se añadió una etapa cero-cero (un total de 17 etapas). ^{[ 3 ]}

La turbina Snecma Atar D de 7 etapas se utilizó en el Mystere II. Se añadió una etapa cero (un total de 8 etapas) para las turbinas E y G utilizadas en el Vautour y el Super Mystere B.2. Se añadió una etapa cero-cero (un total de 9 etapas), junto con una turbina de dos etapas, para las turbinas Atar 8 y 9 utilizadas en el Mirage III . ^{[ 5 ]}

El motor Rolls-Royce/Snecma Olympus 593 comenzó con un compresor de baja presión de seis etapas. A medida que el peso del Concorde aumentaba durante la fase de diseño, también aumentaba el empuje necesario para el despegue. Se le añadió al motor una etapa cero al compresor, una turbina rediseñada y un sistema de recalentamiento parcial. ^{[ 2 ]}

Ejemplos de turbinas de gas terrestres sin etapa de encendido son la GE LM2500+ aeroderivada ^{[ 6 ]} y la GE MS5002B de servicio pesado ^{[ 7 ]} . Una alternativa a la etapa de encendido sin etapa, utilizada por algunos fabricantes de equipos originales (OEM) , es la sobrealimentación del compresor con un ventilador accionado por un motor eléctrico ^{[ 8 ]} .

La puesta en cero se demuestra mediante la siguiente relación:

${\displaystyle w_{2}=(w_{2}{\frac {\sqrt {T_{3}}}{P_{3}}})\times ({\frac {P_{3}}{P_{2}}})\times ({\sqrt {\frac {T_{2}}{T_{3}}}})\times ({\frac {P_{2}}{\sqrt {T_{2}}}})\,}$

dónde:

flujo másico central =${\displaystyle w_{2}\,}$

tamaño del núcleo =${\displaystyle (w_{2}{\frac {\sqrt {T_{3}}}{P_{3}}})\,}$

relación de presión total de la cabeza del núcleo =${\displaystyle ({\frac {P_{3}}{P_{2}}})\,}$

inverso de la relación de temperatura total de la cabeza central =${\displaystyle {\frac {T_{2}}{T_{3}}}\,}$es decir (${\displaystyle {\frac {P_{3}}{P_{2}}}\,}$)

Presión total de entrada del núcleo =${\displaystyle P_{2}\,}$

Temperatura total de entrada del núcleo =${\displaystyle T_{2}\,}$

Entonces, básicamente, aumentar${\displaystyle {\frac {P_{3}}{P_{2}}}\,}$aumentos${\displaystyle w_{2}\,}$.

Por otro lado, añadir una etapa en la parte posterior del compresor aumenta la relación de presión total y disminuye el tamaño del núcleo, pero no afecta al caudal del mismo. Esta opción también requiere una turbina con una capacidad de caudal significativamente menor para accionar el compresor.

Poner un compresor en marcha cero también implica un aumento de la velocidad del eje:

${\displaystyle N_{2}=(N_{2}{\sqrt {T_{3}}})\times {\sqrt {T_{3}}}\,}$

dónde:

Velocidad del eje HP =${\displaystyle N_{2}\,}$

Velocidad "adimensional" del compresor HP (basada en la temperatura total de salida) =${\displaystyle (N_{2}{\sqrt {T_{3}}})\,}$

Temperatura total de salida del compresor HP =${\displaystyle T_{3}\,}$

Entonces, si se quiere mantener la velocidad "adimensional" del compresor original, aumentar${\displaystyle T_{3}\,}$aumentos${\displaystyle N_{2}\,}$Esto implica un aumento en los niveles de tensión tanto de la cuchilla como del disco.

Si se mantiene la velocidad original del eje, el aumento en la relación de presión y el flujo másico que se produce al añadir la etapa cero se reducirá considerablemente.

Aunque las ecuaciones anteriores están escritas teniendo en cuenta la puesta en cero de un compresor de alta presión (HP), el mismo enfoque se aplicaría a un compresor de baja presión (LP) o de presión intermedia (IP).