¿Qué es un motor turborreactor?
La relación de derivación de un motor turbofan (también llamada relación de derivación) es la relación entre la masa de aire que no pasa por la cámara de combustión y la masa de aire que pasa por la cámara de combustión. Un motor turbofan con relación de derivación cero es un motor turborreactor. Los primeros motores turbofan y los motores turbofan utilizados en los aviones de combate modernos tenían relaciones de derivación relativamente bajas. Por ejemplo, el primer motor turbofan del mundo, el Rolls-Royce Conway, tenía una relación de derivación de sólo 0,3. La relación de derivación de la mayoría de los motores de aviones civiles modernos suele ser superior a 5. Un motor turbofan con una relación de derivación alta consume menos combustible, pero tiene el mismo empuje que un motor turborreactor y es mucho más silencioso durante el funcionamiento.
..El nacimiento del motor turbofan.
Después de la Segunda Guerra Mundial, con el paso del tiempo y la innovación tecnológica, los motores turborreactores ya no son suficientes para cubrir las necesidades de potencia de los nuevos aviones. En particular, los aviones civiles subsónicos y los grandes aviones de transporte que se desarrollaron rápidamente después de la Segunda Guerra Mundial necesitan volar a altas velocidades subsónicas y consumir menos combustible, por lo que la eficiencia del motor debe ser alta. La eficiencia de los motores turborreactores ya no puede satisfacer esta demanda, lo que acorta la autonomía de los aviones antes mencionados. Por lo tanto, desde hace algún tiempo, cada vez hay más aviones grandes que utilizan motores turbohélice. De hecho, ya en la década de 1930 hubo algunos diseños iniciales aproximados para motores a reacción con derivaciones externas. En las décadas de 1940 y 1950, se empezaron a probar los primeros motores turbofan. Sin embargo, esto se debe a los muy altos requisitos en el diseño y fabricación de las aspas del ventilador. Por lo tanto, no fue hasta la década de 1960 que se pudieron fabricar aspas de ventilador que cumplieran con los requisitos de los motores turbofan, iniciando así la etapa práctica de los motores turbofan. En la década de 1950, la NACA estadounidense (antecesora de la NASA) llevó a cabo una investigación científica muy importante sobre los motores turbofan. En 1955-56, los resultados de la investigación se transfirieron a General Electric Company (GE) para su posterior desarrollo. GE lanzó con éxito el motor turbofan CJ805-23 en 1957, que inmediatamente batió numerosos récords para motores a reacción supersónicos. Pero el primer motor turbofan práctico fue el motor turbofan JT3D de Pratt & Whitney. De hecho, Pratt & Whitney inició el proyecto de desarrollo del motor turbofan después que GE. Después de conocer el secreto del desarrollo del CJ805 por parte de GE, rápidamente intensificaron su trabajo y lanzaron por primera vez el práctico JT3D. En 1960, el motor turbofan "Conway" de Rolls-Royce comenzó a utilizarse en el avión de pasajeros de largo alcance Boeing 707, convirtiéndose en el primer motor turbofan utilizado en un avión comercial. En la década de 1960, el avión de pasajeros "Tristar" de Lockheed y el avión de pasajeros 747 "Jumbo" de Boeing adoptaron el gran motor turbofan RB211-22B de Rolls-Royce, lo que marcó la plena madurez del motor turbofan. Desde entonces, los motores turborreactores fueron rápidamente abandonados por la industria de la aviación civil occidental. Principio del motor a reacción turbofan Los motores turbohélice tienen un empuje limitado, lo que afecta la velocidad de vuelo de la aeronave. Por tanto, es necesario mejorar la eficiencia de los motores a reacción. La eficiencia del motor incluye la eficiencia térmica y la eficiencia de propulsión. Aumentar la temperatura del gas frente a la turbina y la relación de refuerzo del compresor puede mejorar la eficiencia térmica. Porque los gases de alta temperatura y alta densidad contienen más energía. Sin embargo, cuando la velocidad de vuelo permanece sin cambios, aumentar la temperatura delante de la turbina naturalmente aumentará la velocidad de escape. El gas que fluye rápidamente pierde mucha energía cinética cuando se descarga. Por tanto, aumentar unilateralmente la potencia térmica, es decir, aumentar la temperatura delante de la turbina, conducirá a una disminución de la eficiencia de la propulsión. Para mejorar integralmente la eficiencia del motor, es necesario resolver la contradicción entre eficiencia térmica y eficiencia de propulsión. La belleza de un motor turbofan es que aumenta la temperatura delante de la turbina sin aumentar la velocidad de escape. La estructura del motor turbofan en realidad consiste en agregar varias etapas de turbinas delante del motor turborreactor, y estas turbinas impulsan una cierta cantidad de ventiladores. Al igual que un motor a reacción común, parte del flujo de aire aspirado por el ventilador se envía al compresor (denominado "conducto interior") y la otra parte se descarga directamente desde la periferia de la carcasa del motor turborreactor (el "conducto exterior"). ). Por tanto, la energía del gas del motor turbofan se divide en dos flujos de escape generados por el ventilador y la cámara de combustión respectivamente. En este momento, para mejorar la eficiencia térmica y aumentar la temperatura delante de la turbina, se puede transferir más energía del gas al conducto externo a través del ventilador mediante una estructura de turbina adecuada y aumentando el diámetro del ventilador, evitando así una significativa aumento de la velocidad de escape. Esto equilibra la eficiencia térmica y la eficiencia de la propulsión, mejorando enormemente la eficiencia del motor. Alta eficiencia significa bajo consumo de combustible y mayor autonomía.
Recoge las ventajas y desventajas de este motor turbofan.
Como se mencionó anteriormente, los motores turbofan tienen alta eficiencia, bajo consumo de combustible y el avión tiene un largo alcance.
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Motor a reacción de turbina
Se trata de un motor de turbina. Su característica es que depende completamente del flujo de aire para generar empuje. A menudo se utiliza para propulsar aviones de alta velocidad.
El consumo de combustible es mayor que el de los motores turbofan. Hay dos tipos de motores turborreactores: centrífugos y axiales. El motor centrífugo fue patentado por el inglés Sir Frank Whittle en 1930, pero no fue hasta 1941 que un avión equipado con dicho motor surcó los cielos por primera vez. No participó en la Segunda Guerra Mundial. El Eje nació en Alemania y participó en 1945 como el primer avión de combate práctico Me-262. En comparación con los motores turborreactores centrífugos, el flujo axial tiene las ventajas de una sección transversal pequeña y una relación de compresión alta. Los motores turborreactores actuales son todos de flujo axial.
El principio y el modo de funcionamiento...
Los motores turborreactores utilizan propulsión a chorro, lo que evita las debilidades inherentes de los cohetes y los estatorreactores. Debido al uso de un compresor accionado por turbina, el motor también tiene suficiente presión para producir un fuerte empuje a bajas velocidades. Los motores turborreactores funcionan según un "ciclo de trabajo". Extrae aire de la atmósfera y, a través de un proceso de compresión y calentamiento, el aire con energía e impulso emerge de la boquilla de la hélice a velocidades de hasta 2000 pies/s (610 m/s) o aproximadamente 1400 mph (2253 km/h). Alta media. Cuando el chorro de alta velocidad sale del motor, hace que el compresor y la turbina sigan girando al mismo tiempo, manteniendo el "ciclo de trabajo". El diseño mecánico de un motor de turbina es relativamente simple, ya que contiene sólo dos partes giratorias principales, el compresor y la turbina, y una o varias cámaras de combustión. Sin embargo, no todos los aspectos de este motor tienen esta sencillez, ya que las cuestiones térmicas y aerodinámicas son más complejas. Estos problemas son causados por las altas temperaturas de funcionamiento de la cámara de combustión y la turbina, el flujo de aire cambiante a través del compresor y las palas de la turbina, y el diseño del sistema de escape que elimina los gases y crea un chorro de propulsión.
A velocidades de aeronaves inferiores a aproximadamente 450 mph (724 km/h), los motores a reacción puros son menos eficientes que los motores de hélice porque su eficiencia de propulsión depende en gran medida de la velocidad a la que viajan, por lo que los motores turborreactores puros lo son; más adecuado para velocidades de vuelo más altas. Sin embargo, la eficiencia de la hélice cae rápidamente por encima de las 350 mph (563 km/h) debido a las perturbaciones del flujo de aire causadas por la alta velocidad punta de la hélice. Estas características permiten que algunos aviones de velocidad media utilicen una combinación de hélice y motor de turbina de gas (un motor turbohélice) en lugar de un dispositivo turborreactor puro.
Las ventajas de la combinación hélice/turbina fueron reemplazadas hasta cierto punto por la introducción de motores con conductos internos y externos, motores con ventilador con conductos y motores con ventilador de hélice. Estos motores tienen mayor flujo y velocidades de chorro más bajas que los motores a reacción puros, por lo que su eficiencia de propulsión es comparable a la de los motores turbohélice y supera la de los motores a reacción puros.
El motor turborreactor/estatorreactor combina un motor turborreactor (comúnmente utilizado para varias velocidades por debajo de Mach 3) y un motor estatorreactor, y tiene un buen rendimiento con números altos de Mach. El motor está rodeado por un conducto con entrada de aire ajustable en la parte delantera y un postquemador con boquilla ajustable en la parte trasera. Durante la aceleración de despegue y en condiciones de vuelo de Mach 3, el motor adopta el modo de funcionamiento de un turborreactor convencional cuando el avión acelera a Mach 3 o superior, su mecanismo de turborreactor está cerrado y el aire en el conducto de aire circula con el; Con la ayuda de paletas guía, el aire sobrecomprimido fluye directamente al postquemador y se convierte en la cámara de combustión del motor ramjet. Este tipo de motor es adecuado para aeronaves que requieren vuelos a alta velocidad y mantienen un estado de crucero con un número de Mach alto. En estas condiciones, el motor funciona como un estatorreactor.
Un motor de turbina/cohete es estructuralmente similar a un motor de turbina/ramjet, con la diferencia importante de que tiene su propio oxígeno para la combustión. Este motor tiene un compresor de baja presión impulsado por una turbina de múltiples etapas. La energía para impulsar la turbina se genera quemando combustible y oxígeno líquido en la cámara de combustión del cohete. Debido a que la temperatura del gas puede alcanzar hasta 3500 grados, es necesario inyectar combustible adicional en la cámara de combustión para enfriarlo antes de que el gas ingrese a la turbina. Esta mezcla rica en aceite (gas) luego se diluye con aire del compresor y el combustible restante se quema en un sistema de postcombustión convencional. Aunque este motor es más pequeño y ligero que un motor turbo/ramjet, consume más combustible. Esta tendencia lo hace más adecuado para interceptores o vehículos de lanzamiento de naves espaciales. Estos aviones requieren un rendimiento a gran altitud y alta velocidad, generalmente un rendimiento de aceleración alto y no requieren una larga resistencia.
....Estructura
Entrada de aire
La estructura principal del motor turborreactor de flujo axial se muestra en la figura. El aire ingresa primero a la entrada, porque el estado de vuelo de la aeronave cambia, y la entrada debe garantizar que el aire pueda eventualmente ingresar a la siguiente estructura sin problemas: el compresor. La función principal de la entrada de aire es ajustar el aire a un estado en el que el motor pueda funcionar normalmente antes de ingresar al compresor. Al volar a velocidades supersónicas, se generarán ondas de choque en la nariz y la entrada. Después de la onda de choque, la presión del aire aumentará, por lo que la entrada puede desempeñar un cierto papel de precompresión. Sin embargo, la posición incorrecta de la onda de choque provocará. presión local desigual e incluso El compresor puede dañarse. Por lo tanto, la entrada de aire de un avión supersónico tiene un cono de ajuste de la onda de choque para ajustar la posición de la onda de choque según la velocidad del aire.
Las aeronaves con tomas de aire laterales o tomas de aire del vientre se verán afectadas por la capa límite del fuselaje (o capa límite) porque la entrada está cerca del fuselaje y se instalará un dispositivo de ajuste de la capa límite. La llamada capa límite se refiere a una capa de aire que fluye cerca de la superficie del fuselaje. Su velocidad es mucho menor que la del aire circundante, pero su presión estática es mayor que la del aire circundante, formando un gradiente de presión. Debido a que la energía es baja, no es adecuada para ingresar al motor y debe eliminarse.
Cuando la aeronave tiene un cierto ángulo de ataque (AOA), debido a cambios en el gradiente de presión, se producirá una separación de la capa límite en las partes donde el gradiente de presión aumenta (como el lado de sotavento), es decir, la capa límite que originalmente estaba cerca. al fuselaje se separará repentinamente en un punto determinado, formando turbulencias. El flujo turbulento es relativo al flujo laminar, que es simplemente un fluido que se mueve de manera irregular. En rigor, todos los flujos son turbulentos. Actualmente se desconocen los mecanismos y procesos de la turbulencia. Pero eso no significa que la turbulencia sea mala. En muchos lugares del motor, como en el proceso de combustión, se deben aprovechar al máximo las turbulencias.
Compresor
El compresor consta de palas de estator y palas de rotor. El par de palas del estator y las palas del rotor se denomina primera etapa. El estator está fijado al bastidor del motor y el rotor está conectado a la turbina a través del eje del rotor. Los motores turborreactores actuales suelen tener entre 8 y 12 compresores. Cuantas más etapas haya, mayor será la presión. Cuando un avión de combate realiza repentinamente una maniobra de alta G, la presión del aire que fluye hacia la etapa delantera del compresor caerá bruscamente y la presión en la etapa trasera será muy alta. En este momento, el aire a alta presión en la etapa trasera se expandirá en sentido inverso, lo que hará que el motor sea extremadamente inestable, lo que en ingeniería se denomina "oleaje". Este es el accidente más mortal para un motor, con un alto potencial de parada e incluso daños estructurales. Hay varias formas de prevenir el "aumento repentino". La experiencia muestra que el aumento repentino ocurre principalmente entre la quinta y sexta etapa del compresor. Instale un anillo de purga en el segundo intervalo para aliviar la presión a tiempo cuando la presión sea anormal para evitar el aumento repentino. O el eje del rotor se puede convertir en dos cilindros huecos concéntricos, que conectan respectivamente el compresor de baja presión de la etapa delantera y la turbina, y el compresor de alta presión de la etapa trasera y otra turbina. Los dos grupos de rotores son independientes entre sí y pueden ajustar automáticamente la velocidad cuando la presión es anormal y evitar picos.
Cámara de combustión y turbina
Después de ser comprimido por el compresor, el aire ingresa a la cámara de combustión y se mezcla con queroseno para la combustión, se expande y realiza trabajo luego fluye a través de la turbina hasta; Empuje la turbina para que gire a alta velocidad. Debido a que los rotores de la turbina y del compresor están conectados al mismo eje, las velocidades de rotación del compresor y de la turbina son las mismas. Finalmente, el gas a alta temperatura y alta velocidad se expulsa a través de la boquilla, proporcionando energía a través de la reacción. Originalmente, la cámara de combustión constaba de varias cámaras de combustión cilíndricas pequeñas, yuxtapuestas en forma anular alrededor del eje del rotor. Cada cilindro no está sellado, sino que tiene un orificio en el lugar adecuado para que quede conectada toda la cámara de combustión. Más tarde, se desarrolló hasta convertirse en una cámara de combustión anular compacta, pero el entorno general de fluidos no era tan bueno como el de una cámara de combustión cilíndrica. Surgió una cámara de combustión combinada que combinaba las ventajas de ambas.
Las turbinas de vapor siempre funcionan en condiciones extremas y tienen requisitos extremadamente estrictos en cuanto a sus materiales y tecnología de fabricación. En la actualidad, las hojas huecas de pulvimetalurgia se funden en su mayoría en su conjunto, es decir, todas las hojas y discos se funden al mismo tiempo. En comparación con los primeros días, cada hoja y disco se fundieron por separado y luego se conectaron con espigas, lo que ahorró mucha masa de conexión. Los materiales de fabricación son en su mayoría materiales de aleación resistentes a altas temperaturas y las palas huecas se pueden enfriar con aire frío. El nuevo motor desarrollado para el avión de combate de cuarta generación estará equipado con palas de metalurgia de polvos cerámicos con un rendimiento más sobresaliente a altas temperaturas. Estas medidas tienen como objetivo mejorar uno de los parámetros más importantes de un turborreactor: la temperatura delante de la turbina. Una temperatura previa al remolino significa alta eficiencia y alta potencia.
Boquilla y postquemador
La forma y estructura de la boquilla (o boquilla) determinan la eliminación final del estado de flujo de aire. Los primeros motores de baja velocidad utilizaban boquillas convergentes simples para lograr una mayor velocidad. Según la tercera ley de Newton, cuanto mayor sea la velocidad de expulsión del gas, mayor será la fuerza de reacción que recibirá el avión. Pero la tasa de crecimiento de esta manera es limitada, porque eventualmente la velocidad del flujo de aire alcanzará la velocidad del sonido y luego aparecerá una onda de choque para evitar el aumento de la velocidad del gas. Los chorros supersónicos se pueden obtener utilizando boquillas desincrustantes (también conocidas como boquillas Laval). La maniobrabilidad de un avión proviene principalmente de la fuerza aerodinámica proporcionada por la superficie del ala. Cuando la maniobrabilidad es alta, el empuje del avión se puede aprovechar directamente. Históricamente, ha habido dos soluciones, a saber, instalar una superficie de control de gas en la boquilla o usar directamente una boquilla desviable (también llamada boquilla de vector de empuje o boquilla de empuje vectorial, esta última ha entrado en la etapa de aplicación práctica). La magnífica maniobrabilidad de los famosos aviones de combate rusos Su-30 y Su-37 se beneficia del motor vectorial de empuje AL-31 de Rurica Design Bureau. El representante del timón aéreo es el demostrador tecnológico estadounidense X-31.
Después de que el gas a alta temperatura pasa por la turbina, todavía contiene algo de oxígeno que no se ha consumido a tiempo. Si se inyecta queroseno continuamente en este gas, aún puede arder y producir un empuje adicional. Por lo tanto, algunos motores de combate de alto rendimiento tienen un postquemador (o postquemador) agregado detrás de la turbina para aumentar significativamente el empuje del motor en un corto período de tiempo. En términos generales, el postquemador puede aumentar el empuje máximo en un 50% en un corto período de tiempo, pero consume mucho combustible. Generalmente solo se usa para despegar o responder a feroces batallas aéreas, y no se puede usar para operaciones supersónicas a largo plazo. crucero.
.....Uso
Los motores turborreactores son adecuados para una amplia gama de navegación, desde velocidades subsónicas a baja altitud hasta aviones supersónicos a gran altitud. El MiG-25 es un caza legendario de la antigua Unión Soviética. Utiliza como potencia el motor turborreactor del Lyurica Design Bureau. Ha establecido un récord de velocidad de caza de Mach 3,3 y un récord de techo de 37.250 metros. Es poco probable que este récord se supere durante algún tiempo.
En comparación con los motores turbofan, los motores turborreactores tienen un bajo consumo de combustible, pero su rendimiento a alta velocidad es mejor que el de los motores turbofan, especialmente a grandes altitudes y altas velocidades.