¿Cómo funciona un ventilador de ascensor?
La potencia generada por un solo motor de pistón es muy limitada, por lo que la gente conecta varios motores de pistón en paralelo para formar un motor de pistón en estrella o en forma de V. La siguiente imagen es un motor de pistones radiales típico.
La mayoría de los aviones modernos de alta velocidad utilizan motores a reacción. El principio es inhalar aire, mezclarlo con combustible, encenderlo y el aire expandido se expulsa hacia atrás y su fuerza de reacción impulsa el avión hacia adelante. En la parte inferior del motor, cada ventilador del compresor aspira aire de la entrada de aire y realiza una compresión primaria y secundaria del aire para que el aire pueda participar mejor en la combustión. La cavidad de color rojo anaranjado detrás del ventilador es la cámara de combustión, donde se enciende la mezcla de aire y aceite. Después de que la combustión se expande, se rocía hacia atrás, lo que hace girar los dos últimos ventiladores y finalmente se descarga del motor. Los dos ventiladores traseros están instalados en el mismo eje que el ventilador del compresor delantero, por lo que impulsarán el ventilador del compresor para que continúe succionando aire, completando así un ciclo de trabajo.
Motor a reacción de turbina
El principio de este motor es básicamente el mismo que el principio a reacción mencionado anteriormente y tiene las ventajas de una aceleración rápida y un diseño simple. Para aumentar el empuje de un motor turborreactor, es necesario aumentar la temperatura y la relación de presión del gas delante de la turbina. Esto aumentará la velocidad de escape y perderá más energía cinética, creando así una contradicción entre aumentar el empuje y el empuje. reduciendo el consumo de combustible. Por tanto, los motores turborreactores consumen grandes cantidades de combustible, lo que constituye el punto débil fatal de los aviones comerciales.
Motor turbofan: Parte del aire aspirado por el motor turbofan se expulsa desde el conducto exterior (conducto exterior) y parte se envía al motor central del conducto interior (equivalente a un motor turborreactor puro). El "ventilador" delantero actúa como una hélice, mejorando la eficiencia de propulsión del motor a reacción al reducir la velocidad de escape. Al mismo tiempo, gracias a un diseño preciso, se transfiere más energía del gas al conducto exterior a través del ventilador, lo que también resuelve el problema de la velocidad excesiva del escape, reduciendo así el consumo de combustible del motor. Debido a que el diseño de este tipo de ventilador debe tener en cuenta las necesidades de conductos internos y externos, es mucho más difícil que un motor turborreactor.
Motor ramjet
Este tipo de motor no tiene ventiladores ni otros dispositivos, y se basa completamente en los principios de compresión del aire inhalado, encendido, combustión y postinyección. Por lo tanto, tiene las ventajas de una estructura simple, tamaño pequeño, gran empuje y rápida aceleración. La desventaja es que requiere energía externa para arrancar (generalmente propulsión de cohetes) y no es apto para reciclaje.
El nacimiento del motor turborreactor
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 Pratt? Whitney (motor turbofan JT3D de Pratt & Whitney. De hecho, Pratt & Whitney comenzó el proyecto de desarrollo del motor turbofan más tarde que General Electric. Después de conocer el secreto del desarrollo del CJ805 por parte de GE, rápidamente intensificaron su trabajo y por primera vez se lanzó el práctico JT3D.
En 1960, el motor turbofan "Conway" de Rolls-Royce comenzó a utilizarse en el avión a reacción de gran alcance Boeing 707, convirtiéndose en el primer motor turbofan utilizado en la década de 1960. El avión de pasajeros "Samsung" de Lockheed y el avión de pasajeros Boeing 747 "Jumbo" adoptaron el gran motor turbofan RB211-22B de Rolls-Royce. Desde entonces, los motores turborreactores se han vuelto más maduros y fueron rápidamente abandonados por la industria de la aviación civil occidental.
Principios de los motores a reacción turbofan
El empuje de los motores turbohélice afecta la velocidad de vuelo de los aviones. Por lo tanto, es necesario mejorar la eficiencia de los motores a reacción. La eficiencia del motor incluye la eficiencia térmica y la propulsión. Aumentar la temperatura del gas frente a la turbina y la relación de impulso del compresor puede mejorar la eficiencia térmica porque el gas de alta temperatura y alta densidad contiene más energía. La temperatura frente a la turbina aumentará naturalmente la. velocidad de escape, y 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 turbofán 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.
Motor turbofan con postcombustión
Motor turbofan no reforzado
Como se mencionó anteriormente, los motores turbofan tienen alta eficiencia, bajo consumo de combustible y aviones de largo alcance.
La tecnología del motor turbofan es compleja, especialmente cómo distribuir correctamente el flujo de aire inhalado por el ventilador al conducto exterior y al conducto interior, lo cual supone un gran problema técnico. Por lo tanto, hay muy pocos países que puedan desarrollar motores turbofan y China no ha producido motores turbofan nacionales en masa. Los motores turbofan son relativamente caros y no son adecuados para el nacimiento de motores turborreactores de aviones de bajo coste.
Antes de la Segunda Guerra Mundial, la combinación de motores de pistón y hélices había logrado un gran éxito, permitiendo a la humanidad desafiar el cielo. Pero a finales de la década de 1930, el desarrollo de la tecnología de la aviación llevó esta combinación a su límite. Cuando la velocidad de vuelo de la hélice alcanza los 800 km/h, la punta de la hélice está realmente cerca de la velocidad del sonido. El campo de flujo transónico hace que la eficiencia de la hélice caiga bruscamente y el empuje disminuya en lugar de aumentar. La hélice tiene una gran superficie de barlovento y una alta resistencia, lo que dificulta enormemente el aumento de la velocidad de vuelo. Al mismo tiempo, a medida que aumenta la altitud de vuelo y la atmósfera se vuelve más delgada, la potencia del motor de pistón también disminuirá.
Esto dio origen a un nuevo sistema de propulsión de motor a reacción. El motor a reacción inhala una gran cantidad de aire, lo quema y lo expulsa a gran velocidad, lo que ejerce una fuerza de reacción sobre el motor e impulsa el avión hacia adelante.
Ya en 1913, el ingeniero francés Rennes? Roland propuso y patentó el diseño del ramjet. Pero en aquella época no existían métodos ni materiales de propulsión correspondientes, y la propulsión a chorro era sólo una fantasía. En 1930, el británico Frank? Whittle patentó el motor de turbina de gas, el primer diseño práctico de motor a reacción. Once años más tarde, el motor que diseñó voló por primera vez, convirtiéndose así en el creador del motor turborreactor.
Principio del motor turborreactor
Un motor turborreactor, denominado motor turborreactor, normalmente consta de una entrada, un compresor, una cámara de combustión, una turbina y una boquilla. Algunos motores militares tienen un postquemador entre la turbina y la boquilla de escape.
Un motor turborreactor es un motor térmico, y el principio de realización de trabajo es el mismo: la energía se introduce a alta presión y la energía se libera a baja presión.
Cuando está en funcionamiento, el motor primero inhala aire por la entrada de aire. Este proceso no se trata simplemente de abrir una entrada de aire, porque la velocidad de vuelo es variable y el compresor tiene requisitos estrictos sobre la velocidad de entrada de aire, por lo que la entrada de aire debe poder controlar la velocidad de entrada de aire dentro de un rango apropiado.
Como sugiere el nombre, el compresor se utiliza para aumentar la presión del aire de succión. El compresor tiene principalmente la forma de aspas de ventilador. La rotación de las aspas actúa sobre el flujo de aire, aumentando la presión y la temperatura del flujo de aire.
Luego, el flujo de aire a alta presión ingresa a la cámara de combustión. La boquilla de combustible en la cámara de combustión inyecta aceite. El aceite se mezcla con aire y se enciende para producir gas a alta temperatura y presión, que se descarga hacia atrás.
El gas a alta temperatura y alta presión regresa a través de la turbina de alta temperatura, y parte de la energía interna se expande en la turbina y se convierte en energía mecánica para hacer girar la turbina. Debido a que la turbina de alta temperatura está instalada en el mismo eje que el compresor, también hace que el compresor gire, comprimiendo así repetidamente el aire inhalado.
El gas de alta temperatura y alta presión que fluye desde la turbina de alta temperatura continúa expandiéndose en la boquilla de cola y se descarga hacia atrás desde la boquilla de cola a alta velocidad. Esta velocidad es mucho mayor que la velocidad a la que el flujo de aire ingresa al motor, lo que hace que la aeronave avance hacia adelante en reacción al empuje del motor.