Principios y funciones de diez accesorios de motores turborreactores
La eficiencia de propulsión de un motor depende en gran medida de su velocidad de vuelo. Los motores a reacción puros son menos eficientes que los motores de hélice a velocidades de avión inferiores a aproximadamente 450 mph (724 km/h). 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. Por tanto, los motores turborreactores puros son los más adecuados para velocidades de vuelo más altas. 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.
Eficiencia de propulsión
Cuando el número de Mach es ma
Cada motor tiene su envolvente de vuelo óptima (xy compuesta por el sistema de coordenadas velocidad x/altura y), esto Esto no significa que los motores turbofan sean necesariamente más eficientes en combustible que los motores turborreactores. A velocidades supersónicas, un motor turbofan con el mismo postquemador consume más combustible que un motor turborreactor.
Entrada de aire ajustable
El motor turborreactor combina un motor turborreactor (comúnmente utilizado a varias velocidades por debajo de Mach 3) con un motor estatorreactor que tiene un buen rendimiento. 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 motor turborreactor convencional cuando el avión acelera a Mach 3 o más, su mecanismo de turborreactor está cerrado y el aire en las vías respiratorias circula alrededor del avión; Con la ayuda de paletas guía, el aire sobrecomprimido fluye directamente al postquemador y se convierte en la cámara de combustión del motor estatorreactor. 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.
Motor de turbina/cohete
Un motor de turbina/cohete es estructuralmente similar a un motor de turbina/ramjet, con una diferencia importante que es 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.
Principio de funcionamiento Editar este párrafo
La estructura de un motor turborreactor moderno consta de una entrada, un compresor, una cámara de combustión, una turbina y una boquilla entre la turbina y la boquilla. de un luchador Hay un postquemador. El motor turborreactor también es un tipo de motor térmico y debe seguir el principio de trabajo del motor térmico: entrada de energía a alta presión y liberación de energía a baja presión. Por lo tanto, desde la perspectiva del principio de generación de energía de salida, los motores a reacción y los motores de pistón son iguales y requieren cuatro etapas de entrada de aire, sobrealimentación, combustión y escape. La diferencia es que en un motor de pistón estas cuatro etapas se realizan secuencialmente en tiempo compartido, mientras que en un motor a reacción son continuas. El gas fluye secuencialmente a través de varias partes del motor a reacción, correspondientes a las cuatro posiciones de trabajo del motor de pistón.
El aire entra primero por la entrada de aire del motor. Cuando un avión está volando, se puede considerar como un flujo de aire que fluye hacia el motor a velocidad de vuelo. Debido a que la velocidad de vuelo de la aeronave cambia, la velocidad del flujo entrante del compresor está dentro de un cierto rango, por lo que la función de la entrada de aire es ajustar el flujo futuro a la velocidad adecuada a través del tubo ajustable. Cuando se vuela a velocidad supersónica, la velocidad del flujo de aire delante y dentro de la entrada se reduce a velocidad subsónica. En este momento, el estancamiento del flujo de aire puede aumentar la presión diez veces o incluso docenas de veces, lo que excede con creces el impulso múltiple. el compresor, produciendo así un motor estatorreactor A que se basa únicamente en la velocidad de apisonamiento sin compresor.
El compresor detrás de la entrada de aire se utiliza específicamente para aumentar la presión del flujo de aire. Cuando el aire fluye a través del compresor, las aspas del compresor trabajan en el flujo de aire, lo que hace que aumenten la presión y la temperatura del flujo de aire. A velocidades subsónicas, el compresor es el componente principal para la presurización del flujo de aire.
El gas a alta temperatura y alta presión que sale de la cámara de combustión fluye a través de una turbina montada en el mismo eje que el compresor. Parte del gas puede expandirse en la turbina y convertirse en energía mecánica para hacer girar el compresor. En un motor turborreactor, el trabajo realizado por la expansión del flujo de aire en la turbina en condiciones de equilibrio es igual al trabajo consumido por el compresor para comprimir el aire y al trabajo requerido por los accesorios de la transmisión para superar la fricción. Después de la combustión, la energía del gas delante de la turbina aumenta considerablemente, por lo que la relación de expansión en la turbina es mucho mayor que la relación de compresión en el compresor. La presión y la temperatura en la salida de la turbina son mucho más altas que la presión y la temperatura en la entrada del compresor, y el empuje del motor proviene de esta parte de la energía del gas.
El gas a alta temperatura y alta presión que fluye fuera de la turbina continúa expandiéndose en la boquilla de cola y se descarga hacia atrás desde la boquilla a alta velocidad a lo largo del eje del motor. Esta velocidad es mucho mayor que la velocidad a la que el flujo de aire ingresa al motor, lo que hace que el motor obtenga un empuje de reacción.
En general, cuanto mayor es la temperatura del flujo de aire que sale de la cámara de combustión, mayor será el aporte de energía y mayor será el empuje del motor. Sin embargo, debido a las limitaciones de los materiales de las turbinas, sólo puede alcanzar unos 1650.000 K. Los aviones de combate modernos a veces necesitan aumentar el empuje en un corto período de tiempo. Simplemente agregue un postquemador detrás de la turbina para inyectar combustible de modo que los gases no quemados puedan mezclarse con el combustible inyectado y volver a quemarse. Dado que el postquemador no tiene piezas giratorias, la temperatura puede alcanzar los 2000 K, lo que puede aumentar el empuje del motor hasta aproximadamente 1,5 veces. Su desventaja es que el consumo de combustible aumenta considerablemente y la temperatura excesiva también afecta la vida útil del motor. Por lo tanto, el postquemador del motor es generalmente limitado. Solo dura más de diez segundos en altitudes bajas. Se usa principalmente para despegue o combate. Puede conducirse durante mucho tiempo en altitudes elevadas.
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Necesidades de guerra
Antes de la Segunda Guerra Mundial, todos los aviones utilizaban motores de pistón como potencia. Este motor no puede generar potencia de avance por sí solo y necesita impulsar una hélice que gire en el aire para impulsar la aeronave hacia adelante. Esta combinación de motor de pistón y hélice ha sido un método fijo de propulsión para aviones y pocos lo han cuestionado.
A finales de la década de 1930, especialmente durante la Segunda Guerra Mundial, debido a las necesidades de la guerra, el rendimiento de los aviones se desarrolló rápidamente, con velocidades de vuelo que alcanzaban los 700-800 km/h y altitudes que alcanzaban más de 10.000 metros. . Sin embargo, de repente se descubrió que los aviones de hélice parecían haber llegado a su límite, incluso si los ingenieros aumentaron la potencia del motor de 1.000 kilovatios a 2.000 kilovatios o incluso 30.000 metros.
Respuesta a la pregunta
El problema está en la hélice. Cuando el avión alcanza una velocidad de 800 kilómetros por hora, la punta de la hélice en realidad se acerca a la velocidad del sonido porque ha estado girando a gran velocidad. La consecuencia directa de este campo de flujo transónico es una fuerte disminución en la eficiencia y el empuje de la hélice. Al mismo tiempo, la hélice tiene una gran superficie de barlovento, lo que aporta mayor resistencia. Además, a medida que aumenta la altitud de vuelo y la atmósfera se vuelve más delgada, la potencia del motor de pistón también disminuirá drásticamente. La combinación de estos factores determina que el modelo de motor de pistón + propulsión de hélice haya llegado a su fin. Para mejorar aún más el rendimiento de los vuelos, fue necesario adoptar un nuevo método de propulsión y surgieron los motores a reacción.
Todo el mundo conoce el principio de la propulsión a chorro. Según la tercera ley de Newton, todas las fuerzas que actúan sobre un objeto tienen una reacción igual y opuesta. Cuando un motor a reacción está en funcionamiento, se aspira una gran cantidad de aire desde la parte delantera, se quema y se expulsa a gran velocidad. Durante este proceso, el motor ejerce una fuerza sobre el gas para acelerarlo hacia atrás, y el gas también le da al motor una fuerza de reacción para empujar el avión hacia adelante. De hecho, este principio se aplica en la práctica desde hace mucho tiempo. Los petardos que jugamos vuelan hacia el cielo basándose en la reacción del gas de pólvora expulsado por la cola.
Avance
Ya en 1913, el ingeniero francés René Rolland obtuvo una patente para el motor a reacción. Se trataba de un motor ramjet que no podía funcionar a las bajas RPM de la época y carecía de los materiales resistentes al calor a altas temperaturas necesarios. En 1930, Frank Whittle recibió su primera patente para un motor de turbina de gas, pero no fue hasta 11 años después que su motor realizó su primer vuelo. Este motor en Whittle formó la base del moderno motor turborreactor.
Progreso
Con el desarrollo de la tecnología de turbinas de gas para aviación, la gente ha desarrollado varios tipos de motores estatorreactores, motores de impulsos, etc. basados en motores turborreactores y basados en diferentes tecnologías de sobrealimentación. motores, dependiendo de la energía de salida, existen motores turbofan, motores turbohélice, motores turboeje y motores con ventilador de hélice.
Aunque los motores a reacción tienen un mayor consumo de combustible que los motores de pistón a bajas velocidades, su excelente rendimiento a alta velocidad les permite reemplazar rápidamente a estos últimos y convertirse en la corriente principal de los motores aeroespaciales.
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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 al cambio en el gradiente de presión, la separación de la capa límite se producirá en la parte donde aumenta el gradiente de presión (como el lado de sotavento), es decir, la capa límite que estaba Originalmente cerca del 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. Los mecanismos y procesos de las turbulencias aún no están claros. 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 fatal para un motor y tiene el potencial de provocar una parada o 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. Las hojas huecas de pulvimetalurgia se utilizan principalmente y se funden integralmente, es decir, todas las hojas y discos se funden y forman 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.
Tubo de pulverización
La forma y estructura de la boquilla (o boquilla) determinan el estado final del flujo de aire eliminado. 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 convergentes-divergentes (también llamadas 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.
Dispositivos de recombustión como los motores a reacción
Después de que el gas a alta temperatura pasa a través de la turbina, también 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.
Edite este párrafo para obtener parámetros básicos
Relación empuje-peso: La relación empuje-peso representa la relación entre el empuje del motor y el peso del propio motor. Cuanto mayor sea el empuje, mejor será el rendimiento.
Etapa del compresor: Indica cuantas etapas hay en las palas del compresor. Por lo general, cuanto mayor sea la etapa, mayor será la relación de compresión.
Etapa de turbina: ¿Cuántas etapas tiene el álabe de la turbina?
Relación de compresión: relación entre la presión del aire de admisión después de ser comprimido por el compresor y la presión antes de la compresión. Generalmente cuanto mayor sea la presión, mejor será el rendimiento.
Empuje neto máximo a nivel del mar: A nivel del mar y en condiciones en las que la diferencia de velocidad (velocidad del aire) entre el motor y el aire exterior es nula, el empuje generado por el motor funciona a máxima velocidad. Las unidades utilizadas incluyen kN (kilonewtons), kg (kilogramos) y lb (libras).
Consumo de combustible por unidad de empuje por hora: también llamado empuje específico, la relación entre el consumo de combustible y el empuje, en unidades métricas kg/N-h, cuanto más pequeño es, más eficiente es el combustible.
Temperatura frontal de la turbina: temperatura del flujo de aire de alta temperatura y alta presión después de la combustión antes de ingresar a la turbina. Generalmente, cuanto mayor sea la temperatura, mejor será el rendimiento.
Temperatura de salida de los gases: Temperatura a la que los gases de escape salen de la turbina y son descargados.
Tiempo medio entre fallas: El tiempo promedio total entre dos fallas para cada motor. Cuanto más dure, menos probabilidades habrá de que se estropee y, en general, menores serán los costes de mantenimiento.
UsoEditar este párrafo
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 de la Oficina de Diseño Liulika. 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.