¿Cómo enfrían los motores a reacción el gas en la zona de combustión?

Está el hecho de que los gases calientes de la combustión en realidad se enfrían en la cámara de combustión. El enfriamiento de la turbina no es suficiente para mantener la temperatura adecuada para el álabe de la turbina (~1700 C).

La figura de arriba (tomada descaradamente de Aircraft Propulsion ) muestra claramente el mecanismo de enfriamiento en la cámara de combustión (CC). El 12% del aire que sale del compresor se utiliza principalmente para la combustión y el resto del aire se utiliza para enfriar los gases calientes. La temperatura de la zona primaria donde se enciende el combustible puede ser superior a 2000 C. El enfriamiento se realiza mediante enfriamiento por película, transpiración y choque. El 20 % del aire de la zona primaria se utiliza para mejorar la eficiencia de la combustión y la estabilidad de la llama, mientras que (40 %+20 %=60 %) del aire de la zona de dilución se utiliza para mantener la temperatura de entrada de la turbina deseada.

Ahora volvamos a tu pregunta:

¿El aire de enfriamiento proviene del aire central o proviene de algunos conductos hacia la zona de combustión?

• El aire central solo se usa para enfriar.

¿El aire de enfriamiento es bombeado por algo (aparte de las etapas del compresor) cerca del núcleo?

• El aire de refrigeración solo es bombeado por el compresor.

¿El aire de enfriamiento es redirigido turbulentamente por alguna geometría dentro de la zona de combustión?

• La figura anterior responde claramente a esta pregunta.

¿Se expande el aire de enfriamiento para lograr un enfriamiento adiabático (nuevamente, solo pregunto dentro de la zona de combustión)?

• Como ya se mencionó, el enfriamiento se realiza por transpiración, película y enfriamiento por impacto.

¿El combustible circula alrededor del núcleo para actuar como refrigerante (como los motores de cohetes)?

• No, el combustible no se usa para enfriar como en un motor de cohete. Es ineficiente ya que el combustible no se almacena a temperatura criogénica.

Su fuente sobre la temperatura de la llama es válida para una mezcla estequiométrica. Esto significa que todas las moléculas de oxígeno se combinarán con carbono e hidrógeno, de modo que teóricamente puede tener lugar una conversión completa en H₂O y CO₂.

Las turbinas de gas reales, sin embargo, funcionan con una cantidad bastante grande de exceso de aire, por lo que producen cantidades comparativamente grandes de óxidos de nitrógeno. Esto también significa que la energía de la combustión no solo calienta las moléculas involucradas en el proceso de combustión, sino también otras moléculas de oxígeno que permanecerán o reaccionarán con el nitrógeno. Este exceso de oxígeno es lo que permite que funcionen los dispositivos de poscombustión: si todo el oxígeno ya se agotara en la cámara de combustión, no quedaría nada para el dispositivo de poscombustión.

Este exceso de aire se usa para la dilución y como agente refrigerante, y al ser forzado a través de orificios o una estructura porosa en las latas de combustión individuales o los revestimientos de una cámara de combustión anular enfría la estructura que define la cámara de combustión. Para citar Wikipedia :

… los combustores están cuidadosamente diseñados para mezclar y encender primero el aire y el combustible, y luego mezclar más aire para completar el proceso de combustión.

y más abajo, en el apartado del liner:

… aunque se utilizan aleaciones de alto rendimiento, los revestimientos deben enfriarse con flujo de aire.

El gas no se enfría antes de la entrada de la turbina. Cualquier intento de enfriar el gas, con la disminución de la eficiencia del motor. La mayoría de los motores modernos tienen temperaturas de entrada a la turbina de aproximadamente 3600° F. Esto es demasiado caliente para que las aleaciones convencionales utilizadas para fabricar el estator de las cubetas del rotor mantengan un límite elástico aceptable, por lo que los ingenieros se han visto obligados a utilizar las siguientes técnicas para fabricar componentes de la sección caliente .

• Fabricación de piezas a partir de materiales cerámicos exóticos o híbridos cerámicos que ofrezcan las propiedades materiales requeridas a estas temperaturas.

• Fabricación de piezas a partir de metales exóticos como el níquel, cobalto, molibdeno, titanio o aleaciones de estos.

• Exóticas técnicas de fundición de monocristales que ofrecen propiedades materiales superiores a los procesos de fabricación convencionales.

• Capas límite de aire sangrado: el aire sangrado se extrae del HPC y sale de la carcasa de la turbina, los estatores y los rotores a través de pequeños orificios perforados con láser en la superficie de las piezas, envolviendo efectivamente la pieza en una capa límite de aire más frío, evitando que se produzca gas caliente. contacto con las cuchillas.