¿Cómo quema combustible un motor a reacción cuando no está en un dispositivo de poscombustión?

La forma habitual de quemar combustible es no utilizar un dispositivo de poscombustión. El dispositivo de poscombustión es una opción que se agrega aguas abajo de un motor normal para aumentar su empuje temporalmente. Es una alternativa interesante a equipar el avión con un motor más grande. Sin embargo, el empuje adicional que ofrece es muy caro.

La forma normal de quemar combustible implica una cámara de combustión alimentada por un compresor de aire. El dispositivo de poscombustión puede funcionar sin compresor porque utiliza aire del motor aguas arriba.

Dividiré mi respuesta en dos secciones: la cámara de combustión normal y el dispositivo de poscombustión.

1. Combustor normal, por ejemplo, para un turboventilador

Hay cuatro pasos en el motor a reacción, cada uno de los cuales ocurre en una sección diferente:

• Compresión de aire en el compresor.
• Mezcla de aire y combustible en la cámara de combustión, y mezcla de combustión.
• Expansión de gas caliente en la turbina para producir energía.
• Liberación de gases en el escape.

Además este motor, que es un turboventilador, tiene un gran ventilador para generar empuje. Un ventilador es como una hélice. De izquierda a derecha: ventilador, compresor, cámara de combustión, turbina, escape:

^{Motor CFM56-5, fuente}

El aire se comprime para almacenar una gran cantidad y permitir que se queme más combustible. Cuanto más combustible se quema por unidad de tiempo, mayor es la potencia del motor.

El aire y el combustible se inyectan en una cámara de combustión, que puede ser de varios tipos, en este ejemplo se trata de un conducto anular con boquillas de combustible individuales.

Cada boquilla de combustible rocía combustible en un área de la cámara. El aire del compresor se dirige a esta área para crear la mezcla. La combustión se produce en el conducto anular.

Hay encendedores para iniciar la combustión, luego el gas se quema continuamente y como la temperatura es extremadamente alta (1.700°C para este motor), la combustión es espontánea. Los encendedores se pueden apagar, mantener activos o configurar para que se reactiven automáticamente en caso de que se apague (a elección de la tripulación).

El conducto anular está hecho de revestimientos con cientos de orificios. El aire también ingresa a los orificios para crear remolinos en la cámara de combustión y mejorar la dilución del combustible, y para enfriar los revestimientos, ya que esta sección es la más caliente del motor y los materiales están cerca de su límite de temperatura.

^{Motor CFM56-5, fuente}

El gas producido por la combustión se dirige a las etapas de la turbina. La turbina gira, movida por la velocidad del gas. La función de la turbina es extraer energía del gas caliente para hacer girar el compresor y el ventilador.

En este motor, el ventilador simplemente empuja el aire hacia atrás. Este aire acelerado crea empuje por reacción (80%). El motor central también produce una pequeña cantidad de empuje cuando se libera gas en el escape (20%).

Una explicación más completa en este vídeo . Detalle de la cámara de combustión:

^{Cámara de combustión CFM56-3, fuente}

2. Afterburner (post-combustión)

El postquemador es un segundo quemador, pero funciona solo en el flujo caliente de un motor a reacción aguas arriba, es un complemento de este motor.

Afterburner racional

Como se muestra en la diapositiva de la NASA proporcionada en la respuesta de OragnicMarble, el empuje en los motores aeronáuticos se crea aumentando el impulso del aire , el producto de la masa por la velocidad. No importa si una masa grande se acelera en una cantidad pequeña o una masa pequeña se acelera en una cantidad grande. Sin embargo, acelerar un poco si es económicamente más eficiente, es por eso que los fabricantes usan un ventilador más grande para producir un empuje más grande en lugar del mismo ventilador con una velocidad más alta.

Hay casos en los que se requiere un empuje adicional solo en momentos específicos y en los que no es deseable un motor más grande (peso y tamaño). Para ellos tiene sentido aumentar un poco más la velocidad del aire y mantener la masa sin cambios. El afterburner brilla en este nicho.

El principio es tomar la masa de gas después de la salida normal del motor y recalentarla para aumentar su presión. La energía es nuevamente combustión de combustible con oxígeno todavía presente en el gas. No se requiere que el compresor aumente la masa de aire a quemar. Como no hay compresor, la turbina también se puede quitar. Entonces, en efecto, un dispositivo de poscombustión es una solución muy simple.

^{Concepto de poscombustión del motor}

Este calor adicional expande el gas, aumentando su presión, y una segunda boquilla convierte la presión adicional en velocidad.

Los posquemadores tienen muchas desventajas: ruido, llamas e ineficiencia ( alrededor de 5 veces más combustible que una cámara de combustión normal). No se utilizan en la aviación civil, excepto en el Concorde y el Tu-144, los únicos aviones civiles supersónicos. La postcombustión se utilizó para el despegue y para acelerar a una velocidad supersónica.

^{Afterburner en motor Olympus 593 (Concorde), fuente}

Otro artículo de la NASA te muestra el diagrama que necesitas.

Puede ver los dos lugares donde se puede inyectar combustible, antes y después de la turbina. Como usted dice

hay dos fases separadas para agregar combustible a la corriente de aire

La respuesta básica es sí. El combustible se quema en la sección principal para generar empuje (y accionar un ventilador en ese tipo de motor), y mantener el ciclo de compresión/combustión en marcha, y para que funcione correctamente (no se derrita), la mayor parte del aire que quedó comprimido por el La sección del compresor se usa para controlar los límites de la llama dentro de la lata del quemador y enfriar el motor. Tal vez solo entre un tercio y la mitad del flujo de masa que ingresa al quemador en el motor central realmente se quema, es decir, se consume oxígeno; el resto es para control de llama y enfriamiento y se mezcla con el aire quemado que ingresa a la turbina.

Entonces, el aire que sale de la sección de la turbina del motor central todavía tiene la mayor parte de su contenido de oxígeno. El dispositivo de poscombustión simplemente se aprovecha de esto descargando más combustible para usar el resto del oxígeno y obtener una bonificación de empuje mientras el aire aún está comprimido. Un dispositivo de poscombustión es una especie de estatorreactor atascado en el extremo del motor normal, excepto que no necesita alta velocidad para obtener el efecto de ariete; el motor principal proporciona el efecto de ariete, así como suficiente oxígeno para que funcione.

Entonces, ¿significa que hay dos fases separadas para agregar combustible a la corriente de aire, la primera (obligatoria) para el funcionamiento normal y la segunda (opcional) para el postquemador?

Sí.

La diferencia clave es que el quemador normal está entre el compresor y la turbina, pero el postquemador es el último elemento en la parte trasera del motor. Eso significa que el quemador regular tiene que operar a una temperatura que no destruya la turbina. Esto significa que los quemadores de chorro funcionan pobremente, los gases de escape todavía contienen mucho oxígeno.

Los postquemadores pueden funcionar mucho más calientes, lo que significa un mayor empuje para un tamaño/peso de motor determinado. La compensación es que su eficiencia de combustible es horrible.