Origen de la fuerza de empuje en el motor a reacción

El contenido presurizado de la cámara de combustión ejerce una fuerza mayor en la pared frontal de la cámara de combustión que en la parte posterior, porque la pared posterior tiene un orificio, por lo que tiene un área más pequeña. De ahí la fuerza propulsora neta hacia adelante.

Para complementar la respuesta de Philip Wood, diría que si no hubiera boquilla, en última instancia, permitiría que los gases de escape salgan del motor más fácilmente, ya que no hay constricción, lo que significa una presión más baja en el motor. La boquilla es esencialmente una constricción en el flujo a través del motor que da como resultado una mayor presión del motor para la misma tasa de flujo másico. Por lo tanto, obtendrá una mayor fuerza de presión contra la pared trasera de la cámara de combustión. Además, la mayor fuerza de presión se refleja en un mayor índice de flujo de momento. Trate de pensar en lo que sucede cuando aprieta una manguera de jardín en el extremo, donde sale el agua, suponiendo que la tasa de flujo másico de agua permanece constante.

El compresor está introduciendo aire en el motor a reacción desde el exterior, creando un cambio en el impulso en esa masa de aire, lo que genera empuje. Sin embargo, este empuje es demasiado pequeño para ser útil.

En la cámara de combustión, se quema combustible para aviones, que cambia el aire a baja temperatura y baja presión de la etapa del compresor y el combustible para aviones a baja temperatura y baja presión, en productos de combustión a alta temperatura y alta presión. La velocidad, la temperatura y la presión de estos productos de combustión son MUCHO más altas que la velocidad, la temperatura y la presión del aire y del combustible para aviones antes de quemarse. Cuando estos productos de combustión se envían por la parte trasera del motor a reacción, llevan un impulso muy grande, lo que crea una gran fuerza de aceleración en el motor a reacción, en la dirección opuesta a los productos de combustión.

¿Alguna vez ha conectado una manguera de jardín con una boquilla ajustable? Si deja la manguera en el suelo con la boquilla completamente abierta y abre el grifo, el agua saldrá de la manguera a un ritmo lento sin retroceso perceptible. Si ajusta la boquilla para que restrinja el flujo hasta cierto punto, la manguera se moverá bajo el efecto del retroceso del agua que se emite. La diferencia entre las dos disposiciones es que cuando la boquilla restringe el flujo, el agua sale a una velocidad mucho mayor.

Un motor a reacción funciona con el mismo principio. El retroceso (o empuje) depende en parte de la velocidad de los gases expulsados ​​por la parte trasera del motor. Eso, a su vez, depende del grado en que aumenta la velocidad de los gases por el efecto restrictivo de la boquilla. El motor es capaz de impulsar un volumen determinado de gas hacia atrás cada segundo; si estrecha la abertura por la que deben pasar los gases, obliga al gas a moverse a mayor velocidad, lo que aumenta el retroceso impartido al motor. Si no tuviera tobera, los gases serían expulsados ​​por el motor a menor velocidad y así se reduciría el retroceso.

La tobera a menudo tiene un área de sección transversal más estrecha que la sección transversal promedio del motor. Podemos aplicar la ecuación de propulsión de cohetes ya que los motores a reacción o los cohetes funcionan con el mismo principio de conservación del momento:

tan claramente en la ecuación, podemos ver$v\propto u$, por lo que si aumentamos la velocidad del gas, aumentamos la velocidad de nuestro cohete/motor. Ahora el gas que fluye es fluido, por lo que podemos aplicar la ley de continuidad:

Ahora para la presión, podemos usar la ecuación de Bernoulli:

La ubicación donde se crea el empuje en un motor a reacción depende en gran medida del número de Mach de vuelo. Mientras que en el caso estático es principalmente la tobera, a velocidad supersónica más de la mitad del empuje proviene de la admisión . La clave para comprender la generación de empuje es el conocimiento de las presiones y velocidades a lo largo de la trayectoria del aire a través del motor a reacción.

De acuerdo con la ley de Bernoulli, la presión es equivalente a la energía potencial, mientras que la velocidad es equivalente a la energía cinética. Ahora dirá que Bernoulli no se aplica al flujo dentro de un motor a reacción, y eso es parcialmente correcto. Tan pronto como se realiza un trabajo externo sobre o por el fluido, Bernoulli no se aplica. Pero en el medio, cuando la presión se convierte en velocidad o viceversa, su ley explica bien lo que sucede.

A continuación, es útil saber cómo funciona esa conversión entre presión y velocidad. Mientras que a velocidad subsónica el flujo convergente reducirá la presión, aumentará la velocidad y no afectará principalmente a la densidad, a velocidad supersónica el flujo convergente aumentará tanto la densidad como la presión mientras reduce la velocidad.

Ahora eche un vistazo a una entrada supersónica: reduce la velocidad del flujo que se aproxima a través de una cascada de golpes cada vez más pronunciados (o un golpe simple y directo en las entradas de Pitot ) de modo que la velocidad dentro de la entrada se vuelve subsónica. Para mantener la turbomaquinaria giratoria en un flujo completamente subsónico, la entrada ahora se ensancha más allá de la cara de entrada para reducir la velocidad del aire a aproximadamente Mach 0,4. (En las tomas del Concorde, incluso a una velocidad de vuelo de Mach 2, la velocidad de flujo en la primera etapa del compresor era Mach 0,38). Este canal de flujo que se ensancha tiene una salida más grande y un área de entrada más pequeña. Si ahora integra el componente de presión en la dirección del vuelo sobre el área de la pared de admisión, esta área y la diferencia de presión se traducen en un empuje sustancial.

Por supuesto, todo el empuje generado por la admisión no funcionaría si no fuera por el motor a reacción que aspira todo el aire entrante. Ahora se agrega trabajo en cada etapa del compresor para que la presión aumente mientras que la velocidad del flujo es aproximadamente constante. Después de la última etapa del compresor, el difusor vuelve a desacelerar el aire comprimido, agregando un poco de empuje , de modo que el aire no apague la llama dentro de la cámara de combustión. Quemar el combustible reduce en gran medida la densidad y aumenta la velocidad del flujo mientras que la presión permanece casi constante (salvo por alguna caída de presión debido al efecto Rayleigh ). Esto aumenta la energía cinética del flujo sin afectar mucho la energía potencial. Además, lo que sucede en la cámara de combustión no tiene mucho efecto sobre el empuje.

En la turbina sucede lo contrario a lo que ocurría en el compresor: El flujo realiza trabajo sobre la turbina y la mantiene girando, perdiendo presión. La presión que queda se convierte en velocidad en la boquilla. Esta es la segunda gran fuente de empuje, similar a un cohete: el área por delante de la tobera es más grande que el área que mira hacia atrás dentro de la tobera, por lo que esta presión empuja el motor a reacción hacia adelante.

En el caso estático, la admisión y el compresor tienen que acelerar el aire, por lo que producen un poco de arrastre. Ahora, en la boquilla, la presión restante se convierte en velocidad y dado que el flujo es completamente subsónico, esto se hace en un flujo convergente. Por otro lado, si se trata de un dispositivo de poscombustión, la velocidad de salida se vuelve supersónica y el empuje se maximiza mediante el uso de una tobera convergente-divergente que agrega mucho empuje en esa sección divergente.