¿POR QUÉ funciona un motor a reacción?

Parte de la energía de la expansión se utiliza para hacer girar la turbina que alimenta el compresor.

Y en algunos motores hace girar la turbina que tiene un gran ventilador conectado al otro extremo. El motor produce más potencia de la necesaria para funcionar por sí mismo.

En el interior del motor, todo es un equilibrio de presiones muy cuidado. Básicamente, el trabajo que realizan las válvulas en un motor de pistón lo realiza una cuidadosa ingeniería en una turbina, que es una de las razones por las que cuestan tanto. El flujo de entrada a la cámara de combustión equilibra el flujo de salida a la turbina de potencia hasta el punto en el que quiere ir de esa manera; si se desequilibra un poco, tendrá paradas ruidosas como se ve en el video de referencia.

Hay algunos puntos que mencionaré, pero en primer lugar, un motor a reacción NO es autosuficiente. Se necesita la entrada de combustible para seguir funcionando. El combustible es la fuente de energía que lo mantiene funcionando. Ahora veamos un poco la mecánica, para simplificar las cosas, usaré un estatorreactor en lugar de un jet accionado por turbina, ya que la compresión está a cargo de la forma simple del motor, sin partes móviles. Supongamos que el chorro se está moviendo (los chorros de ariete no funcionan a velocidad cero).

1. Cuando el motor es empujado hacia adelante, el aire entra por la parte delantera
2. La forma de la boquilla comprime (aprieta) el aire
3. El combustible se mezcla con el aire (igual que en un carburador)
4. La mezcla aire/combustible entra en la cámara de combustión
5. La mezcla de aire/combustible se enciende
6. La mezcla encendida se expande y se dirige fuera de la espalda
7. El motor (como resultado de la tercera ley de newton) se mueve hacia adelante (reacción opuesta) 7b. El encendido de aire/combustible contenía suficiente energía no solo para mover el motor sino también la nave. Energía total = Energía para impulsar el motor + Energía para mover el objeto
8. La fuerza de avance hace que el aire entre en la parte delantera del motor.
9. Volver al paso 1.

Para que todo esto funcione, la energía de salida debe ser mayor que la energía necesaria para comprimir el aire. Esta energía proviene del combustible que se agrega a la mezcla. El combustible para aviones tiene alrededor de 46 MJ/Kg .

En el caso de un motor de turbina simplemente introducimos un mecanismo compresor. En lugar de depender de la forma del motor para comprimir el aire, parte de la energía de salida se sacrifica para hacer girar (y operar) el mecanismo del compresor. Cabe señalar que la forma también influye en los chorros de turbina.

Básicamente, la energía liberada por la quema de combustible se utiliza para comprimir y acelerar el flujo de aire a través del motor. Si bien observa correctamente que las turbinas extraen parte de esa energía del flujo de aire y la usan para mantener el motor en marcha, esta es una fracción relativamente pequeña. Dado que acelerar el aire hacia atrás produce una fuerza de dirección opuesta de igual magnitud en el motor mismo, se aplica una gran fuerza hacia adelante al motor, que luego se usa idealmente para acelerar el avión hacia adelante y/o contrarrestar las fuerzas aerodinámicas de arrastre en el avión en para mantener la velocidad durante el vuelo.

En cuanto a por qué el flujo permanece de adelante hacia atrás a través del núcleo de un motor de turbina, esto tiene que ver con qué lado está aplicando más fuerza al flujo de aire. Las etapas del compresor están diseñadas para producir más fuerza en el aire que las etapas de la turbina, por lo que la aceleración neta en el aire es hacia la parte trasera del motor. Esta pregunta cubre el tema del flujo de aire a través del motor más a fondo. Esta pregunta en Physics.SE también aborda este tema.

La Tercera Ley del movimiento de Newton establece que "Por cada fuerza de acción, existe una fuerza de reacción igual y opuesta". Entonces, si el escape se expulsa por la parte trasera de un motor a reacción con 40,000 lbs. de fuerza, hay 40,000 lbs. de fuerza empujando el jet, y el avión al que está conectado, en la otra dirección.

La razón por la que es autosuficiente es que se utiliza una cantidad considerable de energía (alrededor del 75 % del aumento total de la entalpía del aire que se mueve a través de la turbina de gas) para alimentar la sección del compresor del núcleo de gas. El 25% restante más o menos de la potencia disponible se convierte en velocidad mediante una tobera para crear un empuje reactivo (turborreactor) o para accionar una turbina de potencia que acciona un ventilador canalizado, o una caja de cambios reductora que acciona una hélice o un tren motriz (turboventilador). , turbohélice, turboeje).

Ahora bien, este proceso requiere que el núcleo del motor funcione a una velocidad muy alta para proporcionar suficiente energía para sostener la sección del compresor del núcleo de gas. Por lo general, cuando se inicia, el núcleo de gas se debe girar mediante un arrancador eléctrico o neumático a alrededor del 12-20 % de su velocidad máxima de funcionamiento antes de que se introduzca combustible durante el proceso. Demasiado lento, y el proceso de combustión no sostendrá y acelerará el núcleo a una velocidad de ralentí típica de alrededor del 60%. Peor aún, este giro se retrasará o retrasará (arranque colgado), lo que puede sobrecalentar y dañar permanentemente la sección caliente de un motor de turbina. Los pilotos siempre desconfían de esto y observarán las temperaturas del motor como un halcón a medida que se introduce combustible durante el proceso de arranque. Es el único talón de Aquiles de un tipo de motor de avión sólido y fiable como una roca.

El calor del combustible quemado significa que el volumen de gases de escape es mayor que el volumen de aire y combustible. Dado que el trabajo que puede realizar un fluido presurizado depende de la presión y el volumen, el trabajo que pueden realizar los gases de escape es mayor que el trabajo necesario para bombear el aire y el combustible al motor.

Después de eso, se convierte en una cuestión de ingeniería cuidadosa hacer que la turbina y el compresor funcionen lo suficiente en todo el rango operativo del motor.