¿Por qué hay una caída de presión en la sección de combustión de un motor a reacción?

Esta imagen, a la que se hace referencia en esta pregunta , muestra en verde el valor de la presión en un motor a reacción:

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La sección de combustión entre el compresor y la turbina es donde se inyecta el combustible, se mezcla con el aire y se quema. ¿Por qué hay una caída de presión mientras se produce la combustión y la temperatura aumenta repentinamente en 1500 °C (para compararlo con el aumento de presión después de la ignición en un motor alternativo)?

Respuestas (5)

El aire se mueve¹ en la dirección de la presión decreciente excepto donde lo fuerza el compresor. Por lo tanto, la presión debe disminuir para mantener el flujo deseado. Si la presión aumentara, el flujo se detendría y se invertiría y el motor dejaría de funcionar.

De hecho, eso es exactamente lo que sucede si se agrega combustible demasiado rápido: la energía aumenta rápidamente, pero la turbina que sigue girando lentamente ofrece demasiada resistencia, por lo que la presión aumentará por encima de lo que el compresor puede proporcionar y el compresor se detendrá, el motor emite un fuerte estallido y algunas llamas desde ambos extremos y probablemente se apague cuando se quede sin oxígeno por un momento.

Como ya se explicó, en el flujo normal la energía liberada aumenta la velocidad del flujo en lugar de la presión.

¹ Más precisamente acelera. Si la presión fuera constante, seguiría moviéndose. Pero no debe subir. Disminuye ligeramente debido a la fricción.

Idealmente, en el ciclo brayton, el proceso es una adición de calor a presión constante y el hecho de que la cámara de combustión se deje abierta permite que se expanda, por lo que la presión no aumenta. Pero también escuché que las cámaras de combustión en los motores de turbina de gas están diseñadas considerando el flujo como Flujo de Rayleigh. Y en un flujo de Rayleigh para el caso subsónico, la presión estática y de estancamiento disminuye durante la adición de calor. Entonces, ¿el flujo es flujo de Rayleigh?
@AbhishekPallipparagopakumar: Parece, en primera aproximación: " Las cámaras de combustión dentro de los motores turborreactores suelen tener un área constante y la adición de masa de combustible es insignificante. Estas propiedades hacen que el modelo de flujo de Rayleigh sea aplicable para la adición de calor al flujo a través de la combustión ". En la cámara de combustión anular, la caída de presión es de alrededor del 2%, principalmente debido a la fricción (en frío). Fuente (pág. 66)
@mins sí, tienes razón. En otra sesión de preguntas y respuestas, descubrí que el flujo de Rayleigh es aplicable y el hecho de que la adición de masa sea muy pequeña respalda claramente la suposición. Aunque en realidad estaba confundido acerca de que la caída de presión que ocurre en la cámara de combustión se atribuye únicamente a las caídas por fricción o la caída de presión durante el flujo de Rayleigh tiene algo que ver. De las preguntas y respuestas tiene una parte.
@AbhishekPallipparagopakumar: Eso es lo que entiendo. Mismo documento, p.70: “ La adición de calor provoca una disminución de la presión de estancamiento lo que se conoce como efecto Rayleigh y es crítico en el diseño de sistemas de combustión ”. Según Farokhi , el rango de pérdida de presión para la liberación de calor es del 0,5 al 1 %, la pérdida por "fricción" (frío) es del 4 al 7 % para algunas cámaras de combustión.
@mins Acabo de leer rápidamente algunas páginas del texto (las matemáticas son demasiado complejas para permitirse el lujo) y, si no me equivoco, la pérdida de presión debido a la adición de calor aumenta a medida que aumenta la velocidad del flujo y la presencia de un difusor para garantizar Mach bajo en la entrada de la cámara de combustión mantiene las pérdidas de calor comparativamente bajas. También utilizaron la ecuación de Bernoulli, asumiendo que el flujo es incompresible dentro de cc y determinaron las pérdidas de presión en caliente.
@AbhishekPallipparagopakumar: Yo también leí eso. El primer documento explica cómo determinar " Número de Mach, presión y temperatura del gas a la salida y [...] la pérdida de presión por estancamiento durante el calentamiento ", página 76, problema 2.14. Si bien hay ecuaciones, el razonamiento está bien explicado y se puede entender sin las ecuaciones. Supongo que esta pérdida es bienvenida para mantener la presión dentro de los revestimientos más baja que en la caja de la cámara de combustión, para permitir que el aire de enfriamiento/remolino cruce los orificios del revestimiento y evite que el gas caliente salga de los revestimientos, pero eso es solo una suposición.
@AbhishekPallipparagopakumar: Otro artículo interesante .
Tenga cuidado, también existen cámaras de combustión que ganan presión, en investigación y pruebas, no comercialmente en turbinas de gas.

La pregunta a la que se vinculó contiene la respuesta a su pregunta:

la pequeña caída de presión en la cámara de combustión es causada por la fricción

@mins: tiene un volumen restringido en un motor de pistón, mientras que el volumen dentro de la cámara de combustión está abierto en la parte trasera. Por supuesto, hay algunas palas de turbina en el camino, pero en general, el diseño del motor a reacción consiste en restringir el flujo más en la parte delantera y menos en la parte trasera, para que el aire sepa en qué dirección fluir .

La pérdida de presión en la cámara de combustión se atribuye a dos causas:

  1. Fricción (con el liner), mezcla y turbulencia
  2. El aumento de temperatura debido a la combustión del combustible. Esta pérdida de presión se denomina “pérdida de presión fundamental”. Un aumento de la temperatura provoca una disminución de la densidad y, por tanto, un aumento de la velocidad local del flujo. Las pérdidas de presión son proporcionales al cuadrado de la velocidad del flujo.

En un motor alternativo, los gases quedan atrapados hasta que se abre la válvula de escape, a diferencia de un motor a reacción donde es un escape abierto. En un cilindro los gases no se aceleran. Entonces, v sube en un jet, p sube en un cilindro de motor. Aumento de temperatura en ambos.

Como dijo otra persona, el aumento de velocidad no debe estar relacionado con la pérdida de presión, ya que cuando decimos "pérdida de presión", nos referimos a la pérdida de estancamiento/presión total, no a la presión estática. Entonces, si la velocidad aumenta isoentrópicamente, la presión total seguirá siendo la misma. La pérdida de presión (total) en la cámara de combustión se debe principalmente a procesos generadores de entropía como la fricción y la turbulencia.

¿Por qué hay una caída de presión en la sección de combustión de un motor a reacción?
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