¿Por qué los motores de turbina tardan tanto en ponerse en marcha?

Los motores de pistón alcanzan las rpm máximas en uno o dos segundos, pero las turbinas tardan mucho más. ¿Porqué es eso?

No está claro a partir de su pregunta qué quiere decir exactamente. ¿Quiere decir el tiempo para poner en marcha un motor, o para aumentar las RPM de un motor que ya está funcionando (por ejemplo, de ralentí a máxima potencia)?

Respuestas (3)

No soy ingeniero (lo que podría ser más adecuado para responder esto), por lo que se trata de cosas simplificadas que alimentan a los pilotos:

Los motores a reacción tardan mucho más en ponerse en marcha (es decir, aumentar las RPM) que los motores de pistón, especialmente a bajas RPM debido a la relación de presión/mayor flujo de aire necesario para evitar que el compresor se detenga/sobrepase/explote cada vez que se cambia la configuración de potencia.

El ciclo del motor a reacción (simplificado) contiene un compresor que empuja el aire hacia una cámara de combustión, donde se quema, y ​​luego sopla la parte trasera girando una turbina que mueve el compresor desde donde comenzamos.

Si "agrega más potencia" (es decir, pone más combustible), le toma un tiempo a ese combustible adicional producir más empuje, lo que a su vez toma un tiempo para acelerar la turbina, lo que hará que el compresor gire más rápido, lo que finalmente traerá más aire comprimido en la cámara de combustión para utilizar todo ese combustible adicional que vertió en el paso 1.

La adición de potencia de repente aumentará la presión en la cámara de combustión, tanto que el aire que está "aguas arriba" (es decir, todavía en el compresor) no quiere avanzar. La presión adicional en la cámara de combustión no tuvo tiempo suficiente para hacer girar la turbina, por lo que ahora el compresor tiene poca potencia para seguir "empujando" el aire comprimido hacia la cámara de combustión. El aire comienza a fluir hacia atrás (es decir, desde la cámara de combustión hasta el compresor), el motor se acelera y todo se desata.

Entonces, hay un retraso (electrónicamente en estos días, los pilotos pueden pisar las palancas de confianza tan rápido como quieran) cuando los motores están a bajas RPM, el FADEC solo agrega un poco de combustible adicional, espera a que el flujo de aire se estabilice, luego añade un poco más, y así sucesivamente.

Creo que el siguiente gráfico podría explicar esto. Cada vez que cambie las RPM, aumentará la relación de presión (es decir, subirá en el gráfico), luego esperará un poco a que aumente el flujo de masa de aire (es decir, se moverá a la derecha). Si aumenta demasiado la relación de presión, sin el flujo másico que lo acompaña (que lleva un tiempo debido a la inercia), ingresará a la línea de sobretensión.

ingrese la descripción de la imagen aquí

Ocurre algo similar en el spool down, aunque más suave.

Compare esto con el motor de pistón en el que coloca más mezcla de aire/gas en el cilindro, lo que genera una explosión más grande, acelera el pistón más rápido y, en el siguiente ciclo del pistón, teóricamente puede obtener la potencia máxima.

Y los turbopropulsores toman el término medio. La turbina está siempre al 100 % de RPM y la hélice cambia de paso para mantenerla al 100 %, en respuesta a la entrada del acelerador. El paso de la pala de la hélice cambia muy rápido: menos masa para moverse menos distancia; el empuje se activa inmediatamente.
@radarbob: No es tan simple, porque los turbopropulsores tienen una hélice conectada a la turbina de baja presión y un compresor a la turbina de alta presión. Entonces, la turbina de alta presión todavía tiene que enrollarse. Afortunadamente, aunque las turbinas son independientes, mantener la de baja presión a altas rpm a través del paso de la hélice cambia las presiones para que la de alta presión también mantenga altas rpm. Y las turbinas de alta presión generalmente siempre funcionan a rpm más altas de todos modos.
Debe tenerse en cuenta que la potencia de salida del motor de pistón también está limitada por las RPM, porque un ciclo solo puede admitir una cantidad determinada de aire y, por lo tanto, quemar una cantidad determinada de combustible. Solo el margen entre el acelerador hacia abajo y el acelerador completamente abierto es mucho mayor.
@JanHudec, es posible que haya subestimado mi comentario; el cambio de cabeceo de la hélice, y por lo tanto el empuje, fue prácticamente inmediato en el avión que volé. La turbina funcionó al 100 % y la hélice gobernó para mantener el 100 % de rpm. Si las partes del motor eran diferentes, eso ciertamente no era evidente en ningún procedimiento, limitación o medida.
@radarbob: La turbina debería significar la etapa de alta presión. Supongo que la baja resistencia proporcionada por la turbina de potencia a altas revoluciones pero baja potencia puede mantener la turbina de alta presión funcionando al 100% o casi.
@JanHudec, el único indicador de la turbina era un indicador de temperatura de entrada de la turbina: la temperatura ingresaba a la sección de la turbina inmediatamente detrás de las latas del quemador. El rendimiento del motor tenía que ver con el gobierno de la hélice al 100% de rpm. Cada vez que tocaba los aceleradores pensaba en hélice, nunca en turbina.

Aquí el tipo del coche.

Básicamente, se debe a que los motores de turbina dependen de la carga del compresor para empujar los gases de escape de la cámara de combustión a través de los álabes de la turbina. El aumento de la presión en la cámara de combustión demasiado rápido puede empujar contra el flujo del lado del compresor, lo que para el motor y probablemente puede dañar las paletas del compresor.

En un motor de pistón, la potencia se genera (en su mayoría) en carreras distintas. El aumento rápido de la presión durante la carrera de potencia no hará retroceder la carga de admisión, ya que las válvulas de admisión de ese cilindro estarán cerradas en ese momento.

Y si la carga de aire/combustible se enciende demasiado pronto en un ciclo de pistón, ¡ puede destruir el motor! (Ver "tocar".)

El impulso está dado por:

METRO o metro mi norte t tu metro = METRO a s s × V mi yo o C i t y

El trabajo realizado viene dado por:

W o r k   d o norte mi = F o r C mi × D i s t a norte C mi

El trabajo realizado se mide en vatios, definidos como julios por segundo.

Sabiendo esto, puedes ver cómo se comportará una batería con una carga mayor.

Un motor a reacción tiene una masa más grande y debe alcanzar una velocidad más alta. El trabajo realizado para hacerlo también aumentará, con una batería más potente que realiza más rotaciones. La cuestión es que no es una batería proporcionalmente más grande . Si le diera a los aviones a reacción una batería realmente poderosa, el trabajo realizado sería enorme y se aplicaría mucha fuerza en muy poco tiempo (alta potencia), por lo que se iniciaría al mismo tiempo que un puntal. Sin embargo, esto sería muy ineficiente desde el punto de vista energético (debido al calentamiento), por lo que es mejor usar una batería más pequeña para que arranque durante un período de tiempo más largo.

Dan, interpreté la pregunta de manera diferente. No cuánto tarda en arrancar el motor desde parado, sino cuánto tarda un motor en ralentí en ponerse en marcha. Sí sé que los motores a reacción de primera generación tenían tiempos de espera prolongados, y los diseños modernos se ponen en marcha mucho más rápido, pero no sé la física de por qué.
Ah, bueno, se puede aplicar lo mismo. El cambio en el momento angular entre dos velocidades será mucho, mucho mayor en un motor a reacción, por la misma razón que la anterior :)
Dan, acabo de encontrar esto en el titular de un artículo en un blog de "JET POWER". "El empuje del motor es APROXIMADAMENTE proporcional a la velocidad del motor elevada a la potencia de 3,5". Si esto es correcto, significa que un motor a reacción al ralentí tiene muy poco poder excedente si la palanca de empuje se avanza completamente, hasta que el motor se enrolle. Junto con sus comentarios correctos anteriores acerca de que la masa giratoria y el momento angular son más grandes que en un motor de pistón, está claro que el jet tardará más en alcanzar la potencia máxima.
No todos los motores a reacción y no todos los motores de turbina tienen una masa mayor que los motores de pistón.
Incluso en la puesta en marcha, esta no es la única ni la principal razón. En un motor de pistón, el propio motor ayudará a girar durante el primer ciclo. Una vez que se dispare el primer pistón, el motor acelerará hasta alcanzar la velocidad de ralentí muy, muy rápidamente. De hecho, ni siquiera necesita un arranque eléctrico. Son más un artículo de conveniencia y los primeros motores de pistón no los tenían. Puede arrancar un motor de pistón simplemente encendiendo y tirando de la hélice. Una vez que se dispara el primer pistón, el motor tomará el resto desde allí.
En un motor de turbina, las cosas son muy diferentes. No es seguro comenzar la combustión hasta que los compresores ya estén funcionando a RPM relativamente altas, de modo que la combustión esté contenida dentro de la cámara de combustión. Un motor a reacción no tiene una cámara de combustión sellada como un motor de pistón. La combustión es contenida por la alta presión de aire producida por los compresores. Si esa presión de aire aún no está presente (que no está presente en un motor que no está girando), la combustión no estaría contenida y se dispararía directamente desde la parte delantera del motor. No hace falta decir que eso es malo.
Editar: en la parte relacionada con el motor de pistón, realmente debería haber dicho: "Puede arrancar un motor de pistón simplemente encendiendo la alimentación y el combustible y tirando de la hélice". Obviamente, no arranca si no le das combustible.
Oh, otro problema con respecto a los motores de turbina: por lo general, no usan arranques eléctricos en absoluto. Se ponen en marcha con corrientes de aire externas a alta presión (ya sea purgando aire de una APU o de un motor que ya está funcionando o de un carro de arranque). Consulte esta pregunta: ¿Cómo se ponen en marcha los motores de turbina? .
Aunque esta pregunta/respuesta es antigua: el trabajo se mide en Joule (o NewtonMeters o WattSeconds). La potencia se mide en vatios. Un ser humano puede tirar de un peso de 100 kg a una distancia de 100 m en varios minutos, mientras que un automóvil puede hacerlo en unos segundos. El trabajo es el mismo, pero el poder define el tiempo necesario.
Esta respuesta no tiene ningún sentido. Intenta explicar el comportamiento de los motores de turbina sin usar ninguna propiedad real de los motores de turbina, por lo que no es posible que sea correcto. ¿Y cuál es la relación de una batería con la fuerza, el trabajo o los motores de turbina?
El motor a reacción tiene una masa más pequeña que el motor de pistón de la misma potencia.
¿Por qué los motores de turbina tardan tanto en ponerse en marcha?
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