¿Por qué el motor J58 del SR-71 tiene un difusor después del pico de entrada?

En general, un compresor no puede funcionar de manera eficiente a velocidad supersónica debido a las ondas de choque, el papel del cono de entrada y el difusor es reducir la velocidad del aire por debajo de Mach 1. Existe una necesidad similar de un estatorreactor, para que la combustión pueda ocurrir dentro del motor. y producir empuje.

La posición del cono y la geometría del difusor se ajustan de acuerdo con la velocidad del aire. La forma general del difusor es divergente.

A partir del principio de Bernoulli , el difusor disminuye la velocidad y aumenta la presión de acuerdo con:

$\frac 1 \rho \; dp = - \mathrm V\;d \mathrm V$donde$\rho$es la densidad del aire.

Mire este video: Boquillas convergentes y divergentes para obtener más detalles sobre cómo se ven afectadas la presión y la velocidad en una boquilla/un difusor. Aquí hay un resumen:

El J58 es un turborreactor dentro de un estatorreactor. La sección delantera del motor tiene un papel complejo. Se adapta a un amplio rango de velocidad (0 a Mach 3,2) y altitud (0 a 85.000 pies), y modifica el flujo de aire para que funcione como turborreactor o estatorreactor, según la velocidad del aire.

^{Ajuste simplificado del flujo de aire ( fuente ).}

Mecanismo real utilizado en diferentes rangos de velocidad aerodinámica en el J58: ^{( Fuente )}

En realidad, la tarea del difusor era crear empuje. ¿Suena extraño? ¡Entonces sigue leyendo!

A velocidad supersónica, el pico delante de la entrada creará una cascada de choques cada vez más pronunciados para reducir la velocidad y comprimir el aire. En el interior, la sección transversal se estrecha aún más hasta que el flujo se desacelera por debajo de Mach 1 en un choque recto final. Este es el punto de la sección transversal más pequeña, llamada garganta. Caer a una velocidad subsónica cambia fundamentalmente el comportamiento del flujo.: Cuando antes, a velocidad supersónica, disminuía la velocidad en un perfil de sección transversal más estrecho, ahora necesita un perfil de sección transversal más amplio para reducir aún más la velocidad. A medida que disminuye la velocidad, la energía cinética del flujo se convierte en presión, por lo que en la cara del compresor el flujo es solo Mach 0,4 rápido, pero tiene casi 40 veces la presión ambiental. Tenga en cuenta que se trata de la relación de presión de los motores a reacción modernos como el F120 o el GE90 y muy por encima de las relaciones de presión de los turbocompresores de la era de 1950.

Al mover el cono, la posición de la garganta se ajusta de manera que la admisión funcione en todo el rango de velocidad de vuelo. De subsónico a Mach 3.2, el área de captura aumenta en un 112 %, mientras que el ancho de la garganta se reduce al 54 % de su valor subsónico.

El difusor es necesario para reducir la velocidad de la región subsónica del flujo de entrada. Al mismo tiempo, se llena con aire a alta presión que empuja sus paredes. La presión que actúa sobre el área de proyección en la dirección del vuelo contribuye con la mayor parte del empuje total del J58. El trabajo del motor es succionar el aire en el difusor y eventualmente acelerarlo de regreso a la velocidad de vuelo y más. Sin el motor, la misma presión actuaría sobre la pared trasera del difusor y causaría un arrastre masivo; el motor tuvo que bombear todo ese aire para evitar que esto sucediera.

Creo que la afirmación del 80% de empuje que se hace en esta página no es del todo cierta, pero ilustra el punto.

En un crucero de Mach 3.2, el sistema de admisión en sí mismo proporcionó el 80 por ciento del empuje y el motor solo el 20 por ciento, lo que convirtió al J58 en realidad en un motor turbo-estatorreactor.

Un poco más abajo, nos presenta números más creíbles:

A Mach 3, la entrada en sí produce el 54% del empuje total a través de la recuperación de presión, el motor contribuye solo con el 17% y el sistema eyector con el 29%. La relación de compresión en crucero es de 40 a 1.

Además, la razón para llamarlo turbo-estatorreactor es en realidad diferente, como se indica en esta página :

Los motores Pratt & Whitney J58 del SR-71 eran bastante inusuales. Podrían convertirse en vuelo de ser en gran parte un turborreactor a ser en gran parte un estatorreactor asistido por compresor. A altas velocidades (por encima de Mach 2,4), el motor usaba paletas de geometría variable para dirigir el exceso de aire a través de 6 tuberías de derivación desde la parte inferior de la cuarta etapa del compresor hasta el postquemador. El 80 % del empuje del SR-71 a alta velocidad se generaba de esta forma, lo que proporcionaba un empuje mucho mayor, mejoraba el impulso específico entre un 10 % y un 15 % y permitía un funcionamiento continuo a Mach 3,2. El nombre acuñado para esta configuración es turbo-estatorreactor.

Tenga en cuenta que todos los diagramas que muestran el flujo de aire desde el difusor directamente al postquemador no lo hacen del todo bien: se necesitaba algo de aire para enfriar, pero también estaban involucradas las primeras cuatro etapas del compresor , y el resto del La maquinaria turbo también tenía que estar trabajando a Mach 3.2 para suministrar torque al compresor. El J-58 tomó aire comprimido del compresor en la etapa 4 y lo condujo directamente al flujo detrás de la turbina. Esto enfrió la corriente de escape que ingresaba al posquemador, por lo que la temperatura inicial allí era más baja y la densidad más alta, lo que aumenta la eficiencia y el empuje. Vea los gruesos tubos negros en la imagen J58 a continuación ( fuente ) - aquellos que conducían el aire comprimido al postquemador.

Todas las tomas supersónicas utilizan este principio: Consulte a continuación un desglose de las contribuciones de empuje dentro del motor y la góndola Olympus 593 del Concorde:

Sección transversal de la góndola del Concorde y descomposición del empuje ( fuente de la imagen )

La razón del difusor es esta... el pico reduce la velocidad del aire a subsónico alrededor de Mach .8. El difusor reduce aún más la velocidad del aire a alrededor de Mach 0,4 antes de ingresar a la entrada del motor. Es el mismo concepto que una manguera de agua a presión que va de 1/2” a 2”. Permitir que el aire se expanda lo ralentiza pero mantiene la presión por puro volumen. Fui mecánico de motores a reacción durante 10 años (no en el SR) y me encanta hablar sobre este increíble sistema de motor. Estoy feliz de compartir cualquier información que he aprendido sobre esto.