¿Cómo se manejan las diferencias de temperatura en un motor a reacción?

Dado el gráfico en esta respuesta , la temperatura es bastante alta dentro de un motor a reacción, incluso mayor que el punto de fusión de muchos metales . Entiendo que la temperatura central alta es eficiente . Un motor a reacción está diseñado para funcionar durante varias horas a esas altas temperaturas.

Además, arrancar el motor (es decir, pasar de la temperatura ambiente en todo el interior del motor a más de 1500 °C en la cámara de combustión sin cambiar significativamente la temperatura en la primera etapa de compresión a baja presión) puede ser bastante estresante para el material .

Mi pregunta tiene dos partes:

  • ¿Cómo se maneja la alta temperatura, especialmente en la cámara de combustión y la turbina de alta presión? Leí en alguna parte que la turbina se puede enfriar con aire que fluye dentro de las palas, pero no puedo encontrar la referencia. También me pregunto de dónde viene este aire refrescante.
  • ¿Cómo se maneja la tensión en el material debido a los cambios de temperatura (entre el empuje total y el apagado, y tal vez cuando se cambia el empuje en pleno vuelo)?
Espero que la respuesta cubra todos los puntos. Desafortunadamente, no creo que sea factible entrar en mayor detalle, ya que estamos cubriendo los argumentos de 2-3 capítulos de un buen libro sobre turbinas de gas.
@Federico, aún puede poner algunos enlaces a esos capítulos para lecturas adicionales
Mi principal libro de texto fue "Teoría de turbinas de gas" de Saravanamuttoo, Rogers, Cohens y Straznicky. No creo que se pueda encontrar legalmente de forma gratuita en Internet, y no tengo enlaces directos.
Algo que aún no he visto mencionado: a menudo, las palas de la turbina tienen canales de aire en el interior y, a veces, una película de enfriamiento adicional en sus superficies. Consulte, por ejemplo , Aviation.stackexchange.com/questions/14454/… y en.wikipedia.org/wiki/Turbine_blade#Methods_of_cooling
@Andy se menciona en la pregunta misma: I read somewhere that the turbine can be cooled by air flowing inside the bladesy en mi respuesta (punto 2)

Respuestas (1)

1. La cámara de combustión

La temperatura aquí generalmente se controla a través del diseño de la forma de la cámara, en particular de la ubicación donde ocurre la combustión frente al flujo de aire.

Detalle de la sección de combustión

Fuente de la imagen

En la imagen de arriba puede ver que la línea de combustible (2) termina en una boquilla. La boquilla convertirá el combustible en pequeñas gotas para aumentar el área de superficie y acelerar el proceso de combustión.

En cambio, indicados con (6) están los orificios de aire principales: el aire frío proveniente del compresor (en el lado izquierdo) ingresa a la cámara con alta presión desde estos orificios. Tenga en cuenta que los agujeros están distribuidos en un patrón anular: entrará aire a alta presión desde todos los lados de la cámara.

  • El resultado es que la llama no tocará directamente las paredes de la cámara, entonces nos deshacemos de la transmisión de calor por conducción .

  • La convección no es un problema: el aire frío sigue llegando y el aire caliente entra en la turbina.

  • La transmisión de calor por radiación puede ser un problema, pero el nuevo aire entrante enfriará las paredes por conducción.

El motor puede así funcionar sin que se funda la cámara de combustión. Tenga en cuenta que el uso de materiales específicos mejora en gran medida las condiciones, ya que se pueden tolerar temperaturas más altas y, por lo tanto, se logran mejores eficiencias.

2. El aire de refrigeración de la turbina.

El aire normalmente se purga desde una etapa del compresor, generalmente una etapa de alta presión, de manera similar a como se hace con el aire utilizado para el compartimiento de pasajeros.

3. Estrés térmico

una. Término corto

Durante la duración de un vuelo, las palas se calentarán cuando se encienda el motor y se enfriarán al final del vuelo. La variación de carga intermedia no tiene un impacto significativo.

Incluso el calentamiento inicial y el enfriamiento final no plantean un problema significativo. El único efecto a tener en cuenta es que las palas calientes giratorias se alargarán un poco: se coloca un material especial en el lado estacionario opuesto para que el espacio durante el funcionamiento sea mínimo y las pérdidas debidas al aire que circula alrededor de las palas (en lugar de de entre ellos) se reducen.

b. Prolongado

El aspecto más problemático aquí es el llamado "creep": las cuchillas, después de un uso prolongado, tenderán a cambiar de forma, porque tienden a ser más maleables a altas temperaturas, exactamente cuando están bajo una carga de tracción alta. Esto se convierte en un problema durante la vida útil de un motor, no durante un solo vuelo.

Para mitigar este problema, las hojas se fabrican hoy en día como monocristales: cada hoja es un solo bloque sólido de metal y no está compuesta por muchos cristales diminutos como las herramientas de metal que usamos todos los días. Esto se debe a que, bajo carga de tracción, cada uno de los cristales puede deslizarse sobre sus vecinos (y las altas temperaturas facilitan esto) cambiando la forma de la hoja. Para visualizarlo, piensa en una goma elástica que no vuelve a su forma original.

Al tener un solo cristal evita este deslizamiento, dando más fuerza a la hoja.

¿Cuál es la temperatura típica de salida del compresor (admisión a la cámara de combustión)? Me refiero a la temperatura máxima justo antes de la combustión.
@Kozuch eso dependerá en gran medida del motor. No tengo un número listo para dar.
De hecho, estaré feliz por cualquier valor para cualquier motor. ¿Sabes dónde encontrar algunos? Mi búsqueda está fallando hasta ahora.
@Kozuch No. pero puedes intentar preguntar en el chat.
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