¿Por qué los gases en la cámara de combustión solo fluyen en una dirección hacia la turbina de gas en un motor a reacción?

En realidad, no es tan simple garantizar la velocidad adecuada del gas en una turbina de gas. En el compresor, desea limitar la velocidad del flujo sobre las paletas del compresor al rango subsónico alto, por lo que la entrada tiene que desacelerar el flujo hasta aprox. Mach 0,4 - 0,5. Menos significaría menos rendimiento y, en consecuencia, menos empuje.

Esta velocidad, sin embargo, es demasiado alta para el encendido. El combustible necesita algo de tiempo para mezclarse con el aire comprimido , y si la velocidad de flujo es alta, su cámara de combustión se vuelve muy larga y el motor se vuelve más pesado de lo necesario. Por lo tanto, la sección transversal que va desde el compresor hasta la cámara de combustión se ensancha cuidadosamente para ralentizar el flujo de aire sin separación (consulte la sección a continuación denominada "difusor"). Alrededor de los inyectores de combustible encontrará la velocidad de gasolina más baja de todo el motor. Ahora la combustión calienta el gas y hace que se expanda. La presión más alta en todo el motor está justo en la última etapa del compresor; a partir de ahí, la presión solo cae a medida que avanza. Esto asegura que no sea posible ningún reflujo hacia el compresor. Sin embargo, cuando el compresor se detienes (esto es como un ala calada: las paletas del compresor son pequeñas alas y tienen las mismas limitaciones), no puede mantener la presión alta y se obtiene un flujo inverso. Esto se llama una oleada .

El siguiente gráfico muestra valores típicos de velocidad de flujo, temperatura y presión en un motor a reacción. Hacer esto bien es tarea del diseñador del motor.

Gráfico de parámetros de flujo del motor a lo largo de un turborreactor (imagen tomada de esta publicación)

La parte trasera del motor debe bloquear el flujo del gas en expansión menos que la parte delantera para asegurarse de que continúe fluyendo en la dirección correcta. Al mantener constante la sección transversal de la cámara de combustión, el diseñador del motor asegura que el gas en expansión acelerará, convirtiendo la energía térmica en energía cinética, sin perder su presión (la pequeña caída de presión en la cámara de combustión es causada por la fricción y el efecto Rayleigh ). Ahora el flujo acelerado golpea la turbina y la presión del gas cae en cada una de sus etapas, lo que nuevamente asegura que no se produzca un reflujo. La turbina tiene que tomar tanta energía del flujo como sea necesario para hacer funcionar el compresor y las bombas y generadores adjuntos sin bloquear demasiado el flujo.

La presión restante se convierte nuevamente en velocidad en la boquilla . Ahora, el gas sigue estando mucho más caliente que el aire ambiente y, aunque el flujo al final de la boquilla sigue siendo subsónico en los motores de los aviones modernos, la velocidad real del flujo es mucho mayor que la velocidad de vuelo. La diferencia de velocidad entre la velocidad de vuelo y la velocidad de salida del gas en la tobera es lo que produce el empuje .

Los motores de combate suelen tener un flujo supersónico al final de la boquilla, lo que requiere una forma y un ajuste cuidadosos del contorno de la boquilla. Lea todo sobre esto aquí .

El aire en el compresor se comprime y se mueve corriente abajo hacia la sección de combustión. La combustión no crea suficiente presión para superar todo eso, y hay una presión más baja a medida que el aire se expande a través de las secciones de la turbina.

Cuando la presión en la sección del compresor cae demasiado, las llamas de combustión se expanden en ambas direcciones. Esto se denomina " sobrecarga del compresor ".

Descargo de responsabilidad: ¡Es posible que haya pasado varias horas en Wikipedia en un momento tratando de responder esta pregunta por mí mismo!

Los motores a reacción utilizan el ciclo Brayton, que es un proceso "isobárico" durante la combustión, lo que significa que mantiene la presión constante durante esa fase. Esto contrasta con el ciclo Otto de un motor de pistón de cuatro tiempos típico, que es "isocórico" durante la combustión, lo que significa que mantiene el volumen constante durante esa fase.

El ciclo Brayton consta de 3 partes, de las cuales la combustión se produce en el medio

1. El aire entrante se comprime. Esto requiere trabajo que es suministrado por una turbina al final del ciclo mientras el motor está funcionando o un motor externo cuando arranca el motor. Esto eleva la presión del aire (disminuyendo el volumen).
2. El combustible se mezcla con el aire y se enciende. Este es un proceso continuo (a diferencia de los motores de pistón). Este proceso es "presión constante", que es la parte sobre la que está preguntando. No es intuitivamente obvio por qué, así que lo profundizaremos en la siguiente sección. El resultado final es un mayor volumen de aire a la misma presión que la entrada a la cámara desde el compresor.
3. El aire pasa a través de una turbina en una forma que disminuye la presión de la presión comprimida a la presión atmosférica. Utiliza esta turbina para hacer funcionar el compresor. Todo el diferencial de presión que no se necesita para accionar el compresor se utiliza para acelerar el aire hacia atrás para proporcionar empuje.

Entonces, ¿cómo funciona esto de la "presión constante"? Trate la cámara de combustión como una especie de caja por un momento. Ya sea que haya combustión o no, generalmente habrá una presión constante dentro de la caja. El aire está siendo empujado por el compresor, con cierta velocidad y presión. Si la turbina al final de la cámara puede "disponer" del aire a una velocidad lo suficientemente alta, puede mantener la presión en el otro extremo de la cámara igual a la del extremo delantero.

Entonces, ¿cómo esta cosa de "presión constante" realmente evita que el frente de la llama avance? El truco es que el frente de la llama intenta avanzar, pero la velocidad del aire a través de la cámara coincide con la velocidad del frente de la llama, manteniéndola en un lugar constante en la cámara. Este es un proceso dinámico, por lo que necesitaremos algunas dinámicas. El detalle clave es que la turbina y el compresor están en un eje, por lo que lo que le sucede a uno afecta al otro.

Considere tres casos que comparan la velocidad del flujo de aire con el combustible:

• Demasiado lento para la tasa de combustión : esto sucede si aumenta el acelerador o al arrancar el motor.
  • La combustión comienza a ganar, avanzando el frente de la llama hacia el compresor, tal como pensaría que lo haría.
  • Sin embargo, ahora entra la dinámica. A medida que el frente de la llama avanza, aumenta la presión en la salida del compresor, lo que reduce la velocidad del aire a través del compresor.
  • Esto significa que el compresor no tiene que presurizar un volumen de aire tan grande, por lo que su carga disminuye.
    • (El compresor ESTÁ teniendo que presurizar el volumen a una presión más alta, pero es trivial ver que este efecto se ve eclipsado por la disminución del volumen de aire al considerar el caso extremo de un compresor muy débil que claramente retrocede si lo presuriza desde el otro lado.)
  • La turbina sigue viendo la misma presión, pero está menos cargada. Esto hace girar la turbina, aumentando el flujo de aire y llevándonos a...
• Motor recortado : aquí es donde los aviones normalmente intentan operar, y es donde no se ven las llamas propagándose hacia adelante.
  • En este estado, la velocidad del aire entrante es suficiente para igualar la propagación del frente de llama hacia adelante.
  • El frente de la llama sigue tratando de avanzar, pero el aire es empujado frente a él tan rápido como puede arder.
• Demasiado rápido para la tasa de combustión : esto sucede si disminuye el acelerador.
  • Con menos combustible, el frente de llama comienza a caer hacia atrás, hacia la turbina.
  • Como en el caso "demasiado lento", la dinámica entra en juego. A medida que el frente de la llama se mueve hacia atrás, también disminuye la presión en la entrada a la cámara de combustión y el compresor.
  • La turbina ahora ve más carga, girando la turbina hacia abajo. Disminuir la velocidad de la turbina disminuye el flujo de aire a través del compresor, llevándonos de regreso a un motor ajustado.

Una conclusión de este patrón es por qué los motores a reacción no pueden cambiar el empuje rápidamente. Si agrega combustible rápidamente acelerando, ahoga el motor, por lo que no obtiene mucha potencia adicional hasta que la turbina y el compresor puedan girar para igualar el motor.

Me encontré con esta pregunta y pensé que podría agregar algo de información, ya que reconocí el motor de inmediato.

Esta no es otra respuesta completa, sino solo una respuesta a @albin y @PeterKampf en cuanto al modelo del motor. Todavía no puedo agregar comentarios, así que edite esto según sea necesario.

La imagen del motor que usó en su respuesta es la sección de potencia de la serie Allison 501, que tuvo varias aplicaciones en aviones civiles y militares. La caja de cambios de reducción y la hélice se omitieron de esa imagen (por el motivo que sea). Esa omisión es confusa, vea mi imagen a continuación para ver la imagen completa de lo que está sucediendo en ese motor. Por lo general, se instaló una hélice Aeroproducts o Hamilton-Standard.

@PeterKampf, estaba en el camino correcto: queda poca energía para el empuje del chorro después de que la turbina la haya extraído porque la mayor parte de la energía necesita impulsar el RGB y la hélice. Muy típico de un diseño de turbohélice (o turboeje, para helicópteros): el empuje residual del chorro es de poca utilidad. En este caso, dadas ciertas condiciones atmosféricas ya RPM en velocidad (13,820), la turbina puede extraer aproximadamente 10,000 caballos de fuerza de la corriente de gas. Se necesitan ~6000 HP para accionar el compresor, lo que deja alrededor de 4000 HP del eje para el RGB y la hélice.

El Convair 580 usa 2 de estos motores, el Lockheed C-130 Hercules usa 4.

Si se tratara de un diseño de turborreactor, el motor probablemente tendría solo 2 etapas de turbina en lugar de 4. Esto extraería solo la energía suficiente para impulsar el compresor (y, por lo tanto, autosostener el motor), con mucho empuje sobrante para su uso.