¿Las piezas de un motor a reacción que se mueven más rápido son supersónicas?

Un motor a reacción se compone de piezas que se mueven rápidamente. Esas piezas se están moviendo hacia una masa de aire diferente a la masa de aire ambiental hacia la que vuela el avión.

Las piezas de la turbina giran bastante rápido, por lo que las puntas de sus palas pueden moverse a una velocidad supersónica. Pero, la masa de aire también puede estar girando modificando la velocidad de las palas en la masa de aire. Además, la temperatura del aire en esta etapa puede modificar la velocidad del sonido .

La primera etapa del compresor está girando a una temperatura y presión del aire muy familiares, por lo que puede ser más fácil de encontrar si las puntas de las aspas del compresor se mueven más rápido que la velocidad del sonido. Pero la presión (y por lo tanto la temperatura) no es la misma antes y después de cada etapa del compresor. Puede ser difícil definir la velocidad del sonido para esta masa de aire que pasa por el compresor.

Dado que la masa de aire dentro de un motor a reacción es diferente de la masa de aire ambiental, ¿hay alguna pieza móvil dentro de un motor a reacción cuya velocidad (marco de referencia: la masa de aire en la que se mueve) sea mayor que la velocidad del sonido?

Respuestas (2)

Sí, las puntas de las aspas del ventilador.

Veamos un ejemplo: El GE-90 tiene un diámetro de ventilador de 3124 mm y una velocidad de rotación máxima de 2475 RPM. Su velocidad circunferencial es d·π·41,25 = 405 m/so Mach 1,19 al nivel del mar y atmósfera ISO. Ahora necesita agregar la velocidad de flujo del aire, pero este cálculo solo debería ser suficiente para probar el punto.

La parte interna del ventilador y todas las etapas del compresor que pertenecen al motor central experimentan un flujo a velocidad subsónica, incluso si todo el motor está volando a velocidad supersónica (vea la imagen a continuación). Para que el encendido sea lo más completo posible, la velocidad del flujo se reduce continuamente a medida que se acerca a los inyectores de combustible. Dado que el aire se calienta en la cámara de combustión, el gas más caliente tiene una mayor velocidad de sonido y todo el flujo a través de la turbina también es subsónico. Esto incluye la turbina de baja presión. Incluso los 1600 pies/s que se muestran a continuación en la turbina son subsónicos, porque a 1100 °C la velocidad del sonido en el aire es de 720 m/s o 2362 pies/s.

Parámetros del motor a reacción

Descripción general de los parámetros en un motor a reacción típico.

Sólo en la parte trasera de una tobera convergente-divergente con el recalentamiento activado se volverá a alcanzar un flujo supersónico. Esto está exactamente detrás de la sección más angosta, llamada garganta, donde la velocidad del aire es igual a la velocidad del sonido, y los pétalos de la boquilla son las únicas partes móviles aquí. Y se mueven con bastante lentitud.

¿Eso significa que hay un estampido sónico cada vez que enciendes el motor? Si es así, ¿por qué no lo escuchamos? ¿Es simplemente pequeño/amortiguado por todo lo demás?
@DavidGrinberg: una combinación de esta respuesta y esta respuesta debería ayudar: sí, esos consejos hacen mucho ruido, pero la cubierta del motor ayuda a mantenerlo manejable.
@DavidGrinberg Tenga en cuenta que no se produce un estampido sónico al pasar de subsónico a supersónico ("romper la barrera del sonido"), sino que es una onda de choque continua producida por objetos que van más rápido que la velocidad del sonido. Es el fuerte zumbido que escuchas cuando despegas en ciertos aviones.
Solo quería agregar que el flujo a través de las boquillas (paletas) de la turbina de alta presión (HPT) de la etapa 1 generalmente está obstruido (es decir, Mach = 1). Por supuesto, esto es solo el flujo de aire, no las partes móviles. Una cosa que mejoraría el gráfico es si mostrara la línea M=1 en todo el motor, dado que la velocidad del sonido es proporcional a la temperatura, la velocidad del sonido es mucho más alta en el HPT que al nivel del mar estándar.
Acabo de darme cuenta de que tu imagen podría necesitar alguna atribución, si recuerdas de dónde vino. (Solo han pasado unos 8 meses...)
@FreeMan: Lo sé, lo tengo un poco más de tiempo y no mantuve un registro de dónde vino.
La página wiki a la que se vinculó indica un diámetro de ventilador de 3,1 m y 2261,5 rpm. Eso equivale a 367 m/s, o M = 1,07
@Koyovis: ¡Gracias por señalarlo! Usé las cifras del informe de Stanford pero leí mal las RPM máximas. Corregido, pero con un resultado ligeramente superior. La velocidad máxima permitida es unos pocos puntos porcentuales por encima del 100%, que es probablemente lo que usa Wikipedia.

En un motor turboventilador, las partes que se mueven más rápido suelen ser las puntas del ventilador de derivación. Esto se debe a que, a las mismas velocidades de rotación, las puntas exteriores están a más distancia y tienen velocidades lineales más altas. En algunos motores, las puntas alcanzan velocidades supersónicas, generalmente en condiciones de alto empuje. Esta es la razón por la que los turboventiladores de derivación alta tienen un álabe en flecha (como un ala en flecha).

ventilador barrido

Fuente: sheffield.ac.uk

En el caso de los álabes de turbinas (y en menor medida de los compresores), la temperatura local es alta (debido a la combustión y la compresión); esto aumenta la velocidad del sonido (ya que es proporcional a T para un gas ideal). Debido a este efecto, el flujo local es subsónico. Además, el tamaño de las aspas es muy pequeño en comparación con el ventilador de derivación.

La siguiente parte donde el flujo se vuelve supersónico es la sección divergente de la tobera convergente-divergente que se usa en los aviones militares (tenga en cuenta que aquí no hay partes móviles).

Puede ser cierto que las puntas de las aspas del ventilador de derivación son las más rápidas, pero su respuesta no ofrece evidencia de respaldo. Si N1 está lo suficientemente por debajo de N2, otras puntas de las aspas pueden exceder las puntas de las aspas del ventilador de derivación.
¿Las piezas de un motor a reacción que se mueven más rápido son supersónicas?
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