¿Cuándo es máximo el empuje del motor a reacción?

Veamos dos casos, escape obstruido y expansión completa:

1. Escape ahogado

Con un tubo de escape convergente, el empuje del motor a reacción alcanza un máximo a la velocidad del sonido de la corriente de gases de escape.

La velocidad del flujo de gas aumenta si era subsónico en la entrada de la tubería. En una tobera convergente, la velocidad máxima de escape de gas es M = 1, la velocidad del sonido a la temperatura del gas de escape caliente. Con un escape obstruido, en M = 1 en la salida de escape, la presión estática es más alta que la presión ambiental.

El área de escape debe reducirse hasta que la velocidad de salida del gas sea M = 1, que a 800 ºC, por ejemplo, es de 657 m/s. La presión$p_e$en la salida de escape será entonces:

$$p_e =\frac {\dot{m}\cdot R \cdot T_e}{V_e \cdot A_e }$$

que es mayor que la presión ambiental$p_0$.

El empuje neto$F$de un motor a reacción puro es

$$F = \dot{m} * (V_e - V_0) + A_e * (p_e - p_0)$$

$R$es la constante de los gases. Parámetros que necesita saber:

• caudal másico de salida de la turbina$\dot{m}$en kg/s

• temperatura de salida de gases$T_e$en ºK

• velocidad del sonido en$T_e$en m/s, que para un escape obstruido es igual a$V_e$

• zona de salida$A_e$en$m^2$

• velocidad aerodinámica$V_0$en$m/s$y presión ambiental$p_0$en$N/m^2$

Si usamos el siguiente ejemplo de un avión que vuela M 0.85 a 30 000 pies, escape convergente ahogado, área de salida 0.1$m^2$, caudal másico 70 kg/s, temperatura de escape 1073 K, obtenemos:

F = 70 * (657 - 258) + 0,1 * (328.106 - 30.100)

= 27 962 N de energía cinética + 29 801 N de diferencia de presión, aproximadamente la misma cantidad.

2. Ampliación completa

$p_e$ahora es igual a$p_0$. Esta condición ocurre si la presión total a la salida de la turbina$p_{Tt} \leq \epsilon_{kr} * p_0$, con$\epsilon_{kr}$para un gas de escape caliente siendo alrededor de 1,95.

Análogo al caso de escape ahogado:

$$A_e =\frac {\dot{m}\cdot R \cdot T_e}{V_e \cdot p_e }$$

Para las mismas condiciones a 30.000 pies sigue:$A_e$= 1,09$m^2$

y F = 70 * (657 - 258) = 27,962 N

El empuje neto en este caso es mucho menor porque la presión de salida de la turbina es menor que en el caso de estrangulación y, por lo tanto, la potencia propulsora del motor a reacción es menor. Por lo general, en el caso de un turborreactor, la presión de escape de la turbina$p_{Tt}$es mucho más alto que$\epsilon_{kr} * p_0$, lo que conducirá al caso de escape obstruido arriba.

Los turboventiladores con una alta relación de derivación tienen un bajo$p_{Tt}$para permitir la expansión completa, la mayor parte de la energía del generador de gas se usa para la compresión de aire de derivación.