¿Por qué las boquillas de los motores a reacción de área ajustable se limitan principalmente al uso militar?

Una boquilla de área variable ayuda a ajustar la presión de salida de los gases de combustión a la presión ambiental. Cuando salen de la turbina, los gases de combustión todavía tienen algo de presión restante que se convierte en velocidad por un contorno convergente de la boquilla.

Si los gases de combustión tienen suficiente presión para ser acelerados a una velocidad supersónica, la tobera es primero convergente y luego divergente para lograr la mejor aceleración del flujo. El flujo subsónico convergente se acelera hasta que en la sección con el área más pequeña, llamada garganta, se alcanza la velocidad del sonido, y la siguiente sección divergente acelera aún más el flujo ahora supersónico hasta que su presión cae a la presión ambiental. Esta boquilla acondicionadora necesita ajustar tanto la sección transversal de la garganta como la sección transversal del área de salida. Si no se consigue que el área de la garganta sea correcta, se producirá una pérdida sustancial de empuje durante el funcionamiento.

Los motores de poscombustión necesitan boquillas adaptables debido a las diferentes condiciones de funcionamiento en modo seco y húmedo, por lo que se benefician al máximo de las boquillas ajustables. Recalentar los gases de escape significa aumentar su volumen, por lo que la boquilla debe ensancharse para que coincida correctamente. En general, si la velocidad de salida de los gases de combustión es supersónica, se requiere una boquilla regulable. Incluso algunos de los primeros jets sin dispositivos de poscombustión tenían una boquilla ajustable: el cono central de la boquilla Jumo-004 se podía mover hacia adelante y hacia atrás, lo que cambiaba la ubicación de la sección bulbosa de popa, lo que ayudaba a que el área de la garganta fuera correcta. Observe en la imagen a continuación que la sección transversal se ensancha nuevamente en la última parte de la boquilla, lo que muestra que la corriente de escape del motor Jumo era levemente supersónica.

Los motores de los aviones de pasajeros solo ganarían poco con una tobera ajustable y, considerando el aumento de masa de una tobera totalmente ajustable, en total tendrían una eficiencia menor. Los aviones de corto alcance suelen tener geometrías de toberas optimizadas para el rendimiento en el campo, mientras que los aviones de largo alcance prefieren optimizar para obtener la mejor eficiencia de crucero. Su velocidad de salida del flujo del núcleo sigue siendo subsónica o ligeramente supersónica; tenga en cuenta que la velocidad del sonido en el gas de combustión calentado es mucho mayor. A 500°C la velocidad del sonido es de casi 560 m/s.

La boquilla de abanico de área variable intenta hacer por el flujo del abanico lo que la boquilla normal hace por el flujo central de un chorro. Así que este es un concepto relacionado y ayuda a optimizar el rendimiento tanto a baja como a alta velocidad. La siguiente imagen es una copia de la patente de EE. UU. 2011/0302907A1 y muestra una parte del extremo ajustable del carenado (sombreado, 54). La velocidad de salida del flujo del ventilador es subsónica en el despegue y levemente supersónica en el crucero, y dado que su flujo másico es mucho más alto que el del núcleo en los motores de los aviones, hacer que la tobera sea variable se amortiza antes. Al ajustar la presión de salida variando el área de salida, puede obtener algunas ganancias de rendimiento.

Si bien no soy ingeniero, vuelo aviones con boquillas ajustables y es posible que pueda arrojar algo de luz sobre su principio básico de funcionamiento:

Objetivo

El propósito de la boquilla, en el flujo subsónico, es restringir el flujo de aire, lo que aumenta en gran medida el empuje cuando sale del motor (técnicamente hablando, convierte el gas en un empuje, lo que convierte al generador de gas en un motor a reacción). Si hay Si no hubiera tobera, entonces el gas que sale de la turbina no tendría casi el mismo empuje saliendo por la parte trasera que cuando la tobera se restringe. Puede pensar en ello como colocar el pulgar sobre el extremo de una manguera, el flujo es mucho más rápido a medida que restringe el flujo de agua. Más técnicamente, la velocidad del flujo aumenta mientras que la presión real disminuye: el efecto venturi. Sin embargo, durante las operaciones de poscombustión, las boquillas tienen el efecto inverso y, al cerrarlas, se reduce la velocidad del flujo. Por lo tanto, durante el flujo supersónico las boquillas se abren.

Operación

Mover el acelerador hacia adelante en un jet hace algunas cosas, aumenta el combustible, crea más gas y también restringe las boquillas. Durante las operaciones de rodaje, supongo que la restricción de las boquillas, a medida que sale de las paradas en vacío, tiene más efecto en el movimiento del avión que el aumento real de N2. De hecho, si las boquillas no se restringieran adecuadamente y se abrieran repentinamente durante el vuelo, el avión caería del cielo. Lo que practicamos es una emergencia real, porque, ocasionalmente, las boquillas funcionarán mal y, en el peor de los casos, pueden dejarlo con dos motores inservibles. Sin embargo, como con la mayoría de las cosas, hay una advertencia. Cuando se opera en poscombustión, las boquillas se abren nuevamente. Las boquillas que se atascan cerradas en AB tienen el mismo efecto que las boquillas que se atascan abiertas en mil: te conviertes en un ladrillo. Así que esencialmente, Las boquillas solo son necesarias si su motor es capaz de realizar postcombustión y generar un flujo supersónico. No puede generar empuje con boquillas abiertas debajo del quemador, y no puede generar empuje con boquillas cerradas en el quemador. Es solo más complejidad que los motores que no son AB no necesitan, y más que pueden fallar en vuelo.

Eficiencia

Si hubiera alguna razón por la cual los aviones comerciales no tienen los mismos motores que nosotros, sería esta. Con la excepción de los motores turborreactores altamente ineficientes, casi todos los aviones comerciales están equipados con motores turboventiladores, turboventiladores de derivación alta para ser precisos. Sin meterse en problemas, el alto flujo de derivación que se usa en los motores modernos les permite operar de manera mucho más eficiente que nuestros motores. Con un motor de derivación alta, todo el flujo seguirá siendo subsónico, y un escape fijo no solo es más económico, sino también más seguro porque no puede abrirse y reducir el empuje. Los aviones de combate también usan turboventiladores, sin embargo, los nuestros son de derivación baja y consumen mucho más combustible que nuestros homólogos civiles. El beneficio es que también podemos operar en un entorno mucho más diverso: alto AoA, flujo supersónico, fluctuaciones rápidas de energía, etc. Dada nuestra misión, el equilibrio entre la eficiencia perdida y la ganancia de rendimiento tiene sentido. Como referencia, en el Super Hornet, nuestros motores queman más de 38 000 pph en MAX. Este tipo de ineficiencia llevaría rápidamente a la bancarrota a una aerolínea, porque simplemente no tienen el mismo tipo de requisitos operativos. Por supuesto, no volamos en MAX todo el tiempo, pero entiendes la idea.

Peter Kämpf ya dio una buena respuesta larga con buenos diagramas. tl; dr, la cosa se reduce a que el flujo subsónico y supersónico se comporta de manera diferente. El objetivo es aumentar la velocidad de escape. Para el flujo subsónico, lo logra restringiéndolo, pero para el flujo supersónico, debe expandirlo. Por lo tanto, los motores supersónicos (y la velocidad de escape supersónica rara vez se alcanza sin postcombustión) necesitan una boquilla de área variable, los subsónicos (todos los motores de avión excepto el Concorde) no.

Me parece que tu propio enlace da la respuesta:

Los motores subsónicos sin poscombustión tienen toberas de un tamaño fijo porque los cambios en el rendimiento del motor con la altitud y las velocidades de vuelo subsónicas son aceptables con una tobera fija. Este no es el caso a velocidades supersónicas como se describe para el Concorde en la sección "Control del área de la boquilla durante la operación en seco".

Esa tobera ajustable proporciona vectorización de empuje . Esto es más efectivo en la parte trasera del avión lejos del centro de masa, donde brindan asistencia con cabeceo y guiñada.

Entonces, con los motores debajo del ala, solo ayudaría con el balanceo. Cabeceo y guiñada no se ayudan en esa configuración y los alerones existentes son más que suficientes para eso.

El mecanismo es un mecanismo complejo y pesado que necesita mantenimiento y combustible adicional para llevarlo.

La mayoría de los aviones comerciales (todos desde el Concorde) son voladores subsónicos donde el cambio en las condiciones atmosféricas no cambia el efecto del área de la boquilla lo suficiente como para justificar la complejidad adicional.

Una cosa que hasta ahora no se ha mencionado ni considerado es que a medida que la boquilla de la tubería de chorro cambia de área, la presión estática dentro de ella cambiará. En consecuencia, la presión diferencial a través de la turbina LP (suponiendo un motor de doble o triple bobina) también cambiará. Esto acelera o ralentiza el compresor LP.

Entonces usted pregunta: "¿Por qué los motores a reacción con postquemadores usan boquillas de área variable?"

Dichos motores pueden ser para uso militar o comercial, pero se utilizan para propulsar el avión a supersónico. El Concorde fue un ejemplo de un avión supersónico no militar, cuyos motores tenían postcombustión.

Hay una razón básica por la que cambia el área de la boquilla, y es "para mantener el flujo de aire del motor".

Rendimiento de boquilla para boquilla convergente:

Un gráfico de rendimiento de la boquilla muestra el parámetro de flujo -- Wg·Sqrt(Tt)/[Pt·A] -- versus la relación de presión de la boquilla -- Pt8/Ps8 donde:
Wg = flujo de aire, más los subproductos de la combustión, por lo tanto, aire viciado
Tt = total temperatura
Pt = presión total
A = área en el cuello de la boquilla
Pt8 = presión total en el cuello de la boquilla
Ps8 = presión estática en el cuello de la boquilla

alcanza un máximo en M = 1 (número de Mach de la garganta de la boquilla = 1).

El valor del parámetro de flujo es de alrededor de 0,5318. Wg Sqrt(Tt)/[Pt A] = f(M,k,R), donde
k = relación de calor específico,
R = constante de gas

sin poscombustión

Durante la operación en seco a 'potencia militar', el motor está en su punto de diseño, al 100 % de la velocidad del compresor y en el punto de diseño de la turbina si el compresor y la turbina están diseñados para tener un buen punto de coincidencia (termodinámica y aerodinámica).

En este punto, el parámetro de flujo en la garganta de la boquilla está en su máximo ~= 0.5318.

con poscombustión

Si se inicia el posquemador, entonces la temperatura total en la boquilla, Tt8, aumenta bruscamente. ¿Supongamos que la temperatura se duplica?
entonces Sqrt(2·Tt8) = 1,4·Sqrt(Tt8), y tiene 1,4 veces el parámetro de flujo obstruido en la garganta.

Pero el parámetro de flujo no puede aumentar, entonces lo que sucede es que el flujo de aire disminuye por un factor de 1.4. ¿Y de dónde viene este flujo de aire? De la salida de la turbina, que viene de la salida del quemador, que viene de la salida del compresor, que viene de la entrada del compresor.

¿Qué pasa después? Una sobretensión del motor si el FADEC (Control electrónico digital de autoridad total) intenta mantener la velocidad del rotor del compresor aumentando el flujo de combustible al quemador para aumentar la salida de la turbina. En realidad, esto podría resultar en una sobretemperatura de la turbina, por lo que la FADEC tiene que reducir la demanda.

Además de encender el postquemador provocando que aumente Tt8, provoca una disminución de Pt8... hay una caída de presión que se debe al calentamiento. Este es un proceso de Rayleigh y da cuenta de las 'pérdidas calientes'. En un A/B (poscombustión), hay pérdidas por fricción o por frío, pero son mínimas en comparación con las pérdidas por calor. Estas pérdidas de presión totales también hacen que aumente el parámetro de caudal, ya que Pt está en el denominador del parámetro de caudal, y contribuyen a la pérdida de caudal de aire.

La solución al problema de un Tt más alto y un Pt más bajo que restringe el flujo de la boquilla es aumentar el área de la boquilla, entonces todos los demás componentes del motor están satisfechos. También es feliz el piloto que está persiguiendo o siendo perseguido por un adversario, y que no quiere que le disparen un misil por el tubo de escape porque su motor se apagó.

Acerca de la sección divergente de la boquilla: es para expandir los gases casi al ambiente y obtener algo más de empuje al hacerlo.