Por que os motores a jato fumam?

O fumo em motores a jato é geralmente de combustível não queimado ou parcialmente queimado (ou por injeção de água). Os primeiros motores a jato costumavam criar muita fumaça devido a essas razões (e devido à falta de regulamentações ambientais).

^{motores KC 135 criando fumaça devido à injeção de água Por USAF Fotógrafo - USAF foto, domínio público, Link}

A injeção de água, enquanto esfria o motor, extingue as chamas até certo ponto, resultando em combustível não queimado, que sai como fumaça. No entanto, as aeronaves se afastaram da injeção de água, reduzindo as emissões.

Outra razão para a fumaça é a combustão ineficiente - motores a jato antigos (turbojatos na primeira aeronave e turbofans de derivação baixa) não eram tão eficientes quanto os motores atuais, que pré-vaporizam o combustível com ar e pré-vaporizam antes da combustão, em vez de usar combustão de gotículas - basicamente misturando combustível mais uniformemente com o ar. Os requisitos de eficiência de combustível, juntamente com regulamentações mais rigorosas, significam que os motores que hoje têm menos emissões, em comparação com os motores a gasolina, têm menos emissões de gases poluentes. aos seus antecessores .

^{Fumaça durante a decolagem do Boeing 707; imagem de nycaviation.com}

Neste caso, a reengenharia da aeronave com aeronaves mais eficientes geralmente resulta em uma redução de fumaça. Por exemplo, a USAF re-engatou o KC-135 s (de Turbojato Pratt & Whitney J-57-P-59W para o turbofan CFM International CFM56 ), que, juntamente com a eliminação da injeção de água, reduz a fumaça.

^{No topo está o KC-135 de um exercício em 1979; imagem de network54.com . Abaixo está o KC-135Rs da Singapore Airforce; imagem de reddit.com}

    

Fundamentalmente, porque os motores a jato não queimam uma mistura de combustível / ar pré-misturada.

O combustível pode queimar em três proporções: magras, estequiometricamente e ricas; respectivamente: excesso de ar, ar suficiente e excesso de combustível. Idealmente, um sempre queimaria em uma relação estequiométrica; intuitivamente, pode-se sentir que isso significa que você não desperdiça combustível aquecendo um excesso de ar, e você não fica com nenhum combustível não queimado. É assim que funciona um motor típico de ignição por centelha: o combustível é misturado no carburador, comprimido e queimado. O acelerador varia a quantidade de mistura combustível / ar que entra no motor, mas a mistura sempre estará (perto de) estequiométrica.

Um motor a jato não tem o luxo de pré-misturar a mistura ar / combustível antes da ignição. Pulverizar o Jet-A no ar comprimido (quente!) Irá levar à ignição assim que entrar em contato com o oxigênio, quer você goste ou não. O problema é que ele já irá acender quando a mistura local ainda estiver rica . Isso inevitavelmente levará à formação de fuligem, que é a fumaça que você vê. Isso é especialmente prevalente em configurações de alta potência (como durante a decolagem) - a uma determinada RPM, a quantidade de ar que é bombeada através do motor é constante e a quantidade de energia é variada injetando mais ou menos combustível no motor, criando uma mistura menos magra em alta potência. ^{Nota: a rotação do motor reagirá ao ajuste de potência em um motor a jato; no entanto, a quantidade de ar geralmente fica abaixo da quantidade de combustível em configurações de energia mais altas}

Existem alguns métodos para mitigar a formação de fuligem, que são todos baseados no aumento da "mistura" de ar-combustível antes da ignição. Um monte de pesquisa está sendo feito sobre isso, melhorando o combustor . O artigo da Wikipedia vinculado tem uma explicação muito boa e completa sobre o que exatamente está sendo feito para isso, mas em geral (e extremamente simplificado), se trata de espalhar o combustível tanto quanto possível e introduzir o máximo de ar possível (mas lembre-se que correr muito magra reduz a eficiência), tudo sem encharcar as chamas. Veja a imagem abaixo para os arranjos complexos já feitos no combusório em um projeto antigo de cânula.

Fonte: wikimedia

    

Collin Krum escreveu um bastante detalhado artigo sobre o assunto para Jalopnik. É importante notar também que nem todos os motores desse vídeo são motores a jato. Do artigo:

Low bypass engines aren’t as efficient as high bypass engines, but water injection is the technology that is most responsible for the seemingly-eerie pictures of older airplanes riding black columns of smoke into the sky.

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Because the engine core is cooled by the injected water, the combustion chambers aren’t able to burn all of the fuel and water mixture, so some particles of the fuel and water are vented out the engine, which materializes in the form of the characteristic black smoke.

    

Alguns dos AGE / GSE com os quais eu trabalho usam motores a jato. Durante a inicialização e o desligamento, certamente espere que a temperatura não esteja no máximo. Isso pode ser uma das causas do combustível não queimado. Outra causa pode ser um acúmulo gradual de combustível, dependendo do intervalo da capacidade do termômetro pneumático para ajudar a saciar o ar sangrado.