Por que os gases na câmara de combustão fluem apenas uma direção para a turbina a gás em um motor a jato?

Na verdade, não é tão simples garantir a velocidade adequada do gás em uma turbina a gás. No compressor, você quer limitar a velocidade de fluxo sobre as palhetas do compressor para a faixa alta do subsônico, de forma que o entrada tem que desacelerar o fluxo até aprox. Mach 0,4 - 0,5. Menos significaria menos rendimento e, consequentemente, menos impulso.

Esta velocidade, no entanto, é muito alta para ignição. O combustível precisa de algum tempo para se misturar com o ar comprimido , e se a velocidade do fluxo for alta, sua câmara de combustão se torna muito longa e o motor fica mais pesado do que o necessário. Portanto, a seção transversal que leva do compressor para a câmara de combustão é cuidadosamente ampliada para diminuir o fluxo de ar sem separação (consulte a seção abaixo denominada "difusor"). Em torno dos injetores de combustível, você encontrará a menor velocidade do gás em todo o motor. Agora a combustão aquece o gás e faz com que ele se expanda. A pressão mais alta em todo o motor está no último estágio do compressor - a partir daí, a pressão cai somente quanto mais você progride. Isso garante que nenhum retorno para o compressor seja possível. No entanto, quando o estol de compressor s (isso é bem parecido com um bloqueio de asa - as pás do compressor são pequenas asas e têm o mesmo limitações), não pode manter a alta pressão e você recebe fluxo reverso. Isso é chamado de aumento .

O gráfico abaixo mostra os valores típicos de velocidade de fluxo, temperatura e pressão em um motor a jato. Acertar isso é a tarefa do projetista de motores.

Gráfico dos parâmetros de fluxo do motor ao longo do comprimento de um turbojato (foto tirada de esta publicação)

A parte traseira do motor deve bloquear o fluxo do gás em expansão menos do que a parte dianteira para garantir que ele continue a fluir na direção correta. Ao manter a seção transversal do combustor constante, o projetista do motor garante que o gás em expansão acelere, convertendo energia térmica em energia cinética, sem perder sua pressão (a pequena queda de pressão no combustor é causada por atrito). Agora o fluxo acelerado atinge a turbina e a pressão do gás cai em cada um dos seus estágios, o que novamente garante que não ocorra refluxo. A turbina tem que tirar tanta energia do fluxo quanto necessário para operar o compressor e as bombas e geradores conectados sem bloquear muito o fluxo.

A pressão restante é convertida novamente para acelerar no bico . Agora o gás ainda é muito mais quente do que o ar ambiente, e mesmo que o fluxo no final do bocal ainda seja subsônico nos motores de avião modernos, a velocidade real do fluxo é muito maior que a velocidade de vôo. A diferença de velocidade entre a velocidade de vôo e a velocidade de saída do gás no bico é o que produz impulso .

Os motores de caça geralmente têm fluxo supersônico no final do bico, o que requer uma modelagem e ajuste cuidadosos do contorno do bico. Leia tudo sobre aqui .

O ar no compressor é comprimido e se move a jusante em direção à seção de combustão. A combustão não cria pressão suficiente para superar tudo isso, e há uma pressão menor à medida que o ar é expandido através das seções da turbina.

Quando a pressão na seção do compressor cai demais, as chamas de combustão se expandem em ambas as direções. Isso é chamado de " pico de compressor ".

Motores a jato usam o ciclo de Brayton, que é um processo "isobárico" durante a combustão, o que significa que mantém a pressão constante durante essa fase. Isso está em contraste com o ciclo Otto de um típico motor a pistão de quatro tempos, que é "isocórico" durante a combustão, o que significa que mantém o volume constante durante essa fase.

O ciclo de Brayton consiste em 3 partes, das quais a combustão ocorre no meio

1. O ar de entrada é comprimido. Isso requer trabalho que é fornecido pela turbina no final do ciclo enquanto o motor está em operação ou um motor externo ao ligar o motor. Isso aumenta a pressão do ar (diminuindo o volume).
2. O combustível é misturado com o ar e aceso. Este é um processo contínuo (ao contrário dos motores de pistão). Esse processo é "pressão constante", que é a parte sobre a qual você está perguntando. Não é intuitivamente óbvio por que, então vamos investigar na próxima seção. O resultado final é um volume maior de ar na mesma pressão que a entrada para a câmara do compressor.
3. O ar é passado através de uma turbina em uma forma que diminui a pressão da pressão comprimida para a pressão atmosférica. Ele usa essa turbina para operar o compressor. Todo o diferencial de pressão que não é necessário para alimentar o compressor é usado para acelerar o ar para trás para fornecer impulso.

Então, como essa coisa de "pressão constante" funciona? Trate a câmara de combustão como uma espécie de caixa por um momento. Se há combustão ou não, geralmente haverá pressão constante dentro da caixa. O ar está sendo empurrado para dentro pelo compressor, com alguma velocidade e pressão. Se a turbina no final da câmara puder "descartar" ar a uma velocidade alta o suficiente, ela pode manter a pressão na extremidade da câmara igual à da extremidade dianteira.

Então, como essa coisa de "pressão constante" realmente impede que a frente da chama avance? O truque é que a frente da chama está tentando avançar, mas a velocidade do ar através da câmara corresponde à velocidade da frente da chama, mantendo-a em um local constante na câmara. Este é um processo dinâmico, então precisaremos de alguma dinâmica. O principal detalhe é que a turbina e o compressor estão em um eixo, então o que acontece com um afeta o outro.

Considere três casos que comparam a velocidade do fluxo de ar com o combustível:

• Demasiado lento para a taxa de combustão - isto acontece se aumentar o acelerador ou no arranque do motor.
  • A combustão começa a ganhar, avançando a frente de chama em direção ao compressor, exatamente como você pensaria.
  • No entanto, agora a dinâmica entra. À medida que a frente da chama avança, ela aumenta a pressão na saída do compressor, diminuindo a velocidade do ar através do compressor.
  • Isso significa que o compressor não precisa pressurizar o volume de ar tão grande que sua carga diminui.
    • (O compressor está tendo que pressurizar o volume para uma pressão mais alta, mas é trivial ver que esse efeito é ofuscado pela diminuição do volume de ar considerando o caso de borda de um compressor muito fraco que claramente faz backup se você pressioná-lo do outro lado).
  • A turbina ainda está vendo a mesma pressão, mas é menos carregada. Isso gira a turbina, aumentando o fluxo de ar levando-nos a ...
• Mecanismo aparado - É onde os aviões normalmente tentam operar, e é onde você não vê as chamas se propagando para frente.
  • Nesse estado, a velocidade do ar de entrada é suficiente para corresponder à propagação da frente da chama para frente.
  • A frente da chama continua tentando avançar, mas o ar é empurrado na frente dele tão rápido quanto pode queimar.
• Muito rápido para a taxa de combustão - isso acontece se você diminuir o acelerador.
  • Com menos combustível, a frente da chama começa a cair para trás em direção à turbina.
  • Como no caso "muito lento", a dinâmica entra em jogo. À medida que a frente da chama se move para trás, isso também diminui a pressão na entrada para a câmara de combustão e o compressor.
  • A turbina agora vê mais carga, girando a turbina para baixo. A desaceleração da turbina diminui o fluxo de ar através do compressor, trazendo-nos de volta para um motor de compensação.

Um exemplo deste padrão é por que os motores a jato não podem mudar rapidamente. Se você rapidamente adicionar combustível ao afogar, você engasga o motor, para que você não consiga muita energia extra até que a turbina e o compressor possam girar para equalizar o motor.