Por que o mecanismo J58 do SR-71 tem um difusor após o pico de entrada?

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Ouvi dizer que o difusor permite que o ar comprimido após o pico de entrada se "espalhe". O que isto significa? Se isso significa expansão, não seria benéfico tê-lo comprimido antes de entrar na câmara de compressão, então por que ele se espalharia?

    
por eli 17.04.2016 / 10:18

2 respostas

Geralmente, um compressor não pode funcionar eficientemente em velocidade supersônica devido às ondas de choque, o papel do cone de entrada e ao difusor é diminuir o ar abaixo de Mach 1. Existe uma necessidade semelhante de um ramjet, de modo que a combustão possa ocorrer dentro do motor e produzir empuxo.

A posição do cone e a geometria do difusor são ajustadas de acordo com a velocidade no ar. A forma geral do difusor é divergente.

De O princípio de Bernoulli , o difusor diminui a velocidade e aumenta a pressão de acordo com:

$ \ frac 1 \ rho \; dp = - \ mathrm V \; d \ mathrm V $ em que $ \ rho $ é a densidade do ar.

Veja este vídeo: Bocais Divergentes Convergentes para obter mais detalhes sobre como a pressão e a velocidade são afetadas um bocal / difusor. Aqui está um resumo:

O J58 é um turbojato dentro de um ramjet. A seção direta do mecanismo tem um papel complexo. Ele se adapta a uma ampla faixa de velocidade (0 a Mach 3,2) e altitude (0 a 85.000 pés) e modifica o fluxo de ar para funcionar como turbojato ou como ramjet, dependendo da velocidade no ar.


Ajuste simplificado do fluxo de ar ( fonte ).

Mecanismo real usado em diferentes faixas de velocidade no J58: ( Fonte )

    
17.04.2016 / 12:08

Na verdade, a tarefa do difusor era criar impulso. Soa estranho? Então continue a ler!

Em velocidade supersônica, a ponta à frente da entrada criará uma cascata de choques cada vez mais íngremes para diminuir a velocidade e comprimir o ar. No interior, a seção transversal diminui ainda mais até que o fluxo seja desacelerado para abaixo de Mach 1 em um choque final e direto. Este é o ponto da menor seção transversal, chamada de garganta. A queda para a velocidade subsônica altera fundamentalmente o comportamento do fluxo: quando antes, em velocidade supersônica, diminuiria a velocidade em um perfil de seção transversal estreito, ele agora precisa de um perfil transversal de alargamento para desacelerar ainda mais. À medida que diminui a velocidade, a energia cinética do fluxo é convertida em pressão; assim, na face do compressor, o fluxo é de apenas Mach 0,4 rápido, mas tem quase 40 vezes a pressão ambiente. Note-se que esta é sobre a relação de pressão de motores a jato modernos, como o F120 ou o GE90 e bem acima das taxas de pressão dos turbo-compressores da década de 1950.

Movendo o cone, a posição da garganta é ajustada de tal forma que a entrada funciona em toda a faixa de velocidade de vôo. De subsônico a Mach 3.2, a área de captura aumenta em 112% enquanto a largura da garganta é reduzida a 54% de seu valor subsônico.

O difusor é necessário para desacelerar a região subsônica do fluxo de entrada. Ao mesmo tempo, é preenchido com ar de alta pressão que empurra suas paredes. A pressão atuando na área de projeção na direção de vôo está contribuindo com a maior parte do impulso total do J58. O trabalho do motor é sugar o ar no difusor e, eventualmente, acelerá-lo de volta à velocidade de vôo e acima.

Eu acho que a alegação de 80% de empuxo feita em esta página não é bem verdade, mas ilustra o ponto.

At Mach 3.2 cruise the inlet system itself actually provided 80 percent of the thrust and the engine only 20 percent, making the J58 in reality a turbo-ramjet engine.

Um pouco abaixo, nos apresenta números mais confiáveis:

At Mach 3, the inlet itself produces 54% of total thrust through pressure recovery, the engine contributing only 17% and the ejector system 29%. The compression ratio at cruise is 40 to 1.

Além disso, o motivo para chamá-lo de turbo-ramjet é na verdade diferente, como mostrado na página :

The SR-71's Pratt & Whitney J58 engines were rather unusual. They could convert in flight from being largely a turbojet to being largely a compressor-assisted ramjet. At high speeds (above Mach 2.4), the engine used variable geometry vanes to direct excess air through 6 bypass pipes from downstream of the fourth compressor stage into the afterburner. 80% of the SR-71's thrust at high speed was generated in this way, giving much higher thrust, improving specific impulse by 10-15%, and permitting continuous operation at Mach 3.2. The name coined for this configuration is turbo-ramjet.

Em que o design de consumo do SR-71 não estava sozinho: Veja abaixo uma análise das contribuições de empuxo dentro do Concorde Olympus 593 motor e nacelle:

Seção transversal da nacele do Concorde e colapso do impulso (foto fonte )

    
18.04.2016 / 00:14