¿Cómo funciona un motor a reacción?
Principio de la propulsión a chorro
La propulsión neumática es una aplicación práctica de la tercera ley del movimiento de Sir Isaac Newton. Esta ley se expresa como: "Toda fuerza que actúa sobre un objeto tiene una reacción igual y opuesta en la dirección opuesta". En el caso de la propulsión de un avión, el "objeto" es el aire acelerado al pasar por el motor. La fuerza requerida para producir esta aceleración tiene una fuerza de reacción igual y opuesta que actúa sobre el dispositivo que produce esta aceleración. Los motores a reacción producen empuje de manera similar a una combinación de motor y hélice. Ambos propulsan el avión empujando una gran cantidad de gas hacia atrás, uno en forma de una estela de aire de velocidad relativamente baja y el otro en forma de un chorro de gas de velocidad extremadamente alta.
Este mismo principio de reacción ocurre en todas las formas de movimiento y a menudo se aplica de muchas maneras. El primer ejemplo famoso de reacción a reacción es el motor de Hero, producido como juguete en el año 120 a.C. Este juguete muestra que la energía del vapor de agua expulsado de una boquilla puede transmitir una fuerza de reacción igual y opuesta a la propia boquilla, haciendo que el motor gire. Un aspersor de jardín giratorio similar es un ejemplo más práctico de este principio. Este tipo de aspersor gira con la ayuda de la fuerza de reacción que actúa sobre la boquilla del aspersor. Las boquillas de alta presión de los equipos modernos de extinción de incendios son un ejemplo de "reacción de chorro". Un bombero a menudo pierde el agarre o el control de una manguera debido a la fuerza de reacción del chorro de agua. Quizás la demostración más sencilla de este principio sea la de un globo de carnaval que, cuando libera aire o gas, sale disparado en dirección opuesta al chorro.
La reacción del jet es definitivamente un fenómeno interno. No es causado por la presión de la corriente en chorro sobre la atmósfera, como suele pensarse. De hecho, un motor de propulsión a reacción, ya sea cohete, estatorreactor o turborreactor, es un dispositivo diseñado para acelerar un flujo de aire o gas y descargarlo a alta velocidad. Por supuesto, hay diferentes formas de hacerlo. Sin embargo, en todos los casos, la fuerza de reacción final sobre el motor, el empuje, es proporcional a la masa del flujo de aire expulsado por el motor y la velocidad del flujo de aire. En otras palabras, agregar una velocidad pequeña a una cantidad grande de aire o una velocidad grande a una cantidad pequeña de aire proporcionará el mismo empuje. En la práctica, la gente prefiere lo primero porque reducir la velocidad del chorro da como resultado una mayor eficiencia de propulsión.
Varios modos de propulsión a chorro
La única diferencia entre los distintos tipos de motores a reacción, ya sean estatorreactor, chorro pulsante, turbina de gas, turbina/estatorreactor o turbocohete, es el "empuje". "Proveedor" es la forma en que el motor suministra energía y la convierte en potencia de vuelo.
El motor estatorreactor es en realidad una especie de conducto térmico aerodinámico. No tiene piezas giratorias importantes y únicamente contiene un conducto de entrada de aire divergente y una salida convergente o convergente-divergente. El aire ingresa al conducto de entrada cuando una fuente de energía externa lo impulsa hacia adelante. A medida que fluye a través de este conducto difuso, su velocidad o energía cinética disminuye, mientras que su energía de presión aumenta. Posteriormente, la energía total aumenta mediante la combustión del combustible y el gas expandido se descarga a la atmósfera a alta velocidad a través del conducto de salida. Los motores ramjet se utilizan a menudo como dispositivos de potencia para misiles y aviones objetivo, pero un motor ramjet simple no es adecuado como dispositivo de potencia para aviones comunes porque requiere movimiento hacia adelante antes de poder generar empuje.
El motor a reacción por impulsos utiliza el principio de combustión intermitente. A diferencia de un estatorreactor, puede funcionar en reposo. Este motor está compuesto por un conducto aerodinámico similar a un motor ramjet. Su presión es mayor y su estructura es relativamente sólida. El conducto de admisión tiene muchas "válvulas" de admisión, que están en posición abierta bajo la acción de la tensión del resorte. El aire ingresa a la cámara de combustión a través de las válvulas abiertas y se calienta quemando el combustible inyectado en la cámara de combustión, lo que provoca la expansión. La presión aumenta, lo que obliga a la válvula a cerrarse y luego el gas en expansión es expulsado hacia atrás; el escape provoca una caída de presión, lo que hace que la válvula se vuelva a abrir. Este proceso se repite una y otra vez. Los motores a reacción de impulsos alguna vez fueron diseñados como dispositivos de propulsión para rotores de helicópteros, y algunos incluso eliminaron la necesidad de válvulas de admisión al diseñar cuidadosamente conductos para controlar los cambios de presión en el ciclo de vibración primario. Sin embargo, el motor a reacción por impulsos no es adecuado como motor de avión debido a su alto consumo de combustible y a su incapacidad para alcanzar el rendimiento de los modernos motores de turbina de gas.
Aunque los motores de cohetes también son motores a reacción, tienen grandes diferencias.
Es decir, el motor del cohete no utiliza la atmósfera como fluido de propulsión, sino que utiliza la combustión del combustible líquido que transporta o el combustible formado por descomposición química y el agente oxígeno para generar su propio fluido de propulsión, de modo que pueda funcionar en el exterior. la atmósfera terrestre, pero sólo es adecuado para una situación en la que las horas de trabajo son muy cortas.
La aplicación de motores turborreactores a la propulsión a reacción evita las debilidades inherentes de los cohetes y los motores ramjet. Debido a que se utiliza un compresor impulsado por turbina, el motor tiene suficiente presión para generar un fuerte empuje a bajas velocidades. Los motores turborreactores funcionan según un "ciclo de trabajo". Chupa aire de la atmósfera, lo comprime y lo calienta, y el aire gana energía e impulso y se mueve a velocidades de hasta 2000 pies por segundo (610 metros por segundo), o alrededor de 1400 millas por hora (2253 kilómetros por hora). ). Empuje hacia la boquilla y descargue. Cuando el chorro de alta velocidad sale del motor, simultáneamente hace que el compresor y la turbina sigan girando, manteniendo el "ciclo de trabajo". La disposición mecánica de un motor de turbina es relativamente sencilla porque sólo contiene dos partes giratorias principales, el compresor y la turbina, así como una o varias cámaras de combustión. Sin embargo, no todos los aspectos de este motor son de esta sencillez, ya que las cuestiones térmicas y aerodinámicas son más complejas. Estos problemas son causados por las altas temperaturas de funcionamiento de la cámara de combustión y la turbina, el flujo de aire cambiante a través del compresor y las palas de la turbina, y el diseño del sistema de escape que elimina los gases y crea el chorro propulsor.
A velocidades de avión inferiores a aproximadamente 450 mph (724 km/h), un motor a reacción puro es menos eficiente que un motor de hélice porque su eficiencia de propulsión depende en gran medida de su velocidad de vuelo, por lo tanto, los motores turborreactores puros; Son los más adecuados para velocidades de vuelo más altas. Sin embargo, la eficiencia de la hélice disminuye rápidamente por encima de 350 mph (563 km/h) debido a las perturbaciones del flujo de aire causadas por la alta velocidad punta de la hélice. Estas características permiten que algunos aviones de velocidad media utilicen una combinación de hélice y motor de turbina de gas en lugar de un turborreactor puro: un motor turbohélice.
La superioridad de la combinación hélice/turbina fue hasta cierto punto reemplazada por la introducción de ventiladores con conductos internos y externos, motores con ventilador con conductos y motores con ventilador de hélice. Estos motores tienen mayores caudales y velocidades de chorro más bajas que los motores a reacción puros, por lo que su eficiencia de propulsión es comparable a la de los motores turbohélice y supera la de los motores a reacción puros.
El motor turbo/ramjet combina un motor turborreactor (que se utiliza comúnmente a varias velocidades por debajo del número de Mach 3) con un motor ramjet, que tiene un buen rendimiento a números de Mach altos. Este motor está rodeado por un conducto con una entrada ajustable en la parte delantera y una boquilla de posquemador con boquilla ajustable en la parte trasera. Durante el despegue y la aceleración, y en condiciones de vuelo por debajo de Mach 3, el motor funciona como un turborreactor convencional; cuando el avión acelera por encima de Mach 3, su mecanismo de turborreactor está cerrado y el aire de las vías respiratorias pasa a través de las palas guía sin pasar por el compresor. fluye directamente hacia la boquilla del postquemador, que luego se convierte en la cámara de combustión del motor estatorreactor. Este motor es adecuado para aviones que requieren vuelos a alta velocidad y mantienen condiciones de crucero con un número de Mach alto. En estas condiciones, el motor funciona como un motor ramjet.
La estructura de un motor de turbina/cohete es similar a la de un motor de turbina/ramjet. Una diferencia importante es que proporciona su propio oxígeno para la combustión. Este motor tiene un compresor de baja presión impulsado por una turbina de múltiples etapas, y la energía para impulsar la turbina se genera quemando combustible y oxígeno líquido en una cámara de combustión tipo cohete. Debido a que la temperatura del gas puede alcanzar los 3500 grados, es necesario inyectar combustible adicional en la cámara de combustión para enfriarlo antes de que el gas ingrese a la turbina. Esta rica mezcla (gas) luego se diluye con aire del compresor y el combustible restante se quema en un sistema de postcombustión convencional. Aunque este motor es más pequeño y ligero que un motor turbo/ramjet, consume más combustible. Esta tendencia lo hace más adecuado para interceptores o lanzadores de naves espaciales. Estos aviones requieren un rendimiento a gran altitud y alta velocidad, y a menudo requieren un rendimiento de alta aceleración sin una larga resistencia.