¿Por qué funcionan los motores de turbina?

Question

Sé más o menos cómo se supone que un motor de turbina (digamos una turbina de gas que no produce empuje de chorro) funciona:

El compresor introduce el aire fresco en una cámara de combustión, donde reacciona con el combustible para convertirse en gas de escape caliente. Al salir del motor, los gases de escape impulsan una turbina, y la turbina ambos hace que el compresor funcione, y tiene suficiente par sobrante para hacer un trabajo útil.

Sin embargo, ¿cómo saben los gases de escape que deben empujar los álabes de la turbina para impulsar el eje, en lugar de empujar los álabes del compresor para retardar el eje de transmisión en igual medida?

En un motor de pistón hay válvulas que obligan a que las cosas fluyan en la dirección correcta en los momentos adecuados. Pero en el motor de turbina todo está conectado abiertamente todo el tiempo. ¿No debería eso significar que el diferencial de presión contra el que debe trabajar el compresor es exactamente el mismo que el disponible para impulsar la turbina?

Algo mágico e irreversible parece ocurrir en la cámara de combustión.

Las descripciones que puedo encontrar que profundizan más que la explicación de tres pasos anterior parecen saltar directamente a un modelo muy detallado con mucha termodinámica y dinámica de fluidos que me hacen girar la cabeza. ¿Existe un sistema idealizado con menos variables en el que pueda pensar para convencerme de que no estamos obteniendo algo a cambio de nada (por ejemplo, podría el fluido de trabajo ser incompresible, o sin masa, o tener una capacidad térmica infinita o lo que sea)?

Answer 1

La clave es la combustión del combustible en la cámara de combustión. Esto añade energía al flujo, de modo que hay mucha disponible para que la turbina impulse el compresor.

Dependiendo de la velocidad de vuelo, la admisión ya hace una buena cantidad de compresión al desacelerar el flujo a Mach 0,4 - 0,5. Más significaría velocidades supersónicas en las palas del compresor, y la admisión asegura un suministro constante de aire a la velocidad adecuada.

Esta velocidad, sin embargo, es demasiado alta para la ignición. El el combustible necesita un tiempo para mezclarse con el aire comprimido y si la velocidad de flujo es alta, su cámara de combustión se hace muy larga y el motor se vuelve más pesado de lo necesario. Por lo tanto, la sección transversal que va del compresor a la cámara de combustión se ensancha cuidadosamente para reducir la velocidad del flujo de aire sin que se separe (véase la sección en el diagrama siguiente denominada "difusor"). Alrededor de los inyectores de combustible se encuentra la velocidad de gas más baja de todo el motor. Ahora la combustión calienta el gas y hace que se expanda. La presión más alta de todo el motor se encuentra justo en la última etapa del compresor - a partir de ahí la presión sólo desciende cuanto más se avanza. Esto asegura que no es posible el reflujo en el compresor. Sin embargo, cuando el calado del compresor (es como si un ala se atascara - los álabes del compresor son pequeñas alas y tienen las mismas limitaciones), no puede mantener la alta presión y se obtiene un flujo inverso. Esto se llama sobretensión .

El siguiente gráfico muestra los valores típicos de velocidad de flujo, temperatura y presión en un motor a reacción. Acertar con estos valores es tarea del diseñador del motor.

Gráfico de los parámetros de flujo del motor a lo largo de la longitud de un turborreactor (imagen tomada de este publicación)

La parte trasera del motor debe bloquear el flujo del gas en expansión menos que la parte delantera para asegurarse de que sigue fluyendo en la dirección correcta. Al mantener constante la sección transversal de la cámara de combustión, el diseñador del motor se asegura de que el gas en expansión se acelere, convirtiendo la energía térmica en energía cinética, sin perder su presión (la pequeña caída de presión en la cámara de combustión se debe a la fricción). Ahora el flujo acelerado llega a la turbina, y la presión del gas cae en cada una de sus etapas, lo que de nuevo asegura que no se produzca un reflujo. La turbina tiene que tomar del flujo la energía necesaria para hacer funcionar el compresor y los accesorios del motor (principalmente bombas y generadores) sin bloquear demasiado el flujo. Sin el calentamiento, la velocidad del gas caería a cero en la turbina, pero el gas calentado y acelerado tiene energía de sobra para hacer funcionar la turbina y salir de ella a una presión cercana a la ambiental, pero con mucha más velocidad que la de vuelo, por lo que se genera un empuje neto.

La presión restante se convierte de nuevo en velocidad en la boquilla . Ahora bien, el gas sigue estando mucho más caliente que el aire ambiente, y aunque el flujo al final de la tobera es subsónico en los motores de avión modernos, la velocidad real del flujo es mucho mayor que la velocidad de vuelo. La diferencia de velocidad entre la velocidad de vuelo y la velocidad de salida del gas en la tobera es lo que produce empuje .

Los motores de caza suelen tener un flujo supersónico en el extremo de la tobera, lo que requiere una cuidadosa conformación y ajuste del contorno de la tobera. Lea todo sobre el tema aquí .

Answer 2

Acabo de tener una epifanía. El motor funciona porque la turbina es "más grande" que el compresor.

Para simplificar al máximo, supongamos que el fluido de trabajo es incompresible y no tiene masa (tiene presión, pero su inercia es despreciable en comparación con la presión). Supongamos además que la combustión real está tan ajustada que la presión se mantiene constante durante la combustión: el gas simplemente se expande a presión constante, realizando trabajo contra su propia presión al hacerlo.

Entonces, el compresor y la turbina funcionan realmente a través del mismo diferencial de presión, es decir, la diferencia entre la presión ambiental y la presión dentro de la cámara de combustión.

En ambos extremos del motor, el poder entregada al eje de transmisión (o tomada de él) es la diferencia de presión (común) por el flujo de volumen a través del compresor/turbina. En este nivel ideal, ambos son el mismo tipo de cosa, excepto que uno de ellos funciona a la inversa.

Sin embargo, el par de torsión no es necesariamente el mismo. La turbina está construida de tal manera que una revolución del eje de transmisión permitirá que salga un determinado volumen de aire de la cámara de combustión. (Supongo que es una cuestión de que los álabes de la turbina están montados en un ángulo diferente al de los álabes del compresor). En el otro extremo del eje, una revolución del eje empujará un determinado más pequeño volumen de aire en la cámara de combustión. Debe ser así porque el gas se expande durante la combustión.

Esta diferencia de volumen por revolución significa que el mismo La diferencia de presión se traduce en diferentes pares de apriete en los dos extremos del motor.

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Como ejemplo de juguete completamente idealizado podemos imaginar que el compresor y la turbina están hechos de el mismo tipo de conjuntos ideales de ventiladores reversibles -- para cada unidad de este tipo, una manivela de la manivela hará que un determinado volumen de aire cambie de lugar, y la fuerza de la manivela depende de la diferencia de presión.

Las unidades que componen el compresor están montadas de forma que al girar el eje de transmisión en el sentido de las agujas del reloj, el aire se mueve en el motor; los que componen la turbina se montan en sentido contrario. Como la diferencia de presión es la misma en todas partes, la salida de par de una unidad de turbina puede impulsar exactamente una unidad de compresor. Pero hay más unidades de turbina que las de compresor, y las adicionales producen un excedente de par que puede hacer trabajo.

Esto corresponde al hecho de que hay una red salida de aire de la cámara de combustión, ya que a medida que el combustible se quema surgen nuevos volúmenes de gas.

Answer 3

El aire que entra en la cámara de combustión desde el compresor se mueve hasta 600 mph. Por lo tanto, cuando la mezcla de combustible y aire se quema y se expande, tiene la opción de ir río arriba contra un viento de 600 mph o río abajo a través de la turbina, donde hay relativamente poca resistencia. Evidentemente, opta por lo segundo.

Los motores a reacción están diseñados para que la combustión no eleve mucho la presión en la cámara de combustión. El flujo de los gases de escape a través de la turbina es lo suficientemente rápido como para que la presión en la cámara de combustión siga siendo baja. Demasiado baja para empujar los gases de escape hacia arriba y hacia fuera a través del compresor.

Answer 4

Olvídate de las aspas de la turbina por un momento.

Mira la cámara de combustión. En un extremo hay un compresor que eleva la presión a muchas atmósferas. En el otro extremo está completamente abierto. Así que hay un gran gradiente de presión.

Ahora inyectas calor en el aire comprimido, haciendo que su volumen se expanda enormemente.

¿Dónde va a ir? ¿Por el extremo de baja presión o por el de alta presión?

El empuje es la diferencia de momento de flujo de masa entre la parte trasera y la delantera.

Ahora vuelve a colocar las palas de la turbina. La potencia necesaria para hacer funcionar el compresor es sólo una fracción de la que sale por detrás. Los álabes de la turbina están hechos lo suficientemente grandes como para impulsar cualquier drenaje de energía mecánica que se necesite.

Answer 5

Lo primero que hay que entender sobre los motores de combustión es que es imposible que cualquier motor ideal (incluso el de tu coche) produzca un empuje bruto nulo. Al final del ciclo termodinámico, la presión de estancamiento y la temperatura de estancamiento del fluido de trabajo son siempre superiores a las del ambiente, por lo que el flujo siempre se expande a una velocidad superior a la de la corriente libre. Este empuje es insignificante en aplicaciones que no son de propulsión debido al diseño del escape (y de hecho el empuje neto puede ser negativo cuando se incluyen los efectos de la fricción), pero los detalles de ese tema no son pertinentes para esta discusión.

En segundo lugar, debemos ser más precisos en nuestro lenguaje. En particular, tenemos que destacar la importantísima distinción entre las propiedades de los fluidos estáticos y de estancamiento (las propiedades estáticas son independientes del marco de referencia, mientras que las de estancamiento no lo son). Esto es muy importante porque sólo estático gradientes de presión que provocan cambios en la velocidad del flujo local. Por diseño, la presión estática aumenta en todos los flujos de aire del compresor, pero la presión de estancamiento sólo aumenta en los flujos de aire en rotación. La presión estática disminuye en todos los flujos de aire de la turbina, pero la presión de estancamiento sólo disminuye en los flujos de aire en rotación. Tienes razón al sugerir que el flujo está empujando contra la acción del compresor. Esto se debe a que el flujo está continuamente luchando contra un gradiente de presión adverso; el flujo está siendo empujado hacia arriba en contra de su inclinación natural hacia presiones más bajas. La turbina, en cambio, no es más que un obstáculo para el flujo, que le impide expandirse inmediatamente hasta la presión más baja disponible (la ambiental). Al flujo no le importa hacer algo de trabajo por nosotros, porque se le permite expandirse a presiones estáticas y de estancamiento más bajas. Por lo tanto, una turbina no puede realmente "estancarse" e invertir la dirección del flujo de la forma en que lo hace un compresor. El aumento de presión en el compresor sólo se puede evitar porque se produce de forma bastante gradual (fíjate en el poco giro del flujo que se produce en el flujo de un compresor (<20 grados) en comparación con el de una turbina (>100 grados)). El flujo no sale disparado por la parte delantera del motor (normalmente) porque los álabes están meticulosamente diseñados para lograr la máxima compresión posible antes de que eso ocurra (sin éxito universal, eso sí, pregúntale a cualquier piloto de F-14 antes de la actualización del motor GE-F110).

Lo más relevante para su pregunta es que la caída de presión de estancamiento a través de la turbina es absolutamente no la misma que el aumento de presión a través del compresor al que está acoplado; siempre es menos . ¿Por qué? Porque para una relación de presión dada, el cambio en la entalpía de estancamiento de un fluido aumenta con su temperatura inicial. O, alternativamente, la caída de presión necesaria para un determinado cambio de entalpía disminuye al aumentar la temperatura inicial. La turbina alimenta al compresor, por lo que la energía producida por la turbina es consumida por el compresor (más los accionamientos accesorios). Sin embargo, la temperatura de entrada de la turbina es sustancialmente mayor que la del compresor, por lo que la presión de estancamiento de salida de la turbina será necesariamente mayor que la presión de entrada del compresor, que es esencialmente igual a la ambiental.

Si te interesan las ecuaciones matemáticas, el trabajo específico (entrada) del compresor y el trabajo específico (salida) de la turbina [kJ/kg] son:

$w_c=\frac{C_{p_c} T_{0_2}}{\eta _c}\left[\left(\frac{P_{0_3}}{P_{0_2}}\right)^\frac{\gamma_c-1}{\gamma_c}-1\right]$ y $w_t=\eta_t C_{p_h}T_{0_4}\left[1-\left(\frac{P_{0_5}}{P_{0_4}}\right)^\frac{\gamma_h-1}{\gamma_h}\right]$

donde los subíndices "c" y "h" se refieren a los valores fríos y calientes, respectivamente, y $\eta$ es el rendimiento isentrópico del compresor o de la turbina. Un motor de pistón realiza las acciones de "admisión, compresión, expansión, escape" en el mismo lugar en diferentes momentos, mientras que el motor de turbina de gas realiza estas mismas funciones al mismo tiempo en diferentes lugares. Espero que esto sea de ayuda.