Postquemador

Un postcombustión (o recalentamiento en inglés británico) es un componente de combustión adicional que se utiliza en algunos motores a reacción, principalmente en aviones militares supersónicos. Su propósito es aumentar el empuje, generalmente para vuelos, despegues y combates supersónicos. El proceso de postcombustión inyecta combustible adicional en una cámara de combustión situada en el tubo de chorro detrás (es decir, "después") de la turbina, "recalentando" los gases de escape. La postcombustión aumenta significativamente el empuje como alternativa al uso de un motor más grande con la consiguiente penalización de peso, pero a costa de un mayor consumo de combustible (disminución de la eficiencia del combustible) que limita su uso a períodos cortos. Esta aplicación aeronáutica de "recalentar" contrasta con el significado y la implementación de "recalentar" aplicable a turbinas de gas que accionan generadores eléctricos y que reduce el consumo de combustible.

Se dice que los motores a reacción funcionan húmedos cuando tienen poscombustión y secos cuando no. Un motor que produce el máximo empuje en húmedo tiene potencia máxima, mientras que un motor que produce el máximo empuje en seco tiene potencia militar.

Principio

El empuje del motor a reacción es una aplicación del principio de reacción de Newton, en el que el motor genera empuje porque aumenta el impulso del aire que lo atraviesa. El empuje depende de dos cosas: la velocidad del gas de escape y la masa del gas que sale de la boquilla. Un motor a reacción puede producir más empuje acelerando el gas a una velocidad mayor o expulsando una mayor masa de gas del motor. El diseño de un motor turborreactor básico en torno al segundo principio produce el motor turbofan, que genera gas más lento, pero en mayor cantidad. Los turbofan son muy eficientes en el consumo de combustible y pueden ofrecer un alto empuje durante largos períodos de tiempo, pero la desventaja del diseño es un gran tamaño en relación con la potencia de salida. Se puede generar mayor potencia con un motor más compacto durante períodos cortos utilizando un postquemador. El postquemador aumenta el empuje principalmente acelerando los gases de escape a una velocidad más alta.

Los siguientes valores y parámetros son para uno de los primeros motores a reacción, el Pratt & Whitney J57, estacionario en la pista, e ilustran los altos valores de flujo de combustible del postquemador, temperatura del gas y empuje en comparación con los del motor que funciona dentro de los límites de temperatura de su turbina.

La temperatura más alta en el motor (alrededor de 3700 °F (2040 °C)) se produce en la cámara de combustión, donde el combustible se quema a una velocidad aproximada de 8520 lb/h (3860 kg/h) en una proporción relativamente pequeña del aire que entra al motor. Los productos de la combustión deben diluirse con aire del compresor para reducir la temperatura del gas a un valor específico, conocido como temperatura de entrada a la turbina (TET) (1570 °F (850 °C)), lo que le da a la turbina una vida aceptable.. Tener que reducir en gran medida la temperatura de los productos de combustión es una de las principales limitaciones sobre la cantidad de empuje que se puede generar (10,200 lb_f (45,000 N)). Quemar todo el oxígeno entregado por las etapas del compresor crearía temperaturas (3700 °F (2040 °C)) lo suficientemente altas como para debilitar significativamente la estructura interna del motor, pero al mezclar los productos de la combustión con aire no quemado del compresor a 600 °F (316 °C) todavía hay disponible una cantidad sustancial de oxígeno (relación combustible/aire 0,014 en comparación con un valor sin oxígeno restante de 0,0687) para quemar grandes cantidades de combustible (25 000 lb/h (11 000 kg/h)) en un postquemador. La temperatura del gas disminuye a medida que pasa a través de la turbina a 1013 °F (545 °C). La cámara de combustión postquemador recalienta el gas, pero a una temperatura mucho más alta (2540 °F (1390 °C)) que la TET (1570 °F (850 °C)). Debido al aumento de temperatura en el postquemador, el gas es acelerado, primero por la adición de calor, el llamado flujo de Rayleigh, y después por la tobera hasta una velocidad de salida mayor que la que se produce sin el postquemador. El flujo másico también aumenta ligeramente mediante la adición del combustible postquemador. El empuje con postcombustión es de 16.000 lb_f (71.000 N).

El escape visible puede mostrar diamantes de choque, que son causados por ondas de choque formadas debido a ligeras diferencias entre la presión ambiental y la presión del escape. Esta interacción provoca oscilaciones en el diámetro del chorro de escape en una distancia corta y provoca bandas visibles donde la presión y la temperatura son más altas.

Aumento del empuje calentando el aire de derivación

Thrust may be increased by burning fuel in a turbofan 's cold bypass air, instead of the mixed cold and hot flows as in most afterburning turbofans.

Uno de los primeros turbofan aumentados, el Pratt & Whitney TF30 utilizó zonas de combustión separadas para los flujos de derivación y núcleo con tres de siete anillos de pulverización concéntricos en el flujo de derivación. En comparación, el Rolls-Royce Spey de postcombustión utilizaba un mezclador de veinte canales antes de los colectores de combustible.

La quema de cámara plenum (PCB) se desarrolló parcialmente para el motor Bristol Siddeley BS100 de empuje vectorial para el Hawker Siddeley P.1154 hasta que el programa fue cancelado en 1965. Los flujos de derivación fría y núcleo caliente se dividieron entre dos pares de boquillas., delante y detrás, de la misma manera que el Rolls-Royce Pegasus, y el combustible se quemaba en el aire del ventilador antes de salir por las boquillas delanteras. Habría dado mayor empuje para el despegue y rendimiento supersónico en un avión similar, pero más grande, que el Hawker Siddeley Harrier.

Pratt & Whitney por su propuesta de turbofan JTF17 para el Programa de Transporte Supersónico de EE. UU. en 1964 y se puso en marcha un motor de demostración. El calentador de conducto usaba una cámara de combustión anular y se usaría para despegue, ascenso y crucero a Mach 2,7 con diferentes cantidades de aumento dependiendo del peso de la aeronave.

Diseño

El posquemador de un motor a reacción es una sección de escape extendida que contiene inyectores de combustible adicionales. Dado que el motor a reacción aguas arriba (es decir, antes de la turbina) utilizará poco oxígeno que ingiere, se puede quemar combustible adicional después de que el flujo de gas haya abandonado las turbinas. Cuando se enciende el postquemador, se inyecta combustible y se encienden los encendedores. El proceso de combustión resultante aumenta la temperatura de salida del posquemador (entrada de la boquilla), lo que resulta en un aumento significativo en el empuje del motor. Además del aumento en la temperatura de estancamiento de salida del posquemador, también hay un aumento en el flujo másico de la boquilla (es decir, el flujo másico de entrada al posquemador más el flujo efectivo de combustible del posquemador), pero una disminución en la presión de estancamiento de salida del posquemador (debido a una pérdida fundamental debido a calentamiento más pérdidas por fricción y turbulencia).

El aumento resultante en el flujo volumétrico de salida del posquemador se logra aumentando el área de la garganta de la boquilla de salida. De lo contrario, si no se libera la presión, el gas puede fluir aguas arriba y volver a encenderse, lo que posiblemente provoque una parada del compresor (o un aumento repentino del ventilador en una aplicación de turboventilador). Los primeros diseños, p. Los postquemadores solares utilizados en el F7U Cutlass, F-94 Starfire y F-89 Scorpion tenían boquillas de párpado de 2 posiciones. Los diseños modernos incorporan no sólo boquillas VG sino múltiples etapas de aumento mediante barras de pulverización separadas.

En primer orden, la relación de empuje bruto (postcombustión/seco) es directamente proporcional a la raíz de la relación de temperatura de estancamiento a través del postquemador (es decir, salida/entrada).

Limitaciones

Debido a su alto consumo de combustible, los postquemadores solo se utilizan para requisitos de alto empuje y de corta duración. Estos incluyen despegues pesados o en pistas cortas, asistencia en lanzamientos de catapultas desde portaaviones y durante el combate aéreo. Una excepción notable es el Pratt & Motor Whitney J58 utilizado en el SR-71 Blackbird que utilizó su postcombustión durante períodos prolongados y se repostó en vuelo como parte de cada misión de reconocimiento.

Un postquemador tiene una vida limitada para igualar su uso intermitente. El J58 fue una excepción con una calificación continua. Esto se logró con revestimientos de barrera térmica en el revestimiento y los porta llamas y enfriando el revestimiento y la boquilla con aire de purga del compresor en lugar de gas de escape de la turbina.

Eficiencia

En los motores térmicos, como los motores a reacción, la eficiencia es mayor cuando la combustión se produce a la presión y temperatura más altas posibles, y se expande hasta la presión ambiental (consulte el ciclo de Carnot).

Dado que los gases de escape ya tienen un contenido reducido de oxígeno debido a la combustión previa, y dado que el combustible no se quema en una columna de aire altamente comprimido, el postquemador es generalmente ineficiente en comparación con el proceso de combustión principal. La eficiencia del postquemador también disminuye significativamente si, como suele ser el caso, la presión de entrada y del tubo de escape disminuye con el aumento de la altitud.

Esta limitación se aplica únicamente a los turborreactores. En un motor de combate turbofan militar, el aire de derivación se agrega al escape, aumentando así la eficiencia del núcleo y del postquemador. En los turborreactores la ganancia está limitada al 50%, mientras que en un turbofan depende de la relación de derivación y puede llegar hasta el 70%.

Sin embargo, como contraejemplo, el SR-71 tenía una eficiencia razonable a gran altitud en modo de postcombustión ("húmedo") debido a su alta velocidad (mach 3,2) y, en consecuencia, alta presión debido a la entrada de ariete.

Influencia en la elección del ciclo

La postcombustión tiene una influencia significativa en la elección del ciclo del motor.

Reducir la relación de presión del ventilador disminuye el empuje específico (tanto postcombustión seca como húmeda), pero da como resultado una temperatura más baja que ingresa al postquemador. Dado que la temperatura de salida de la postcombustión está efectivamente fijada, el aumento de temperatura en toda la unidad aumenta, elevando el flujo de combustible de la postcombustión. El flujo total de combustible tiende a aumentar más rápido que el empuje neto, lo que resulta en un mayor consumo específico de combustible (SFC). Sin embargo, la correspondiente potencia seca SFC mejora (es decir, menor empuje específico). La alta relación de temperatura en el postquemador da como resultado un buen impulso de empuje.

Si el avión quema un gran porcentaje de su combustible con el postquemador encendido, vale la pena seleccionar un ciclo de motor con un empuje específico alto (es decir, relación de presión del ventilador alta/relación de derivación baja). El motor resultante es relativamente eficiente en cuanto a combustible con postcombustión (es decir, combate/despegue), pero consume mucha energía en seco. Sin embargo, si el postquemador se va a utilizar apenas, se favorecerá un ciclo de empuje específico bajo (relación de presión del ventilador baja/relación de derivación alta). Un motor de este tipo tiene un buen SFC en seco, pero un pobre SFC de postcombustión en combate/despegue.

A menudo el diseñador de motores se enfrenta a un compromiso entre estos dos extremos.

Historia

El motorjet Caproni Campini C.C.2, diseñado por el ingeniero italiano Secondo Campini, fue el primer avión en incorporar un postquemador. El primer vuelo de un C.C.2, con sus postquemadores en funcionamiento, tuvo lugar el 11 de abril de 1941.

Los primeros trabajos británicos con postcombustión ("recalentamiento") incluyeron pruebas de vuelo en un Rolls-Royce W2/B23 en un Gloster Meteor I a finales de 1944 y pruebas en tierra en un motor Power Jets W2/700 a mediados de 1945. Este motor estaba destinado al proyecto del avión supersónico Miles M.52.

Las primeras investigaciones estadounidenses sobre el concepto fueron realizadas por la NACA, en Cleveland, Ohio, lo que llevó a la publicación del artículo "Theoretical Investigation of Thrust Augmentation of Turbojet Engines by Tail-pipe Burning" en enero de 1947.

El trabajo estadounidense en posquemadores en 1948 dio como resultado instalaciones en los primeros aviones a reacción de ala recta, como el Pirate, Starfire y Scorpion.

El nuevo Pratt & El turborreactor Whitney J48, con un empuje de 36 kN (8.000 lbf) y postquemadores, impulsaría el caza de ala en flecha Grumman F9F-6, que estaba a punto de entrar en producción. Otros nuevos cazas de la Armada con postcombustión incluyeron el Chance Vought F7U-3 Cutlass, propulsado por dos motores Westinghouse J46 de 6.000 lbf (27 kN) de empuje.

En la década de 1950, se desarrollaron varios motores grandes de postcombustión, como el Orenda Iroquois y las variantes británicas de Havilland Gyron y Rolls-Royce Avon RB.146. El Avon y sus variantes impulsaron el English Electric Lightning, el primer avión supersónico en servicio de la RAF. El Bristol-Siddeley/Rolls-Royce Olympus estaba equipado con postquemadores para su uso con el BAC TSR-2. Este sistema fue diseñado y desarrollado conjuntamente por Bristol-Siddeley y Solar de San Diego. El sistema de postcombustión del Concorde fue desarrollado por Snecma.

Los posquemadores generalmente se utilizan sólo en aviones militares y se consideran equipo estándar en aviones de combate. El puñado de aviones civiles que los han utilizado incluyen algunos aviones de investigación de la NASA, el Tupolev Tu-144, el Concorde y el White Knight of Scaled Composites. El Concorde voló largas distancias a velocidades supersónicas. Mantener altas velocidades sostenidas sería imposible con el alto consumo de combustible del postquemador, y el avión usaba postquemadores en el despegue y para minimizar el tiempo pasado en el régimen de vuelo transónico de alta resistencia. El vuelo supersónico sin postquemadores se denomina supercrucero.

A turbojet engine equipped with an afterburner is called an "afterburning turbojet ", whereas a turbofan engine similarly equipped is sometimes called an "augmented turbofan#34;.

Un proyecto de "tirar y quemar" es una característica de exhibición aérea en la que se desecha combustible y luego se enciende intencionalmente usando el postquemador. Una llama espectacular combinada con una alta velocidad lo convierte en un espectáculo popular para exhibiciones aéreas o como final de fuegos artificiales. El vertido de combustible se utiliza principalmente para reducir el peso de una aeronave y evitar un aterrizaje pesado y a alta velocidad. Excepto por razones de seguridad o emergencia, el vertido de combustible no tiene ningún uso práctico.