Thrust Augmentation - Aircraft Gas Turbine Engines #14

Aero & Air

21 Apr 202012:29

Summary

TLDREn condiciones de alta altitud o altas temperaturas ambientales, los sistemas de inyección de agua pueden restaurar la potencia de los motores a turbina, tanto en motores turbojet como en turbopropulsores. Estos sistemas aumentan el flujo de aire al enfriarlo mediante la inyección de agua, mejorando el rendimiento durante el despegue y el ascenso. En algunos casos, se usa una mezcla de agua y metanol para evitar la congelación del líquido y mantener la temperatura de los gases de escape. Además, el uso de postcombustión incrementa la potencia utilizando oxígeno no quemado en los gases de escape. Sin embargo, la inyección de agua y la postcombustión aumentan significativamente el consumo de combustible.

Takeaways

😀 Un sistema de inyección de agua puede restaurar la potencia de un motor a reacción turbojet y aumentar la potencia de un motor turbohélice en condiciones de alta altitud y/o temperatura ambiente elevada.
😀 La cantidad de aire que fluye a través de un motor de turbina de gas afecta directamente su salida de potencia; la altitud y la temperatura reducen esta cantidad, disminuyendo el empuje o la potencia disponible.
😀 En aviones como el Boeing 707 y el DC-8, se transportaban hasta 300 galones de fluido de inyección de agua por motor, que se consumían durante el despegue y el ascenso.
😀 El sistema de inyección de agua restablece la potencia del motor al aumentar la masa de aire a través del motor mediante la refrigeración por agua, aunque su efectividad está limitada por la temperatura ambiente.
😀 El flujo de agua se regula cuidadosamente durante el proceso de inyección, y el ratio de agua a combustible es de 4.5:1 durante el uso de inyección de agua en los motores a reacción.
😀 La inyección de agua en un motor turbohélice incrementa el flujo de masa a través de la turbina, lo que ayuda a aumentar la potencia del eje sin necesidad de aumentar la velocidad del compresor.
😀 Los sistemas de inyección de agua metanol (agua y metanol) permiten evitar la congelación del agua a altas altitudes, y el metanol también ayuda a mantener la temperatura adecuada en la cámara de combustión.
😀 La proporción de metanol en el sistema de inyección debe ser cuidadosamente controlada para evitar exceder los límites de temperatura del motor.
😀 El aumento de empuje mediante poscombustión o 'recalentamiento' se utiliza principalmente en aeronaves militares, aunque el Concorde fue una excepción con motores turbojet con poscombustión.
😀 El sistema de poscombustión introduce combustible en el conducto de gases después de la turbina, lo que aumenta la temperatura de los gases y la velocidad de salida, resultando en un mayor empuje.
😀 La selección de la poscombustión se activa mediante una palanca de aceleración, y la relación de presión entre la turbina y el conducto de escape se mantiene mediante una tobera de área variable.

Q & A

¿Cómo afecta la altitud y la temperatura ambiente al rendimiento de un motor a chorro o turbohélice?
-La altitud elevada y las altas temperaturas reducen la densidad del aire que fluye a través del motor, lo que disminuye la potencia disponible. Esto puede provocar una pérdida de empuje en motores a chorro o una reducción de la potencia en motores turbohélice.
¿Qué es un sistema de inyección de agua y cómo restaura la potencia de un motor a chorro o turbohélice?
-El sistema de inyección de agua se utiliza para enfriar el flujo de aire dentro del motor, aumentando la masa de aire y restaurando la potencia. Este sistema se activa durante el despegue para compensar la pérdida de rendimiento debido a las condiciones de altitud o temperatura.
¿Cuánto agua era transportada por el Boeing 707 y el DC-8 para el sistema de inyección de agua?
-El Boeing 707 y el DC-8 llevaban aproximadamente 300 galones de agua por motor, los cuales debían consumirse durante los 3 minutos de despegue y ascenso.
¿Cuál es la relación de flujo de agua respecto al flujo de combustible durante el despegue?
-La relación de flujo de agua a combustible era de 4,5 a 1, es decir, por cada 22 galones por minuto de combustible, se inyectaban 100 galones por minuto de agua.
¿Qué efectos tiene el sistema de inyección de agua en la curva de potencia de un motor turbojet?
-La inyección de agua permite restaurar la potencia disponible en un motor turbojet hasta el 100% del nivel nominal, incluso en condiciones de alta temperatura ambiente, aunque este aumento está limitado a un rango de temperatura específico.
¿Por qué se limita el aumento de potencia en los motores turbojet con sistemas de inyección de agua?
-El aumento de potencia se limita porque, aunque la masa del aire puede aumentar mediante la inyección de agua, la presión máxima del compresor está restringida para evitar daños estructurales en el motor.
¿Cuál es la diferencia entre la inyección de agua en un motor turbojet y un motor turbohélice?
-En un motor turbohélice, la inyección de agua no se utiliza para aumentar la presión en el compresor, sino para aumentar el flujo de aire a través de la turbina, lo que genera más empuje al impulsar la hélice sin incrementar la velocidad máxima del motor.
¿Por qué se utiliza una mezcla de metanol y agua en lugar de solo agua en el sistema de inyección?
-El metanol se añade al agua para evitar que se congele en altitudes elevadas y para controlar la temperatura de los gases de escape. El metanol también ayuda a mantener la temperatura del gas en niveles adecuados para evitar la pérdida de potencia.
¿Cómo afecta la mezcla de metanol y agua a la temperatura de los gases en el motor?
-La inyección de agua metanol reduce la temperatura de los gases de escape, pero el metanol, al ser un combustible, se quema y ayuda a aumentar la temperatura nuevamente, manteniendo el rendimiento del motor dentro de los límites de seguridad.
¿Qué es el postquemado o 'afterburning' y cómo mejora el rendimiento del motor?
-El postquemado es un sistema de aumento de empuje que inyecta combustible en los gases de escape después de la turbina para quemarlo y liberar más energía térmica. Esto aumenta la velocidad de los gases de escape y mejora el empuje, pero también aumenta significativamente el consumo de combustible.
¿Por qué el uso de postquemado está limitado en el tiempo?
-El uso de postquemado se limita debido al alto consumo de combustible que conlleva. Aunque mejora el rendimiento en despegue o en maniobras de combate, no es eficiente para un uso prolongado.