ATPL Training Gas Turbine Engines #01 Introduction Part 1

Summary

La propulsión por chorro es una fuerza generada en la dirección opuesta a la fuga de un fluido presionado. Desde el aspersor de jardín hasta los cohetes espaciales, esta tecnología se basa en el tercer principio de la dinámica de Newton. Desde los primeros intentos de Hero de Alejandría en 250 a.C. hasta los avances en motores de reacción en la Segunda Guerra Mundial, la evolución de los motores de gas y de compresores axiales ha revolucionado la aviación. Los motores de gas turbina, con su ciclo de trabajo llamado ciclo de Brayton, ofrecen una relación potencia-peso superior y son fundamentales en la industria aeronáutica moderna.

Takeaways

• ✈️ El propulsión por chorro se define como la fuerza generada en la dirección opuesta a la fuga de un fluido bajo presión por una abertura.
• 💧 Un ejemplo de propulsión por chorro en la vida cotidiana es el aspersor de césped, que gira al deshacerse de agua.
• 🚀 El impulso que envía cohetes al espacio también se basa en la propulsión por chorro, una aplicación menos común en la vida diaria.
• 📚 El dispositivo que utiliza la propulsión por chorro es esencialmente un motor de reacción que opera según el tercer principio de la dinámica de Newton.
• 🔧 El primer motor de reacción registrado fue inventado por Héro de Alejandría en 250 a.C., y consistía en una esfera que giraba al deshacerse de vapor por tubos.
• 🛫 En tiempos modernos, una de las primeras tentativas de crear aeronaves de propulsión por chorro fue un diseño híbrido por Sondlo Campini, que mezclaba aire comprimido y combustible para generar empuje.
• ✈️ En 1940, el Campini Caproni CC2 fue uno de los primeros aviones de propulsión por chorro en volar.
• 🇩🇪 Un año antes, los alemanes habían volado su versión de un avión de propulsión por chorro, el Heinkel He 178, impulsado por un motor diseñado por Hans von Ohain.
• ✈️ El 8 de abril de 1941, el Gloster E.28/39, un avión con motor de jet diseñado por Frank Whittle, realizó su vuelo oficial.
• 🏭 Rolls-Royce eventualmente asumió el desarrollo del motor de Whittle, creando el motor Welland y luego el motor Nene, que fue uno de los más potentes de su tiempo.
• ✈️ El motor Nene, con 5,000 libras de empuje, fue utilizado en aviones como el MiG-15, que tuvo un papel crucial en el conflicto de Corea.
• 🔧 Una diferencia clave entre los motores alemanes y los motores de Whittle era el tipo de compresor utilizado: los primeros utilizaban compresores de flujo axial, mientras que los últimos, compresores centrífugos.
• ✈️ Los compresores de flujo axial tienen varias ventajas sobre los compresores centrífugos, como una relación de compresión más alta y un mayor flujo de masa.
• 🔄 El ciclo de trabajo del motor de gas turbo, también conocido como ciclo de Brayton, es similar al ciclo de cuatro tiempos del motor de pistón, pero con procesos continuos en lugar de intermitentes.

Q & A

¿Qué es la propulsión por chorro según el guion proporcionado?

La propulsión por chorro es la fuerza generada en la dirección opuesta a la de una descarga de fluido bajo presión que escapa a través de una abertura.

¿Cómo funciona un aspersor de césped como ejemplo de propulsión por chorro?

Cuando el agua fluye a través de un aspersor de césped, la fuerza generada por el chorro de agua que sale hace que el aspersor gire, ejemplificando la propulsión por chorro.

¿Cuál es la relación entre la propulsión por chorro y la tercera ley de la dinámica de Newton?

La propulsión por chorro opera bajo el principio de la tercera ley de la dinámica de Newton, que establece que toda acción tiene una reacción igual y opuesta.

¿Quién fue el primero en utilizar un motor de reacción y cuándo lo hizo?

Hero de Alejandría fue el primero en utilizar un motor de reacción en 250 a.C., con su invento conocido como el motor de Hero.

¿Cómo funcionaba el motor de Hero de Alejandría?

El motor de Hero consistía en una esfera a la que se le introducía vapor de agua a presión. Este vapor escapaba a través de boquillas en dos tubos curvados montados en la superficie de la esfera, generando un empuje que la hacía girar.

¿Cuál fue el primer intento de avión propulsado por chorro y quién lo desarrolló?

El primer intento de avión propulsado por chorro fue el Campini Caproni CC2, desarrollado por el italiano Secondo Campini, quien diseñó un sistema híbrido que usaba un motor de pistón convencional para alimentar un compresor.

¿Qué es la diferencia principal entre los motores de chorro alemanes y los desarrollados por Frank Whittle?

La diferencia principal es el tipo de compresor utilizado: los motores alemanes como el BMW 003 utilizaban compresores de flujo axial, mientras que el motor de Whittle usaba un compresor centrífugo.

¿Cuál fue el papel del motor de Whittle en la Segunda Guerra Mundial?

El motor de Whittle fue fundamental en el desarrollo de los primeros aviones de combate de chorro británicos, como el Gloster Meteor, que usaron motores Rolls-Royce basados en el diseño de Whittle.

¿Qué es el ciclo de Brayton y cómo se relaciona con la propulsión por chorro?

El ciclo de Brayton, también conocido como ciclo de trabajo del motor de gas de turbina, es el proceso por el cual un motor de gas de turbina opera, similar al ciclo de cuatro tiempos del motor de pistón pero con procesos continuos y una relación de compresión mayor.

¿Cómo se genera el empuje en un motor de gas de turbina?

El empuje en un motor de gas de turbina se genera a través de la combustión de aire y combustible, que produce un flujo de gas caliente. Este flujo expande a través de una turbina, donde se extrae energía mecánica, y luego se expulsa a través de un tubo de chorro, proporcionando el empuje propulsor.

Outlines

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🚀 Propulsión por reacción

El primer párrafo explica la propulsión por reacción como la fuerza generada en la dirección opuesta a la fuga de un fluido bajo presión. Se menciona el aspersor de césped como ejemplo cotidiano y los cohetes espaciales como un caso menos común. La propulsión por reacción se basa en el tercer principio de la dinámica de Newton, que afirma que toda acción tiene una reacción igual y opuesta. El primer uso registrado de un motor de reacción fue en 250 a.C. con el发明 de Herón de Alejandría. Más tarde, en el siglo XX, se desarrollaron aviones de reacción como el Campini Caproni CC2 y el Heinkel He 178, así como el motor de jet del Gloster E.28/39 diseñado por Sir Frank Whittle. Estos motores utilizaron diferentes tipos de compresores, como el compresor centrífugo y el compresor de flujo axial, con el último ofreciendo una mayor eficiencia y ratio de compresión.

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🛫 Evolución de los motores de reacción

El segundo párrafo se centra en la comparación entre los compresores centrífugos y de flujo axial, destacando las ventajas del segundo en términos de ratio de compresión y flujo de masa. Esto llevó a una preferencia en el desarrollo de motores de reacción con compresores de flujo axial. Además, se compara el principio de funcionamiento del motor de gas turbo con el del motor de pistón, ambos basados en el principio de la reacción de Newton. Se describe el ciclo de trabajo del motor de gas turbo, conocido como ciclo de Brayton, y se explica cómo difiere del ciclo de cuatro tiempos del motor de pistón en la forma en que ocurren los procesos de combustión y expansión.

10:03

🔧 Ciclo de trabajo del motor de gas turbo

El tercer párrafo describe el ciclo de trabajo del motor de gas turbo, también conocido como ciclo de Brayton, en detalle. Comienza con la entrada de aire a presión atmosférica y sigue con la compresión, la adición de combustible, la combustión en la cámara de combustión y la expansión en la turbina. Se extrae energía mecánica de la corriente de gas y se genera propulsión a través de la salida del tubo de escape. Se discute la teoría detrás de la producción de torbellinos y turbulencia para una combustión eficiente y se menciona la disminución de presión que ocurre en la cámara de combustión. Finalmente, se describe cómo el gas expande en la turbina y se expulsa a través del tubo de escape, con la presión del flujo de gas alcanzando valores atmosféricos antes de ser despedidos.

Keywords

💡Propulsión por chorro

La propulsión por chorro es un principio fundamental en la tecnología aeronáutica y espacial, definida como la fuerza generada en la dirección opuesta a la fuga de un fluido bajo presión a través de una abertura. En el guion, se menciona como ejemplo el rociador de césped, que gira debido a la presión del agua, y los cohetes que se lanzan al espacio. Esta fuerza es un ejemplo de la acción y reacción, y es crucial para el funcionamiento de motores de reacción.

💡Tercer principio de la dinámica de Newton

Este principio, establecido por Isaac Newton en 1687, afirma que toda acción tiene una reacción igual y opuesta. Es la base de la propulsión por chorro, ya que la fuerza propulsora se produce debido a la reacción generada por la expulsión de un fluido. En el guion, se destaca cómo este principio es esencial para entender cómo funcionan tanto los rociadores de césped como los motores de cohetes.

💡Motor de reacción

Un motor de reacción es un tipo de motor que opera basándose en la propulsión por chorro, es decir, en la expulsión de gases a alta velocidad para generar una fuerza impulsora. En el guion, se describe cómo los motores de reacción son esenciales para el avance de la tecnología aeronáutica, desde los primeros intentos con motores de propulsión por chorro hasta los modernos motores de gas de turbina.

💡Hero de Alejandría

Hero de Alejandría, un inventor y matemático del siglo III a.C., es mencionado en el guion como el creador del primer motor de reacción registrado. Su invento, un esfera que giraba al expulsar vapor de agua, anticipa los principios de la propulsión por chorro y muestra cómo la curiosidad y el ingenio han impulsado el desarrollo tecnológico a lo largo de la historia.

💡Aeroplano de propulsión por chorro

El avance en la propulsión por chorro llevó al desarrollo de aeronaves impulsadas por este principio. En el guion, se menciona el Campini Caproni CC.2, un avión italiano de 1940, y el Heinkel He 178, un avión alemán, como ejemplos tempranos de aeronaves de propulsión por chorro. Estos aviones representan un hito en la historia de la aviación y la transición de los motores de pistón a los motores de jet.

💡Sir Frank Whittle

Sir Frank Whittle fue un inventor británico que patentó el motor de jet en 1930 y cuya versión volable fue desarrollada en 1939. En el guion, se destaca su contribución a la aviación con el motor de jet, que revolucionó la industria y permitió la creación de aviones más rápidos y eficientes. Whittle es un ejemplo de la importancia de la innovación y la persistencia en la historia de la tecnología.

💡Compresor centrífugo

Un compresor centrífugo es un tipo de compresor que utiliza la fuerza centrífuga para comprimir fluidos, como el aire, en motores de jet. En el guion, se menciona cómo el motor de Whittle utilizó un compresor centrífugo, que es diferente del compresor de flujo axial utilizado en los motores alemanes. Los compresores centrífugos tienen una relación de compresión limitada y un flujo de masa menor en comparación con los compresores de flujo axial.

💡Compresor de flujo axial

Un compresor de flujo axial es un tipo de compresor que utiliza el movimiento axial del fluido para comprimirlo. En el guion, se explica cómo los compresores de flujo axial permiten una relación de compresión más alta y un mayor flujo de masa en comparación con los compresores centrífugos. Esto ha llevado a una mayor eficiencia y a la adopción generalizada de los motores de gas de turbina en la aviación moderna.

💡Ciclo de Brayton

El ciclo de Brayton, también conocido como ciclo de gas de turbina, es el proceso termodinámico que describe el funcionamiento de un motor de gas de turbina. En el guion, se compara este ciclo con el ciclo de cuatro tiempos del motor de pistón, destacando la diferencia clave de que la combustión en el motor de gas de turbina ocurre a presión constante en lugar de a volumen constante como en el motor de pistón.

💡Motor de gas de turbina

Un motor de gas de turbina es un tipo de motor que utiliza la energía del aire comprimido y combustible quemando para producir energía. En el guion, se describe cómo este tipo de motor ha reemplazado gradualmente a los motores de pistón debido a su mayor relación de potencia a peso y su capacidad para producir energía de manera continua, en lugar de de manera intermitente como en los motores de pistón.

Highlights

Jet propulsion is the force generated by the discharge of fluid under pressure.

Lawn sprinklers and rockets utilize jet propulsion principles.

Jet propulsion is based on Newton's third law of motion: every action has an equal and opposite reaction.

Hero of Alexandria's steam-powered sphere is an early example of a reaction engine, dating back to 250 BC.

Italian inventor Secondo Campini developed a hybrid jet propulsion system in the 1940s.

The German Heinkel He 178 was one of the first jet aircraft to fly, in 1939.

Sir Frank Whittle's jet engine patents were submitted in 1930, leading to the development of the Gloster E28/39.

Rolls-Royce developed the Welland engine, a version of Whittle's design, capable of 2,450 lb of thrust.

The Nene engine, developed by Rolls-Royce, was one of the most powerful jet engines at the time, with 5,000 lb of thrust.

The Russian MiG-15 aircraft used the Nene engine, which played a crucial role in the Korean War.

German engines like the BMW 003 used an axial flow compressor, unlike the centrifugal compressor in Whittle's engine.

Axial flow compressors offer higher compression ratios and greater mass flow compared to centrifugal compressors.

Gas turbine engines operate on the Brayton cycle, invented by George Brayton.

The Brayton cycle is similar to the four-stroke piston engine cycle but with continuous processes.

Gas turbine engines have a greater power-to-weight ratio than piston engines due to continuous combustion.

The working cycle of a gas turbine engine is depicted in a pressure-volume diagram, showing the stages of the Brayton cycle.

Transcripts

jet propulsion can be defined as the

force which is generated in the opposite

direction to that of a discharge of

fluid Under Pressure escaping through an

opening the force that makes a lawn

sprinkler similar to the one shown here

rotate when water flows through it is

one example of jet propulsion that is

readily apparent in everyday

life and the thrust that sends Rockets

like this one into space is another

which is perhaps not such an everyday

occurrence

whatever the form that the device

utilizing jet propulsion takes it is

essentially a reaction engine which

operates on the principle of the third

law of motion as stated by the English

physicist Sir Isaac Newton in

1687 which is that every action has an

equal and opposite

reaction the first recorded use of a

reaction engine was by hero of

Alexandria in 250 BC

Hero's engine a representation of which

is shown here consisted of a sphere into

which steam was introduced Under

Pressure the steam was fed through

apertures in the center of the bearings

upon which the sphere was allowed to

rotate allowing the steam to escape

through nozzles in two bent tubes

mounted opposite one another on the

surface of the sphere created thrust

which caused the sphere to rotate around

its

axis it's alleged that hero invented his

engine while he was investigating

different methods of opening the doors

of a temple in

Alexandria in recent times one of the

first attempts at creating jet proud

aircraft resulted in the development of

a hybrid

design an Italian sondo campini designed

a system whereby an external power

source in this case a conventional

piston engine powered a

compressor the output of the compressor

was mixed with fuel the mixture of air

and Fuel ignited and Jet thrust

resulted campini collaborated with the

Italian aircraft manufacturers caproni

and in August of 1940 the campini croni

cc2

flew although the Italians were unaware

of it a year earlier than this the

Germans had flown their version of a jet

aircraft the hanle

178 this this aircraft was powered by an

engine designed by a young German

scientist called Hans Von

oan despite the relatively sparkling

performance for that era it could travel

at speeds in excess of 400 mph the

German air force initially paid its

can't regard and it was never produced

in any

quantity on the 8th of April 1941 the

first official Flight of the Gloucester

E28 39 aircraft took place at brockworth

in gloustershire

sir Frank Whittle had submitted patents

for his jet engine in 1930 but it was

not until 1939 that sufficient financial

and Technical backing was found to

enable him to manufacture a flyable

version of his

engine The Firm of Rover had reluctantly

initially been contracted to produce the

Whittle engine but Rolls-Royce who could

see its potential eventually took over

development of the engine one of which

is shown

here Rolls-Royce worked the Whittle

design to produce the duwin engine an

example of which is depicted here this

engine was capable in its Mark 4 version

of producing 2,450 lb of

thrust later versions of the engine

capable of 3,600 lbs of thrust were used

to power the gluster metor f8 like the

one shown here flying at an open day at

Royal Air Force kemell in the year

2000 during a visit to the United States

in early 1944 the leader of the

Rolls-Royce design team found that

General Electric were developing engines

capable of producing up to 4,000 lb of

thrust as a response to this after his

return He initiated a project which

culminated in the nen engine which at

the time was the most powerful engine in

the world with 5,000 lb of

thrust possibly one of the most

important but least publicized uses of

this engine was its incorporation into

the Russian mig5 aircraft which was so

effective in the Korean

conflict one critical difference between

the German engines used in the hle and

the later MMI 262 and those developed

from s Frank whittle's original engine

was the type of compressor

employed while the Whittle engine used a

centrifugal compressor similar to the

example shown

here the German engines like the BMW 003

model used in the hle 162 utilized an a

AAL flow compressor similar in design to

the Cutaway model

shown axial flow compressors have

several advantages over the centrifugal

compressor for instance whereas the

centrifugal compressor compression ratio

is limited to approximately 12: 1 when

the maximum of two stages are used in

series by adding more stages to an axial

flow compressor compression ratios as

great as 40:1 can be obtained the term

compression ratio refers to the ratio of

the pressure at the outlet of a

compressor to that at its

Inlet a second advantage of the axial

flow compressor almost as important as

the first is that the mass flow which

can be obtained through an axial flow

compressor is potentially much greater

than the mass flow which can be achieved

through a centrifugal

compressor as a consequence of these

factors the development of the early

centrifugal compressor engines was

subjugated in favor of the advancement

of the axial flow compressor engines

which continues

today the principle of the gas turbine

engine is basically the same as that of

the piston engine propeller combination

they both Propel a mass of air

backwards mass times acceleration equals

force in a gas turbine engine the mass M

mentioned in the equation is the air

delivered by the

compressor the acceleration in the

equation is the difference in the outlet

velocity of the air V to that of its

Inlet velocity V1 due to the addition of

heat

energy force equals mass * V minus V1

which equals

thrust with the piston engine propeller

combination the prop propeller drives a

relatively large mass of air backwards

fairly slowly while the gas turbine

throws a small mass of air backwards

relatively

quickly Newton's third law states for

every force acting on a body there is an

equal and opposite

reaction in the two cases quoted earlier

the piston engine propeller combination

and the gas turbine engine the force

created by the mass of air being thrown

backwards and its velocity generates a

reaction in the opposite direction

driving the aircraft

forwards it must be remembered that the

jet reaction does not result from the

pressure of the jet on the atmosphere in

all instances the resultant reaction or

thrust exerted on the engine is

proportional to the mass or weight of

the air expelled by the engine and the

velocity change imparted to

it

the working cycle of the gas turbine

engine is called the Bron cycle after

George Bron an American mechanical

engineer who invented the continuous

ignition engine which was the basis of

the gas turbine

engine the braon cycle and the working

cycle of the fourstroke piston engine

the autoc cycle are very similar as can

be seen in this

diagram the

induction compression

power and exhaust Strokes of the

autocycle are each matched by induction

compression combustion and exhaust

stages in the braon

cycle one major difference however

exists in that in the gas turbine engine

combustion theoretically occurs at a

constant pressure whereas in the piston

engine it occurs once again

theoretically at a constant

volume power is developed in the turbine

of the

engine other differences between the

piston engine and the gas turbine engine

concern The Continuous manner in which

these processes occur in the gas turbine

engine as opposed to the intermittent

procedure occurring in the piston

engine in the piston engine only one of

The Strokes is utilized in producing

power the other three are effectively

absorbing power while in the gas turbine

engine the three idle Strokes have been

eliminated thus allowing more time for

the burning of

fuel this is just one of the reasons why

the gas turbine engine has a greater

power weight ratio than the piston

engine the pressure volume diagram shown

here otherwise known as the braon cycle

represents the working cycle of the gas

turbine engine in its simplest

form Air at atmospheric pressure enters

the engine at Point

a and is compressed along the line

AB fuel is added in the combustion

Chambers which is signified by point B

and the mixture is burnt in theory at a

constant

pressure in fact the reduction in

pressure shown between points B and C

indicates that pressure losses do

actually occur in the combustion

chamber the drop in pressure is created

by the need to produce the swirl and

turbulence necessary for efficient

combustion and this causes a pressure

drop throughout the combustion chamber

length of between 3 to

6% notwithstanding this drop a

considerable increase in the volume of

the air is generated within the

combustion

chamber between points C and D the G gas

generated through combustion expands in

the turbine where mechanical Power is

extracted from the energy in the gas

stream and the Jet pipe where the

remainder of the gas Stream Energy

provides a propulsive jet as it's

discharged in theory the gas stream

pressure attains a value equal to

atmospheric pressure before being

ejected