ATPL Training Gas Turbine Engines #01 Introduction Part 1
Summary
TLDRLa 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
🚀 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.
🛫 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.
🔧 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.
Mindmap
Keywords
💡Propulsión por chorro
💡Tercer principio de la dinámica de Newton
💡Motor de reacción
💡Hero de Alejandría
💡Aeroplano de propulsión por chorro
💡Sir Frank Whittle
💡Compresor centrífugo
💡Compresor de flujo axial
💡Ciclo de Brayton
💡Motor de gas de turbina
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
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