Empuje del motor de turbina de gas

El estudio habitual de los aviones a reacción describe el empuje mediante una descripción de "caja negra" que solo considera lo que entra al motor (aire y combustible) y lo que sale ( gases de escape y una fuerza desequilibrada). Esta fuerza, denominada empuje, es la suma de la diferencia de momento entre la entrada y la salida, más cualquier fuerza de presión desequilibrada entre ambas, como se explica en el apartado "Cálculo del empuje".

Como ejemplo, un turborreactor primitivo, el Bristol Olympus Mk. 101, tenía un empuje de momento de 9300 lb y un empuje de presión de 1800 lb, lo que da un total de 11 100 lb. ^{[ 1 ]} Al observar el interior de la "caja negra", se observa que el empuje resulta de todas las fuerzas de momento y presión desequilibradas creadas dentro del propio motor. ^{[ 2 ]} Estas fuerzas, algunas hacia adelante y otras hacia atrás, se distribuyen por todas las partes internas, tanto estacionarias como giratorias, como conductos, compresores, etc., que se encuentran en el flujo de gas primario que atraviesa el motor de adelante hacia atrás. La suma algebraica de todas estas fuerzas se transmite a la estructura del avión para la propulsión. ^{[ 3 ]} "Flight" ofrece ejemplos de estas fuerzas internas para dos motores a reacción primitivos, el Rolls-Royce Avon Ra.14 ^{[ 4 ]} y el de Havilland Goblin . ^{[ 5 ]}

El empuje del motor actúa a lo largo de su eje central. La aeronave "sujeta" el motor en la carcasa exterior a cierta distancia del eje central (en los soportes del motor). Esta disposición provoca que la carcasa del motor se doble (lo que se conoce como flexión de la columna vertebral) y que las carcasas redondas del rotor se deformen (ovalización). La deformación de la estructura del motor debe controlarse mediante la ubicación adecuada de los soportes para mantener holguras aceptables entre el rotor y los sellos, y evitar el roce. Un ejemplo muy conocido de deformación estructural excesiva ocurrió con la instalación original del motor Pratt & Whitney JT9D en el avión Boeing 747. ^{[ 6 ]} Fue necesario revisar la disposición de montaje del motor añadiendo un bastidor de empuje adicional para reducir las deflexiones de la carcasa a un nivel aceptable. ^{[ 7 ] [ 8 ]}

El empuje del rotor sobre un cojinete de empuje no está relacionado con el empuje del motor. Incluso puede cambiar de dirección a ciertas RPM. La carga del cojinete está determinada por consideraciones de vida útil del cojinete. Aunque las cargas aerodinámicas sobre los álabes del compresor y la turbina contribuyen al empuje del rotor, son pequeñas en comparación con las cargas de la cavidad dentro del rotor que resultan de las presiones del sistema de aire secundario y los diámetros de sellado en los discos, etc. Para mantener la carga dentro de las especificaciones del cojinete, los diámetros de los sellos se eligen en consecuencia, como, hace muchos años, en la cara posterior del impulsor ^{[ 9 ]} en el motor de Havilland Ghost . A veces, se debe agregar un disco adicional conocido como pistón de equilibrio dentro del rotor. Un ejemplo temprano de turborreactor con un pistón de equilibrio fue el Rolls-Royce Avon ^{[ 10 ]} .

El empuje neto ( F _N ) de un motor viene dado por: ^{[ 11 ] : p16}

${\displaystyle F_{N}=({\dot {m}}_{aire}+{\dot {m}}_{combustible})v_{e}-{\dot {m}}_{aire}v}$

La mayoría de los motores a reacción tienen una entrada de aire, que proporciona la mayor parte del fluido que sale por el escape. Sin embargo, los motores cohete convencionales no tienen entrada de aire, por lo que el flujo _{de aire} es cero. Por lo tanto, los motores cohete no tienen resistencia aerodinámica y el empuje bruto de la tobera del motor cohete es el empuje neto del motor. En consecuencia, las características de empuje de un motor cohete difieren de las de un motor a reacción que respira aire, y el empuje es independiente de la velocidad.

Si la velocidad del chorro de un motor a reacción es igual a la velocidad del sonido, se dice que la tobera del motor a reacción está estrangulada. Si la tobera está estrangulada, la presión en el plano de salida de la tobera es mayor que la presión atmosférica, y se deben agregar términos adicionales a la ecuación anterior para tener en cuenta el empuje de presión. ^{[ 11 ]} Sin embargo, v _e es la velocidad efectiva de escape. Si un motor turborreactor tiene una tobera de escape puramente convergente y la velocidad real de escape alcanza la velocidad del sonido en el aire a la temperatura y presión de escape, el gas de escape no puede ser acelerado más por la tobera. En tal caso, el gas de escape mantiene una presión que es mayor que la del aire ambiente. Esta es la fuente del "empuje de presión".

El caudal de combustible que entra en el motor suele ser muy pequeño en comparación con el caudal de aire. ^{[ 11 ]} Cuando se puede ignorar la contribución del combustible al empuje bruto de la tobera, el empuje neto es:

${\displaystyle F_{N}={\dot {m}}_{air}(v_{e}-v)}$

La velocidad del chorro ( v _e ) debe superar la velocidad aerodinámica real de la aeronave ( v ) para que exista un empuje neto hacia adelante sobre la aeronave. La velocidad ( v _e ) puede calcularse termodinámicamente basándose en la expansión adiabática . ^{[ 12 ]}

El aumento del empuje ha adoptado muchas formas, siendo la más común complementar un empuje de despegue insuficiente. Algunos aviones a reacción de la época necesitaban asistencia de cohetes para despegar de aeródromos de gran altitud o cuando la temperatura diurna era elevada. Un avión más reciente, el bombardero supersónico Tupolev Tu-22 , estaba equipado con cuatro propulsores SPRD-63 para el despegue. ^{[ 13 ]} Posiblemente el requisito más extremo que necesitaba asistencia de cohetes, y que fue de corta duración, era el lanzamiento de longitud cero . Casi igual de extremo, pero muy común, es la asistencia mediante catapulta desde portaaviones. La asistencia de cohetes también se ha utilizado durante el vuelo. El motor propulsor SEPR 841 se utilizó en el Dassault Mirage para la interceptación a gran altitud. ^{[ 14 ]}

Los primeros sistemas de ventiladores traseros que añadían flujo de aire de derivación a un turborreactor se conocían como aumentadores de empuje. ^{[ 15 ]} El ventilador trasero instalado en el turborreactor General Electric CJ805-3 aumentó el empuje de despegue de 11.650 lb a 16.100 lb.

La inyección de agua u otro refrigerante ^{[ 16 ]} en el compresor o la cámara de combustión y la inyección de combustible en el tubo de escape ( postcombustión /recalentamiento) se convirtieron en métodos estándar para aumentar el empuje, conocidos como empuje "húmedo" para diferenciarlos del empuje "seco" sin aumento.

La inyección de refrigerante (refrigeración previa al compresor) se ha utilizado, junto con la postcombustión, para aumentar el empuje a velocidades supersónicas. ^{[ 17 ]} El McDonnell Douglas F-4 Phantom II 'Skyburner' estableció un récord mundial de velocidad utilizando inyección de agua delante del motor. ^{[ 18 ]}

A números de Mach elevados, los postquemadores suministran progresivamente más empuje del motor a medida que el empuje de la turbomáquina disminuye hasta cero, velocidad a la que la relación de presión del motor (epr) ha caído a 1,0 y todo el empuje del motor proviene del postquemador. El postquemador también debe compensar la pérdida de presión a través de la turbomáquina, que es un elemento de resistencia a velocidades más altas donde la epr será menor que 1,0. ^{[ 19 ] [ 20 ]}

El aumento de empuje de las instalaciones de motores con postcombustión existentes para tareas especiales de corta duración ha sido objeto de estudios para lanzar pequeñas cargas útiles a órbitas terrestres bajas utilizando aeronaves como McDonnell Douglas F-4 Phantom II , McDonnell Douglas F-15 Eagle , Dassault Rafale y Mikoyan MiG-31 , ^{[ 21 ]} y también para transportar paquetes experimentales a grandes altitudes utilizando un Lockheed SR-71 . ^{[ 22 ]} En el primer caso se requiere un aumento en la capacidad de velocidad máxima existente para lanzamientos orbitales. En el segundo caso se requiere un aumento en el empuje dentro de la capacidad de velocidad existente. En el primer caso se utiliza el enfriamiento de la entrada del compresor. Un mapa del compresor muestra que el flujo de aire se reduce con el aumento de la temperatura de entrada del compresor aunque el compresor todavía está funcionando a las RPM máximas (pero velocidad aerodinámica reducida). El enfriamiento de la entrada del compresor aumenta la velocidad aerodinámica y el flujo y el empuje. En el segundo caso, se permitió un pequeño aumento de la velocidad mecánica máxima y de la temperatura de la turbina, junto con la inyección de óxido nitroso en el postquemador y un aumento simultáneo del flujo de combustible del postquemador.