Un postquemador (o recalentamiento en inglés británico) es un componente de combustión adicional utilizado en algunos motores a reacción , principalmente en los aviones supersónicos militares . Su propósito es aumentar el empuje , generalmente para vuelos supersónicos , despegues y combates . El proceso de postcombustión inyecta combustible adicional en una cámara de combustión en el tubo de chorro detrás (es decir, "después") de la turbina , "recalentando" el gas de escape. La postcombustión aumenta significativamente el empuje como una alternativa al uso de un motor más grande con su 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 "recalentamiento" contrasta con el significado e implementación de "recalentamiento" aplicable a las turbinas de gas que impulsan generadores eléctricos y que reduce el consumo de combustible. [1]
Los motores a reacción se denominan motores húmedos cuando se postcombustión y secos cuando no se postcombustión. [2] Un motor que produce el máximo empuje en húmedo está a máxima potencia, mientras que un motor que produce el máximo empuje en seco está a potencia militar . [3]
El primer motor a reacción con postcombustión fue la variante E del Jumo 004. [ 4]
El empuje de un motor a reacción es una aplicación del principio de reacción de Newton, en el que el motor genera empuje porque aumenta el momento del aire que pasa a través de él. [5] 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 ya sea acelerando el gas a una velocidad mayor o expulsando una mayor masa de gas del motor. [6] El diseño de un motor turborreactor básico en torno al segundo principio produce el motor de turbofán , que crea gas más lento, pero en mayor cantidad. Los turbofán son muy eficientes en el consumo de combustible y pueden proporcionar un gran 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 el gas de escape a una velocidad mayor. [7]
Los siguientes valores y parámetros corresponden a un motor a reacción antiguo, el Pratt & Whitney J57 , estacionario en la pista, [8] e ilustran los altos valores de flujo de combustible de postcombustión, temperatura del gas y empuje en comparación con los del motor que opera dentro de las limitaciones de temperatura para su turbina.
La temperatura más alta en el motor (aproximadamente 3700 °F (2040 °C) [9] ) ocurre en la cámara de combustión, donde se quema el combustible (a una velocidad aproximada de 8520 lb/h (3860 kg/h)) en una proporción relativamente pequeña del aire que ingresa 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)), que le da a la turbina una vida útil aceptable. [10] Tener que reducir la temperatura de los productos de la combustión en una gran cantidad es una de las principales limitaciones sobre cuánto empuje se puede generar (10 200 lb · f (45 000 N)). La quema de todo el oxígeno suministrado 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)) una cantidad sustancial de oxígeno ( relación combustible/aire 0,014 en comparación con un valor sin oxígeno restante 0,0687) todavía está disponible 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 del postquemador recalienta el gas, pero a una temperatura mucho más alta (2540 °F (1390 °C)) que la TET (1570 °F (850 °C)). Como resultado del aumento de temperatura en la cámara de combustión del postquemador, el gas se acelera, primero por la adición de calor, conocida como flujo de Rayleigh , y luego por la boquilla hasta una velocidad de salida más alta que la que se produce sin el postquemador. El flujo de masa también aumenta ligeramente por la adición del combustible del postquemador. El empuje con postcombustión es de 16.000 lb· f (71.000 N).
El escape visible puede mostrar rombos de choque , que son causados por ondas de choque formadas debido a pequeñas diferencias entre la presión ambiental y la presión de escape. Esta interacción causa oscilaciones en el diámetro del chorro de escape a lo largo de una distancia corta y provoca bandas visibles donde la presión y la temperatura son más altas.
El empuje se puede aumentar quemando combustible en el aire de derivación frío de un turbofán, en lugar de los flujos fríos y calientes mixtos como en la mayoría de los turbofán con postcombustión.
Un turbofán aumentado temprano, el Pratt & Whitney TF30 , utilizó zonas de combustión separadas para los flujos de derivación y núcleo con tres de siete anillos de rociado concéntricos en el flujo de derivación. [11] En comparación, el Rolls-Royce Spey con postcombustión utilizó un mezclador de veinte conductos antes de los colectores de combustible.
La combustión en cámara de plenum (PCB) se desarrolló parcialmente para el motor de empuje vectorial Bristol Siddeley BS100 para el Hawker Siddeley P.1154 hasta que el programa se canceló en 1965. Los flujos de derivación en frío y de núcleo caliente se dividían entre dos pares de toberas, delantera y trasera, de la misma manera que el Rolls-Royce Pegasus , y el combustible se quemaba en el aire del ventilador antes de que saliera de las toberas delanteras. Habría proporcionado un mayor empuje para el despegue y un rendimiento supersónico en un avión similar, pero más grande, que el Hawker Siddeley Harrier . [12]
Pratt & Whitney utilizó calefacción por conductos para su propuesta de turbofán JTF17 para el Programa de Transporte Supersónico de EE. UU. en 1964 y se utilizó un motor de demostración. [13] El calentador de conductos usaba una cámara de combustión anular y se usaría para despegar, ascender y navegar a Mach 2,7 con diferentes cantidades de aumento según el peso de la aeronave. [14]
Un postquemador de 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 del oxígeno que ingiere, se puede quemar combustible adicional después de que el flujo de gas haya salido de 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 postquemador ( entrada de la tobera ), lo que da como resultado un aumento significativo en el empuje del motor. Además del aumento de la temperatura de estancamiento de salida del postquemador , también hay un aumento en el flujo másico de la tobera (es decir, el flujo másico de entrada del postquemador más el flujo de combustible efectivo del postquemador), pero una disminución en la presión de estancamiento de salida del postquemador (debido a una pérdida fundamental debido al calentamiento más las pérdidas por fricción y turbulencia).
El aumento resultante en el caudal de salida del postquemador se compensa aumentando el área de la garganta de la tobera de salida. De lo contrario, si no se libera la presión, el gas puede fluir aguas arriba y volver a encenderse, posiblemente causando un estancamiento del compresor (o un aumento repentino del ventilador en una aplicación de turbofán ). Los primeros diseños, por ejemplo, los postquemadores solares utilizados en el F7U Cutlass, el F-94 Starfire y el F-89 Scorpion, tenían toberas de párpado de 2 posiciones. [15] Los diseños modernos incorporan no solo toberas de geometría variable (VG) sino múltiples etapas de aumento a través de 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 en el postquemador (es decir, salida/entrada).
Debido a su alto consumo de combustible, los postquemadores solo se utilizan para requisitos de gran empuje y corta duración. Estos incluyen despegues con aviones pesados o en pistas cortas, asistencia en lanzamientos con catapulta desde portaaviones y durante el combate aéreo . Una notable excepción es el motor Pratt & Whitney J58 utilizado en el SR-71 Blackbird , que utilizó su postquemador durante períodos prolongados y se reabasteció en vuelo como parte de cada misión de reconocimiento.
Un postquemador tiene una vida útil limitada que coincide con su uso intermitente. El J58 fue una excepción con una clasificación continua. Esto se logró con recubrimientos de barrera térmica en el revestimiento y los soportes de llama [16] y enfriando el revestimiento y la boquilla con aire purgado del compresor [17] en lugar de gas de escape de la turbina.
En los motores térmicos, como los motores a reacción, la eficiencia es máxima cuando la combustión se produce a la mayor presión y temperatura posibles y se expande hasta la presión ambiente (véase el ciclo de Carnot ).
Como los gases de escape ya tienen un contenido reducido de oxígeno , debido a la combustión previa, y como 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 admisión y de escape disminuye con el aumento de la altitud. [ cita requerida ]
Esta limitación se aplica únicamente a los turborreactores. En un motor de combate de turbofán militar, el aire de derivación se añade al escape, lo que aumenta la eficiencia del núcleo y del postquemador. En los turborreactores, la ganancia está limitada al 50%, mientras que en un turbofán depende de la relación de derivación y puede llegar al 70%. [18]
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 la correspondiente alta presión debido a la entrada de aire .
La postcombustión tiene una influencia significativa en la elección del ciclo del motor .
La reducción de la relación de presión del ventilador disminuye el empuje específico (tanto en postcombustión seca como húmeda), pero da como resultado una temperatura más baja que ingresa al postquemador. Dado que la temperatura de salida del postquemador es efectivamente fija, [ ¿por qué? ] el aumento de temperatura a través de la unidad aumenta, lo que aumenta el flujo de combustible del postquemador. 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, el SFC de potencia seca correspondiente mejora (es decir, un empuje específico más bajo). La alta relación de temperatura a través del postquemador da como resultado un buen aumento de empuje.
Si el avión quema un gran porcentaje de su combustible con el postquemador encendido, conviene seleccionar un ciclo de motor con un empuje específico alto (es decir, alta relación de presión del ventilador/baja relación de derivación ). El motor resultante es relativamente eficiente en el consumo de combustible con postcombustión (es decir, combate/despegue), pero sediento de energía en seco. Sin embargo, si el postquemador se va a utilizar poco, se favorecerá un ciclo de bajo empuje específico (baja relación de presión del ventilador/alta relación de derivación). Un motor de este tipo tiene un buen SFC en seco, pero un SFC de postcombustión pobre en Combate/Despegue.
A menudo, el diseñador de motores se enfrenta a un compromiso entre estos dos extremos.
El motorreactor Caproni Campini CC2 , diseñado por el ingeniero italiano Secondo Campini , fue el primer avión que incorporó un sistema de postcombustión. El primer vuelo de un CC2, con sus sistemas de postcombustión en funcionamiento, tuvo lugar el 11 de abril de 1941. [19] [20]
Los primeros trabajos británicos sobre 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 de avión supersónico Miles M.52 . [21]
Las primeras investigaciones estadounidenses sobre el concepto fueron realizadas por la NACA , en Cleveland, Ohio, y condujeron a la publicación del artículo "Investigación teórica del aumento de empuje de los motores turborreactores mediante la quema del tubo de escape" en enero de 1947. [22]
Los trabajos estadounidenses sobre postcombustión en 1948 dieron como resultado instalaciones en los primeros aviones a reacción de ala recta, como el Pirate , el Starfire y el Scorpion . [23]
El nuevo turborreactor Pratt & Whitney J48 , con un empuje de 8.000 lbf (36 kN) y postcombustión, propulsaría al caza de ala en flecha Grumman F9F-6 , que estaba a punto de entrar en producción. Otros nuevos cazas de la Armada con postcombustión incluían al 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 de postcombustión de gran tamaño, 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. [24] El sistema de postcombustión para el Concorde fue desarrollado por Snecma .
Los postquemadores se utilizan generalmente solo en aviones militares y se consideran equipos estándar en los 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. Las altas velocidades sostenidas serían imposibles con el alto consumo de combustible del postquemador, y el avión utilizó postquemadores en el despegue y para minimizar el tiempo transcurrido en el régimen de vuelo transónico de alta resistencia . El vuelo supersónico sin postquemadores se conoce como supercrucero .
Un motor turborreactor equipado con un postquemador se denomina "turborreactor de postcombustión", mientras que un motor turbofán equipado de manera similar se denomina a veces "turborfán aumentado". [ cita requerida ]
El método de " descarga y quema " es una exhibición aérea en la que se arroja combustible y luego se enciende intencionalmente utilizando el postquemador. Una llama espectacular combinada con alta velocidad hace que esta exhibición sea popular para exhibiciones aéreas o como final para fuegos artificiales . La descarga de combustible se utiliza principalmente para reducir el peso de una aeronave y evitar un aterrizaje pesado a alta velocidad. Aparte de por razones de seguridad o emergencia, la descarga de combustible no tiene un uso práctico.
