Aviation - Aircraft engines

A gas turbine is an internal combustion engine which produces power by the controlled burning of fuel; a machine designed to accelerate a stream of gas, which is used to provide the reactive thrust necessary to propel the aircraft. Thrust is the underlying principle which forms the basis of jet propulsion, and is generated when there is a variation in momentum (mass times velocity, p = mV). The jet engine’s purpose is to increase the momentum of the airstream passing through it. Thrust is generated in two ways: (1) move a small quantity of air through the engine and accelerate it to a very high speed; even though the mass of the air is small, the increase in velocity is high, so the overall momentum increases; and, (2) accelerate a large amount of air to a somewhat higher velocity than outside air; the change in velocity is small, but the mass of air is large, so the overall momentum increases. The first part, called the primary air (15%), goes through the core of the engine, i.e., the compressor, etc . The second part, the bypassed air, provides “cold” thrust, and keeps the engine cooler, quieter, and more fuel efficient.
A gas turbine has three main components: compressor, combustion chamber, and turbine, as shown in the figure above . Air enters through the air inlet at around 450mph, and is passed through the compressor. The compressor increases the pressure of the airstream. This is accomplished by supplying mechanical work to the compressor, whose rotating blades and stators for each stage increase air pressure by decreasing velocity (diffusing action). The highly compressed air then is discharged into the combustion chamber, at about 600F.
Inside the combustion chamber, fuel is injected and burned, adding tremendous energy to the airstream, resulting in high pressure and high temperature gas. The hot gas enters the turbine section at around 1600F. Inside the turbine, the increased energy is absorbed from the gas, converting potential energy into kinetic energy.
The turbine is rigidly linked to the compressor and converts the gas energy into mechanical work to drive the compressor and other engine systems (pumps, AC, etc .). The remaining air is ejected at the outlet exhaust at a very high velocity. Thrust contributions from, and pressure distribution along, the various components is shown in the figure . Thrust is generated in all parts of the engine, and the resultant thrust vector propels the engine, and hence the aircraft, forward .
Engine Performance Parameters: For aircraft engine designers, several parameters are of interest. Thrust is the most important parameter for engine classification. Specific Fuel Consumption (SFC) is the second most important parameter to determine
engine performance. SFC defines the amount of fuel used to achieve one unit of thrust over a finite period of time. Specific Thrust assesses how efficiently the airflow of the engine is converted to a propulsive force.
This parameter defines how much thrust is achieved by one unit of mass flow rate, and is used to compare jet engines. Thrust related to frontal area characterizes aerodynamic efficiency, relating thrust to the maximum cross-section of the engine. Aerodynamic drag will increase with engine cross section, which implies a need to keep the engine maximum diameter small.

Fig. : Gas turbine - Turbina de gas

Aviación - Motores de aeronaves.

Una turbina de gas es un motor de combustión interna que produce potencia por la combustión controlada de combustible; una máquina diseñada para acelerar una corriente de gas, que es usada para proporcionar el empuje reactivo necesario para propulsar la aeronave. El empuje es el principio subyacente que forma la base de la propulsión a reacción, y es generada cuando hay una variación en el momentum ( masa tiempo velocidad, p=mV ). El propósito del motor a reacción es incrementar el momentum de la corriente de aire que lo atraviesa . El empuje es generado de dos maneras: (1) por el movimiento de una pequeña cantidad de aire a través del motor y la aceleración del mismo a muy alta velocidad; a pesar de que la masa de aire es pequeña, el incremento en la velocidad es elevado, de manera que el momentum total se incrementa; y (2) la aceleración de una gran cantidad de aire a una velocidad un poco mas alta que el aire exterior; el cambio de velocidad es pequeño, pero la masa de aire es grande, de manera que el momentum total se incrementa . La primera parte, llamada aire primario ( 15%), atraviesa la parte central del motor, o sea, el compresor, etc . La segunda parte, el aire derivado, proporciona empuje “en frío”, y mantiene la máquina mas fría, quieta y mas eficiente con el combustible.
Una turbina de gas tiene tres componentes principales: compresor, cámara de combustión y turbina como se ve en la figura arriba . El aire entra a través de la entrada de aire a aproximadamente 450 mph, y es pasado por el compresor. El compresor incremente la presión de la corriente de aire. Esto es llevado a cabo suministrando trabajo mecánico al compresor, cuyos alabes rotantes y estatores para cada etapa incrementan la presión de aire al disminuir la velocidad ( acción difusora ) . El aire altamente comprimido es luego descargado dentro de la cámara de combustión, a aproximadamente 600F.
Dentro de la cámara de combustión, el combustible es inyectado y quemado, adicionando un tremenda energía a la corriente de aire, resultando en una alta presión y gas a alta temperatura . El gas caliente ingresa a la sección de la turbina a aproximadamente 1600F. Dentro de la turbina, la energía incrementada es absorbida del gas, convirtiendo energía potencial en energía cinética .
La turbina está rígidamente unida al compresor y convierte la energía del gas en trabajo mecánico para impulsa el compresor y otros sistemas del motor ( bombas, AC, etc . ) . El aire remanente es eyectado al escape de salida a una velocidad muy elevada . Las contribuciones de empuje, y las distribuciones de presión a lo largo de los diferentes componentes es mostrado en la figura adjunta . El empuje es generado en todas las partes de la máquina, y el vector de empuje resultante propulsa el motor, y por lo tanto la aeronave, hacia delante.
Parámetros de desempeño del motor: Para los diseñadores de motores de aeronaves, algunos parámetros son de interés. El empuje es el parámetro mas importante para la clasificación de la máquina . El consumo específico de combustible (SFC), es el segundo parámetro mas importante para determinar el desempeño de máquina . El SFC define la cantidad de combustible usado para alcanzar una unidad de empuje en un período finito de tiempo . El empuje específico comprende cuán eficientemente el flujo de aire de la máquina es convertido a una fuerza propulsiva .
Este parámetro define cuánto empuje es alcanzado por una unidad de flujo de masa, y es usado para comparar motores de impulsión. La relación de empuje al área frontal caracteriza la eficiencia aerodinámica, relacionando el empuje a la máxima área representativa de la máquina .
La fuerza de resistencia aerodinámica se incrementará con el área representativa, lo que implica una necesidad de mantener pequeño el máximo diámetro de la máquina .