Pós-combustão - Afterburner
Um pós - combustor (ou reaquecimento em inglês britânico) é um componente de combustão adicional usado em alguns motores a jato , principalmente em aeronaves militares supersônicas . Seu objetivo é aumentar o empuxo , geralmente para vôo supersônico , decolagem e combate . A pós-combustão injeta combustível adicional em um combustor no tubo do jato atrás ( isto é , "depois") da turbina , "reaquecendo" o gás de exaustão. A pós-combustão aumenta significativamente o empuxo como alternativa ao uso de um motor maior com a penalidade de peso correspondente, mas ao custo de um consumo de combustível muito alto (menor eficiência de combustível ) que limita seu uso a períodos curtos. Esta aplicação de reaquecimento de aeronaves contrasta com o significado e implementação de reaquecimento aplicável a turbinas a gás acionando geradores elétricos e que reduz o consumo de combustível.
Os motores a jato são referidos como operando úmidos quando a pós-combustão está sendo usada e secos quando não. Um motor produzindo máximo empuxo seco está com potência máxima, enquanto um motor produzindo máximo empuxo seco está em potência militar .
Princípio
O empuxo do motor a jato é uma aplicação do princípio de reação de Newton, em que o motor gera empuxo porque aumenta o impulso do ar que passa por ele. O empuxo depende de duas coisas: a velocidade do gás de exaustão e a massa do gás. Um motor a jato pode produzir mais empuxo acelerando o gás a uma velocidade mais alta ou ejetando uma massa maior de gás do motor. Projetar um motor turbojato básico em torno do segundo princípio produz o motor turbofan , que cria gás mais lento, mas em maior quantidade. Os turbofans são altamente eficientes em termos de combustível e podem fornecer alto empuxo por longos períodos, mas a desvantagem do projeto é um grande tamanho em relação à saída de potência. A geração de maior potência com um motor mais compacto por curtos períodos pode ser obtida usando uma pós-combustão. O pós-combustor aumenta o empuxo principalmente ao acelerar o gás de exaustão a uma velocidade mais alta.
Os valores a seguir são para um motor a jato antigo, o Pratt & Whitney J57 , estacionário na pista, e ilustram os altos valores de fluxo de combustível do pós-combustor, temperatura do gás e empuxo em comparação com aqueles para o motor operando dentro das limitações de temperatura de seu turbina.
A temperatura mais alta no motor (cerca de 3.700 ° F (2.040 ° C)) ocorre no combustor, onde o combustível (8.520 lb / h (3.860 kg / h)) é queimado completamente em uma proporção relativamente pequena do ar que entra no motor. Os produtos da combustão devem ser diluídos com ar do compressor para reduzir a temperatura do gás a um valor, chamado de Temperatura de Entrada da Turbina (TET) (1.570 ° F (850 ° C)), o que dá à turbina uma vida útil aceitável. Ter de reduzir a temperatura dos produtos da combustão por uma grande quantidade é uma das principais limitações sobre a quantidade de impulso pode ser gerado (10,200 lb f (N 45000)). Queimar todo o oxigênio fornecido pelo compressor criaria temperaturas (3.700 ° F (2.040 ° C)) altas o suficiente para destruir tudo em seu caminho, mas ao misturar os produtos da combustão com ar não queimado do compressor a 600 ° F (316 ° C ) uma quantidade substancial de oxigênio (razão combustível / ar 0,014 em comparação com um valor sem oxigênio remanescente 0,0687) ainda está disponível para queimar grandes quantidades de combustível (25.000 lb / h (11.000 kg / h)) em um pós-combustor. A temperatura do gás cai conforme ele passa pela turbina para 1.013 ° F (545 ° C). O combustor do pós-combustor reaquece o gás, mas a uma temperatura muito mais alta (2.540 ° F (1.390 ° C)) do que o TET (1.570 ° F (850 ° C)). Como resultado do aumento da temperatura no combustor de pós-combustão, o gás é acelerado, primeiro pela adição de calor, conhecido como fluxo de Rayleigh , depois pelo bocal para uma velocidade de saída maior do que a que ocorre sem o pós-combustor. O fluxo de massa também é ligeiramente aumentado pela adição do combustível de pós-combustão. O empuxo com pós-combustão é 16.000 lb f (71.000 N).
A exaustão visível pode mostrar diamantes de choque , que são causados por ondas de choque formadas devido a pequenas diferenças entre a pressão ambiente e a pressão de exaustão. Essa interação causa oscilações no diâmetro do jato de exaustão em uma distância curta e causa bandas visíveis onde a pressão e a temperatura são mais altas.
Aumento de empuxo por aquecimento de ar de desvio
O empuxo pode ser aumentado queimando combustível no ar frio de desvio de um turbofan, em vez dos fluxos mistos de frio e quente como na maioria dos turbofans de pós-combustão.
Um turbofan antecipado aumentado, o Pratt & Whitney TF30 , usava zonas de queima separadas para os fluxos de desvio e núcleo com três dos sete anéis concêntricos de pulverização no fluxo de desvio. Em comparação, o Rolls-Royce Spey de pós - combustão usava um misturador de 20 rampas antes dos coletores de combustível.
A queima da câmara de plenum (PCB), foi desenvolvida para o motor Bristol Siddeley BS100 de empuxo vetorial para o Hawker Siddeley P.1154 . O bypass frio e os fluxos de ar do núcleo quente foram divididos entre dois pares de bicos, dianteiro e traseiro, da mesma maneira que o Rolls-Royce Pegasus , e combustível adicional e pós-combustão foram aplicados apenas nos bicos dianteiros. Teria proporcionado maior impulso para a decolagem e desempenho supersônico em uma aeronave semelhante, mas maior, do que o Hawker Siddeley Harrier .
O aquecimento do duto foi usado pela Pratt & Whitney para sua proposta de turbofan JTF17 para o Programa de Transporte Supersônico dos EUA em 1964 e um motor de demonstração foi acionado. O aquecedor de duto usava um combustor anular e seria usado para decolagem, subida e cruzeiro a Mach 2.7 com diferentes quantidades de aumento dependendo do peso da aeronave.
Projeto
A pós-combustão de um motor a jato é uma seção de exaustão estendida contendo injetores de combustível extras . Como o motor a jato a montante (ou seja, antes da turbina) usará pouco do oxigênio que ingere, o combustível adicional pode ser queimado depois que o fluxo de gás deixou as turbinas. Quando o pós-combustor é ligado, o combustível é injetado e os dispositivos de ignição são acionados. O processo de combustão resultante aumenta significativamente a temperatura de saída da pós-combustão ( entrada do bico ), resultando em um aumento acentuado no empuxo líquido do motor. Além do aumento na temperatura de estagnação da saída da pós-combustão , há também um aumento no fluxo de massa do bico (ou seja, fluxo de massa de entrada da pós-combustão mais o fluxo de combustível efetivo da pós-combustão), mas uma diminuição na pressão de estagnação da saída da pós-combustão (devido a uma perda fundamental devido a aquecimento mais perdas por fricção e turbulência).
O aumento resultante no fluxo de volume de saída do pós-combustor é acomodado aumentando a área da garganta do bocal de propulsão. Caso contrário, a turbomáquina a montante se recompõe (provavelmente causando uma parada do compressor ou oscilação do ventilador em uma aplicação turbofan ). Os primeiros designs, por exemplo, pós-combustores solares usados no F7U Cutlass, F-94 Starfire e F-89 Scorpion, tinham bocais de pálpebra de 2 posições. Projetos modernos incorporam não apenas bicos VG, mas vários estágios de aumento por meio de barras de pulverização separadas.
Para uma primeira ordem, a razão de empuxo bruto (pós-combustão / secagem) é diretamente proporcional à raiz da razão de temperatura de estagnação na pós-combustão (isto é, saída / entrada).
Limitações
Devido ao seu alto consumo de combustível, os pós-combustores são usados apenas para requisitos de alto empuxo de curta duração. Isso inclui decolagens em pistas curtas ou pesadas, auxiliando no lançamento de catapultas de porta-aviões e durante combates aéreos . Uma exceção notável é o motor Pratt & Whitney J58 usado no SR-71 Blackbird, que usou seu pós-combustor por períodos prolongados e foi reabastecido em vôo como parte de cada missão de reconhecimento.
Uma pós-combustão tem uma vida útil limitada para corresponder ao seu uso intermitente. O J58 foi uma exceção com avaliação contínua. Isso foi conseguido com revestimentos de barreira térmica no liner e suportes de chama e pelo resfriamento do liner e do bico com ar de sangria do compressor em vez do gás de exaustão da turbina.
Eficiência
Em motores térmicos, como motores a jato, a eficiência é mais alta quando a combustão ocorre na pressão e temperatura mais altas possíveis e expandida para a pressão ambiente (consulte o ciclo de Carnot ).
Como o gás de exaustão já reduziu o oxigênio devido à combustão anterior e como o combustível não está queimando em uma coluna de ar altamente comprimido, o pós-combustor é geralmente ineficiente em comparação com o combustor principal. A eficiência da pós-combustão também diminui significativamente se, como normalmente é o caso, a pressão de entrada e do tubo de escape diminua com o aumento da altitude.
Esta limitação se aplica apenas a turbojatos. Em um motor de combate turbofan militar, o ar de desvio é adicionado ao escapamento, aumentando assim a eficiência do núcleo e do pós-combustor. Em turbojatos, o ganho é limitado a 50%, enquanto em um turbofan depende da taxa de desvio e pode ser de até 70%.
No entanto, como um contra-exemplo, o SR-71 tinha eficiência razoável em alta altitude no modo de pós-combustão ("molhado") devido à sua alta velocidade ( mach 3.2) e, correspondentemente, alta pressão devido à entrada de aríete .
Influência na escolha do ciclo
A pós-combustão tem uma influência significativa na escolha do ciclo do motor .
A redução da taxa de pressão do ventilador diminui o empuxo específico (pós-combustão seca e úmida), mas resulta em uma temperatura mais baixa entrando na pós-combustão. Uma vez que a temperatura de saída da pós-combustão é efetivamente fixada, o aumento da temperatura em toda a unidade aumenta, aumentando o fluxo de combustível da pós-combustão. O fluxo total de combustível tende a aumentar mais rápido do que o empuxo líquido, resultando em um maior consumo específico de combustível (SFC). No entanto, o SFC de potência seca correspondente melhora (ou seja, menor empuxo específico). A alta taxa de temperatura no pós-combustor resulta em um bom aumento de empuxo.
Se a aeronave queima uma grande porcentagem de seu combustível com o pós-combustor aceso, vale a pena selecionar um ciclo do motor com um alto empuxo específico (ou seja, alta taxa de pressão do ventilador / baixa taxa de desvio ). O motor resultante é relativamente eficiente em combustível com pós-combustão (ou seja, combate / decolagem), mas sedento em potência seca. Se, no entanto, o pós-combustor tiver que ser dificilmente usado, um ciclo de baixo empuxo específico (taxa de baixa pressão do ventilador / alta taxa de bypass) será favorecido. Tal motor tem um bom SFC seco, mas um SFC de pós-combustão pobre em Combate / Decolagem.
Freqüentemente, o projetista do motor se depara com um meio-termo entre esses dois extremos.
História
O jato a motor Caproni Campini CC2 , projetado pelo engenheiro italiano Secondo Campini , foi a primeira aeronave a incorporar pós-combustor. O primeiro voo de um Caproni Campini CC2, com pós-combustores em operação, ocorreu em 11 de abril de 1941.
Os primeiros trabalhos de reaquecimento britânicos incluíram testes de voo em um Rolls-Royce W2 / B23 em um Gloster Meteor I no final de 1944 e testes de solo em um motor Power Jets W2 / 700 em meados de 1945. Este motor foi destinado ao projeto da aeronave supersônica Miles M.52 .
As primeiras pesquisas americanas sobre o conceito foram feitas pela NACA , em Cleveland, OH, levando à publicação do artigo "Investigação Teórica do Aumento de Impulso de Motores Turbojatos por Queima de Tubo de Cauda" em janeiro de 1947.
O trabalho dos EUA em pós-combustores em 1948 resultou em instalações nos primeiros jatos de asa reta, como o Pirate , Starfire e Scorpion .
O novo turbojato Pratt & Whitney J48 , a 8.000 lbf (36 kN) de impulso com pós-combustão, forneceria energia ao caça de asa varrida Grumman F9F-6 , que estava prestes a entrar em produção. Outros novos caças da Marinha com pós-combustores incluíam o Chance Vought F7U-3 Cutlass , movido por dois motores Westinghouse J46 de 6.000 lbf (27 kN) de empuxo .
Na década de 1950, vários motores grandes reaquecidos foram desenvolvidos, como o Orenda Iroquois e as variantes britânicas de Havilland Gyron e Rolls-Royce Avon RB.146. As variantes Rolls-Royce Avon RB.146 equiparam o English Electric Lightning , a primeira aeronave supersônica em serviço RAF. O Bristol-Siddeley Rolls-Royce Olympus foi equipado com reaquecimento para o TSR-2 . Este sistema foi projetado e desenvolvido em conjunto pela Bristol Siddeley e Solar de San Diego. O sistema de reaquecimento do Concorde foi desenvolvido pela Snecma .
Os pós-combustores são geralmente usados apenas em aeronaves militares e são considerados equipamentos padrão em aeronaves de combate. O punhado de aviões civis que os utilizou inclui algumas aeronaves de pesquisa da NASA, o Tupolev Tu-144 , o Concorde e o Cavaleiro Branco dos Compostos Escalados . O Concorde voou longas distâncias em velocidades supersônicas. Altas velocidades sustentadas seriam impossíveis com o alto consumo de combustível do reaquecimento, e o avião usava pós-combustores na decolagem e para minimizar o tempo gasto no regime de vôo transônico de alta resistência . O vôo supersônico sem pós-combustores é conhecido como supercruise .
Um motor turbojato equipado com um pós-combustor é chamado de "turbojato pós-combustão", enquanto um motor turbofan equipado de forma semelhante às vezes é chamado de "turbofan aumentado".
Um " dump-and-burn " é um recurso de exibição de airshow em que o combustível é descartado e, em seguida, aceso intencionalmente usando o pós-combustor. Uma chama espetacular combinada com alta velocidade torna esta uma exibição popular para shows aéreos ou como um final para fogos de artifício . O despejo de combustível é usado principalmente para reduzir o peso de uma aeronave para evitar um pouso pesado em alta velocidade. Exceto por razões de segurança ou emergência, o despejo de combustível não tem um uso prático.