El motor de turbina de gas 01

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El motor de turbina de gas 01

  1. 1. EL MOTOR DE TURBINA DE GAS VERIFICACIÓN DE MOTORES Y OPERACIÓN EN TIERRA Divulgación cultural A. GARCÍA RIVAS TÉCNICO DE MANTENIMIENTO DE AVIÓN
  2. 2. Procedimientos de arranque y rodaje en tierra. Todos los fabricantes ruedan sus motores en los bancos de pruebas antes de enviárselos a los usuarios. Si un motor falla durante el rodaje de prueba, ese motor y un determinado número de motores anteriores son desmontados para la comprobación del fallo. A medida que se va ganando experiencia, cada vez son menos los motores que son devueltos del banco de pruebas. El banco de pruebas La prueba se realiza en una celda o sala de prueba completamente equipada para medir todos los parámetros operacionales deseados. Algunas de las instalaciones más grandes cuestan varios millones de dólares. El edificio normalmente es de construcción de hormigón y contiene a las salas de control y de rodaje del motor, aunque en algunas instalaciones solo la sala de instrumentos o de control está bajo techo. La mayoría de las celdas tienen silenciadores en la toma de aire y anillos de pulverización de agua para refrigeración en la sección de escape. Muchos bancos de prueba modernos incorporan computadores para registrar automáticamente todas las lecturas de los instrumentos y corregirlas a condiciones del día estándar.
  3. 3. La prueba de los motores grandes modernos ha sido un autentico problema en el sentido de que la cantidad de aire requerida por el motor o sus componentes no estaba inmediatamente disponible con los equipos existentes. Se ha tenido que construir nuevas instalaciones para simular las condiciones encontradas a números de Mach y altitudes muy elevados, y en muchos casos, esto ha sido tan difícil como el desarrollo del propio motor. Algunas veces la prueba parcial de motores nuevos se realiza sobre aviones reales. La instrumentación del banco de pruebas normalmente incluye indicadores de temperatura para medir lo siguiente: Temperatura de entrada del aceite y del combustible Temperatura del aire de la puesta en marcha Temperatura del aceite de recuperación Temperatura de entrada al compresor Temperatura de los gases de escape o de entrada en turbinas Temperatura de bulbo húmedo y seco Temperatura del aire ambiente Indicadores de medición de presión y/o manómetros Presión de entrada del combustible Presión del sistema de lubricación Presión de la bomba de combustible principal y del posquemador Presión de entrada de la bomba de la tobera variable (motor J79) Presión del aire de la puesta en marcha
  4. 4. Presión del aire ambiente o barométrica Presión del cárter o de respiración Presión de turbina o relación de presión del motor (EPR) Presión del agua Presión del aire de refrigeración de la turbina Los instrumentos y controles adicionales incluyen lo siguiente: Palanca de control de potencia y otros diferentes interruptores de control Captador e indicador de vibración (tomados normalmente en las zonas de compresor y de turbina) Reloj y cronómetro Generador tacómetro y dispositivo de lectura en rpm reales Transmisor e indicador de flujo de combustible Transductor hidráulico o electrónico para medición de la carga de empuje e indicador o indicador de torque En la instalación en el avión se usa el “tanto por ciento” de rpm mas bien que las rpm reales porque existe una gran diferencia en las rpm reales de los muchos distintos tipos y tamaños de motores de turbina de gas. En todos los motores hay una relación inversa entre las rpm y el diámetro del motor. El uso del tanto por ciento de rpm hace posible tener aproximadamente la misma lectura del tanto por ciento para el mismo ajuste de potencia en una variedad de motores. En los Estados Unidos, los tacómetros en tantos por cientos están diseñados para leer el 100 por ciento cuando el eje de arrastre del generador del tacómetro está girando a 4.200 rpm.
  5. 5. Para averiguar las rpm reales de cualquier motor, simplemente dividir la relación de arrastre del motor entre 4.200. Por ejemplo, la relación de arrastre del generador del tacómetro del generador de gas (Ng) en el motor turbohélice Pratt & Whitney Canada PT6 es 0’112, y 4.200/0’112 = 37.500 Ng rpm cuando la lectura del tacómetro indica el 100 por ciento. Si el tacómetro indica el 90 por ciento, entonces 0’9 x 37.500 = 33.750 Ng rpm. Cuando el motor está instalado en el banco, se le monta una campana de admisión y una pantalla (fig. 21-2). La campana de admisión es un conducto en forma de embudo con los bordes redondeados que ofrece tan poca resistencia al aire que las pérdidas en el conducto pueden considerarse cero. La pantalla en si ofrece cierta resistencia y debe tenerse en cuenta cuando se deben tomar datos extremadamente exactos. Al banco de pruebas se le suministra energía eléctrica de veinticuatro voltios para operar el sistema de encendido y ciertos solenoides de válvulas del motor. También se puede disponer de corriente de ciento quince voltios cuatrocientos hercios para ciertos sistemas de encendido y válvulas. Los programas de pruebas varían con los distintos modelos y fabricantes de motor pero normalmente incluyen las observaciones de instrumentos durante el arranque y la aceleración, así como en los diferentes ajustes de empuje de ralentí, máximo en crucero, máximo en subida, máximo continuo, y despegue. También se puede registrar el tiempo de aceleración. La mayoría de los fabricantes tendrán una hoja de anotación de los registros del motor (engine log sheet) donde anotarán los siguientes datos además de las lecturas de los instrumentos:
  6. 6. Fecha de rodaje Modelo y número de serie del motor Número de serie de los componentes Grado y densidad del combustible Grado o especificación del aceite Depresión en la celda de prueba (caída de presión debida a las restricciones en la admisión de la celda de prueba) Tiempo total de rodajes en el banco Razones de paradas de motor no programadas Reparaciones hechas al motor durante la prueba Razones para el rechazo del motor (si es aplicable) Consumo de aceite Área de la tobera Agencia de revisiones (si es aplicable) Firmas del probador del motor y del inspector La actuación correcta del motor se indica comparando los valores corregidos con las cartas y gráficos calculados y trazados por el fabricante que garantizan los mínimos valores y actuación para el motor. Debería observarse que en algunos de los bancos de prueba más modernos, muchas de las pruebas están programadas por ordenador, y los datos se recogen y corrigen automáticamente
  7. 7. Prueba de funcionamiento El funcionamiento de cualquier motor está afectado considerablemente por los cambios de temperatura y presión ambiente debido a la forma en que estos parámetros afectan al peso del aire que entra al motor. Con idea de comparar el funcionamiento de motores similares en días diferentes, bajo condiciones atmosféricas distintas, es necesario “corregir” el funcionamiento de un motor determinado a las condiciones del día estándar de 29’92 in Hg [101’3 kPa] y 59º F (519º R) [15º C (288º K)]. Por ejemplo, se conocen las siguientes condiciones de un motor rodando: 1. 2. 3. 4. rpm = 9465 EGT = 510º C (950º F o 1410º R). Wf = 4000 lbs/h [1814’4 kg./h] Wa = 200 lbs/s [90’7 kg./s]. (Aunque el flujo de aire se relaciona aquí, es difícil, si no imposible, medir el peso del flujo de aire directamente. El flujo de aire puede determinarse indirectamente a través de las mediciones de presión en el motor.) 5. Fn = 10.000 lbs [4536 kg.] 6. TSFC = 0’400 Presión barométrica = 30’3 in Hg [102’6 kPa] Presión del día estándar = 29’92 in Hg [101’3 kPa] Temperatura ambiente = 82º F [27’8º C] Temperatura del día estándar = 59º F + 460º F (519º R) [15º C + 273º C (288º K)]
  8. 8. Para convertir los grados Fahrenheit en grados Rankine, sumar 460 a la lectura de Fahrenheit. Para convertir los grados Celsius a grados Kelvin, sumar 273 a la lectura de Celsius. Puesto que todas estas mediciones son observadas, deben corregirse para poderse hacer comparaciones válidas entre motores. Para cambiar los parámetros operativos observados a los valores corregidos, es decir, las rpm, EGT, F/F, A/F, Fn, y TSFC que el motor tendría si estuviese rodando bajo condiciones del día estándar, es necesario aplicar un factor de corrección de presión, delta ( ), y un factor de corrección de temperatura, theta ( ). presión observada (inHg) presión del dia estándar (inHg) temp. observada (º R) temp. del dia estándar (º R)
  9. 9. Para las condiciones atmosféricas expuestas anteriormente, delta y theta serán: 30'3 1' 013 29'92 82 460 59 460 542 1' 045 519 1 ' 022 La razón por la que la raíz de theta es necesaria es porque la velocidad molecular de un gas es directamente proporcional a la raíz cuadrada de su temperatura absoluta. A alta temperatura hay alta velocidad molecular, a baja temperatura hay baja velocidad molecular. Para corregir los datos observados tomados para el motor anterior, se usan las formulas siguientes:
  10. 10. 1. rpm corregidas rpm observadas factor de correcciónde temp. o rpmcorr rpmobs 2. EGT corregida o EGTcorr EGTobs EGT observada factor correccióntemp.
  11. 11. 3. Flujo de combustibl e corregido flujo de combustibl e observado factor de corrección de presión factor corrección temp. o W f. corr W f. obs 4. Flujo de aire corregido o W a. corr W a. obs Flujo de aire observado factor corrección temp. factor de corrección de presión
  12. 12. 5. Empuje corregido empuje observado factor de corrección de presión o Fn. corr Fn. obs 6. TSFC corregido flujo de combustibl e observado empuje observado o TSFC corr W f. obs Fn. obs TSFC obs factor corrección temp.
  13. 13. En algunos motores también se hacen correcciones adicionales por humedad y calor específico variable. Usando los parámetros operacionales dados anteriormente, encontramos que los valores corregidos son: rpmobs 2. EGTcorr 3. Wf. corr 1410 1349º R 1' 045 Wf. obs Fn. obs 6. TSFCcorr 9261 rpm 4000 1' 013 1' 022 Wa. obs 4. Wa. corr 5. Fn. corr 9462 1' 022 EGTobs 1. rpmcorr 200 1 ' 022 1 ' 013 889º F 3864 lb/h 1752' 7 kg/h 202 lb/s 10.000 9872 lb 4477 ' 9 kg 1 ' 013 Wf. obs Fn. obs 4000 10.000 1 ' 022 0 ' 391
  14. 14. Si se conocen los valores corregidos (dados en las especificaciones de funcionamiento del fabricante), los valores operacionales del motor para cualquier presión y temperatura pueden calcularse como sigue: 1. rpmobs rpmcorr 2. EGTobs EGTcorr 3. Wf. obs Wf. corr Wa. corr 4. Wa. obs 5. Fn. obs Fn. corr 6. TSFCobs TSFCcorr Fn. obs
  15. 15. Inspección previa al rodaje del motor La operación de un motor turborreactor o turbofan es de por sí simple cuando se compara con la operación de un motor alternativo de avión. Las preparaciones para el rodaje en tierra de un motor de turbina deben llevarse a cabo con sumo cuidado para evitar daños al personal y daños costosos al equipo. En tanto que la instalación particular motor - estructura de avión lo permita debería efectuarse una completa inspección exterior del motor antes del arranque. Obsérvese que se han quitado las tapas de los conductos de entrada y salida del motor. Obsérvese el estado general de la estructura del motor, comprobando la existencia de abolladuras y grietas, tornillos y remaches sueltos o perdidos. Inspecciónese el estado de la estructura de entrada al motor, que no existan materiales extraños tales como trapos, guantes, herramientas, suciedad, aceite y acumulación de nieve o hielo. Si la instalación lo permite compruébese el libre giro a mano de la rueda de fan o compresor. Inspecciónese el conducto de escape por daños estructurales. Compruébese la existencia de daños en el último escalón de turbina. Las partículas metálicas en el conducto de escape, o el daño en álabes de turbina normalmente es una indicación de otros daños producidos más adelante en el motor.
  16. 16. Compruébese que se ha efectuado el adecuado drenaje de los sumideros de los tanques de combustible del avión y que no existe acumulación de agua o hielo en el combustible. Además de utilizarse para la combustión, el combustible también sirve como lubricante para todas las piezas móviles dentro del sistema de combustible del motor. El combustible también se usa como servofluido y presión de referencia dentro del control principal del motor y como fuente de presión hidráulica para la actuación de los estátores variables y la válvula by-pass de área variable. El agua o el hielo que entra en el sistema de combustible del motor puede resultar en una operación inestable del motor y causar posibles daños a los componentes del sistema.
  17. 17. Áreas de peligro del motor Con el desarrollo de motores turborreactores y turbofanes de mayores niveles de empuje, las áreas de peligro alrededor del motor también han aumentado. El fuerte efecto de ráfaga del chorro de escape a alta velocidad y temperatura debe tenerse en consideración ahora más que nunca cuando se arranque y opere en tierra un avión propulsado por turbinas de gas. Antes de poner en marcha, todas las áreas alrededor del motor, por delante, por detrás y a ambos lados deben estar libres y despejadas de todo equipo que no se requiera para la operación en particular, tal como vehículos, otros aviones y personal. Todo el equipo de tierra necesario debe estar adecuadamente asegurado a una distancia segura para los motores y el avión. El avión debe situarse de manera que los edificios y otros servicios así como el tráfico de aviones que pasa, no se vea sujeto a daños producidos por las ráfagas del escape. La no-observancia de todas las precauciones necesarias cuando se opere aviones con motores turbofanes y turborreactores puede resultar en daños graves al personal y al equipo. Consúltese las Instrucciones Específicas de Operación y el Manual de Operaciones del Avión para la determinación de las áreas de peligro, velocidades del gas y las temperaturas asociadas con un motor determinado. En la cabina, compruebe que todos los mandos del motor funcionan satisfactoriamente y que todos los instrumentos, luces de avisos e indicadoras correspondientes al motor están operativas.
  18. 18. Arranque del motor en tierra Las unidades de puesta en marcha usadas en aviones propulsados por motores de turbina de gas deben ser capaces de arrastrar al motor, a través de su caja de arrastre de accesorios, hasta una velocidad a la cual el motor se haga automantenido. La unidad de puesta en marcha debe proporcionar suficiente torsión para acelerar al motor desde la velocidad cero hasta una velocidad de automantenimiento dentro de un período específico de tiempo y después continuar para ayudar al motor en su aceleración hasta una velocidad predeterminada. Los grandes motores turbofanes que propulsan a los aviones comerciales están todos equipados con unidades de puesta en marcha tipo turbina de aire que reúnen estos requisitos. Una unidad de puesta en marcha de turbina de aire operará satisfactoriamente con aire a presión procedente de cualquier fuente exterior capaz de mantener el suficiente régimen de flujo y presión a través del ciclo de puesta en marcha. Se usan fuentes tales como un grupo neumático de arranque en tierra, unidades de potencia auxiliar (APU) de abordo, o aire sangrado de un motor del avión previamente arrancado. A medida que el motor es acelerado por la unidad de puesta en marcha, se aplica el combustible a unas r.p.m. (N2) a las cuales el compresor de alta presión y la bomba de combustible arrastrada por el motor entregarán suficiente aire y combustible, respectivamente, a la cámara de combustión para sostener una combustión satisfactoria. Cuando se sitúa la palanca de corte de combustible en la posición ON al porcentaje específico indicado de N2 r.p.m., el combustible dosificado presuriza al colector corriente abajo del control principal del motor y fluye hasta los inyectores de combustible. El encendido (ignición de la mezcla aire-combustible) debería ocurrir dentro del período de tiempo especificado después de que el combustible se ha aplicado. Consúltese las Instrucciones Específicas de Operación para conocer el tiempo de aplicación de combustible y el tiempo del encendido.
  19. 19. En cabina, el encendido se nota por una elevación en la indicación de temperatura sobre el instrumento de la EGT. La capacidad de la unidad de puesta en marcha para acelerar el motor, y el tiempo empleado en presurizar al colector de combustible y pulverizar combustible a través de los inyectores, determina el período real de tiempo desde la aplicación del combustible hasta el encendido. Principalmente se aplica un período de tiempo especificado para que ocurra el encendido, eliminando de esta manera operaciones prolongadas de la unidad de puesta en marcha en un motor defectuoso. El encendido se retrasará o puede que no ocurra si la presión de combustible es demasiado baja para la operación adecuada de la unidad de control de combustible del motor y para la presurización del sistema de combustible, resultando en poco o ningún flujo de combustible hacia los inyectores. Puede ocurrir que la bomba de combustible arrastrada por el motor no pueda incrementar suficiente presión por la presencia de aire en el sistema de combustible, o falta de presión desde la bomba sumergida del avión (booster) hasta la bomba arrastrada por el motor. Los requisitos de operación de la bomba de combustible sumergida pueden variar entre los distintos tipos de motores e instalaciones de avión. Para las operaciones de las bombas de combustible sumergidas consúltese las Instrucciones Específicas de Operación o el Manual de Operaciones del Avión aplicable. Para obtener un arranque satisfactorio, es esencial que la puesta en marcha proporcione suficiente torque a través del ciclo de puesta en marcha para acelerar al motor hasta la velocidad de automantenimiento (N2) dentro del período de tiempo prescrito. Por lo tanto, antes de intentar poner en marcha un motor debe saberse que el suministro de aire hasta la unidad de puesta en marcha tiene el volumen y presión necesarios. Si se va a usar aire sangrado de otro motor del avión, ese motor debe acelerarse y mantenerse a una velocidad lo bastante alta como para entregar el suficiente volumen y presión.
  20. 20. El intento de arranque de un motor con insuficiente volumen o presión en el suministro de aire a la puesta en marcha, probablemente será la causa de un arranque caliente resultando en excesivas temperaturas y consecuente daño dentro del motor. En los aviones polimotores, los arranques fallidos también pueden ser originados por la puesta en marcha de los motores en una secuencia distinta a la recomendada, aun cuando el suministro de aire a la puesta en marcha sea el adecuado. Elementos de comprobación en la lista de puesta en marcha del motor Los siguientes pasos, requeridos para la realización de una puesta en marcha del motor, se presentan en el formato de una lista de comprobaciones de cabina, familiar para el personal de mantenimiento y los miembros de la tripulación. Los elementos están relacionados en una secuencia lógica, aplicable a la mayoría de los motores e instalaciones. Debe añadirse que en la lista de chequeo de cabina estas funciones, que pertenecen exclusivamente a la operación del motor, están entremezcladas con numerosos elementos relativos a sistemas y componentes de todo el avión. Si falla un intento de arranque o es necesario abortar un arranque, debe repetirse desde el principio la secuencia completa según se relaciona en la lista a continuación, cuando se haga el siguiente arranque. Electrical Power Supply Engine Indicating & Warning Lights Engine Instruments Compruébese daños visibles o fallo de energía en los instrumentos. ON CHECK CHECK
  21. 21. Fuel Supply Shut-Off Valves OPEN Compruébese que la configuración del sistema de tanques de combustible del avión es como se requiere para la operación de motor que se va a llevar a cabo. Ignition Selection SINGLE/DUAL El tipo de motor determina la selección requerida para el sistema de encendido. Consúltese las Instrucciones Específicas de Operación aplicables. Throttle IDLE Fuel Shut-Off Lever OFF Oil Quantity CHECK Fuel Boost Pump ON
  22. 22. Compruébese que la indicación de la presión de la bomba sumergida (booster) es la adecuada para alimentar a la bomba de combustible arrastrada por el motor. Dependiendo del tipo de avión e instalación de motor, la indicación será por instrumento o luces. Pneumatic Pressure Asegúrese que la fuente de aire para la puesta en marcha tiene el suficiente volumen y presión para llevar a cabo un arranque satisfactorio. NOTA: Establézcase la comunicación entre la cabina y tierra. La puesta en marcha y operación de un motor no debería intentarse sin una adecuada coordinación con el personal de tierra. ON
  23. 23. Engine Starter Switch ON La conexión del interruptor de puesta en marcha hace que se abra la válvula de puesta en marcha actuada neumáticamente, permitiendo que el aire fluya hacia la unidad de puesta en marcha. Ignition NOTA: En algunas instalaciones de avión, el sistema de encendido se energíza a través del accionamiento del interruptor de puesta en marcha y permanecerá funcionando hasta que el interruptor se desconecte. Otras instalaciones son de tal forma que el interruptor de puesta en marcha y la palanca de corte de combustible ambos deben estar en la posición “ON” para energizar el sistema de encendido para el arranque en tierra. Consúltese el adecuado Manual de Operaciones del Avión para la configuración del sistema de encendido. ON
  24. 24. Fuel Shut-Off Lever ON A las r.p.m. (N2) de motor prescritas indicadas, coloque la palanca de corte de combustible en la posición ON para presurizar el sistema de combustible del motor y establecer una pulverización de combustible en los inyectores. Consúltese las Instrucciones Específicas de Operación correspondientes para conocer las r.p.m. de apertura de la válvula de corte de combustible para el motor que se está operando. Oil Pressure CHECK Tan pronto como sea posible, tras el comienzo de giro del motor, compruébese que se está indicando una presión de aceite positiva. Obsérvese el incremento proporcional de la presión a medida que el motor acelera.
  25. 25. Durante la operación con tiempo frío, cuando se arranca un motor que está completamente frío, momentáneamente la presión de aceite puede dar oscilaciones que cubren toda la escala del instrumento. A medida que aumenta la temperatura del motor y de los accesorios, la presión de aceite debería estabilizarse en la gama de presión normal. No se especifica una temperatura mínima, sin embargo la presión de aceite debe caer dentro de la gama de operación normal para una operación continua del motor. Obsérvese que el tiempo para el encendido y el tiempo de aceleración del motor hasta ralentí, desde el momento de la aplicación del combustible, está dentro de los períodos de tiempo enunciados en las Instrucciones Específicas de Operación.
  26. 26. Durante la aceleración hasta ralentí, deben comprobarse todos los instrumentos de motor para determinar que ningún límite establecido se está excediendo y que se está llevando a cabo una puesta en marcha satisfactoria. A medida que el motor alcanza su velocidad de automantenimiento y no se ha observado ninguna anormalidad: Engine Starter Switch OFF Ignition OFF NOTA: Algunas instalaciones son de tal forma que los sistemas de puesta en marcha y encendido se desconectan automáticamente en el punto de automantenimiento del motor. Si bien el tiempo de encendido o tiempo de aceleración hasta ralentí excede los períodos establecidos, o si por cualquier razón se interrumpe el combustible o el encendido, DEBE ABORTARSE EL INTENTO DE PUESTA EN MARCHA.
  27. 27. Desde el momento de encendido y a través del ciclo de puesta en marcha, el flujo de combustible y la EGT deben controlarse estrechamente. Un flujo de combustible más alto de lo normal o cualquier cambio rápido de EGT que se aproxime o tienda a exceder los límites prescritos, indican la posibilidad de un arranque caliente y justifica el aborto del ciclo de arranque. Si por cualquier razón debe interrumpirse un intento de arranque, debe realizarse cortando combustible y encendido, mientras se continúa girando el motor con la puesta en marcha durante un período de tiempo para purgar de la cámara de combustión y sección de turbina, el combustible y los vapores restantes. Obviamente, se hace una parada de motor para evitar un arranque colgado o caliente, en cuyo caso no es probable que quede acumulado dentro del motor ninguna cantidad apreciable de combustible. Consúltese las correspondientes Instrucciones Específicas de Operación para los procedimientos de purga requeridos.
  28. 28. Tras un aborto de puesta en marcha, debería dejarse al motor desacelerar hasta cero r.p.m. (N2) antes de intentar otro arranque. Interpretación de la Potencia de Salida del Motor y Parámetros Regímenes del motor Los motores turborreactores y turbofanes están calificados por las libras de empuje que según diseño tienen que producir para el Despegue, Máximo Continuo, Máximo en Subida, y Máximo en crucero. Los regímenes para estas condiciones operacionales están publicados en la Especificación del Modelo de Motor para cada modelo de motor. Los regímenes de Despegue y Máximo Continuo, siendo los dos únicos regímenes de motor sujetos a la aprobación del FAA, están también definidos en la Hoja de Datos del Certificado Tipo del FAA. Los motores instalados en los aviones comerciales son normalmente motores “part – throttle”; es decir, el Empuje Calificado de Despegue se obtiene a ajustes de palanca de gases por debajo de la posición de gases a tope (full – throttle).
  29. 29. Flat rating A los motores tipo “part – throttle” se les conoce también como “flat rated”, debido a la forma de las Curvas de Empuje de Despegue usadas por tales motores. A lo que realmente se refiere el término “flat rating” tal vez esté mejor descrito comparando los ajustes de empuje de despegue en los motores militares tipo “full – throttle” con los motores comerciales tipo “part – throttle”. El motor “full – throttle” se ajusta bajo las condiciones estándar al Nivel del Mar para producir un régimen de empuje a tope con el mando de gases en la posición a tope hacia delante. Los cambios de temperatura ambiente que ocurran con los gases en la posición a tope hacia delante causaran cambios en el nivel de empuje. Las elevaciones de temperatura por encima de los 15ºC estándar al nivel del mar resultaran en una disminución proporcional del empuje, mientras que a temperaturas por debajo de la estándar, el empuje aumentará, excediendo el nivel calificado. Véase la figura 21-4. Para obtener la máxima fiabilidad, la mejor actuación en los días cálidos, y una operación económica, los motores comerciales turborreactores y turbofanes se operan a los niveles más conservadores de empuje “part – throttle”. Un motor “flat – rated” está ajustado bajo condiciones Estándar al Nivel del Mar para producir empuje calificado a tope con las palancas de gases a menos de la posición a tope hacia delante. Cuando la temperatura ambiente se eleva por encima de los 15ºC estándar al Nivel del Mar, el empuje calificado aún puede mantenerse avanzando el mando de gases hasta un incremento de temperatura dado. La cantidad de avance disponible del mando de gases para mantener el nivel de empuje “flat – rated” está determinado por los límites de temperatura operacional del motor. Como ejemplo, el Empuje de Despegue del motor turbofan de alta relación de paso General Electric CF6-6 es “flat – rated” para el día Estándar al Nivel del Mar (15ºC) mas 16ºC = 31ºC a cuyo punto el empuje obtiene la limitación de la EGT. Cualquier incremento posterior de la temperatura ambiente originará un descenso proporcional en el empuje.
  30. 30. A temperaturas ambiente por debajo de la Estándar al Nivel del Mar, el empuje se mantiene al mismo valor máximo que para un día cálido. De esta manera un motor “flat – rated” puede producir un empuje calificado constante sobre una amplia gama de temperaturas ambiente sin forzar al motor. Véase la figura en la página anterior. Determinación del empuje requerido Las cartas y curvas de empuje publicadas en el Manual de Vuelo del Avión y en los Manuales de Actuación o Control de Crucero, se usan para determinar la relación de presión del motor (EPR) requerida y/o la velocidad del fan (N1) para cualquier régimen de motor deseado a la presión barométrica y temperatura ambiente prevalecientes. El régimen de empuje de Despegue está limitado por tiempo, velocidad del motor, y temperatura de los gases de escape (EGT). Los regímenes de empuje de Máximo Continuo, Máximo en Subida, y Máximo en Crucero están limitados por EGT durante un período de tiempo o continuamente, según sea el caso. Definiciones del régimen Despegue (húmedo) Este es el máximo empuje permisible para el despegue. Se obtiene actuando el sistema de inyección de agua y ajustando el empuje “húmedo” con el mando de gases, en términos de una predeterminada presión de descarga de turbina o relación de presión del motor para las condiciones ambientales prevalecientes. Este régimen está permitido solo para el despegue, tiene limitación de tiempo, y tendrá limitación de altitud. Los motores sin inyección de agua no tienen este régimen. Despegue (seco) Este es el empuje máximo permisible sin el uso de inyección de agua. Este régimen se obtiene ajustando el mando de gases al empuje de despegue (seco) en términos de una predeterminada presión de descarga de turbina o relación de presión del motor para las condiciones ambientales prevalecientes. Este régimen tiene limitación de tiempo y se usa solo para el despegue.
  31. 31. Máximo Continuo Este régimen es el empuje máximo que puede usarse continuamente, se entiende que es solo para uso en emergencia a discreción del piloto. Este régimen se obtiene ajustando el mando de gases a una predeterminada presión de descarga de turbina o relación de presión del motor. Máximo o Normal en Subida Es el empuje máximo aprobado para la subida normal. El régimen se obtiene de la misma manera que el Máximo Continuo. En algunos motores el empuje de Máximo Continuo y el Normal son los mismos. Máximo en Crucero Este es el empuje máximo aprobado para el crucero. Se obtiene de la misma forma que el Máximo Continuo. Ralentí Esto no es un régimen de motor, sino mas bien una posición del mando de gases adecuada para la operación a mínimo empuje en tierra o vuelo. Se obtiene colocando el mando de gases en el detent de ralentí. El flujo de combustible calibrado para el ralentí se determina por el ajuste en la unidad de control de combustible. Todos los regímenes previamente mencionados se refieren a valores específicos de empuje, no – como algunas veces se interpreta – a un valor máximo de r.p.m. y/o EGT. Las limitaciones de r.p.m. y EGT son limitaciones físicas dentro de las cuales un motor debería desarrollar el régimen de empuje adecuado.
  32. 32. Parámetros de ajuste del empuje En la actualidad la instrumentación de la aviación comercial no proporciona un medio directo por medio del cual el empuje, como tal, desarrollado por un motor turborreactor o turbofan pueda medirse en su instalación en el avión. La capacidad real de empuje de tales motores está determinada en un banco de pruebas por medio del uso de dispositivos para medir fuerza basados en transductores hidráulicos y eléctricos. No obstante, como indicación de la fuerza propulsiva de un motor instalado en el avión, se pueden usar varios parámetros que variarán con el empuje, tales como las r.p.m. del fan (N1), las r.p.m. del núcleo motor (N2), la presión de descarga de la turbina (Pt7) o la relación de presión del motor (EPR). Véase la figura 21-5.
  33. 33. Cualquier parámetro de ajuste de potencia que se elija debería ser simple de medir, proporcionar indicaciones exactas y precisas sin considerar la configuración y actitud del avión, y debería continuar proporcionando indicación de empuje exacta a través de toda la vida del motor. El deterioro de motor que ocurre durante las miles de horas de operación no debería afectar la relación del empuje con el parámetro seleccionado. Para poder preparar las cartas de ajuste de potencia requeridas, el parámetro de ajuste de potencia debe ser coherente con las posibilidades operacionales del motor. Estas cartas posibilitarán a la tripulación técnica para establecer los ajustes de potencia en función de la altitud, la temperatura total del aire y la demanda del sistema de sangrado. Puesto que el empuje es una función del área y la presión, la relación de presión del motor (EPR) durante cierto tiempo ha estado considerada como una de las variables más aceptables para el ajuste de potencia. La evaluación analítica y experimental de los datos ha establecido que el (N1) proporciona una fluctuación del empuje mínima (menos del ± 0´2 % de r.p.m.) y es insensible al deterioro encontrado durante la vida operacional del motor. Análisis de Tendencias (Incluyendo Análisis de Aceite, Vibración y Boróscopo) Control de la tendencia (Trend Monitoring) Los gráficos y las curvas se usan para presentar las tendencias en las condiciones de cambio, y las curvas de control de la tendencia revelan mucho sobre las condiciones internas de un motor de turbina de gas.
  34. 34. El fabricante del motor o responsable de las revisiones recoge datos tales como N1, N2, EGT, y flujo de combustible cuando el motor se rueda en el banco de pruebas. Estos datos se corrigen a condiciones de día standard y se usan para crear una línea base de referencia standard. Periódicamente, se realizan comprobaciones para comparar la actuación actual del motor con su actuación en el banco de pruebas. Los mismos parámetros se miden y corrigen a condiciones de día standard, y las diferencias entre el original y las nuevas lecturas se trazan sobre un gráfico. Una o dos desviaciones sobre la línea base no indican necesariamente una condición anormal, pero cuando las desviaciones en todos los parámetros se trazan sobre un número de horas de funcionamiento o un determinado período de tiempo, la tendencia se hace aparente. Estas tendencias, cuando se interpretan adecuadamente, son herramientas importantes de trabajo que avisan de problemas inminentes antes de que pudiesen detectarse por cualquier otro método. Fallos que resultan de una pérdida de aire en el cárter del compresor Un determinado número de fallos de la sección del compresor pueden clasificarse en términos generales como fallos resultantes por la pérdida de aire a alta presión en la sección del compresor del motor. Esta pérdida puede deberse a rotura/grietas de un conducto externo de sangrado de aire del motor, una válvula de sangrado que se ha quedado cogida en abierta, o rotura/grietas del propio cárter del motor. En la gama operacional de crucero, donde se efectúa el monitoreado del motor, la relación de expansión de la turbina es fija. La relación de presión del motor está por consiguiente directamente relacionada con la relación de presión a través de los compresores. La pérdida de aire de los compresores hace que la relación de compresión, y consecuentemente el EPR, caigan si no se cambia la posición del mando de gases.
  35. 35. Para recuperar el EPR, se avanza el mando de gases, incrementando el flujo de combustible. Como consecuencia esto aumenta la temperatura de entrada en turbina, la potencia generada por la sección de turbina, y las velocidades de los rotores. El incremento de potencia para arrastrar a los compresores recuperará la relación de compresión a pesar de la pérdida de aire. Por lo tanto, las pérdidas de aire en la sección del compresor generalmente resultan en trazados de tendencia donde todos los parámetros monitoreados aumentan. La pérdida de aire puede ocurrir entre los compresores de alta y baja, en alguna etapa intermedia, o desde el cárter difusor. Este aire puede descargarse en la góndola, al exterior, o en el caso del motor JT8D, en el conducto de fan. La magnitud del cambio en los parámetros del motor depende de todos los factores previamente mencionados mas el tamaño de la pérdida. Contaminación del compresor El rendimiento del motor disminuirá debido a la contaminación del compresor. La contaminación del compresor puede ocurrir a causa de la operación próxima al agua salada, del uso de agua con impurezas para la inyección de agua, una pérdida de aceite en la parte frontal del motor que pudiese originar que partículas de polvo se adhieran a los álabes, o por ingestión durante la operación de empuje inverso. Con frecuencia los efectos de la contaminación del compresor pueden eliminarse lavando el motor con agua o por medio de chorreo con partículas de carbón. La contaminación de los álabes del compresor cambia sus formas aerodinámicas, pone ásperas sus superficies, y reduce el área del flujo de aire. La reducción del área del flujo de aire tiene como resultado un descenso del rendimiento del compresor y disminución de la capacidad del flujo de aire. Cuando el compresor pierde rendimiento, se requiere mas potencia y velocidades de rotor más altas para conseguir la relación de presión de compresor deseada y de aquí el EPR. Esta potencia adicional se obtiene adelantando mas el mando de gases, incrementando el flujo de combustible, y aumentando la temperatura de entrada en turbina.
  36. 36. El aumento en velocidad del compresor de baja relativo al aumento en velocidad del compresor de alta estará influenciado por el tipo de contaminación y si la contaminación está en el compresor de baja presión, en el compresor de alta presión, o en ambos. La contaminación resultante de la inyección de agua, por ejemplo, normalmente se establece en el compresor de alta presión. Poco o ninguno de estos depósitos se forman sobre el compresor de baja presión. Esta diferencia se debe a la combinación de temperatura y presión existente en el compresor de alta, más el elemento tiempo implicado en vaporizar el agua. Análisis espectrométrico del aceite Es posible el análisis espectrométrico para comprobar el contenido de metal en el aceite porque los iones metálicos emiten un espectro de luz característico cuando se vaporizan en una chispa o arco eléctrico. El espectro producido por cada metal es único para ese metal. La posición, o longitud de onda, de una línea espectral identificará al metal en particular, y la intensidad de la línea se puede usar para medir la cantidad de metal contenida en la muestra. Periódicamente se toman muestras del aceite usado en el motor. Esto normalmente se lleva a cabo tras la parada del motor y antes de suministrar aceite. La muestra se toma desde un punto en el depósito de aceite que esté libre de sedimentos, y se envía al laboratorio de análisis de aceites. A continuación se da una breve descripción de cómo el espectrómetro mide el desgaste de metales presentes en la muestra. (a) Se toma una muestra del aceite usado, y se extiende una película sobre el borde exterior de un electrodo de grafito altamente purificado en rotación. (b) Controlada y con precisión se inicia la descarga de una chispa de c. a. de alto voltaje entre el electrodo vertical y el electrodo en rotación, quemando la pequeña película de aceite. (c) La luz del aceite quemado pasa a través de una hendedura que está situada con precisión con respecto a la longitud de onda del metal en particular que se está comprobando.
  37. 37. (d) A medida que la luz pasa a través de la hendedura, tubos fotomultiplicadores transforman electrónicamente las ondas de luz en energía que automáticamente imprimen los resultados del análisis en las hojas de registro del laboratorio. (e) Estos registros se interpretan, y cuando se presenta una acusada tendencia o concentración anormal de metal, se informa al usuario. Bajo ciertas condiciones, y dentro de ciertos límites, por el análisis espectrométrico de las muestras del aceite de lubricación puede evaluarse el estado interno de cualquier sistema mecánico. El concepto y aplicación se basa en los siguientes hechos: (a) los componentes de los sistemas mecánicos de los aviones contienen aluminio, hierro, cromo, plata, cobre, estaño, magnesio, plomo, y níquel como elementos predominante de las aleaciones. (b) El contacto en movimiento entre los componentes metálicos de cualquier sistema mecánico está siempre acompañado por la fricción. Aún cuando esta fricción esté reducida por una película de aceite, se desprenden por desgaste algunas partículas microscópicas de metal que quedan en suspensión en el aceite. Así, que existe una fuente potencial de información que está directamente relacionada con el estado del sistema. La identidad química de las superficies desgastadas y las partículas procedentes de esas superficies siempre será la misma. Si se puede medir el régimen de cada tipo de partícula de metal y establecerse como normal o anormal, también se puede establecer como normal o anormal el régimen de desgaste de las superficies en contacto.
  38. 38. El desgaste significante que se produce en los metales de un sistema mecánico puede medirse por separado en concentraciones extremadamente bajas por medio del análisis espectrométrico de las muestras de aceite tomadas del sistema. La plata se mide con exactitud en concentraciones por debajo de media parte en peso de plata en 1.000.000 de partes de aceite. La mayoría de los otros metales se miden con exactitud en concentraciones por debajo de dos o tres partes por millón. La cantidad máxima de desgaste normal se ha determinado en el programa para cada metal del sistema en particular. A esta cantidad se le llama su límite umbral de contaminación y se mide por el peso en partes por millón (PPM).
  39. 39. Debe entenderse que las partículas del desgaste de los metales son de un tamaño microscópico tal que el ojo humano no puede verlas, no puede sentirse con los dedos, y fluyen libremente a través de los filtros del sistema. Por lo tanto, el espectrómetro mide las partículas que se mueven en suspensión en el aceite y que son demasiado pequeñas para aparecer bien en el filtro o en los detectores de partículas. El Programa de Análisis del aceite no es la panacea, debe seguirse como practicas de mantenimiento normal. No obstante, existen varios aspectos beneficiosos del programa que merecen la pena mencionarse. El análisis de las muestras de aceite después de haberse realizado una acción de mantenimiento puede usarse como herramienta de control de calidad. Un análisis que continúe mostrando concentraciones anormales de desgaste de metal presente en el sistema, sería una prueba positiva de que el mantenimiento no ha corregido la discrepancia y deben emplearse otras técnicas para la localización de la anormalidad. El análisis de las muestras tomadas de los motores en los bancos de pruebas ha reducido la posibilidad de instalar en el avión un motor recién salido de revisión general que contiene discrepancias no detectadas por los instrumentos del banco de pruebas. El análisis espectrométrico del aceite se ha usado principalmente en los motores de turbina de gas, motores alternativos, y transmisiones de helicópteros. La técnica también es aplicable a las unidades de velocidad constante, compresores de cabina, cajas de engranajes, sistemas hidráulicos, y otros sistemas mecánicos bañados en aceite.
  40. 40. Control de la vibración Los fallos de motor que se manifiestan por si mismos por un cambio en el nivel de vibración normalmente entran en dos categorías. El tipo de fallo que produce un desequilibrio inmediato, tal como un álabe de turbina roto, se hará evidente por un repentino cambio en el nivel de vibración. La cantidad de cambio dependerá de la cantidad de desequilibrio. Los fallos de álabes de turbina han sido la causa de que aumentase el nivel de vibración en tan poco como una milésima, mientras que otros han resultado en lecturas a tope de la escala del indicador. El otro tipo de fallo general está indicado por un progresivo cambio en el nivel de vibración. Este tipo de indicación es normalmente más frecuente en fallos de cojinetes donde un desequilibrio inicial puede progresar hasta un definitivo fallo del cojinete. Por medio del registro de todo el espectro de vibración del motor y los accesorios así como el desgaste de las piezas en rotación debido al funcionamiento normal, puede detectarse si los piñones y piezas en rotación del motor se están deteriorando. Esta información luego se revisa y compara con las lecturas anteriores, y cualquier desviación indica el deterioro de las piezas en rotación del motor. La ingestión de objetos extraños puede alterar el equilibrado del compresor produciendo vibración.
  41. 41. Se recomienda efectuar un análisis de la vibración en un motor que recientemente ha pasado una revisión general de la sección caliente para establecer una línea base de los niveles de vibración. Cada año debe repetirse, sin exceder el número de horas máximo establecido, o cuando ocurra un destacado aumento de la vibración durante la operación normal del motor. Un análisis de la vibración puede detectar si los piñones y piezas en rotación del motor se están deteriorando. Por comparación de los análisis de la vibración, podemos determinar si el nivel de vibración de un componente ha aumentado. Una vez que hemos registrado el análisis, un gráfico puede mostrar las desviaciones indicando que componentes pueden haber aumentado el nivel de vibración. Boróscopo, Fibra Optica, Imagen Electrónica Los motores de turbina de gas están diseñados para ser mantenidos eficazmente con el mínimo tiempo muerto posible. Un procedimiento que ha mejorado la eficacia en el mantenimiento es la incorporación de medios de inspección interna del motor sin desmontarlo. Esto se hace con un boróscopo (endoscopio) o con uno de sus homólogos modernos. Desde hace tiempo, cuando se inspeccionan los motores alternativos, la práctica ha sido desmontarlos y examinar las piezas que lo componen. A medida que la potencia del motor a aumentado con el paso de los años, la susceptibilidad a la detonación se hizo un serio problema, y la inspección boroscópica del interior del cilindro se convirtió en una herramienta importante del mantenimiento. Los motores de turbina son ligeros de peso para la cantidad de potencia o empuje que producen y son caros de desmontar. Debido a esto, los fabricantes de motor han colocado tapones de inspección boroscópica en localizaciones estratégicas, de manera que los técnicos puedan examinar las áreas críticas internas sin tener que desmontar el motor.
  42. 42. Hay tres tipos de instrumentos de inspección visual interna usados normalmente en el mantenimiento del motor de turbina: los boróscopos de tubo rígido, los visores flexibles de fibra óptica, y los visores de vídeo – imagen. Un boróscopo de tubo rígido puede insertarse dentro del motor a través de un orificio de inspección, y una fuente ajustable de energía permite regular la intensidad de luz producida por la lampara en el extremo del tubo visor. Insértese el tubo dentro del orificio apropiado y ajústese la luz. Diríjase el instrumento hacia el área a inspeccionar y enfóquese para conseguir una imagen nítida. Los visores flexibles de fibra óptica son más versátiles que los visores de tubo rígido. Estos instrumentos consisten de una guía de luz y una guía de imagen formada de manojos de fibras ópticas encerradas dentro de una funda. Una fuente de suministro de energía con luz ajustable se conecta a la guía de luz, y una lente ocular se sitúa de manera que pueda ver el extremo de la guía de imagen. Los mandos de doblado y enfoque situados en el alojamiento del instrumento permiten guiar la sonda dentro del motor y enfocar para conseguir la imagen más clara del área.
  43. 43. Normalmente se incluyen adaptadores que permiten el acoplamiento de cámaras de foto o vídeo a la lente ocular, proporcionando un registro permanente del interior del motor. Esta herramienta de inspección de vanguardia es el sistema de vídeo imagen que se muestra en la figura 21-9.
  44. 44. FIN antgrivas@gmail.com

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