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Fundamentos del motor de reacción
 

Fundamentos del motor de reacción

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  • Como esta Mr. García,observé en uno de sus pdf's de Motores de turbinas a Gas acerca del lavado de compresores en el cual se utiliza un chorro de partículas de carbón. Please explain for me about this and what's the bibliography used.
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  • Para poder entender una nueva tecnología, primero es necesario familiarizarse con sus teorías y términos básicos. Los motores de reacción tienen características y vocablos propios. En algunas leyes físicas se encuentran interpretaciones especiales, y a palabras de uso común se aplican significados especiales. Aquí se explicarán los fundamentos más esenciales necesarios para comprender los principios de un motor de reacción. Luego trataremos con los términos más comúnmente utilizados en el funcionamiento del motor de reacción. Correctamente hablando, el nombre motor de reacción, es un vulgarismo cuando se aplica a motores tipo turbina para avión. Tales motores están más adecuadamente llamados motores de turbina de gas. Sin embargo, los dos nombres son sinónimos, y se utilizaran indistintamente en este curso. A primera vista, el término motor de turbina de gas, pudiera inducir a error, porque la palabra gas, se utiliza algunas veces para gasolina; uno podría pensar que se refiere a un motor de turbina que usa como combustible la gasolina. El nombre, no obstante significa exactamente lo que dice: un motor tipo turbina que funciona con un gas mas bien que uno operado, por ejemplo, por vapor o agua. El gas que hace funcionar la turbina es el producto de la combustión que se lleva a cabo cuando un combustible adecuado se mezcla y quema con el aire que pasa a través del motor. En la mayoría de las turbinas de gas, el combustible no es gasolina en absoluto, sino mas bien, un destilado de bajo grado tal como el militar JP-4 ó una mezcla de keroseno comercial que satisface requisitos especiales.
  • El desarrollo del motor de turbina de gas como grupo moto propulsor de aviones ha sido tan rápido que es difícil apreciar que antes de 1950 muy pocos habían oído hablar de este método de propulsión de aviones. La posibilidad de usar la reacción de un chorro había interesado durante mucho tiempo a los diseñadores de aviones, pero inicialmente las bajas velocidades de los primeros aviones y la inadactabilidad del motor de embolo para producir el gran flujo de aire a alta velocidad necesario para el chorro propulsor, presentaron muchos obstáculos.
  • Antes de que los humanos apareciesen sobre la tierra, la naturaleza había dotado a ciertas criaturas del mar, tal como el calamar y la jibia, de la capacidad de propulsarse por si mismas por medio de un chorro a través del agua. Existieron muchos ejemplos del principio de reacción durante los primeros registros de la historia, pero debido a que no se había alcanzado un nivel adecuado de desarrollo tecnológico en las áreas de ingeniería, fabricación, y metalurgia, hubo un espacio de mas de 2000 años antes de que fuese posible una aplicación práctica de este principio
  • El primer motor de reacción conocido que se usó para realizar un trabajo fue construido por Hero de Alejandría allá por el 250 AC. Esta máquina consistía esencialmente en una vasija cerrada en forma de esfera en la cual se introducía vapor de agua a presión. Cuando el vapor escapaba por dos tubos curvados montados opuestos sobre la superficie de la esfera, los tubos se convertían en toberas propulsoras que hacían que la esfera girase en la dirección opuesta a la salida del vapor. El dispositivo se uso para abrir las puertas de un templo sin la necesidad de uso de las manos humanas.
  • La mayoría de los historiadores están de acuerdo en que los cohetes fueron empleados en la guerra por los señores chinos por lo menos en el siglo XIII para crear terror en las filas de sus enemigos. No mucho antes los chinos descubrieron la pólvora (probablemente por accidente) aproximadamente por el año 1000 D.C. alguien aprendió como hacer petardos. La observación de que un petardo defectuoso con el taco ido de un extremo se lanzaría cruzando el terreno, probablemente llevó a experimentos con un pequeño cilindro abierto en un extremo, atado a una flecha. Cuando el cilindro estaba lleno de pólvora y la pólvora se encendía, la flecha volaría por el aire por sí misma. Aunque nadie lo supiera entonces, el borde del cilindro actuaba como una tobera de escape, produciendo el "empuje" que propulsaba a la flecha. Precisamente el mismo principio permite a los motores de reacción de hoy desarrollar empuje.
  • En 1687, Sir Isaac Newton formuló las leyes del movimiento (las cuales serán tratadas en detalle mas adelante) sobre las que se basan todos los dispositivos que usan la teoría de la propulsión a chorro. El vehículo que aquí se muestra, llamado la carreta de Newton, aplicaba el principio de la propulsión a chorro. Se cree que un holandés llamado Jacob Gravesand, fue quien realmente diseñó este “carruaje sin caballo” y que Isaac Newton puede haber proporcionado solo la idea. El carruaje consistía escencialmente en una gran caldera montada sobre cuatro ruedas. Al vapor generado por un fuego construido debajo de la caldera se le permitía escapar a través de una tobera orientada hacia atrás. La velocidad del vehículo estaba controlada por una llave de paso del vapor localizada en el conducto de salida.
  • El ingeniero francés René Lorin, patentó un motor de propulsión a chorro en 1913. Este era un conducto aero-termodinámico (athodyd) y en aquella época imposible de fabricar o usar, ya que entonces no se habían desarrollado materiales resistentes al calor, y además, la propulsión a chorro habría sido de poco provecho a las bajas velocidades de los aviones de aquel momento. No obstante, el moderno estatorreactor actual es muy similar a la concepción de Lorin.
  • En 1930 a Frank Whittle se le otorgó su primera patente para usar una turbina de gas que producía propulsión a chorro, pero su motor no realizó el primer vuelo hasta once años mas tarde. El motor de Whittle sentó las bases del moderno motor de turbina de gas.
  • Entre 1791 y1930, fueron muchos los que proporcionaron ideas que condujeron al establecimiento del moderno motor de turbina de gas como lo conocemos hoy día. Cuando en 1930 Frank Whittle propuso la solicitud de su patente para un motor de reacción para avión, lo hacía gracias a la contribución de muchos otros antes que él. Whittle orientó su patente inicial hacia un motor turborreactor con un compresor centrífugo. El primer motor de Whittle se llamó el Power Sets W.1, después de su fabricación voló en el British Gloster G-40 el 15 de Mayo de 1941.
  • Motor: 1x Power Jets W.1 Turborreactor centrífugo, 860 lb de empuje. Envergadura: 29' Longitud: 25' 3 3/4'' Altura: 9' 3'' Peso: Vacío 2,886 lb / Cargado 3,748 lb Velocidad Máxima: 466 mph Techo: 32,000' Tripulación: 1
  • Concurrentemente con Whittle, von Ohain en Alemania había estado trabajando en el desarrollo de un motor de reacción para avión. Construyó y rodó su primer motor de demostración en 1937. Su primer motor en vuelo fue el Hes 3B que voló en el Heinkel He 178 el 27 de Agosto de 1939.
  • Apenas una semana antes del inicio de la II guerra mundial , Alemania voló el primer avión jet del mundo. El jet era el Heinkel He-178 , su desarrollo pudo haber alterado el curso de la historia. Hans von Ohain comenzó el desarrollo del motor turborreactor en los años 30 . Antes de 1935 pidió a Ernst Heinkel, el fabricante de aviónes ayuda,para desarrollar un nuevo tipo de motor Heinkel vio en él la promesa en la invención de construir el aeroplano más rápido del mundo. A finales de febrero de 1937, se probó el motor turborreactor S-1 con combustible de hidrógeno y este produjo un empuje de 250 libras a 10.000 RPM.
  • América entró tarde en el campo de la propulsión a chorro debido a que, en aquella época, el sentimiento era que la guerra debería ganarse con aviones que usasen motores alternativos convencionales. En Septiembre de 1941, bajo los auspicios del National Advisory Committee for Aeronautics (NACA, ahora la National Aeronautics and Space Administration, o NASA), el motor W.1X, que fue el predecesor del W.1 y un juego completo de planos y dibujos de la mas avanzada turbina de gas W.2B, volaron a los Estados Unidos bajo acuerdos especiales entre los gobiernos Británico y Estadounidense. También se envío un grupo de ingenieros en propulsión a chorro. A la General Electric Corporation se le otorgó el contrato para construir una versión americana de este motor debido a su experiencia previa con turbosobrealimentadores .
  • El primer vuelo propulsado a chorro en los Estados Unidos se realizó en Octubre de 1942, en un Bell XP-59A, con el Jefe de pilotos de prueba de la Bell a los mandos. Los dos motores General Electric I-A usados en este avión experimental fueron adaptaciones del diseño de Whittle.
  • El General Electric I-A fue una copia del motor británico “Whittle” Los motores de Whittle y von Ohain condujeron al éxito del avión de combate de propulsión a chorro a finales de la Segunda Guerra Mundial, el más destacado de ellos fue el Messerschmit Me 262 que fue utilizado por las Fuerzas Aéreas Alemanas. Sería interesante destacar que la primera producción de motores de reacción ingleses utilizó compresores centrífugos mientras que la producción de motores en Alemania empleó el compresor de flujo axial, más avanzado. Los pros y contras de estos dos diseños de compresores se tratarán mas adelante.
  • Energía es la capacidad para hacer trabajo. Trabajo, en el sentido mecánico de la palabra, es la realización de una operación productiva por algunos medios mecánicos, y el trabajo se efectúa cuando se aplica una fuerza a través de una distancia. Cuando un trozo de materia se encuentra estacionario, a menudo tiene energía debida a su posición en relación con otros trozos de materia. Esto se llama energía potencial porque el trozo de materia tiene capacidad potencial para hacer trabajo. Si el trozo de materia se mueve, tiene energía cinética, o energía debida al movimiento. Las formas de energía son numerosas, tal como la energía química (la energía producida por una reacción química), la energía calorífica (la energía producida por desprendimiento de calor), la energía eléctrica (la energía disponible de la electricidad), la energía de presión (la energía de un gas bajo presión), y la energía mecánica (la energía ejercida por una máquina o un hombre). Todos los tipos de energía son capaces de hacer trabajo. En la práctica, la energía puede transformarse de una forma a otra, pero no todas las energías pueden recuperarse cuando la transformación está hecha. Por ejemplo, cuando se usa la electricidad para girar un motor eléctrico, una parte de la energía eléctrica se cambiará en calor a causa de la fricción. Puesto que la energía calorífica así generada se perderá en el aire, solamente la energía mecánica del eje del motor estará disponible para efectuar trabajo. Es por la transformación del tipo de energía por lo que es posible la propulsión a chorro. Esencialmente esto se hace transformando la energía química del combustible en energía calorífica, y luego en energía mecánica para acelerar el aire a través del motor. Es esta aceleración la que principalmente es responsable de que el avión se mueva. Como se ha dicho, existen muchas formas de energía: química, mecánica, eléctrica, calorífica, lumínica, y nuclear. Pero solamente hay dos clasificaciones básicas en las cuales se ajustan todos los tipos de energías: la potencial y la cinética. A medida que el aire pasa a través del motor de turbina de gas y se le añade o extrae energía, hay un cambio continuo entre sus energías potencial y cinética. La energía total del aire que pasa a través del motor es siempre la suma de sus energías cinéticas y potencial.
  • Obsérvese que la energía cinética es directamente proporcional al peso y a la velocidad al cuadrado.
  • Todas las versiones de motores de reacción, motores cohete y las hélices de los motores de émbolo, desarrollan empuje de la misma manera, y se ha dicho que esto se debe a la aplicación de las leyes de movimiento de Isaac Newton. Dado que casi todo el mundo tiene dificultad al principio para comprender de donde viene el empuje de un motor de reacción y algunos incluso erróneamente creen que el empuje se produce por los gases de escape del motor que empujan contra el aire exterior, este tema será explicado con cierta amplitud. El primer paso es comprender las leyes de Newton. PRIMERA LEY DE NEWTON Un cuerpo en reposo permanecerá en este estado a menos que sea modificado por una fuerza exterior. Ejemplo: Una bola colocada en una mesa nivelada, permanecerá estática hasta que se le haga mover por una fuerza tal como una ráfaga de viento o un empujón por la mano de una persona. Una segunda parte de la primera ley de Newton dice que un cuerpo en movimiento continuará moviéndose en línea recta a una velocidad uniforme hasta que sea alterada por una fuerza exterior. Al funcionamiento del motor de reacción no le concierne esta parte de la ley.
  • SEGUNDA LEY DE NEWTON Un cambio en el movimiento es proporcional a la fuerza aplicada. Esto se puede decir de otra forma: Una fuerza proporcional a la relación de cambio de la velocidad se produce cuando quiera que un cuerpo o masa se acelera. Ejemplo: Cuando una persona golpea un clavo con un martillo, la fuerza con la que el martillo golpea al clavo es proporcional a la masa (la cual es proporcional al peso) del martillo, multiplicada por la cantidad con que la persona acelera la cabeza del martillo, desde cero a la velocidad final. Sería difícil, por ejemplo, clavar una gran escarpia con un martillo para tachuelas, ya que la cabeza del martillo tiene muy poca masa. Similarmente, incluso con un gran martillo, sería una tarea larga y fastidiosa clavar una escarpia solamente con ligeros golpes porque la aceleración aplicada a la cabeza del martillo es demasiado pequeña. La Segunda ley de Newton se encarga de cuantificar el concepto de fuerza. Nos dice que la fuerza neta aplicada sobre un cuerpo es proporcional a la aceleración que adquiere dicho cuerpo . La constante de proporcionalidad es la masa del cuerpo , de manera que podemos expresar la relación de la siguiente manera:
  • “Un desequilibrio de fuerza sobre un cuerpo tiende a producir una aceleración en la dirección de la fuerza, esta aceleración es directamente proporcional a la fuerza e inversamente proporcional a la masa del cuerpo”. Tanto la fuerza como la aceleración son magnitudes vectoriales, es decir, tienen, además de un valor, una dirección y un sentido. De esta manera, la Segunda ley de Newton debe expresarse como:
  • La unidad de fuerza en el Sistema Internacional es el Newton y se representa por N . Un Newton es la fuerza que hay que ejercer sobre un cuerpo de un kilogramo de masa para que adquiera una aceleración de 1 m/s2 .
  • La expresión de la Segunda ley de Newton que hemos dado es válida para cuerpos cuya masa sea constante. Si la masa varia, como por ejemplo un cohete que va quemando combustible, no es válida la relación F = m · a . Vamos a generalizar la Segunda ley de Newton para que incluya el caso de sistemas en los que pueda variar la masa. Para ello primero vamos a definir una magnitud física nueva. Esta magnitud física es la cantidad de movimiento y que se define como el producto de la masa de un cuerpo por su velocidad .
  • DEFINICIÓN DE MASA Merece la pena detenerse aquí para comprender lo que el término masa (M) significa. la masa es una propiedad básica de la materia, siendo la cantidad de material en cualquier cuerpo u objeto. Se le llama peso (W) cuando el cuerpo está sometido a un campo de gravedad (g), donde no exista un campo de gravedad apreciable, permanecerán todavía las características de masa. Es decir, que requerirá todavía la misma fuerza para acelerarlo o desacelerarlo, y necesitará la misma cantidad de calor para elevar su temperatura un número determinado de grados. Ya que en el caso de los motores de reacción, estamos trabajando con masa en el campo gravitatorio de la Tierra,
  • TERCERA LEY DE NEWTON Para cada acción, hay siempre una reacción igual y contraria. Esto es algo que podemos comprobar a diario en numerosas ocasiones. Por ejemplo, cuando queremos dar un salto hacia arriba, empujamos el suelo para impulsarnos. La reacción del suelo es la que nos hace saltar hacia arriba. Hay que destacar que, aunque los pares de acción y reacción tenga el mismo valor y sentidos contrarios, no se anulan entre si, puesto que actúan sobre cuerpos distintos .
  • La propulsión a chorro es una aplicación práctica de la Tercera Ley de Movimiento de Isaac Newton, la cual establece que para cada fuerza que se aplica a un cuerpo existe una reacción igual y de sentido contrario. En la propulsión de aviones, el “cuerpo” es el aire atmosférico que es acelerado a medida que pasa a través del motor. La fuerza requerida para producir esa aceleración tiene un efecto igual en la dirección opuesta que actúa sobre el avión haciendo que este se desplace hacia delante. Un motor de reacción produce empuje de una manera similar a la combinación motor/hélice. Ambos propulsan al avión empujando un gran peso de aire hacia atrás , la hélice lo hace desplazando una gran masa de aire a una relativamente baja velocidad y el reactor aplicando a una más pequeña, relativamente, masa de aire una alta velocidad.
  • El peso es la fuerza de atracción gravitatoria que ejerce la Tierra sobre los cuerpos que hay sobre ella. En la mayoría de los casos se puede suponer que tiene un valor constante e igual al producto de la masa, m, del cuerpo por la aceleración de la gravedad, g , cuyo valor es 9.8 m/s 2 [32’2 ft/s 2 ] y está dirigida siempre hacia el suelo. En la imagen aparecen dos ejemplos que muestran hacia donde está dirigido el peso en diferentes situaciones: un cuerpo apoyado sobre el suelo y un cuerpo que se mueve por un plano inclinado. El peso siempre está dirigido hacia el suelo .
  • En mecánica, el trabajo efectuado por una fuerza en determinada dirección, se define como el producto de la fuerza por el vector que denota esa dirección. El concepto de trabajo está ligado muy íntimamente al de energía, y ambas magnitudes se miden en la misma unidad: el julio. Esta ligazón puede verse en el hecho de que, del mismo modo que existen distintas definiciones de energía (para la mecánica, la termodinámica), también existen definiciones distintas de trabajo, aplicables cada una a cada rama de la física. El trabajo es una magnitud de gran importancia para establecer nexos entre las distintas ramas de la física. Tanto el trabajo como la energía son conceptos que empezaron a utilizarse en física cuando se abordó el estudio de movimientos en los cuales, la fuerza que experimentan los cuerpos depende, por ejemplo, de la posición.
  • En las aplicaciones prácticas, especialmente las de ingeniería y mecanismos, es importante conocer la rapidez del trabajo efectuado. Esto es, se define la potencia como el trabajo efectuado por unidad de tiempo, y así la potencia puede definirse también por el producto de la fuerza por la velocidad. La potencia P es la transferencia de energía por unidad de tiempo. En el sistema CGS la unidad de potencia es un erg. por segundo . En el sistema MKS la unidad es un joule por segundo, o watt.
  • Como se verá mas adelante, cuando se desarrolla la formula para convertir el empuje en potencia, la potencia puede expresarse en cualquiera de las distintas formas, dependiendo de las unidades usadas para la fuerza, la distancia, y el tiempo. La potencia con frecuencia se expresa en caballos de potencia ( horsepower ). Un horsepower es igual a 33.000 lb.ft/min [4.554 kg.m/min] ó 550 lb. ft/s [69 kg.m/s]. Dicho de otra forma, un motor eléctrico de 1 hp puede levantar 33.000 lb a una altura de un pie en un minuto o bien 550 lb a una altura de un pie en un segundo. James Watt mejoró mucho la máquina de vapor y definió una unidad para medir su potencia: El caballo de vapor. En aquella época, en las minas se utilizaban caballos para extraer materiales. Watt midió el trabajo que realizaba un caballo típico durante un período grande de tiempo y luego calibró sus máquinas de acuerdo con ello. Así, pudo decir a su clientela que una máquina de un caballo de vapor reemplazaría a un caballo. Equivalencia: 1 HP = 746 W (Watt) = 1.014 C.V. (caballo de vapor, sistema métrico). El caballo de vapor es igual a 736 W.
  • La velocidad (speed) de un cuerpo en movimiento se define como la distancia recorrida en la unidad de tiempo. La velocidad (speed) normalmente se expresa en millas por hora o pies por segundo [kilómetros por hora o metros por segundo].
  • Velocity es un vector cantidad, al ser un vector, tiene magnitud y dirección. La magnitud del vector velocidad es sencillamente la velocidad (speed) del objeto; la dirección del vector velocidad es en la cual el objeto se mueve.
  • La aceleración se define como la razón entre el cambio de velocidad y el intervalo en el cual ésta ocurre. La aceleración es una magnitud vectorial, es decir, tiene un módulo y una dirección. El módulo define el "tamaño" que tiene la aceleración, mientras que la dirección define hacia donde apunta esa aceleración. Un cuerpo acelera cuando aumenta su velocidad; frena, cuando disminuye su velocidad. La aceleración es el aumento o la disminución de la velocidad. Si un cuerpo tiene una aceleración de 1m/s2 quiere decir que en cada segundo su velocidad aumenta 1m/s Si un cuerpo tiene una aceleración de -1m/s2 quiere decir que en cada segundo su velocidad disminuye 1m/s.
  • El estatorreactor es un conducto aerotermodinámico (athodyd) que no tiene piezas principales en rotación y consiste en un conducto con entrada divergente y salida convergente-divergente. Cuando se le imparte movimiento hacia delante por medio de una fuente exterior, el aire es forzado en la admisión donde pierde velocidad o energía cinética y aumenta su energía de presión a medida que pasa a través del conducto divergente. Luego la energía total aumenta por medio de la combustión del combustible, y los gases en expansión se aceleran hacia la atmósfera a través del conducto de salida. Con frecuencia un estatorreactor es el grupo propulsor de misiles, pero es inadecuado para propulsar aviones dado que requiere que se le imparta movimiento hacia delante antes de que produzca algún tipo de empuje.
  • El pulso reactor usa el principio de combustión intermitente, y a diferencia del estatorreactor puede funcionar en condiciones estáticas. El motor está formado por un conducto aerodinámico similar al estatorreactor, pero debido a las altas presiones involucradas, es de una construcción más robusta. El conducto de entrada tiene una serie de válvulas de admisión que están cargadas con muelle en la posición de abiertas. El aire arrastrado a través de las válvulas pasa dentro de la cámara de combustión y es calentado al prenderse el combustible inyectado en la cámara. La expansión resultante origina una elevación en la presión forzando a las válvulas a cerrarse, y entonces la expansión de los gases es expulsada hacia atrás. La depresión creada por los gases de escape permite que las válvulas se abran y el ciclo se repite.
  • Aunque un cohete es un motor de reacción, tiene la gran diferencia de que no usa el aire atmosférico como fluido de la corriente propulsiva. En su lugar, produce su propio fluido propulsor por la combustión con el oxigeno de un combustible líquido o químicamente descompuesto, los cuales lleva el propio cohete, permitiéndole así operar fuera de la atmósfera terrestre. Por lo tanto, es adecuado para cortos períodos de funcionamiento.
  • La aplicación de la turbina de gas a la propulsión a chorro a superado la carencia inherente de los cohetes y los conductos aerotermodinámicos. Con la incorporación de un compresor arrastrado por una turbina se proporciona un medio de producción de empuje a bajas velocidades. El motor turborreactor funciona en un ciclo operativo similar al del motor de cuatro tiempos. Toma el aire de la atmósfera y tras comprimirlo y calentarlo, proceso que ocurre en todos los motores térmicos, la energía e inercia aportada al aire lo fuerza al exterior a través de la tobera propulsora a una velocidad de hasta 2000 pies por segundo o aproximadamente 1.400 millas por hora. En su camino a través del motor, el aire cede parte de su energía e inercia para arrastrar a la turbina que mueve al compresor.
  • Ciclo de Brayton Un motor de turbina de gas libera la energía del combustible en un ciclo termodinámico llamado el ciclo de Brayton. Los mismos pasos .admisión, compresión, expansión, potencia, y escape .que tienen lugar en el ciclo de volumen constante de Otto usado para los motores alternativos, ocurren en un motor de turbina de gas. La diferencia básica entre los dos ciclos es que en un motor de ciclo de Otto, los pasos ocurren en el mismo sitio, en el cilindro del motor, pero en diferentes tiempos. En el ciclo de Brayton, los pasos tienen lugar al mismo tiempo pero en distintos puntos dentro del motor.
  • 1. El aire entra en el conducto de entrada y fluye hacia la entrada del compresor, punto A, a presión ambiente. 2. El aire pasa a través del compresor, que eleva su presión y disminuye su volumen al representado por el punto B. 3. Luego, el aire pasa dentro de la cámara de combustión donde el combustible se inyecta en él y se quema. La presión entre los puntos B y C permanece relativamente constante a medida que se añade energía calorífica, pero el volumen y la temperatura aumentan. 4. Los gases calientes dejan la cámara de combustión y pasan a través de la turbina donde se le extrae energía y la presión cae a casi el ambiente en el punto D. Las presiones entre los puntos A y D son casi las mismas, pero en D el volumen y así la velocidad son mucho mayores. El aire se ha expandido a una presión relativamente constante.
  • La disposición mecánica del motor de turbina de gas es simple, pues consiste solo en dos piezas principales en rotación, que son el compresor y la turbina, entre estos está la cámara de combustión. No obstante, esta simplicidad no es aplicable a todos los aspectos del motor, pues los problemas aerodinámicos y termodinámicos son complejos. Resultantes estos de las altas temperaturas operativas de la cámara de combustión y la turbina, los efectos de variaciones de flujos a través de los alabes del compresor y turbina, y el diseño del sistema de escape, a través del cual los gases son expulsados para formar el chorro propulsor. Existen distintos tipos de motores de turbina de gas, pero todos los diseños conservan la disposición mecánica básica.
  • El motor de turbina de gas más simple para un avión es un turborreactor. Un contenedor en forma de bote el cual está abierto en ambos extremos es llamado carter del motor y encierra las partes internas. El carter está construido en varias secciones para facilitar el montaje y desmontaje del motor. Enormes cantidades de aire entran en el carter a través del orificio frontal. Después de que el aire está altamente calentado y acelerado al haberse quemado con el combustible, el aire que queda después del proceso de combustión y los gases producidos por la combustión son expulsados a través del orificio posterior. Un compresor rotativo está situado en la sección delantera del carter del motor. El compresor está seguido por una cámara de combustión, sección quemadora o del combustor. A continuación viene un conjunto de turbinas de arrastre que desarrollan la potencia necesaria para hacer funcionar al compresor. Finalmente, está la tobera o conducto de salida. La abertura al aire exterior en la parte posterior de la tobera o conducto de salida, se le llama tobera de chorro.
  • El compresor eleva la presión del aire que entra antes de pasar a la cámara de combustión. El combustible es pulverizado a través de inyectores en la parte frontal de la cámara. La mezcla resultante de combustible y aire es encendida para producir gases calientes de expansión que se precipitan hacia la sección de turbina, haciendo girar los rotores de esta. Cuando dejan la sección de turbina, los gases son expulsados al aire exterior a través del conducto de escape. La potencia que los rotores de turbina extraen de los gases es utilizada para arrastrar al compresor. Como los rotores de turbina y el compresor están ambos montados sobre el mismo eje, estos funcionan como una unidad. Así, se puede decir que un motor turborreactor de compresor simple tiene solamente una parte principal en movimiento. Los otros miembros de la familia del motor de turbina de gas, tales como los motores de doble compresor, los turbofanes, los turbohélices y los turboejes, son versiones diferentes o desarrollos del turborreactor básico de compresor simple.
  • Los turborreactores y turbofanes de elevada actuación requieren mayores y más altas relaciones de rendimiento y compresión que las que puedan obtenerse solamente con un compresor de flujo axial. Los compresores de flujo axial tienen además la ventaja de permitir que el motor tenga un área frontal pequeña, puede usarse, bien con un solo compresor o con compresor doble. Este último tipo, resulta ser un compresor de muy altos rendimientos, y alta relación de compresión y empuje. En los motores de doble compresor, uno o más escalones de turbina arrastran al compresor de baja presión, mientras que una turbina independiente con uno o dos escalones arrastra al compresor de alta presión. Los sistemas de dos rotores funcionan independientemente uno de otro excepto para el flujo de aire. El conjunto de turbina para el compresor de baja presión es la unidad de turbina posterior. Este conjunto de turbinas está conectado al compresor delantero de baja presión por un eje que pasa a través del orificio central del eje de arrastre del compresor y turbina de alta presión.
  • Debido a que el rendimiento de un turborreactor se mantiene a gran altura y velocidad, los motores de este tipo son adecuados para los aviones de vuelo alto y velocidad elevada que funcionan por encima de una gama suficiente para que la subida a la altitud de mejor funcionamiento sea eficaz. Pero tan buenos como son a sus altitudes óptimas, el empuje elevado a baja velocidad no es una característica del turborreactor. Para estar en sus mejores condiciones, los turborreactores necesitan la presión de impacto (aire "ram") a la entrada del conducto de admisión que solamente se consigue con una velocidad considerable. por lo tanto, los aviones con turborreactor necesitan pistas largas para el despegue.
  • Cuando los gases de escape en la sección básica de un turborreactor ( frecuentemente llamado generador de gas ) se utilizan para girar una turbina que arrastra una hélice por medio de un sistema de engranajes reductor de velocidad, el motor se convierte en un turbohélice.
  • En algunos turbohélices se incorpora en el conjunto de turbina que gira al compresor una etapa extra de turbina. La potencia adicional producida arrastra los engranajes de reducción de la hélice directamente desde el eje de arrastre del compresor; los motores de este tipo se denominan como turbohélices de arrastre directo
  • En los turbohélices más modernos se monta una turbina libre. Esta turbina es independiente de las turbinas de arrastre del compresor y es libre para girar por si misma en la corriente de gases de escape del motor
  • Igualmente existen turbohélices con compresor centrífugo cuyas etapas tienen una relación de compresión mayor que las etapas o escalones de compresor axial. En algunos motores, la turbina gira dos compresores centrífugos de una sola cara activa. Esta configuración se usa en una conocida serie de motores turbohélices como el mostrado en la figura. Uno de los principales problemas con este tipo de motor es la pérdida de presión experimentada por el aire que fluye entre las etapas.
  • Aquí vemos el motor Dart 7 de RR que propulsa entre otros aviones al Fokker 27.
  • También existen turbohélices cuyo engranaje reductor está diseñado con el reductor descentrado del eje principal del motor.
  • Otra configuración del turbohélice de turbina libre tiene una más bien inconvencional dirección del flujo de gas y aire desde atrás hacia adelante. El compresor es una combinación de los diseños centrífugo y axial. Un ejemplo excelente de tal motor es el PT6 fabricado por United Aircraft of Canada Limited.
  • Aunque el turbohélice para avión es más complicado y pesado que un turborreactor de equivalente tamaño y potencia, el turbohélice entregará más empuje a bajas velocidades subsónicas. Sin embargo, la ventaja disminuye a medida que la velocidad del vuelo aumenta. La espectacular actuación de un turbohélice durante el despegue y subida es el resultado de la capacidad de la hélice para acelerar una gran masa de aire mientras que el avión se está moviendo a una velocidad relativamente baja en tierra y vuelo.
  • El PT6 es un motor de poco peso de turbina libre que desarrolla de 600 a 1.000 caballos de potencia al eje dependiendo del modelo. Este motor tiene dos turbinas independientes de giro opuesto. Una turbina arrastra al compresor mientras la otra arrastra a la hélice por medio de una caja de engranajes de reducción. El compresor en el motor básico consta de tres escalones de flujo axial combinado con una sola etapa de compresor centrífugo. Los escalones axiales y centrífugo están unidos por el mismo eje, y funcionan como una sola unidad. El aire entra en el motor por una cámara impelente circular cerca de la parte posterior del motor, y fluye hacia adelante a través de las sucesivas etapas del compresor. El flujo se dirige hacia afuera por el escalón de compresor centrífugo a través de difusores radiales antes de entrar en la cámara de combustión, donde la dirección del flujo es verdaderamente invertida. Los gases por la combustión son una vez más invertidos para expansionarse hacia adelante a través de cada escalón de turbina. Después de dejar la turbina, los gases se recogen en una cámara de escape periférica de sección decreciente, y luego se descargan a la atmósfera a través de dos lumbreras de escape cerca de la pare frontal del motor.
  • Si el eje de un motor de varias turbinas se utiliza para arrastrar alguna otra cosa aparte de la hélice del avión, Tal como el rotor de un helicóptero, el motor se llama turboeje u ocasionalmente motor eje-turbina. Los motores turboejes con un sistema de engranajes de reducción se utilizan con frecuencia para propulsar lanchas, barcos, trenes y automóviles. A menudo se emplean para bombear gas natural por gasoductos que cruzan el país y para arrastrar distintos tipos de equipos industriales tales como compresores de aire y grandes generadores eléctricos.
  • . La gran diferencia entre un turborreactor y un motor turboeje es que en un motor turboeje, la mayor parte de la energía producida por los gases en expansión se usa para arrastrar la turbina mas que para producir empuje.
  • Muchos helicópteros usan un tipo de turboeje de motor de turbina de gas. Además, los motores turboejes se usan ampliamente como unidades de potencia auxiliar (APU).
  • La potencia de salida de un motor turbohélice o turboeje se mide en caballos de potencia al eje (shaft horsepower). Los motores turboejes son similares a los motores turbohélices, y en algunos casos, ambos usan el mismo diseño. La potencia puede tomarse directamente de la turbina del motor, o el eje puede arrastrarse por su propia turbina libre, como la turbina libre en los motores turbohélices.
  • En los motores by-pass solo parte del aire va a través del núcleo motor; el resto pasa rodeando las cámaras de combustión y turbinas, para unirse al resto de la corriente en la parte posterior. Esto hace que el motor sea más silencioso y mas rentable.
  • La primera generación de diseños del turbofan, tal como la serie de motor Pratt & Whitney JT3D, tenía una relación de paso de aproximadamente 1:1; es decir, alrededor del 50 por ciento del aire iba a través del núcleo motor como flujo de aire primario, y aproximadamente el 50 por ciento iba a través del fan como flujo de aire secundario.
  • Moviéndonos en el espectro de las velocidades de vuelo a regímenes transónicos de números de Mach de 0.75 a 0.9, las configuraciones de motor mas comunes son los motores turbofanes.
  • El núcleo motor o generador de gas actúa como un turborreactor mientras que la gran masa de aire derivado es acelerado a lo largo del conducto de una forma relativamente lenta para proporcionar el empuje de la “corriente de aire frió” (cold stream). Las corrientes de aire frío y caliente se mezclan para dar un mejor rendimiento propulsivo, niveles de ruidos más bajos, y un consumo de combustible mejorado.
  • La segunda generación de turbofanes como el General Electric CF6, el Pratt & Whitney JT9D, y el Rolls- Royce RB211 tienen relaciones de paso del orden de 5:1 o 6:1. De esta forma el fan proporciona un mayor porcentaje del empuje total producido por el motor.
  • El RR RB211 es un motor de alta relación de paso (5:1), tres ejes (tres conjunto compresor turbina) similar en concepto al Rolls Royce Trent. El motor de una sola etapa de fan delantero tiene un flujo de aire de 1096 lb/s [497 kg/s] y una relación de presión de 1’6 : 1
  • El RR Trent 800 proporciona entre 75.000 lbs y 95.000 lbs de empuje al despegue para propulsar al B777-200, 777-200ER y 777-300. El Trent 800 es el grupo motopropulsor mas ligero de su clase, con la mas alta relación peso/empuje para el B777-300. Las emisiones de niveles de ruidos está bastante por debajo de las regulaciones actuales y previsibles.
  • El UDF (Unducted Fan) tiene una relación de paso de 35 : 1, produce 25.000 lbs de empuje y tiene un consumo específico de combustible del 25 % mas bajo que los modernos motores turbofanes de gran relación de paso. Este motor tendrá un propfan con un diámetro de 11’7 ft con una velocidad de punta de pala de 750-800 ft/s. Las palas están hechas de dos mitades de material compuesto de fibra de carbón y fibra de vidrio con un borde de ataque de niquel y un larguero de titanio. Un control digital de autoridad total (FADEC) ajustará las rpm y ángulo de paso de la hélice para responder a las demandas de potencia del piloto. Dos turbinas contrarrotatorias de baja presión acopladas directamente a las palas del propfan, están arrastradas por los gases calientes producidos por el núcleo motor.
  • El GE90 es el motor que General Electric ofrece para propulsar al avión Boeing 777. tiene cuatro etapas de fan (con alabes hechos de composite), y diez etapas de compresor arrastradas por dos turbinas de alta presión y seis turbinas de baja presión respectivamente.
  • Sus 86.000 libras de empuje y su 0’278 lb/hr/lb Fn de consumo específico de combustible representan uno de los mas altos empujes y uno de los mas bajos consumos específicos de combustible, debido en parte a su ultra alta relación de paso de 8’4:1.
  • La relación de presión a través del núcleo compresor es de 23:1, con una relación de presión total del motor de 39:1.
  • Tiene un diámetro de 158 pulgadas con una longitud de 200 pulgadas. Los participantes en el diseño y fabricación de este motor son SNECMA de Francia, FiatAvio de Italia e Ishikawajima-Harima Heavy Industry (IHI) de Japón. Esta imagen muestra un motor GE90 en un primer vuelo de prueba. El Boeing 747 lleva un GE90 bajo su ala izquierda. Observese lo grande que es el motor en comparación con los motores GE CF6-80 del 747.
  • A velocidades de avión por debajo aproximadamente de las 450 millas por hora, el motor reactor puro es menos rentable que un motor de hélice, puesto que su rendimiento propulsivo depende mayormente de su velocidad de avance; el motor turborreactor puro es, por lo tanto, el más adecuado para altas velocidades de avance. Sin embargo, el rendimiento de la hélice disminuye rápidamente por encima de las 350 millas por hora debido a la distorsión del flujo de aire originada por las altas velocidades de la punta de las palas. Estas características han conducido a cierta novedad con el uso de la propulsión con turborreactor puro donde el avión opera a velocidades medias por la introducción de una combinación de hélice y motor de turbina de gas.
  • Las ventajas de la combinación hélice turbina se han compensado hasta cierto punto con la introducción de los motores by-pass, ducted fan, y propfan. Estos motores manejan flujos de aire mayores y velocidades del chorro mas bajas que el reactor puro comparativamente. Dando así un rendimiento propulsivo que es comparable al del turbohélice y que excede al del reactor puro.
  • El turbo/estatorreactor combina al motor turborreactor (que se usa para velocidades hasta Mach 3) con el motor estatorreactor, el cual tiene buenas prestaciones a altos números de Mach. El motor está rodeado por un conducto que tiene en la parte frontal una admisión variable, y en la parte posterior un tubo de descarga posquemador con tobera variable. Durante el despegue y la aceleración, el motor funciona como un turborreactor convencional con el posquemador encendido; en otras condiciones del vuelo, hasta Mach 3, el posquemador está desconectado. A medida que el avión acelera a través de Mach 3, el turborreactor se para y el aire de admisión es desviado del compresor, por alabes guías, y conducido directamente dentro del tubo de escape posquemador, que se convierte en la cámara de combustión de un estatorreactor. El turbo/estatorreactor es adecuado para un avión que requiera alta velocidad y condiciones de crucero de alto número de Mach sostenido donde el motor opera en el modo estatorreactor.
  • El motor turbo-cohete podría considerarse como un alternativo para el turbo/estatorreactor; sin embargo, tiene una gran diferencia, y es que lleva su propio oxigeno para proporcionar la combustión. El motor tiene un compresor de baja presión arrastrado por una turbina de múltiples etapas; la energía para arrastrar a la turbina se extrae de la combustión de keroseno y oxigeno líquido en una cámara de combustión tipo cohete. Puesto que la temperatura del gas estará en el orden de los 3.500 º C, se pulveriza combustible adicional en la cámara de combustión con propósitos de refrigeración antes de que el gas entre en la turbina. Esta mezcla de gas rica en combustible, luego es diluida con aire procedente del compresor, y el combustible en exceso es quemado en un sistema posquemador convencional. Aunque el motor turbo-cohete es más pequeño y ligero de peso que el turbo/estatorreactor, tiene un consumo de combustible mayor. Esto tiende a hacerle más adecuado para un tipo de avión interceptador o catapulta espacial que requiere gran velocidad, grandes prestaciones en altura y con un plan de vuelo que es completamente en aceleración y de corta duración.

Fundamentos del motor de reacción Fundamentos del motor de reacción Presentation Transcript

  • Para poder entender una nueva tecnología, primero es necesario familiarizarse con susteorías y términos básicos. Los motores de reacción tienen características y vocablospropios. En algunas leyes físicas se encuentran interpretaciones especiales, y apalabras de uso común se aplican significados especiales. Aquí se explicarán losfundamentos más esenciales necesarios para comprender los principios de un motor dereacción. Luego trataremos con los términos más comúnmente utilizados en elfuncionamiento del motor de reacción.Correctamente hablando, el nombre motor de reacción, es un vulgarismo cuando seaplica a motores tipo turbina para avión. Tales motores están más adecuadamentellamados motores de turbina de gas. Sin embargo, los dos nombres son sinónimos, y seutilizaran indistintamente. A primera vista, el término motor de turbina de gas, pudierainducir a error, porque la palabra gas, se utiliza algunas veces para gasolina; uno podríapensar que se refiere a un motor de turbina que usa como combustible la gasolina. Elnombre, no obstante significa exactamente lo que dice: un motor tipo turbina quefunciona con un gas mas bien que uno operado, por ejemplo, por vapor o agua. El gasque hace funcionar la turbina es el producto de la combustión que se lleva a cabocuando un combustible adecuado se mezcla y quema con el aire que pasa a través delmotor. En la mayoría de las turbinas de gas, el combustible no es gasolina en absoluto,sino mas bien, un destilado de bajo grado tal como el militar JP-4 ó una mezcla dekeroseno comercial que satisface requisitos especiales.EL MOTOR DE TURBINA DE GAS
  • EL MOTOR DE TURBINA DE GASA. G. Rivas
  • El desarrollo del motor de turbina de gas como grupo moto propulsor deaviones ha sido tan rápido que es difícil apreciar que antes de 1950 muy pocoshabían oído hablar de este método de propulsión de aviones. La posibilidad deusar la reacción de un chorro había interesado durante mucho tiempo a losdiseñadores de aviones, pero inicialmente las bajas velocidades de losprimeros aviones y la falta de adaptación del motor de embolo para producir elgran flujo de aire a alta velocidad necesario para el chorro propulsor,presentaron muchos obstáculos.
  • Antes de que los humanos apareciesen sobre la tierra, la naturalezahabía dotado a ciertas criaturas del mar, tal como el calamar y la jibia, dela capacidad de propulsarse por si mismas por medio de un chorro através del agua. Existieron muchos ejemplos del principio de reaccióndurante los primeros registros de la historia, pero debido a que no sehabía alcanzado un nivel adecuado de desarrollo tecnológico en las áreasde ingeniería, fabricación, y metalurgia, hubo un espacio de mas de 2000años antes de que fuese posible una aplicación práctica de este principio
  • El primer motor de reacción conocido que se usó para realizar un trabajofue construido por Hero de Alejandría allá por el 250 AC. Esta máquinaconsistía esencialmente en una vasija cerrada en forma de esfera en lacual se introducía vapor de agua a presión. Cuando el vapor escapabapor dos tubos curvados montados opuestos sobre la superficie de laesfera, los tubos se convertían en toberas propulsoras que hacían que laesfera girase en la dirección opuesta a la salida del vapor.El dispositivo se uso para abrir las puertas de un templo sin la necesidadde uso de las manos humanas.
  • La mayoría de los historiadores están de acuerdo en que los cohetes fueronempleados en la guerra por los señores chinos por lo menos en el siglo XIIIpara crear terror en las filas de sus enemigos. No mucho antes los chinosdescubrieron la pólvora (probablemente por accidente) aproximadamente porel año 1000 D.C. alguien aprendió como hacer petardos. La observación deque un petardo defectuoso con el taco ido de un extremo se lanzaría cruzandoel terreno, probablemente llevó a experimentos con un pequeño cilindro abiertoen un extremo, atado a una flecha. Cuando el cilindro estaba lleno de pólvora yla pólvora se encendía, la flecha volaría por el aire por sí misma. Aunque nadielo supiera entonces, el borde del cilindro actuaba como una tobera de escape,produciendo el "empuje" que propulsaba a la flecha. Precisamente el mismoprincipio permite a los motores de reacción de hoy desarrollar empuje.
  • En 1687, Sir Isaac Newton formuló las leyes del movimiento (las cuales serántratadas en detalle mas adelante) sobre las que se basan todos los dispositivosque usan la teoría de la propulsión a chorro. El vehículo que aquí se muestra,llamado la carreta de Newton, aplicaba el principio de la propulsión a chorro.Se cree que un holandés llamado Jacob Gravesand, fue quien realmentediseñó este “carruaje sin caballo” y que Isaac Newton puede haberproporcionado solo la idea. El carruaje consistía escencialmente en una grancaldera montada sobre cuatro ruedas. Al vapor generado por un fuegoconstruido debajo de la caldera se le permitía escapar a través de una toberaorientada hacia atrás. La velocidad del vehículo estaba controlada por unallave de paso del vapor localizada en el conducto de salida.
  • El ingeniero francés René Lorin, patentó un motor de propulsión a chorro en1913. Este era un conducto aero-termodinámico (athodyd) y en aquella épocaimposible de fabricar o usar, ya que entonces no se habían desarrolladomateriales resistentes al calor, y además, la propulsión a chorro habría sido depoco provecho a las bajas velocidades de los aviones de aquel momento. Noobstante, el moderno estatorreactor actual es muy similar a la concepción deLorin.
  • En 1930 a Frank Whittle se le otorgó su primera patente para usar una turbinade gas que producía propulsión a chorro, pero su motor no realizó el primervuelo hasta once años mas tarde. El motor de Whittle sentó las bases delmoderno motor de turbina de gas.
  • Entre 1791 y1930, fueron muchos los que proporcionaron ideas que condujeron al establecimientodel moderno motor de turbina de gas como lo conocemos hoy día. Cuando en 1930 Frank Whittlepropuso la solicitud de su patente para un motor de reacción para avión, lo hacía gracias a lacontribución de muchos otros antes que él.Whittle orientó su patente inicial hacia un motor turborreactor con un compresor centrífugo. Elprimer motor de Whittle se llamó el Power Sets W.1, después de su fabricación voló en el BritishGloster G-40 el 15 de Mayo de 1941.
  • GLOSTER G40Motor: 1x Power Jets W.1 Turborreactor centrífugo, 860 lb de empuje.Envergadura: 29Longitud: 25 3 3/4Altura: 9 3Peso: Vacío 2,886 lb / Cargado 3,748 lbVelocidad Máxima: 466 mphTecho: 32,000Tripulación: 1
  • HeS 3BConcurrentementecon Whittle, vonOhain enAlemania habíaestado trabajandoen el desarrollo deun motor dereacción paraavión. Construyó yrodó su primermotor dedemostración en1937. Su primermotor en vuelo fueel Hes 3B que volóen el Heinkel He178 el 27 deAgosto de 1939.
  • Heinkel He 178Apenas una semana antes del inicio de la II guerra mundial , Alemania voló elprimer avión jet del mundo. El jet era el Heinkel He-178 , su desarrollo pudohaber alterado el curso de la historia. Hans von Ohain comenzó el desarrollodel motor turborreactor en los años 30 . Antes de 1935 pidió a Ernst Heinkel,el fabricante de aviónes ayuda,para desarrollar un nuevo tipo de motor Heinkelvio en él la promesa en la invención de construir el aeroplano más rápido delmundo. A finales de febrero de 1937, se probó el motor turborreactor S-1 concombustible de hidrógeno y este produjo un empuje de 250 libras a 10.000RPM.
  • América entró tarde en el campo de la propulsión a chorro debido a que, enaquella época, el sentimiento era que la guerra debería ganarse con avionesque usasen motores alternativos convencionales. En Septiembre de 1941, bajolos auspicios del National Advisory Committee for Aeronautics (NACA, ahora laNational Aeronautics and Space Administration, o NASA), el motor W.1X, quefue el predecesor del W.1 y un juego completo de planos y dibujos de la masavanzada turbina de gas W.2B, volaron a los Estados Unidos bajo acuerdosespeciales entre los gobiernos Británico y Estadounidense. También se envíoun grupo de ingenieros en propulsión a chorro. A la General ElectricCorporation se le otorgó el contrato para construir una versión americana deeste motor debido a su experiencia previa con turbosobrealimentadores .
  • W.1X
  • Bell XP-59AEl primer vuelo propulsado a chorro en los Estados Unidos se realizó enOctubre de 1942, en un Bell XP-59A, con el Jefe de pilotos de prueba de laBell a los mandos. Los dos motores General Electric I-A usados en este aviónexperimental fueron adaptaciones del diseño de Whittle.
  • El General Electric I-A fue una copia del motor británico “Whittle”Los motores de Whittle y von Ohain condujeron al éxito del avión decombate de propulsión a chorro a finales de la Segunda Guerra Mundial,el más destacado de ellos fue el Messerschmit Me 262 que fue utilizadopor las Fuerzas Aéreas Alemanas. Sería interesante destacar que laprimera producción de motores de reacción ingleses utilizó compresorescentrífugos mientras que la producción de motores en Alemania empleóel compresor de flujo axial, más avanzado. Los pros y contras de estosdos diseños de compresores se tratarán mas adelante.
  • General Electric I-AGeneral Electric I-A
  • Energía es la capacidad para hacer trabajo. Trabajo, en el sentido mecánico de la palabra, es larealización de una operación productiva por algunos medios mecánicos, y el trabajo se efectúacuando se aplica una fuerza a través de una distancia. Cuando un trozo de materia se encuentraestacionario, a menudo tiene energía debida a su posición en relación con otros trozos de materia.Esto se llama energía potencial porque el trozo de materia tiene capacidad potencial para hacertrabajo. Si el trozo de materia se mueve, tiene energía cinética, o energía debida al movimiento.Las formas de energía son numerosas, tal como la energía química (la energía producida por unareacción química), la energía calorífica (la energía producida por desprendimiento de calor), laenergía eléctrica (la energía disponible de la electricidad), la energía de presión (la energía de ungas bajo presión), y la energía mecánica (la energía ejercida por una máquina o un hombre).Todos los tipos de energía son capaces de hacer trabajo. En la práctica, la energía puedetransformarse de una forma a otra, pero no todas las energías pueden recuperarse cuando latransformación está hecha. Por ejemplo, cuando se usa la electricidad para girar un motoreléctrico, una parte de la energía eléctrica se cambiará en calor a causa de la fricción. Puesto quela energía calorífica así generada se perderá en el aire, solamente la energía mecánica del eje delmotor estará disponible para efectuar trabajo.Es por la transformación del tipo de energía por lo que es posible la propulsión a chorro.Esencialmente esto se hace transformando la energía química del combustible en energíacalorífica, y luego en energía mecánica para acelerar el aire a través del motor. Es esta aceleraciónla que principalmente es responsable de que el avión se mueva.Como se ha dicho, existen muchas formas de energía: química, mecánica, eléctrica, calorífica,lumínica, y nuclear. Pero solamente hay dos clasificaciones básicas en las cuales se ajustan todoslos tipos de energías: la potencial y la cinética. A medida que el aire pasa a través del motor deturbina de gas y se le añade o extrae energía, hay un cambio continuo entre sus energías potencialy cinética. La energía total del aire que pasa a través del motor es siempre la suma de susenergías cinéticas y potencial.
  • EnergíaEJEMPLO: Un avión de 20.000 lb [9072 kg] está sujeto a 5 ft [1’52 m) del suelopor un gato. ¿Cuánta energia potencial posee este sistema?m]kg[13.830ftlb100.000520.000WHPE⋅⋅=×==ftobjeto,delalturaHlbobjeto,delpesoWftlbpotencial,energíaPEDonde==⋅=
  • Energía cinéticagWV2KE2=ftlbencinéticaenergíaKE]m/s[981ft/s322gravedadladenaceleraciógft/senvelocidadVlbenpesoWdonde22⋅=====Obsérvese que la energía cinética es directamente proporcional al peso y a lavelocidad al cuadrado.
  • EJEMPLO: Calcùlese la energía cinética de un avión que pesa 6.440 lb [2924kg] y se mueve a una velocidad de 205 mph (300 ft/s) [330 km/h (91,6 m/s)].gWV2KE2=32223006.440 2××=energíadem]kg[1.244.700ftlb9.000.000 ⋅⋅=
  • Todas las versiones de motores de reacción, motores cohete y las hélices de los motores deémbolo, desarrollan empuje de la misma manera, y se ha dicho que esto se debe a la aplicación delas leyes de movimiento de Isaac Newton. Dado que casi todo el mundo tiene dificultad al principiopara comprender de donde viene el empuje de un motor de reacción y algunos inclusoerróneamente creen que el empuje se produce por los gases de escape del motor que empujancontra el aire exterior, este tema será explicado con cierta amplitud. El primer paso es comprenderlas leyes de Newton.PRIMERA LEY DE NEWTONUn cuerpo en reposo permanecerá en este estado a menos que sea modificado por una fuerzaexterior.Ejemplo: Una bola colocada en una mesa nivelada, permanecerá estática hasta que se le hagamover por una fuerza tal como una ráfaga de viento o un empujón por la mano de una persona.Una segunda parte de la primera ley de Newton dice que un cuerpo en movimiento continuarámoviéndose en línea recta a una velocidad uniforme hasta que sea alterada por una fuerzaexterior. Al funcionamiento del motor de reacción no le concierne esta parte de la ley.
  • SEGUNDA LEY DE NEWTONUn cambio en el movimiento es proporcional a la fuerza aplicada. Esto se puede decir de otraforma: Una fuerza proporcional a la relación de cambio de la velocidad se produce cuando quieraque un cuerpo o masa se acelera.Ejemplo: Cuando una persona golpea un clavo con un martillo, la fuerza con la que el martillogolpea al clavo es proporcional a la masa (la cual es proporcional al peso) del martillo, multiplicadapor la cantidad con que la persona acelera la cabeza del martillo, desde cero a la velocidad final.Sería difícil, por ejemplo, clavar una gran escarpia con un martillo para tachuelas, ya que la cabezadel martillo tiene muy poca masa. Similarmente, incluso con un gran martillo, sería una tarea largay fastidiosa clavar una escarpia solamente con ligeros golpes porque la aceleración aplicada a lacabeza del martillo es demasiado pequeña.La Segunda ley de Newton se encarga de cuantificar el concepto de fuerza. Nos dice que la fuerzaneta aplicada sobre un cuerpo es proporcional a la aceleración que adquiere dicho cuerpo. Laconstante de proporcionalidad es la masa del cuerpo, de manera que podemos expresar la relaciónde la siguiente manera:
  • Segunda Ley de Newtonmasafuerzanaceleraciódonde====MFaMFa“Un desequilibrio de fuerza sobre un cuerpo tiende a producir una aceleración en ladirección de la fuerza, esta aceleración es directamente proporcional a la fuerza einversamente proporcional a la masa del cuerpo”.Tanto la fuerza como la aceleración son magnitudes vectoriales, es decir, tienen,además de un valor, una dirección y un sentido. De esta manera, la Segunda ley deNewton debe expresarse como:
  • F = M a1 N = 1 Kg · 1 m/s2La unidad de fuerza en el Sistema Internacional es el Newton y se representapor N. Un Newton es la fuerza que hay que ejercer sobre un cuerpo de unkilogramo de masa para que adquiera una aceleración de 1 m/s2.
  • cantidad de movimientoF = M · vLa expresión de la Segunda ley de Newtonque hemos dado es válida para cuerpos cuyamasa sea constante. Si la masa varia, comopor ejemplo un cohete que va quemandocombustible, no es válida la relación F = m · a.Vamos a generalizar la Segunda ley deNewton para que incluya el caso de sistemasen los que pueda variar la masa.Para ello primero vamos a definir unamagnitud física nueva. Esta magnitud física esla cantidad de movimiento y que se definecomo el producto de la masa de un cuerpo porsu velocidad.
  • MasagWM =DEFINICIÓN DE MASAMerece la pena detenerse aquí para comprender lo que el término masa (M)significa. la masa es una propiedad básica de la materia, siendo la cantidad dematerial en cualquier cuerpo u objeto. Se le llama peso (W) cuando el cuerpoestá sometido a un campo de gravedad (g), donde no exista un campo degravedad apreciable, permanecerán todavía las características de masa. Esdecir, que requerirá todavía la misma fuerza para acelerarlo o desacelerarlo, ynecesitará la misma cantidad de calor para elevar su temperatura un númerodeterminado de grados. Ya que en el caso de los motores de reacción,estamos trabajando con masa en el campo gravitatorio de la Tierra,
  • Tercera Ley de NewtonTERCERA LEY DE NEWTONPara cada acción, hay siempre una reacción igual y contraria.Esto es algo que podemos comprobar a diario en numerosas ocasiones. Por ejemplo, cuandoqueremos dar un salto hacia arriba, empujamos el suelo para impulsarnos. La reacción del sueloes la que nos hace saltar hacia arriba.Hay que destacar que, aunque los pares de acción y reacción tenga el mismo valor y sentidoscontrarios, no se anulan entre si, puesto que actúan sobre cuerpos distintos.
  • La propulsión a chorro es una aplicación práctica de la Tercera Ley de Movimiento deIsaac Newton, la cual establece que para cada fuerza que se aplica a un cuerpo existeuna reacción igual y de sentido contrario.En la propulsión de aviones, el “cuerpo” es el aire atmosférico que es acelerado amedida que pasa a través del motor. La fuerza requerida para producir esa aceleracióntiene un efecto igual en la dirección opuesta que actúa sobre el avión haciendo que estese desplace hacia delante.Un motor de reacción produce empuje de una manera similar a la combinaciónmotor/hélice. Ambos propulsan al avión empujando un gran peso de aire hacia atrás , lahélice lo hace desplazando una gran masa de aire a una relativamente baja velocidad yel reactor aplicando a una más pequeña, relativamente, masa de aire una altavelocidad.
  • PesoEl peso es la fuerza de atracción gravitatoria que ejerce la Tierra sobre loscuerpos que hay sobre ella. En la mayoría de los casos se puede suponer quetiene un valor constante e igual al producto de la masa, m, del cuerpo por laaceleración de la gravedad, g, cuyo valor es 9.8 m/s2 [32’2 ft/s2] y está dirigidasiempre hacia el suelo.En la imagen aparecen dos ejemplos que muestran hacia donde está dirigido elpeso en diferentes situaciones: un cuerpo apoyado sobre el suelo y un cuerpoque se mueve por un plano inclinado. El peso siempre está dirigido hacia elsuelo.
  • TrabajoFdW == distanciaxfuerzaTrabajoEn mecánica, el trabajo efectuado por una fuerza en determinada dirección,se define como el producto de la fuerza por el vector que denota esa dirección.El concepto de trabajo está ligado muy íntimamente al de energía, y ambasmagnitudes se miden en la misma unidad: el julio. Esta ligazón puede verse enel hecho de que, del mismo modo que existen distintas definiciones de energía(para la mecánica, la termodinámica), también existen definiciones distintas detrabajo, aplicables cada una a cada rama de la física. El trabajo es unamagnitud de gran importancia para establecer nexos entre las distintas ramasde la física.Tanto el trabajo como la energía son conceptos que empezaron a utilizarse enfísica cuando se abordó el estudio de movimientos en los cuales, la fuerza queexperimentan los cuerpos depende, por ejemplo, de la posición.
  • EJEMPLO¿Cuánto trabajo está realizando un motor de reacción que está ejerciendo unafuerza de 1000 lb [44.480 N] en desplazar un avión 10 ft [3 m]?m]N[13.560ftlb000.10101000⋅⋅=×==WFdTrabajo
  • PotenciatFdP =×=tiempodistanciafuerzaPotenciavFP ⋅=En las aplicaciones prácticas, especialmente las de ingeniería ymecanismos, es importante conocer la rapidez del trabajo efectuado.Esto es, se define la potencia como el trabajo efectuado por unidad detiempo, y así la potencia puede definirse también por el producto de lafuerza por la velocidad. La potencia P es la transferencia de energíapor unidad de tiempo.En el sistema CGS la unidad de potencia es un erg. por segundo. Enel sistema MKS la unidad es un joule por segundo, o watt.
  • Como se verá mas adelante, cuando se desarrolla la formula para convertir elempuje en potencia, la potencia puede expresarse en cualquiera de lasdistintas formas, dependiendo de las unidades usadas para la fuerza, ladistancia, y el tiempo. La potencia con frecuencia se expresa en caballos depotencia (horsepower). Un horsepower es igual a 33.000 lb.ft/min [4.554kg.m/min] ó 550 lb. ft/s [69 kg.m/s]. Dicho de otra forma, un motor eléctrico de1 hp puede levantar 33.000 lb a una altura de un pie en un minuto o bien 550lb a una altura de un pie en un segundo.James Watt mejoró mucho la máquina de vapor y definió una unidad paramedir su potencia: El caballo de vapor. En aquella época, en las minas seutilizaban caballos para extraer materiales. Watt midió el trabajo que realizabaun caballo típico durante un período grande de tiempo y luego calibró susmáquinas de acuerdo con ello. Así, pudo decir a su clientela que una máquinade un caballo de vapor reemplazaría a un caballo.Equivalencia: 1 HP = 746 W (Watt) = 1.014 C.V. (caballo de vapor, sistemamétrico). El caballo de vapor es igual a 736 W.
  • Potencia( )000.33(min)/33.000ft /minlbpotenciahptFd=⋅=ft/hlb1.980.000sft /lb550minft /lb33.000hp1⋅=⋅=⋅=550)(/550ft/s)bpotencia(lhpstFdó=⋅=
  • EJEMPLO¿Cuántos caballos de potencia (horsepower) se requieren para levantar unpeso de 5.000 lb [2.250 kg] a una altura de 10 ft [3 m] en 2 min.?min]/mkg[3.457minft /lb000.25210000.5⋅⋅=×==tFdP43ó750000.33000.25000.33hp===P
  • VELOCIDADSpeed & Velocitytiempodistancia(speed)Velocidad =VelocityVelocity se puede definir como la velocidad (speed) en una dirección dada. Elsímbolo V se usa para representar a la velocidad.La velocidad (speed) de un cuerpo en movimiento se define como la distanciarecorrida en la unidad de tiempo.La velocidad (speed) normalmente se expresa en millas por hora o pies porsegundo [kilómetros por hora o metros por segundo].
  • Velocity es un vector cantidad, al serun vector, tiene magnitud y dirección.La magnitud del vector velocidad essencillamente la velocidad (speed) delobjeto; la dirección del vector velocidades en la cual el objeto se mueve.
  • AceleracióntV-VtiempoinicialdvelocidamenosfinalvelocidadtiempodeunidadmovimientodelvariaciónnAceleració12===La aceleración se define como la razón entre el cambio de velocidad y el intervaloen el cual ésta ocurre.La aceleración es una magnitud vectorial, es decir, tiene un módulo y unadirección. El módulo define el "tamaño" que tiene la aceleración, mientras que ladirección define hacia donde apunta esa aceleración.Un cuerpo acelera cuando aumenta su velocidad; frena, cuando disminuye suvelocidad. La aceleración es el aumento o la disminución de la velocidad.Si un cuerpo tiene una aceleración de 1m/s2 quiere decir que en cada segundo suvelocidad aumenta 1m/sSi un cuerpo tiene una aceleración de -1m/s2 quiere decir que en cada segundosu velocidad disminuye 1m/s.
  • El estatorreactor es un conducto aerotermodinámico (athodyd) que no tiene piezas principales enrotación y consiste en un conducto con entrada divergente y salida convergente-divergente.Cuando se le imparte movimiento hacia delante por medio de una fuente exterior, el aire es forzadoen la admisión donde pierde velocidad o energía cinética y aumenta su energía de presión amedida que pasa a través del conducto divergente. Luego la energía total aumenta por medio de lacombustión del combustible, y los gases en expansión se aceleran hacia la atmósfera a través delconducto de salida. Con frecuencia un estatorreactor es el grupo propulsor de misiles, pero esinadecuado para propulsar aviones dado que requiere que se le imparta movimiento hacia delanteantes de que produzca algún tipo de empuje.
  • El pulso reactor usa el principio de combustión intermitente, y a diferencia delestatorreactor puede funcionar en condiciones estáticas. El motor está formadopor un conducto aerodinámico similar al estatorreactor, pero debido a las altaspresiones involucradas, es de una construcción más robusta. El conducto deentrada tiene una serie de válvulas de admisión que están cargadas conmuelle en la posición de abiertas. El aire arrastrado a través de las válvulaspasa dentro de la cámara de combustión y es calentado al prenderse elcombustible inyectado en la cámara. La expansión resultante origina unaelevación en la presión forzando a las válvulas a cerrarse, y entonces laexpansión de los gases es expulsada hacia atrás. La depresión creada por losgases de escape permite que las válvulas se abran y el ciclo se repite.
  • Aunque un cohete es un motor de reacción,tiene la gran diferencia de que no usa el aireatmosférico como fluido de la corrientepropulsiva. En su lugar, produce su propiofluido propulsor por la combustión con eloxigeno de un combustible líquido oquímicamente descompuesto, los cuales llevael propio cohete, permitiéndole así operarfuera de la atmósfera terrestre. Por lo tanto,es adecuado para cortos períodos defuncionamiento.
  • La aplicación de la turbina de gas a la propulsión a chorro a superado la carenciainherente de los cohetes y los conductos aerotermodinámicos. Con la incorporación deun compresor arrastrado por una turbina se proporciona un medio de producción deempuje a bajas velocidades. El motor turborreactor funciona en un ciclo operativo similaral del motor de cuatro tiempos. Toma el aire de la atmósfera y tras comprimirlo ycalentarlo, proceso que ocurre en todos los motores térmicos, la energía e inerciaaportada al aire lo fuerza al exterior a través de la tobera propulsora a una velocidad dehasta 2000 pies por segundo o aproximadamente 1.400 millas por hora.En su camino a través del motor, el aire cede parte de su energía e inercia paraarrastrar a la turbina que mueve al compresor.
  • Ciclo de BraytonUn motor de turbina de gas libera la energía del combustible en un ciclotermodinámico llamado el ciclo de Brayton. Los mismos pasos .admisión,compresión, expansión, potencia, y escape .que tienen lugar en el ciclo devolumen constante de Otto usado para los motores alternativos, ocurren en unmotor de turbina de gas. La diferencia básica entre los dos ciclos es que en unmotor de ciclo de Otto, los pasos ocurren en el mismo sitio, en el cilindro delmotor, pero en diferentes tiempos. En el ciclo de Brayton, los pasos tienenlugar al mismo tiempo pero en distintos puntos dentro del motor.
  • 1. El aire entra en el conducto de entrada y fluye hacia la entrada delcompresor, punto A, a presión ambiente.2. El aire pasa a través del compresor, que eleva su presión y disminuye suvolumen al representado por el punto B.3. Luego, el aire pasa dentro de la cámara de combustión donde elcombustible se inyecta en él y se quema. La presión entre los puntos B y Cpermanece relativamente constante a medida que se añade energía calorífica,pero el volumen y la temperatura aumentan.4. Los gases calientes dejan la cámara de combustión y pasan a través de laturbina donde se le extrae energía y la presión cae a casi el ambiente en elpunto D.Las presiones entre los puntos A y D son casi las mismas, pero en D elvolumen y así la velocidad son mucho mayores. El aire se ha expandido a unapresión relativamente constante.
  • La disposición mecánica del motor de turbina de gas es simple, pues consiste solo en dos piezasprincipales en rotación, que son el compresor y la turbina, entre estos está la cámara decombustión. No obstante, esta simplicidad no es aplicable a todos los aspectos del motor, pues losproblemas aerodinámicos y termodinámicos son complejos. Resultantes estos de las altastemperaturas operativas de la cámara de combustión y la turbina, los efectos de variaciones deflujos a través de los alabes del compresor y turbina, y el diseño del sistema de escape, a travésdel cual los gases son expulsados para formar el chorro propulsor.Existen distintos tipos de motores de turbina de gas, pero todos los diseños conservan ladisposición mecánica básica.
  • El motor de turbina de gas más simple para un avión es un turborreactor. Uncontenedor en forma de bote el cual está abierto en ambos extremos esllamado carter del motor y encierra las partes internas. El carter estáconstruido en varias secciones para facilitar el montaje y desmontaje delmotor. Enormes cantidades de aire entran en el carter a través del orificiofrontal. Después de que el aire está altamente calentado y acelerado alhaberse quemado con el combustible, el aire que queda después del procesode combustión y los gases producidos por la combustión son expulsados através del orificio posterior. Un compresor rotativo está situado en la seccióndelantera del carter del motor. El compresor está seguido por una cámara decombustión, sección quemadora o del combustor. A continuación viene unconjunto de turbinas de arrastre que desarrollan la potencia necesaria parahacer funcionar al compresor. Finalmente, está la tobera o conducto de salida.La abertura al aire exterior en la parte posterior de la tobera o conducto desalida, se le llama tobera de chorro.
  • El compresor eleva la presión del aire que entra antes de pasar a la cámara decombustión. El combustible es pulverizado a través de inyectores en la partefrontal de la cámara. La mezcla resultante de combustible y aire es encendidapara producir gases calientes de expansión que se precipitan hacia la secciónde turbina, haciendo girar los rotores de esta. Cuando dejan la sección deturbina, los gases son expulsados al aire exterior a través del conducto deescape. La potencia que los rotores de turbina extraen de los gases esutilizada para arrastrar al compresor. Como los rotores de turbina y elcompresor están ambos montados sobre el mismo eje, estos funcionan comouna unidad. Así, se puede decir que un motor turborreactor de compresorsimple tiene solamente una parte principal en movimiento. Los otros miembrosde la familia del motor de turbina de gas, tales como los motores de doblecompresor, los turbofanes, los turbohélices y los turboejes, son versionesdiferentes o desarrollos del turborreactor básico de compresor simple.
  • Los turborreactores y turbofanes de elevada actuación requieren mayores ymás altas relaciones de rendimiento y compresión que las que puedanobtenerse solamente con un compresor de flujo axial. Los compresores de flujoaxial tienen además la ventaja de permitir que el motor tenga un área frontalpequeña, puede usarse, bien con un solo compresor o con compresor doble.Este último tipo, resulta ser un compresor de muy altos rendimientos, y altarelación de compresión y empuje.En los motores de doble compresor, uno o más escalones de turbina arrastranal compresor de baja presión, mientras que una turbina independiente con unoo dos escalones arrastra al compresor de alta presión.Los sistemas de dos rotores funcionan independientemente uno de otroexcepto para el flujo de aire.El conjunto de turbina para el compresor de baja presión es la unidad deturbina posterior. Este conjunto de turbinas está conectado al compresordelantero de baja presión por un eje que pasa a través del orificio central deleje de arrastre del compresor y turbina de alta presión.
  • Debido a que el rendimiento de un turborreactor se mantiene a gran altura yvelocidad, los motores de este tipo son adecuados para los aviones de vueloalto y velocidad elevada que funcionan por encima de una gama suficientepara que la subida a la altitud de mejor funcionamiento sea eficaz. Pero tanbuenos como son a sus altitudes óptimas, el empuje elevado a baja velocidadno es una característica del turborreactor. Para estar en sus mejorescondiciones, los turborreactores necesitan la presión de impacto (aire "ram") ala entrada del conducto de admisión que solamente se consigue con unavelocidad considerable. por lo tanto, los aviones con turborreactor necesitanpistas largas para el despegue.
  • Cuando los gases de escape en la sección básica de un turborreactor( frecuentemente llamado generador de gas ) se utilizan para girar unaturbina que arrastra una hélice por medio de un sistema de engranajesreductor de velocidad, el motor se convierte en un turbohélice.
  • TURBOHÉLICE DE ARRASTRE DIRECTOEn algunos turbohélices se incorpora en el conjunto de turbina que gira alcompresor una etapa extra de turbina. La potencia adicional producida arrastralos engranajes de reducción de la hélice directamente desde el eje de arrastredel compresor; los motores de este tipo se denominan como turbohélices dearrastre directo
  • TURBOHÉLICE CON TURBINA LIBREEn los turbohélices más modernos se monta una turbina libre. Esta turbina esindependiente de las turbinas de arrastre del compresor y es libre para girarpor si misma en la corriente de gases de escape del motor
  • Igualmente existen turbohélices con compresor centrífugo cuyas etapas tienen unarelación de compresión mayor que las etapas o escalones de compresor axial. Enalgunos motores, la turbina gira dos compresores centrífugos de una sola cara activa.Esta configuración se usa en una conocida serie de motores turbohélices como elmostrado en la figura. Uno de los principales problemas con este tipo de motor es lapérdida de presión experimentada por el aire que fluye entre las etapas.
  • motor Dart 7 de RR que propulsa entre otros aviones al Fokker 27.
  • También existen turbohélices cuyo engranaje reductor está diseñado con elreductor descentrado del eje principal del motor.
  • PT6Otra configuración del turbohélice de turbina libre tiene una más bieninconvencional dirección del flujo de gas y aire desde atrás hacia adelante. Elcompresor es una combinación de los diseños centrífugo y axial. Un ejemploexcelente de tal motor es el PT6 fabricado por United Aircraft of CanadaLimited.
  • Aunque el turbohélice para avión es más complicado y pesado que unturborreactor de equivalente tamaño y potencia, el turbohélice entregará másempuje a bajas velocidades subsónicas. Sin embargo, la ventaja disminuye amedida que la velocidad del vuelo aumenta.La espectacular actuación de un turbohélice durante el despegue y subida esel resultado de la capacidad de la hélice para acelerar una gran masa de airemientras que el avión se está moviendo a una velocidad relativamente baja entierra y vuelo.
  • El PT6 es un motor de poco peso de turbina libre que desarrolla de 600 a1.000 caballos de potencia al eje dependiendo del modelo. Este motor tienedos turbinas independientes de giro opuesto. Una turbina arrastra al compresormientras la otra arrastra a la hélice por medio de una caja de engranajes dereducción. El compresor en el motor básico consta de tres escalones de flujoaxial combinado con una sola etapa de compresor centrífugo. Los escalonesaxiales y centrífugo están unidos por el mismo eje, y funcionan como una solaunidad. El aire entra en el motor por una cámara impelente circular cerca de laparte posterior del motor, y fluye hacia adelante a través de las sucesivasetapas del compresor. El flujo se dirige hacia afuera por el escalón decompresor centrífugo a través de difusores radiales antes de entrar en lacámara de combustión, donde la dirección del flujo es verdaderamenteinvertida. Los gases por la combustión son una vez más invertidos paraexpansionarse hacia adelante a través de cada escalón de turbina. Despuésde dejar la turbina, los gases se recogen en una cámara de escape periféricade sección decreciente, y luego se descargan a la atmósfera a través de doslumbreras de escape cerca de la pare frontal del motor.
  • PT6
  • Si el eje de un motor de varias turbinas se utiliza para arrastrar alguna otracosa aparte de la hélice del avión, Tal como el rotor de un helicóptero, elmotor se llama turboeje u ocasionalmente motor eje-turbina. Los motoresturboejes con un sistema de engranajes de reducción se utilizan confrecuencia para propulsar lanchas, barcos, trenes y automóviles. A menudose emplean para bombear gas natural por gasoductos que cruzan el país ypara arrastrar distintos tipos de equipos industriales tales comocompresores de aire y grandes generadores eléctricos.
  • La gran diferencia entre un turborreactor y un motor turboeje es que en unmotor turboeje, la mayor parte de la energía producida por los gases enexpansión se usa para arrastrar la turbina mas que para producir empuje.
  • Muchos helicópteros usan un tipo de turboeje de motor de turbina de gas.Además, los motores turboejes se usan ampliamente como unidades depotencia auxiliar (APU).
  • La potencia de salida de un motor turbohélice o turboeje se mide en caballos depotencia al eje (shaft horsepower).Los motores turboejes son similares a los motores turbohélices, y en algunos casos,ambos usan el mismo diseño. La potencia puede tomarse directamente de la turbina delmotor, o el eje puede arrastrarse por su propia turbina libre, como la turbina libre en losmotores turbohélices.
  • En los motores by-pass solo parte del aire va a través del núcleo motor;el resto pasa rodeando las cámaras de combustión y turbinas, paraunirse al resto de la corriente en la parte posterior. Esto hace que elmotor sea más silencioso y mas rentable.
  • Pratt & Whitney JT3DLa primera generación de diseños del turbofan, tal como la serie de motor Pratt& Whitney JT3D, tenía una relación de paso de aproximadamente 1:1; es decir,alrededor del 50 por ciento del aire iba a través del núcleo motor como flujo deaire primario, y aproximadamente el 50 por ciento iba a través del fan comoflujo de aire secundario.
  • Moviéndonos en el espectro de las velocidades de vuelo a regímenes transónicos denúmeros de Mach de 0.75 a 0.9, las configuraciones de motor mas comunes son losmotores turbofanes.
  • El núcleo motor o generador de gas actúa como un turborreactor mientras que la granmasa de aire derivado es acelerado a lo largo del conducto de una forma relativamentelenta para proporcionar el empuje de la “corriente de aire frió” (cold stream). Lascorrientes de aire frío y caliente se mezclan para dar un mejor rendimiento propulsivo,niveles de ruidos más bajos, y un consumo de combustible mejorado.
  • La segunda generación de turbofanes como el General Electric CF6, el Pratt & WhitneyJT9D, y el Rolls- Royce RB211 tienen relaciones de paso del orden de 5:1 o 6:1. Deesta forma el fan proporciona un mayor porcentaje del empuje total producido por elmotor.
  • El RR RB211 es un motor de alta relación de paso (5:1), tres ejes (tres conjuntocompresor turbina) similar en concepto al Rolls Royce Trent. El motor de una sola etapade fan delantero tiene un flujo de aire de 1096 lb/s [497 kg/s] y una relación de presiónde 1’6 : 1
  • El RR Trent 800 proporciona entre 75.000 lbs y 95.000 lbs de empuje aldespegue para propulsar al B777-200, 777-200ER y 777-300. El Trent 800 esel grupo motopropulsor mas ligero de su clase, con la mas alta relaciónpeso/empuje para el B777-300.Las emisiones de niveles de ruidos está bastante por debajo de lasregulaciones actuales y previsibles.
  • El UDF (Unducted Fan) tiene una relación de paso de 35 : 1, produce 25.000lbs de empuje y tiene un consumo específico de combustible del 25 % masbajo que los modernos motores turbofanes de gran relación de paso. Estemotor tendrá un propfan con un diámetro de 11’7 ft con una velocidad de puntade pala de 750-800 ft/s. Las palas están hechas de dos mitades de materialcompuesto de fibra de carbón y fibra de vidrio con un borde de ataque deniquel y un larguero de titanio. Un control digital de autoridad total (FADEC)ajustará las rpm y ángulo de paso de la hélice para responder a las demandasde potencia del piloto. Dos turbinas contrarrotatorias de baja presión acopladasdirectamente a las palas del propfan, están arrastradas por los gases calientesproducidos por el núcleo motor.
  • General Electric GE90El GE90 es el motor que General Electric ofrece para propulsar al avión Boeing777. tiene cuatro etapas de fan (con alabes hechos de composite), y diezetapas de compresor arrastradas por dos turbinas de alta presión y seisturbinas de baja presión respectivamente.
  • General Electric GE90Sus 86.000libras deempuje y su0’278 lb/hr/lb Fnde consumoespecífico decombustiblerepresentanuno de los masaltos empujes yuno de los masbajosconsumosespecíficos decombustible,debido en partea su ultra altarelación depaso de 8’4:1.
  • General Electric GE90La relación depresión a travésdel núcleocompresor esde 23:1, conuna relación depresión total delmotor de 39:1.
  • General Electric GE90Tiene un diámetro de 158 pulgadas con una longitud de 200 pulgadas. Los participantes en el diseño yfabricación de este motor son SNECMA de Francia, FiatAvio de Italia e Ishikawajima-Harima Heavy Industry (IHI)de Japón.Esta imagen muestra un motor GE90 en un primer vuelo de prueba. El Boeing 747 lleva un GE90 bajo su alaizquierda. Observese lo grande que es el motor en comparación con los motores GE CF6-80 del 747.
  • A velocidades de avión por debajo aproximadamente de las 450 millas porhora, el motor reactor puro es menos rentable que un motor de hélice, puestoque su rendimiento propulsivo depende mayormente de su velocidad deavance; el motor turborreactor puro es, por lo tanto, el más adecuado paraaltas velocidades de avance.Sin embargo, el rendimiento de la hélice disminuye rápidamente por encima delas 350 millas por hora debido a la distorsión del flujo de aire originada por lasaltas velocidades de la punta de las palas.Estas características han conducido a cierta novedad con el uso de lapropulsión con turborreactor puro donde el avión opera a velocidades mediaspor la introducción de una combinación de hélice y motor de turbina de gas.
  • Las ventajas de la combinación hélice turbina se han compensado hasta cierto puntocon la introducción de los motores by-pass, ducted fan, y propfan. Estos motoresmanejan flujos de aire mayores y velocidades del chorro mas bajas que el reactor purocomparativamente. Dando así un rendimiento propulsivo que es comparable al delturbohélice y que excede al del reactor puro.
  • El turbo/estatorreactor combina al motor turborreactor (que se usa paravelocidades hasta Mach 3) con el motor estatorreactor, el cual tiene buenasprestaciones a altos números de Mach.El motor está rodeado por un conducto que tiene en la parte frontal unaadmisión variable, y en la parte posterior un tubo de descarga posquemadorcon tobera variable. Durante el despegue y la aceleración, el motor funcionacomo un turborreactor convencional con el posquemador encendido; en otrascondiciones del vuelo, hasta Mach 3, el posquemador está desconectado. Amedida que el avión acelera a través de Mach 3, el turborreactor se para y elaire de admisión es desviado del compresor, por alabes guías, y conducidodirectamente dentro del tubo de escape posquemador, que se convierte en lacámara de combustión de un estatorreactor.El turbo/estatorreactor es adecuado para un avión que requiera alta velocidady condiciones de crucero de alto número de Mach sostenido donde el motoropera en el modo estatorreactor.
  • El motor turbo-cohete podría considerarse como un alternativo para el turbo/estatorreactor; sinembargo, tiene una gran diferencia, y es que lleva su propio oxigeno para proporcionar lacombustión.El motor tiene un compresor de baja presión arrastrado por una turbina de múltiples etapas; laenergía para arrastrar a la turbina se extrae de la combustión de keroseno y oxigeno líquido en unacámara de combustión tipo cohete. Puesto que la temperatura del gas estará en el orden de los3.500 º C, se pulveriza combustible adicional en la cámara de combustión con propósitos derefrigeración antes de que el gas entre en la turbina. Esta mezcla de gas rica en combustible, luegoes diluida con aire procedente del compresor, y el combustible en exceso es quemado en unsistema posquemador convencional.Aunque el motor turbo-cohete es más pequeño y ligero de peso que el turbo/estatorreactor, tieneun consumo de combustible mayor. Esto tiende a hacerle más adecuado para un tipo de avióninterceptador o catapulta espacial que requiere gran velocidad, grandes prestaciones en altura ycon un plan de vuelo que es completamente en aceleración y de corta duración.
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