Motores de turbina
Teoría y construcción.
Principios de propulsión.
La explicación básica de la
propulsión en los aviones se puede realizar mediante la tercera ley de Newton,
la cual nos indica que: “Toda acción tiene una reacción, de igual magnitud,
pero en sentido opuesto”. Independientemente de si la planta motriz de un avión
consta de un motor recíproco y una hélice, un motor de turbina o si es un motor
cohete, la producción de empuje se realiza básicamente del mismo modo, que es
cambiando el momento de una masa de aire.
Existen dos formas de producir
empuje:
- Por acción aerodinámica: Se da cuando un motor gira una hélice, o sea, un perfil aerodinámico giratorio que produce un levantamiento en el plano horizontal de la aeronave, acelerando una gran cantidad de masa de aire a baja velocidad.
- Por propulsión jet: Se da cuando una masa de aire se calienta dentro de un motor, descargándola a gran velocidad a través de una tobera, acelerando una pequeña cantidad de masa de aire a gran velocidad.
Motores de propulsión jet.
Podemos encontrar dos tipos de
motores, que son:
- Non-Air-Breathing Engines: Son aquellos que no necesitan de la atmósfera para producir empuje, también conocidos como motores cohete, esta particularidad se debe a que llevan consigo un tanque de combustible y un tanque de oxígeno para producir la combustión.
- Air-Breathing Reaction Engines: Los podemos encontrar en la aviación comercial, privada y militar, y a diferencia del otro tipo, estos adquieren el oxígeno necesario del aire dentro de la atmósfera, existen con y sin turbomaquinaria, por lo cual podemos dividirlos en subtipos, los cuales son:
- Estatorreactores.
- Turborreactores.
Nota: La turbomaquinaria consta
de elementos giratorios como lo son el compresor y la turbina.
Estatorreactores.
Su característica principal, y
que los diferencia de los turborreactores, es que carecen de turbomaquinaria.
Existen 3 tipos de estatorreactores, los cuales son:
- Pulse-Jet: Fueron los primeros motores jet desarrollados, eran llamados así debido a que el empuje producido era mediante una serie de pulsos, ya que el combustible era pulverizado y encendido dentro de la cámara de combustión, posteriormente el aire calentado se expandía y cerraba una válvula shutter de un solo paso que se encontraba a la entrada del motor, prohibiendo así el paso del aire a través de este, y escapando por una tobera al final del motor, una vez que la presión disminuía, la válvula volvía a abrirse y el aire entraba de nuevo para hacer otro proceso de combustión.
- Ramjet: Es un tipo de motor que depende directamente de la velocidad con que el aire entra, así como de la formación de una barrera que expulse el aire caliente hacia una tobera en la parte trasera, y, debido a esto, el flujo del aire tiene que ser disminuido hasta una velocidad subsónica, para que el proceso de combustión de la mezcla aire-combustible se mantenga en un nivel adecuado, por lo cual se encontraron varias limitaciones en el aspecto militar.
- Scramjet: Conocido como Supersonic Combustion Ramjet, es una variación de los motores ramjet, tienen el mismo principio de funcionamiento, con la diferencia de que cuenta con una construcción que disminuye la velocidad del aire entrante hasta una velocidad subsónica, superando así las limitaciones de velocidad de un motor ramjet.
Turborreactores.
A diferencia de los
estatorreactores, los motores turborreactores implementan un sistema de
elementos giratorios que varían la energía cinética y potencial del aire durante
su recorrido por el motor, para producir empuje y además para transformar una
parte de esta energía en energía mecánica para mover dichas partes.
Existen 4 tipos de motores turborreactores,
cada uno con características especiales que los hace cumplir una función dentro
del inmenso mundo de la aeronáutica, pero todos comparten un mismo principio de
funcionamiento, y este se describe con los siguientes pasos:
- El aire ingresa por el inlet, o entrada del motor, lo que muchos conocen como labios.
- Dicho aire pasa al compresor, el cual, como su nombre lo indica, comprime el aire, aumentando la presión de este.
- El flujo de aire sigue su camino por un difusor, el cual distribuye el flujo de aire a la cámara o cámaras de combustión.
- En la cámara de combustión el aire es mezclado con combustible y a su vez dicha mezcla es encendida, calentándola y, por lo tanto, expandiéndola.
- Una vez que la mezcla aire-combustible es expulsada de la cámara de combustión, el flujo de aire caliente llega a la turbina y provoca que gire, dicha turbina está unida al compresor por un eje y provoca que este se mueva, aprovechando así la energía de los gases calientes para repetir el proceso.
- Después de pasar por la turbina, el flujo de aire pasa por una sección llamada tobera, la cual incrementa la velocidad del flujo de aire debido a su construcción.
Ahora, como dije anteriormente,
los turborreactores se dividen en 4 subtipos, los cuales son:
- Turboprop (Turbohélice): La característica principal de este motor es que parte de esa energía mecánica que se produce en la turbina, es utilizada para mover una hélice, ya sea mediante una serie de engranes reductores de velocidad situados entre el compresor y la hélice, o directamente entre la turbina y la hélice.
- Turboshaft (Turboeje): Este motor es usado en los helicópteros, debido a que su mayor eficiencia se da a las RPM constantes que requieren dichos aparatos, por lo tanto, utilizan varias secciones de turbina con el único propósito de hacer girar el rotor de un helicóptero, en lugar de producir empuje.
- Turbojet: Este tipo de motores fueron los primeros turborreactores desarrollados de la historia, y su principio de funcionamiento consta de los 6 pasos descritos anteriormente.
- Turbofan (Turboventilador): Por último, tenemos a una variante del turbojet y el turboprop, el principio de funcionamiento es el mismo que del turbojet, pero ahora se agrega un ventilador antes del compresor, lo cual agrega ventajas sobre este, las cuales constan de un incremento en la eficiencia de propulsión, una disminución del ruido y una disminución en el consumo de combustible.
