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G. Paniagua, P. PiquerasDepartamento de Máquinas y Motores Térmicos

UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE VALENCIA

Historia y clasificación de

motores a reacción

Motores a reacción y turbinas de gas

4º Curso Ingenería Aeronáutica

TEMA 1

Índice

Historia:

Desarrollos previos

Los inventores del motor a reacción

Clasificación general de aerorreactores

Historia. Desarrollos previos

La propulsión a reacción es una aplicación práctica de la 3ª Ley del

Movimiento de Newton: Principio de Acción-Reacción (1687)

Primeras aplicaciones de este principio en torno al año 120 a.C.

Heron de Alejandría aplica el principio de acción y reacción a la

Esfera de Eolo (eolípila).

Ya en torno al año 1000, los chinos descubren

la pólvora. Las evidencias de su uso en

pequeños cohetes datan del año 1232.

3 Motores a reacción y turbinas de gas

Aportaciones de Leonardo da Vinci

35000 páginas y 500 esquemas respecto al vuelo entre 1486 y 1490

En torno al año 1500, introduce la chimney jack, máquina de reacción.

En el año 1629, Branca desarrolla la primera turbina de impulso

1687, Newton aporta la idea del carruaje de vapor...no se movió. Lo

desarrolló Jacob Gravesand.

En 1791, Barber desarrolla la primera turbina

de gas según el ciclo Brayton (primera

patente)

Compresor alternativo

Cámara de combustión

Turbina

1891 a 1896, Otto Lilienthal, desarrolla con éxito los primeros

planeadores, siendo capaz de realizar más de 2500 vuelos. Falleció

en un accidente durante unas pruebas.

Samuel Langley logro el primer vuelo sostenido con un elemento

más pesado que el aire, propulsado y no tripulado en 1896. Dos

intentos de vuelos tripulados fracasaron.7 Motores a reacción y turbinas de gas

Wilbur y Orville Wright consiguieron realizar, el 17 de diciembre de

1903, el primer vuelo controlado, sostenido, propulsado, tripulado y

con un elemento más pesado que el aire de la historia.

Pero no fue fácil, en 1900 y 1901 habían construido el Glider I y

Glider II, obteniendo peores resultados que Lilienthal...

Deciden construir su propio túnel de viento, donde ensayan

diferentes tipos de ala, hélices, etc...

El resultado fue el Glider III, mucho más

eficiente aerodinámicamente.

Posteriormente, desarrollan su propio motor de combustión interna

alternativo, de gasolina y lo suficientemente ligero, dada la

inexistencia de modelos comerciales

que se ajustaran a sus necesidades...

Resolvieron también problemas de control de vuelo: alabeo

...y el 17 de Diciembre de 1903, tiene lugar el primer vuelo con el

Flyer I

Nicolas Florine, Bruselas 1922 (http://www.youtube.com/watch?v=DsXgmOurwts)

Historia. Inicios de la propulsión a reacción.

Por cada fuerza actuando sobre un cuerpo, existe otra de la misma

magnitud actuando en la misma dirección y sentido contrario.

Se produce la aceleración del aire en su paso a través del motor.

La fuerza requerida para producir esta aceleración tiene un efecto de

la misma magnitud y sentido contrario que actúa sobre el motor,

dando lugar al movimiento del mismo.

La propulsión a reacción es, en definitiva, un fenómeno interno.

Historia. Inicios de la propulsión a reacción.

Año 1913, René Lorin

Diseña y describe el principio de funcionamiento de un estatorreactor

(athodyd, ramjet).

No era factible fabricarlo en la época: ausencia de materias resistentes

a las altas temperaturas.

Ineficiente a las velocidades de vuelo de la época, pero los ramjet

actuales son muy similares a la concepción de Lorin.

Historia. Los inventores del motor a reacción.

Se reconoce como coinventores

a Sir Frank Whittle, a quien pertenece la primera patente (1930-1932).

y a Dr. Hans von Ohain, que desarrollo el primer turbojet en realizar un

vuelo (1939).

von OhainWhittle

Historia. Los inventores del motor a reacción.

En el caso de Whittle, pasaron once años, hasta que su diseño

realizo el primer vuelo en 1941 en el Gloster E28/29.

Clasificación de aerorreactores

Clasificación de aerorreactores. Motores cohete El sistema de propulsión tiene como función combinar el uso

de energía con materia para generar una corriente de

partículas de alta velocidad.

Clasificación de aerorreactores. Motores cohete

Esquema general

Propelentelíquido

Propelentehíbrido

Propelentesólido

Nuclear

Arcoeléctrico

Electromagnético

Electroestático

Clasificación de aerorreactores. RAMJET Athodyd (ariete de retropropulsión, conducto aerotermodinámico)

Ausencia de partes móviles

Elementos principales: difusor, cámara de combustión, tobera

Clasificación de aerorreactores. RAMJET

Ventajas: Bajo peso

Elevado ratio empuje-peso (~30)

Ausencia de partes móviles

Tolerancia a muy elevadas

temperaturas

Elevada eficiencia

Velocidades de hasta Mach 6

Desventajas: No produce empuje en

condiciones estáticas

Ineficiente en vuelos subsónicos

Necesidad de frenar el aire

hasta régimen subsónico en la

cámara de combustión

Problemas de combustión M6

Ruidoso

Clasificación de aerorreactores. SCRAMJET Sencillo mecánicamente – Complejo aerodinámicamente

Combustión en régimen supersónico (hidrógeno)

Proyecciones de velocidad de vuelo: Mach 12 ~ 24 (orbital)

Eficiente a partir de Mach 5, probablemente Mach 7

Bajo ratio empuje – peso (~2:1) (Cohete ~100:1)

Clasificación de aerorreactores. PULSEJET Motor de combustión interna

Combustión intermitente

Elementos principales: admisión, cámara de combustión, tobera

Etapas de funcionamiento:

Admisión (one-way valve /

valveless)

Combustión (↑P ↑T)Cierre de válvulas para evitar

reflujos

Expansión de los gases de

escape y apertura de las

válvulas de admisión

Clasificación de aerorreactores. PULSEJET Valveless pulsejet: sin elementos móviles.

Válvula aerodinámica

Clasificación de aerorreactores. Pulsejet Motor de detonación pulsante (PDE)

Las diferencias se encuentran en el proceso de combustión.

Pulsejet: deflagración

Velocidad de combustión inferior a la velocidad del sonido

Discontinuidad de temperatura

Presión constante

PDE: detonación

Velocidad de combustión supersónica

Discontinuidad de presión

Muy elevada eficiencia de la combustión

Problemas:

Dificultad de control sobre la combustión

Muy ruidoso

Fatiga mecánica de los materiales

Clasificación de motores TG

Motores de turbinas de gas

Turbojet

Hélice conducida

por una turbina libre

Hélice conducida

por el eje del

compresor

Una hélice

Dos hélices

contrarrotantes

Turbohélice

(turboprop)

Turboeje

(turboshaft)Turbofan

Propfan

Turbopropfan

Advanced duct

fan engines

Nuclear

No nuclear

Sin post-

combustión

Con post-

combustión

Contrarrotante

No contrarrotante

Clasificación de motores TG. TURBOJET Término genérico para un motor basado en el ciclo turbina de gas

Eficiente a elevadas velocidades (a partir de Mach 2)

Componentes: admisión, compresor, cámara de combustión, turbina

y tobera propulsiva

Clasificación de motores TG. TURBOJET Número de ejes

Clasificación de motores TG. TURBOJET Compresor centrífugo o axial

Los primeros turbojet de Whittle

(W.1) y von Ohain (He S-1)

montaban compresores

centrífugos

Clasificación de motores TG. TURBOJET Con o sin post-combustión

Incrementa el empuje

Poco uso en aviación civil

(Concorde)

Clasificación de motores TG. TURBOJET Nuclear o no nuclear

Importantes estudios entre el final

de la década de los 40 e inicio

de los 50 (inicio de la Guerra Fría).

Clasificación de aerorreactores. TURBORAMJET Combinación del turbojet (hasta Mach 3) con el ramjet ( ↑↑ Mach)

Clasificación de aerorreactores. TURBOROCKET Transporta su propio oxígeno para llevar a cabo la combustión.

Un compresor de baja presión es conducido por una turbina multi-

etapa movida por la energía liberada en la cámara de combustión.

Quemadores de post-combustión: Mezcla rica de la turbina + O2atm

Elevado consumo (alta velocidad, elevada altitud, aceleración,…)

Clasificación de motores TG. TURBOHÉLICE Combina las mejores características de los turbojet con la posibilidad

de usar una hélice, como ocurría en los motores alternativos.

El diseño se optimiza para generar trabajo sobre un eje que mueve

una hélice (preservar velocidad subsónica en la punta de hélice)

Muy eficiente a velocidades subsónicas bajas (400-500 km/h)

Transmisión compleja: una caja de cambios controla la velocidad de

giro de la hélice.

Una única turbina mueve

el compresor y la hélice.

Clasificación de motores TG. TURBOHÉLICE Combina las mejores características de los turbojet con la posibilidad

de usar una hélice, como ocurría en los motores alternativos.

El diseño se optimiza para generar trabajo sobre un eje que mueve

una hélice.

Muy eficiente a velocidades subsónicas bajas (400-500 km/h)

Transmisión compleja: una caja de cambios controla la velocidad de

giro de la hélice.

Una turbina de alta mueve

el compresor y una turbina

de baja presión a la hélice.

Clasificación de motores TG. TURBOEJE Similares a los turbohélice, tienen su uso en helicópteros.

La principal diferencia aparece en el hecho de los turbohélices

producen un empuje residual que en el caso de los turboeje no

existe.

La caja de cambios es un elemento fundamental, forma parte del

vehículo.

Clasificación de motores TG. TURBOFAN Diseñados como un compromiso entre los turbohélice y los turbojet.

Se componen de una hélice interna (ducted propeller) por la que

pasan dos corrientes de aire:

La corriente primaria atraviesa todos los componentes del motor (core).

La corriente secundaria pasa a través del ventilador y

O bien se le hace pasar a través de una tobera fría

O bien se mezcla con la corriente primaria tras el paso de ésta por la

turbina, y pasan juntas a través de la tobera propulsiva.

Mejores prestaciones y consumo que los turbojet, disminuye la

contaminación acústica.

Mayor complejidad, álabes pesados, más expuesto a daños por

objetos externos o hielo.

Uso intensivo en aviación civil comercial (30000-40000 ft, M≈0.8).

Clasificación de motores TG. TURBOFAN Clasificación:

Fan delantero o trasero:

Elevado o bajo BPR:

• Elevados BPR para

vuelos comerciales de

largo recorrido.

(BPR ↑ 5:1)

• Bajos BPR en aplicaciones

militares.

Flujo mezclado:

Flujo no mezclado:

Clasificación de motores TG. PROPFAN También conocidos como unducted fan o ultra high BPR, ruidosos.

Busca combinar el bajo consumo del turbohélica y la velocidad del

turbofan.

Contra-rotantes: mejores prestaciones, pero caro, complejo y

pesado para determinadas aplicaciones

Rotante de palas fijas

Rotante

Rotante de palas fijas

Clasificación de motores TG. ADVANCED DUCTED FAN

Se trata de turbofans con palas de barrido de gran tamaño y

modificación de paso entre palas y cajas de cambio similares a las

de los turbohélice.

BPR entre 15:1 y 25:1 (mejora consumo, disminuye ruido)

Propfan concept

Clasificación de motores. Comparación

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