En los sistemas con turbina de gas se quema combustible en un turbogenerador, cediendo parte de su energía para producir energía mecánica.  Su rendimiento de conversión es inferior al de los motores alternativos, pero presentan la ventaja de que permiten una recuperación fácil del calor, que se encuentra concentrado en su práctica totalidad en sus gases de escape, que está a una temperatura de unos 500ºC, idónea para producir vapor en un generador de recuperación.

Se diferencian 2 tipos de ciclos: (1) simple, cuando el vapor se produce a la presión de utilización del usuario; y (2) combinado, cuando el vapor se produce a alta presión y temperatura para su expansión previa en una turbina de vapor.

Ciclo simple

Es la planta clásica de cogeneración y su aplicación es adecuada cuando los requisitos de vapor son importantes (>10 t/h), situación que se encuentra fácilmente en numerosas industrias (alimentación, química, papelera). Son plantas de gran fiabilidad y económicamente rentables cuando están diseñadas para una aplicación determinada.

El diseño del sistema de recuperación de calor es fundamental, pues su economía está directamente ligada al mismo, ya que a diferencia de las plantas con motores alternativos el precio del calor recuperado es esencial en un ciclo simple de turbina de gas.

Ciclo combinado

Un ciclo combinado ayuda a absorber una parte del vapor generado en el ciclo simple y permite, por ello, mejorar la recuperación térmica, o instalar una turbina de gas de mayor tamaño cuya recuperación térmica no estaría aprovechada si no se utilizara el vapor en una segunda turbina de contrapresión.

En un ciclo combinado el proceso de vapor es esencial para lograr la eficiencia del mismo. La selección de la presión y la temperatura del vapor vivo se hace en función de las turbinas de gas y vapor seleccionadas, selección que debe realizarse con criterios de eficiencia y economía. Por ello se requiere la existencia de experiencias previas e "imaginación responsable" para crear procesos adaptados a un centro de consumo, que al mismo tiempo dispongan de gran flexibilidad que posibilite su trabajo eficiente en situaciones alejadas del punto de diseño.

Una variante del ciclo combinado, es el ciclo combinado a condensación

Ciclo combinado a condensación

Variante del ciclo combinado de contrapresión clásico, se basa en procesos estrictamente cogenerativos. Se basa en una gran capacidad de regulación ante demandas de vapor muy variables.

El proceso clásico de regulación de una planta de cogeneración consiste en evacuar gases a través del by-pass cuando la demanda de vapor es menor a la producción y utilizar la post-combustión cuando sucede lo contrario.

Bajando sensiblemente su potencia, no se consigue su adaptación a la demanda de vapor, debido a una importante bajada en el rendimiento de recuperación, ya que los gases de escapa mantienen prácticamente su caudal y bajan ostensiblemente su temperatura. Por ellos, las pérdidas de calor se mantienen prácticamente constantes, y la planta deja de cumplir los requisitos de rendimiento.

Por contra, un ciclo de contrapresión y condensación permite aprovechar la totalidad del vapor generado, regulando mediante la condensación del vapor que no puede usarse en el proceso, produciendo una cantidad adicional de electricidad.

Para que un avión se sustente en el aire es necesario mantenerlo en movimiento, de modo que el aire fluya a lo largo de las alas. Para conseguir el avance del avión se recurre a propulsores, como los motores de hélices y los turborreactores. 

Los turborreactores permiten alcanzar mayores velocidades que los motores de hélices, consiguiendo además una muy buena relación entre el tamaño del motor y la potencia de empuje obtenida. 

Todos hemos visto un turborreactor: son esos grandes cilindros situados en las alas de los aviones comerciales, y que presentan en su zona frontal grandes aspas en forma de ventilador. Pero ¿qué hay tras estas aspas, y de qué modo estos motores consiguen empujar al avión a velocidades que rondan los 900 km/h? 

Durante el vuelo el aire se agolpa en la boca del motor a una velocidad de 800 km/h. Una vez en la entrada, el aire es succionado por un compresor, formado por varias hileras de aspas. Estas aspas empujan el aire hacia el interior del motor, comprimiéndolo y aumentando su temperatura. 

Una vez comprimido, el aire llega a la cámara de combustión, en cuyo interior se inyecta combustible (keroseno, un tipo de gasolina), que entra en ignición con el oxígeno del aire. El calor generado por la combustión aumenta de un modo tremendo la presión dentro de la cámara de combustión, de modo que los gases producidos tienden a expandirse saliendo por la parte trasera de la cámara de combustión. A medida que sale de la cámara de combustión, el gas pierde presión, pero gana en velocidad, de modo que, al salir por la parte posterior del turborreactor, la velocidad del aire es mucho mayor que la que tenía al llegar al motor. 

El motor empuja los gases hacia atrás y los gases empujan el motor hacia adelante

En su camino de salida el gas pasa a través de una serie de turbinas, cuyas aspas giran impulsadas por la corriente de aire caliente que escapa del motor. De algún modo, y para tener una idea más gráfica, la turbina de salida se comporta de un modo similar a como lo haría un molino de viento. El giro de la turbina de salida es transmitido a través de un eje a los compresores situados en la parte delantera del motor. 

Visto el proceso de modo global, el motor hace que el aire salga de su interior a un velocidad muy superior a la que tenía cuando entró. Para que el aire gane velocidad, el motor ha tenido que ejercer una fuerza sobre dicho aire, empujándolo hacia atrás. Pero, según el principio de acción y reacción, siempre que se aplica una fuerza sobre un cuerpo, dicho cuerpo responde con una fuerza igual pero de sentido opuesto. En resumen, el turborreactor empuja el aire hacia atrás y el aire, como respuesta, empuja al motor hacia delante.

Banco de Ensayo de Turborreactores del INTA

Se puede comprobar y experimentar esta ley de movimiento realizando una sencilla experiencia, para la cual sólo se necesita un suelo liso, unos patines, y la colaboración de un amigo o amiga. Para comenzar nos dispondremos uno frente al otro sobre los patines. Seguidamente, empuja suavemente a tu pareja, procurando manteneros erguidos. Comprobarás que al empujar a tu pareja tú te mueves, pero en sentido contrario. Si los dos tenéis el mismo peso, entonces ambos os desplazaréis la misma distancia. En caso de que tú peses más, tu pareja se moverá más que tú. Si, por el contrario, tú fueras menos pesado, serías quien más rodaría hacia atrás.

¿Qué nos dice el principio de acción y reacción? El principio de acción y reacción fue formulado por primera vez por el científico inglés Isaac Newton. Esta ley dice que siempre que un cuerpo ejerce una fuerza o acción sobre un objeto, este último responde ejerciendo otra fuerza sobre el primer cuerpo, de modo que dicha fuerza de reacción tiene igual intensidad que la fuerza de acción, pero sentido contrario. 

El turborreactor consigue en definitiva mover un avión proyectando hacia atrás un chorro de aire a gran velocidad. El aire como respuesta empuja el turborreactor hacia adelante. Este proceso esta basado en la Ley de acción y reacción de Newton.

El turborreactor (en inglés: turbojet) [1] es el tipo más antiguo de los motores de reacción de propósito general. El concepto fue desarrollado en motores prácticos a finales de los años 1930 de manera independiente por dos ingenieros, Frank Whittle en el Reino Unido y Hans von Ohain en Alemania; aunque el reconocimiento de crear el primer turborreactor se le da Whittle por ser el primero en concebir, describir formalmente, patentar y construir un motor funcional. Von Ohain, en cambio, fue el primero en utilizar el turborreactor para propulsar un avión.

Diagrama del funcionamiento de un turborreactor.

Un turborreactor consiste en una entrada de aire, un compresor de aire, una cámara de combustión, una turbina de gas (que mueve el compresor del aire) y una tobera. El aire entra comprimido en la cámara, se calienta y expande por la combustión del combustible y entonces es expulsado a través de la turbina hacia la tobera siendo acelerado a altas velocidades para proporcionar la propulsión. [2]

Los turborreactores son bastante ineficientes (si se vuela por debajo de velocidades Mach 2) y muy ruidosos. La mayoría de los aviones modernos usan en su lugar motores turbofán por razones económicas. No obstante los turborreactores todavía son muy comunes en misiles de crucero de medio alcance, debido a su gran velocidad de escape, baja área frontal y relativa simplicidad.

Contenidos:1. Funcionamiento2. Comparación con otros motores similares3. Véase también4. Referencias

1. Funcionamiento

Turborreactor SNECMA Atar 09C.

Para la fase de compresión, se usan compresores axiales o centrífugos que comprimen grandes volúmenes de aire a una presión de entre 4 y 32 atmósferas. Una vez comprimido el aire, se introduce en las cámaras de combustión donde el combustible es quemado en forma continua. El aire a alta presión y alta temperatura (o sea, con más energía que a la entrada) es llevado a la turbina, donde se expande parcialmente para obtener la energía que permite mover el compresor (similar al funcionamiento del turbocompresor que se encuentra en los automóviles). Después el aire pasa por una tobera, en la que es acelerado hasta la velocidad de salida.

En este tipo de motores la fuerza impulsora o empuje se obtiene por por la cantidad de movimiento. Al lanzar grandes volúmenes de aire hacia atrás a gran velocidad, se produce una reacción que impulsa la aeronave hacia adelante. En el caso de los aviones militares, el empuje proviene prácticamente en su totalidad de los gases de escape. En el caso de aviones comerciales (como los Boeing y Airbus), una parte del aire es desviado por los costados de la camara de combustion (By-pass) generando parte del empuje de manera similar a un avión con turbohélice. Hoy en día, estos motores alcanzan empujes de hasta 50 toneladas.

2. Comparación con otros motores similares

Este tipo de motores es ampliamente utilizado en aeronáutica, dado que presenta varias ventajas frente a los motores alternativos:

Es más eficiente en términos de consumo de combustible.

Es más sencillo y tiene menos partes móviles. Tiene una mejor relación peso/potencia. Requiere menor mantenimiento. La vida útil es más larga.

Si bien el turborreactor es más eficaz en algunos aspectos respecto de otros tipos de motores de uso aeronáutico, comparado a los pulsorreactores tiene desventajas técnicas a la hora de la construcción y del mantenimiento. Los pulsorreactores, a diferencia de los reactores, estatorreactores y motores de combustión interna, ofrecen el sistema valveless (sin válvula como los tipo Lockwood Hiller) y que tienen ventajas significativas tales como:

Carencia de piezas móviles. Relaciones peso/empuje mayores que los reactores. Imposibilidad de fallo por ingestión de partículas sólidas. Posibilita usar otros combustibles como aceites naturales, alcoholes o

gases licuados sin modificación alguna. Construcción simple. Fácil disponibilidad de materiales.

Un motor de turborreactor es un tipo de motor de combustión interna utilizado a menudo para impulsar una aeronave. El aire es arrastrado a un compresor rotatorio a través de la toma de aire y es comprimido, durante varias etapas sucesivas, a alta presión antes de entrar en la cámara de combustión. El combustible es mezclado con el aire comprimido e inflamado. Este proceso de combustión aumenta considerablemente la temperatura del gas. El resultado de la combustión sale para expandirse a través de la turbina, donde se extrae la energía para mover el compresor. Aunque este proceso de expansión reduce tanto la temperatura como la presión del gas, estos se mantienen generalmente superiores a los del medio. El flujo de gas de salida de la turbina se expande a la presión ambiental a través de una tobera de propulsión, produciendo un chorro a altas velocidades. Si la velocidad de este chorro de gases supera a la velocidad del avión, entonces hay un empuje neto hacia delante. 

Bajo condiciones normales, la acción de bomba del compresor asegura cualquier retroceso del flujo, consiguiendo así un proceso continuo en el motor. De hecho, el proceso completo es similar al ciclo de cuatro tiempos, pero donde la admisión, compresión, ignición, expansión y salida se realiza simultáneamente, pero en distintas secciones del motor. La eficiencia de un motor a reacción depende fuertemente de la relación de presiones y la temperatura de la turbina. 

Comparando el turborreactor con el motor convencional a hélice, el primero toma una cantidad relativamente pequeña de masa de aire y la acelera considerablemente, mientras que una hélice utiliza una masa de aire grande y la acelera sólo una pequeña parte. La salida de gases a altas velocidades de un turborreactor lo hace eficaz a velocidades altas, especialmente a las supersónicas, y a altitudes elevadas. En aviones más lentos y aquellos que sólo realicen vuelos

cortos, una turbina de gas propulsada por una hélice, conocido como turbopropulsor, es más común y eficiente. 

El diseño de turborreactor más simple es de una sola bobina, en el que un único eje conecta la turbina al compresor. Para diseños con relaciones de presión más altas suelen tener dos ejes concéntricos, mejorando la estabilidad del compresor. El eje de alta presión conecta el compresor y turbina de alta presión. Esta bobina externa de alta presión, con la cámara de combustión, forma el núcleo o generador del motor. El eje interno conecta el compresor de baja presión con la turbina de baja presión. Ambas bobinas pueden funcionar libremente para conseguir velocidades óptimas, como en aviones supersónicos como el Concorde.