Alto índice de derivación. Sistema de baja presión en verde y sistema de alta presión en púrpura.

Bajo índice de derivación. Sistema de baja presión en verde y sistema de alta presión en púrpura.

TURBOFAN

Componentes [ editar ] Diagrama de funcionamiento de un turbofan

Entrada de aire: es la primera etapa del proceso de propulsión. Suele ser

una abertura circular y lisa por donde se recoge el aire.

Ventilador: situado al frente del motor, es un compresor de mayor tamaño que los

demás, lo que permite dividir el aire entrante en dos flujos. La corriente primaria pasa

a través de los compresores de baja y alta presión.4

Compresores: con un diseño similar al ventilador frontal pero más pequeños, su

función es aumentar la presión del aire antes de entrar en la cámara de

combustión. Se suelen utilizar compresores de baja y alta presión que giran

alrededor de ejes concéntricos, lo que permite ajustar la velocidad de rotación en

cada etapa para incrementar el rendimiento.

Cámara de combustión: con una forma circular, es el lugar donde el aire

presurizado se mezcla con el combustible y se quema. El resultado de esta

combustión son gases de escape calientes que mueven las turbinas.

Turbinas: el aire caliente que sale de la cámara pasa a través de los álabes de varias

turbinas, haciendo girar los ejes que mueven los compresores y el ventilador. En los

motores de bajo índice de derivación el compresor de baja presión y el ventilador se

mueven mediante un mismo eje, mientras que en los de índice alto se dispone de un

eje para cada componente: ventilador, compresores de baja presión y compresores de

alta presión.

Tobera: es un pequeño orificio situado en la parte posterior del motor. Las estrechas

paredes de la tobera fuerzan al aire a acelerarse, produciendo empuje debido

alprincipio de acción y reacción. En general, un aumento en la relación de derivación

trae como consecuencia una menor participación de la tobera en el empuje total del

motor.

Conducto del flujo secundario: rodea concéntricamente al núcleo del motor. Sus

paredes interna y externa están cuidadosamente perfiladas para minimizar la

pérdida de energía del flujo secundario de aire y optimizar su mezcla con el escape

del flujo primario.

CLASIFICACION MOTORES REACCION

4 - ¿Cómo se clasifican los motores a reacción?

Los motores a reacción son todos aquellos que funcionan según la ley de acción y reacción. Por lo tanto este nombre engloba tanto a los motores que vemos en los aviones de línea, como a los motores-cohete.

Una clasificación típica es:

Motores autónomos: son aquellos que no necesitan de una atmósfera para funcionar, porque además de tener depósitos para el combustible, también tienen depósitos de aire. Son los motores cohete. Se usan para naves espaciales, puesto que al no necesitar de una atmósfera, pueden funcionar en el espacio.En aviación, el avión más famoso en usar este tipo de motor fue elMesserschmitt Me-163 Komet. Tenía una autonomía de unos6 minutos.

Motores no autónomos: Son los que no pueden funcionar por sí mismos, puesto que necesitan de una atmósfera para obtener el aire. Son los motores normales y corrientes. Se dividen en:

_Sin grupo compresor-turbina: Estatorreactores y Pulsorreactores. Son los padres del motor a reacción.

_Con grupo compresor-turbina: Turborreactores y Turbofanes.

_Otros: Sistemas mixtos como el Turboestatorreactor.

5 - Motores de reacción no autónomos

Vamos a dejar de lado los motores cohete, ya que los que ahora nos interesan son los motores de reacción no autónomos, es decir, los que necesitan una atmósfera.

5.1 - Sin grupo compresor-turbina

Los motores sin grupo compresor-turbina utilizan la elevada velocidad de vuelo para comprimir el aire a través de un conducto de una forma determinada. Os he puesto la variación de velocidad y presión según el número de Mach para un conducto convergente o divergente(el número de mach es igual a tu velocidad partido la del sonido, es decir, expresa a cuantas veces la velocidad del sonido te mueves. Por ejemplo, M=2 significa que vas a dos veces la velocidad del sonido):

Es decir, que para comprimir el aire sólo por la forma de la entrada de aire, ésta ha de ser divergente para M<1,>1. Por eso hay toberas que pueden variar su forma según la velocidad de vuelo (en este caso las toberas lo que buscan es expandir, no comprimir).

ESTATORREACTOR (ram-jet, scram-jet):

El estatorreactor es el motor de reacción más simple. La elevada velocidad de vuelo comprime el aire a la entrada del motor. Después se mezcla con el combustible y se quema en la cámara de combustión, y luego se expande en la tobera. Al no llevar compresor, no se necesita de ninguna turbina (recordad que la turbina para lo único que sirve es para obtener un trabajo con el cual mover el compresor y elementos auxiliares).

Si el estatorreactor es subsónico, se le conoce como ram- jet, y si es supersónico, se le conoce como scram-jet.Si el estatorreactor va a funcionar tanto en régimen subsónico como supersónico, es necesario variar la forma del conducto de entrada, para que continúe comprimiendo el aire (de divergente a convergente). Por lo tanto, se coloca a la entrada un "cono de mach", que es móvil, cambiando dicha divergencia/convergencia.

Como ventajas podemos señalar su simplicidad. Como inconvenientes, su bajo rendimiento a velocidades bajas, la elevada temperatura que se alcanza, el consumo de

combustible y la necesidad de una velocidad inicial. Si no hay velocidad inicial, el aire no se comprime. Por eso este sistema se puede usar, por ejemplo, en los misiles que montan las aeronaves militares. También es el que monta el experimental x-43 de la nasa.

PULSORREACTOR:

El pulsorreactor es el otro motor sin grupo compresor- turbina. Funciona de manera similar al estatorreactor, sólo que a la entrada de la camara de combustión hay unas válvulas que se abren, permitiendo la entrada del aire, hasta que en la cámara hay presión suficiente, momento en el que las válvulas se cierran. Tras la inflamación de la mezcla y la expansión en la tobera, las válvulas se abren, permitiendo de nuevo la entrada de aire.

Es decir, es un motor que genera un empuje discontínuo.

Fue el motor usado en las bombas volantes V-1, en la Segunda Guerra Mundial.

Su elevado consumo y la limitación en la velocidad de vuelo a causa del abrir y cerrar de las válvulas hace que en la actualidad carezca de interés aeronáutico, pero es usado en aeromodelismo. Y bueno, fue bastante útil al final de la segunda guerra mundial. Como anéctoda, el famoso P-51 Mustang, montó experimentalmente dos pulsorreactores en las alas. Cuando la velocidad de vuelo era suficientemente alta, el motor de pistón se paraba y empezaban a funcionar los pulsorreactores.

La velocidad inicial que necesita es menor que la del estatorreactor.

5.2 - Con grupo compresor-turbina

Los motores con grupo compresor-turbina utilizan el compresor para comprimir el aire, y la turbina para obtener trabajo con el que mover el compresor. También se podría hacer un motor cuyo compresor se moviese a través de un motor eléctrico, y así ahorrarnos la turbina, que es muy cara, pero entonces se requeriría unas baterías muy grandes para generar electricidad. Con la turbina, sin embargo, el avión es autosuficiente (la turbina también mueve un alternador para producir electricidad)

TURBORREACTOR:

El turborreactor es el motor de reacción básico de la actualidad (esto no quiere decir que sea el más usado). Es el explicado en esta entrada.

Consta de un compresor, que comprime el aire, una o varias cámaras de combustión, en las cuales se inyecta combustible y se quema la mezcla, una turbina, de la cual se obtiene trabajo para mover el compresor al pasar el aire a su través, y una tobera, en la cual se expanden los gases y se aumenta su velocidad, obteniendo empuje.Las ventajas de éste tipo de motor son su elevada relación de potencia-peso, y un rendimiento aceptable a velocidades comprendidas entre M=0,7 y M=0,9 , que son a las que vuelan los aviones comerciales.

Los primeros aviones en usar el turborreactor (con cierto éxito), fueron, en Alemania el Messerschmitt Me262 (si bien el primero fue el Heinkel He-178), y el Inglaterra el Gloster Meteor. El desarrollo del motor de reacción fue a la par en Alemania y en Inglaterra, y hay una disputa sobre quién se merece el título de "padre del motor de reacción".

TURBORREACTOR DE DOBLE FLUJO (turbofan):

El turborreactor de doble flujo es un torburreactor en el que el aire que entra se divide en dos flujos:

Uno sufre las transformaciones termodinámicas del turborreactor normal y corriente: atraviesa el compresor, la cámara de combustión, la turbina y la tobera.

Otro simplemente se comprime, y luego pasa directamente a la tobera.

¿Para qué se hace esto?

El rendimiento motor de un avión de reacción es: η=2Vs/(Ve+Vs), siendo Ve la velocidad de entrada y Vs la velocidad de salida. Según esto, para que el rendimiento sea lo más alto posible (1), Ve≈Vs.El empuje que desarrolla un motor de reacción es: E=G(Vs- Ve), siendo G el gasto másico de aire (cuánta masa entra por unidad de tiempo). Según esto, interesa que Vs>Ve, porque si son iguales, el empuje se hace 0.

Obviamente nos interesa un alto empuje y un alto rendimiento, pero según lo dicho, parece que hay que llegar a una solución de compromiso, porque al mejorar uno empeora el otro... Pero fijáos que podemos bajar Vs para aumentar el rendimiento, y obtener empuje a base de aumentar G. Eso es lo que hace el turbofan:

Gracias al fan, el area frontal es mayor, con lo que el gasto de aire (la cantidad de aire que entra al motor) es mayor, aumentando el empuje. Pero hacer todos los componentes tan grandes es un problema de peso serio. Por eso se divide el flujo en dos (así, el resto del motor es de tamaño más reducido). A la salida, el flujo que ha pasado por el motor completo se mezcla con el que ha pasado sólo por el fan. Obviamente tienen velocidades diferentes, y al mezclarse la velocidad global disminuye. Así aumenta el rendimiento. De esta forma, hemos conseguido aumentar el rendimiento y el empuje.En el fondo, un fan es más como una hélice. Casi no se obtiene empuje del chorro de gases que pasa por el compresor/cámara/turbina, sino que el empuje se obtiene prácticamente todo del fan. El resto del aire sirve, en su mayoría, para mover la turbina y obtener un trabajo con el cual mover el fan, y el compresor.

Como nota adicional, al mezclar los flujos de aire, el impacto sónico con el medio ambiente es menor.

El turbofan es el motor de reacción que más rendimiento da (lo que implica un bajo consumo, y eso significa que es más barato), y unido a su menor ruido de funcionamiento, le hace el motor que se está montando en todos los aviones de línea.

5.3 - Sistemas mixtos

Los sistemas mixtos, como su propio nombre indica, mezclan diferentes sistemas en uno sólo. Estos sistemas mezclados en un sólo motor, pueden funcionar a la vez, o separadamente según las condiciones de vuelo. Éste es el caso del turboestatorreactor.

TURBOESTATORREACTOR:

El turboestatorreactor es un sistema mixto entre estatorreactor y turborreactor.A bajas velocidades, este sistema propulsivo funciona como un turborreactor convencional: tiene su compresor, su cámara de combustión, su turbina y su tobera.Sin embargo, a altas velocidades los elementos propios del turborreactor quedan encerrados por compuertas, y el flujo pasa directamente a una cámara de combustión grande, que está en la zona trasera. El conducto hasta llegar allí adopta la forma necesaria para que el aire se comprima antes de quemarse, gracias a un cono de mach. Es decir, funciona como un estatorreactor.

Además, mientras el motor funciona como turborreactor, la cámara de combustión trasera puede usarse para postcombustión.El sistema tiene las ventajas del turborreactor a bajas velocidades y las del estatorreactor a altas.

Este motor es el que utiliza el archifamosísimo SR-71 Blackbird

MOTORES DE TURBINA

TURBOHÉLICE

Estos motores no basan su ciclo operativo en la producción del empuje directamente del chorro de gases que circula a través de la turbina, sino que la potencia que producen se emplea en su totalidad para mover la hélice, y es esta la genera la tracción para propulsar la aeronave. Debido a que el óptimo funcionamiento de las turbinas de gas se produce a altas velocidades de giro superiores a 10.000 RPM, los turbohélices disponen de una caja de engranajes para reducir la velocidad del eje y que las puntas de la hélice no alcancen velocidades supersónicas. A menudo la turbina que mueve la hélice está separada del resto de

componentes rotativos para que sean libres de girar a su óptima velocidad propia (se conocen como motores de turbina libre). Los turbohélices son muy eficientes cuando operan dentro del rango de velocidades de crucero para las que fueron diseñados, que en general va desde los 320 a los 640 km/h. Al igual que en la mayoría de motores recíprocos, los motores cuentan con controles que mantienen fija la velocidad de la hélice y regulan el paso de sus palas (hélice de velocidad constante y paso variable).

TURBOEJE

Un motor turboeje es un motor de turbina de gas que entrega su potencia a través de un eje. Estos motores son utilizados principalmente en helicópteros y en unidades de energía auxiliar. El turboeje es muy similar al turbohélice, con una diferencia clave: en el turbohélice la hélice es soportada directamente por el motor, y el motor está atornillado a la estructura de la aeronave; en un turboeje el motor no tiene que ofrecer un soporte físico directo a los rotores del helicóptero, ya que el rotor está conectado a una transmisión fijada a la estructura y el turboeje simplemente transmite la potencia mediante un eje de transmisión .

MOTORES DE REACCIÓN

El componente fundamental de este tipo de motores es la tobera de escape. Esta es la parte que crea el empuje mediante un chorro de gas. El flujo de aire caliente del motor es acelerado al salir de la tobera, creando el empuje que junto con las presiones que actúan dentro del motor empujan la aeronave hacia adelante.

Los motores de reacción más habituales son el turborreactor, el turbofán y el cohete. Aunque también se emplearon de forma menos habitual otro tipo de motores de reacción como el pulsorreactor (desarrollado en Alemania durante la Segunda Guerra Mundial para impulsar las bombas guiadas V1), el estatorreactor (ramjet), el estatorreactor de combustión supersónica (scramjet) o el motor de detonación por pulsos .

El funcionamiento de estos motores es relativamente más simple que el de los motores recíprocos, sin embargo las técnicas de fabricación, componentes y materiales son mucho más complejos ya que están expuestos a elevadas temperaturas y condiciones de operación muy diferentes en cuanto a altitud, rendimiento, y velocidad interna de los mecanismos.

TURBORREACTOR

Un turborreactor es un tipo de motor de turbina de gas desarrollado originalmente para aviones de combate durante la Segunda Guerra Mundial en el que los gases generados por la turbina, al ser expelidos, aportan la mayor parte del empuje del motor.

El turborreactor es el más simple de todos los motores de turbina de gas para aviación. Generalmente se divide en zonas de componentes principales que van a lo largo del motor, desde la entrada hasta la salida del aire: en la zona de admisión (parte delantera) hay un compresor que toma el aire y lo comprime, una sección de combustión inyecta y quema el combustible mezclado con el aire comprimido, a continuación una o más turbinas obtienen potencia de la expansión de los gases de escape para mover el compresor de admisión, y al final una tobera de escape acelera los gases de escape por la parte trasera del motor para crear el empuje. Entre los diseños de turborreactores se distinguen dos grandes grupos: los de compresor centrífugo y los de compresor axial.

TURBOFÁN

En el motor turbofán (turbosoplante o turboventilador) los gases generados por la turbina son empleados mayoritariamente en accionar un ventilador (fan) situado en la parte frontal del sistema que produce la mayor parte del empuje, dejando para el chorro de gases de escape solo una parte del trabajo.

Estos motores comenzaron a usar el sistema de flujo axial, que mantiene la corriente de aire comprimido presionada hacia el eje de la turbina, por lo que el aire sale propulsado con mayor velocidad y con menos tendencia a disiparse de la corriente de salida. Esto incrementa notablemente la eficiencia.

Otro gran avance del Turbofan fue la introducción del sistema de doble flujo en el cual, el ventilador frontal es mucho más grande ya que permite que una corriente de aire circule a alta velocidad por las paredes externas del motor, sin ser comprimido o calentado por los componentes internos. Esto permite que este aire se mantenga frío y avance a una velocidad relativamente igual al aire caliente del interior, haciendo que cuando los dos flujos se encuentren en la tobera de escape, formen un torrente que amplifica la magnitud del flujo de salida y a la vez lo convierte en un flujo más estrecho, aumentando la velocidad total del aire de salida. Este tipo de motor tiene una gran entrega de empuje, permitiendo el desarrollo de aviones con capacidad de carga y transporte de pasajeros mucho más grande, y al nivel que conocemos en la actualidad.

Es el motor utilizado por la mayoría de los aviones de reacción modernos por su elevado rendimiento y relativa economía de combustible respecto a un Turbojet.

COHETE

Los motores cohete ofrecen mucho empuje pero poca autonomía y no son usados como propulsores de aviones porque su eficiencia es bastante pobre, excepto a altas velocidades.