Motor aeronáutico: Cómo funcionan los motores a reacción

Explicado: Cómo funcionan los motores a reacción

INTRODUCCIÓN

Los motores a reacción revolucionaron los viajes aéreos. Permitieron a los diseñadores fabricar aviones que podían volar más rápido que los aviones propulsados por hélice y con motor de gasolina de la época. Los motores a reacción se fabricaron por primera vez en la década de 1930, pero no entraron en servicio ni se produjeron a gran escala hasta la década de 1940. Básicamente son motores que respiran aire y dependen de la entrada de aire para propulsar el avión. Durante la Segunda Guerra Mundial, Alemania fue el único país que poseía aviones a reacción. Pero poco después de que terminó la guerra, otras naciones europeas, estadounidenses y rusos se apoderaron de esta tecnología y adoptaron a gran escala la propulsión a chorro para sus aviones. Su uso se extendió rápidamente y se realizaron muchas mejoras en la propulsión a chorro, lo que la hizo económica y asequible para su uso en aviones civiles a gran escala. Actualmente, casi todos los aviones del mundo están propulsados ​​por un motor turborreactor, turbofan o turbohélice. Estos motores han hecho que los viajes aéreos sean más rápidos y económicos que nunca. Hay varios otros tipos de motores a reacción como ramjet, scramjet, etc. En este artículo, daré una explicación breve pero exhaustiva sobre cómo funcionan estos motores a reacción desde un punto de vista de ingeniería.

PRINCIPIO BÁSICO

Todos los motores a reacción funcionan según el mismo principio: producir empuje para impulsar el avión hacia adelante. Todos los motores a reacción tienen una entrada de aire por donde entra el aire. Este aire se quema en la cámara de combustión con combustible y los gases de escape calientes salen por una tobera, formando un propulsor en chorro. El funcionamiento real de estos motores implica componentes y etapas adicionales que se explicarán a continuación.

MOTOR TURBOJET
Las etapas de un motor turborreactor. Imagen de Wikimedia.

Este es uno de los tipos de motores a reacción más antiguos que existen y equipó a los primeros aviones de combate. Es muy eficiente a velocidades de vuelo superiores a 800 km/h. Su funcionamiento depende de las siguientes etapas.

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Difusor: Esta es la primera etapa del motor. Aquí el aire atmosférico entra con una velocidad igual a la velocidad del avión y es frenado en el difusor.

Compresor: El aire que sale del difusor tiene una velocidad insignificante y entra al compresor. En este caso, el aire se comprime a alta presión con la ayuda de un compresor axial.

Cámara de combustión: Después de la compresión, el aire ingresa a la cámara de combustión donde se rocía combustible y se produce la combustión.

Turbina: Los productos de la cámara de combustión se encuentran a alta presión y temperatura. Impulsan las palas de la turbina, que a su vez impulsan el compresor y, por lo tanto, le permiten aspirar más aire. La turbina también está acoplada a una unidad generadora en aviones para producir electricidad.

Boquilla de salida: Los gases que salen de la turbina se expanden y salen de la boquilla a gran velocidad. Esto produce el empuje necesario e impulsa el avión según la tercera ley de Newton.

Postquemador (opcional): este componente está presente sólo en aviones militares. Básicamente inyecta combustible en los gases de escape que salen de la turbina y la combustión resultante produce un empuje adicional al aumentar la velocidad y la temperatura del escape. Este empuje extra es muy útil mientras el avión despega o vuela a velocidades supersónicas. El postquemador se utiliza sólo durante períodos cortos (2-3 minutos), ya que consume una gran cantidad de combustible y el aumento de la temperatura del escape podría dañar la boquilla si se utiliza durante períodos más prolongados.

USOS: Los turborreactores se utilizaron ampliamente en aviones militares y civiles desde finales de los años 1940 hasta los años 1970. Luego fueron reemplazados gradualmente por turbofan que ahorraban más combustible. Los turborreactores se siguen utilizando hasta el día de hoy, pero son muy raros.

 
El bombardero B-52 tenía 8 motores turborreactores que ahora han sido sustituidos por turbofanes.


Un F-14 Tomcat con los motores en postcombustión al máximo durante el despegue

MOTOR TURBOFÁN


Las etapas de un motor turbofan. Imagen de Wikimedia.

Un turboventilador es casi idéntico a un turborreactor y consta únicamente de una etapa adicional: un ventilador.

• Este ventilador está presente delante del difusor y conectado al mismo eje que acciona el compresor y la turbina en un turborreactor.
• El ventilador aspira aire a un ritmo más rápido hacia la etapa del turborreactor y también proporciona un empuje de derivación adicional, ya que parte del aire aspirado por el ventilador sale de los motores desde fuera de la etapa del turborreactor y complementa el empuje del jet que sale de las boquillas del turborreactor. turborreactor.
• Dado que un turbofan es básicamente un turborreactor con un ventilador para producir empuje de derivación, también se le llama turborreactor de derivación.
• Estos motores son muy eficientes a velocidades medias y altas. De ahí que hayan sustituido casi por completo a los turborreactores en aplicaciones civiles y militares. Los turbofan también han reemplazado a los turbohélices en algunos aviones militares.

USOS:  Casi todos los aviones de combate modernos utilizan turbofanes de alta potencia con postquemadores. Los misiles de crucero y los vehículos aéreos no tripulados también utilizan turbofan. La mayoría de los aviones comerciales han pasado a utilizar aviones propulsados ​​por turbofan.

GE-90-115B El motor turbofan más grande del mundo

MOTOR TURBOHÉLICE


Las etapas de un motor turbohélice. Imagen de Wikimedia.

La razón principal para el desarrollo del motor turbohélice fue la ineficiencia de los turborreactores a velocidades de vuelo inferiores a 800 km/h. Un motor turbohélice es muy eficiente incluso a bajas velocidades de vuelo.

• Básicamente consta de una hélice con engranajes conectada a un motor turborreactor. Por tanto, el principio de funcionamiento sigue siendo casi similar. Las etapas adicionales se explicarán aquí.
• La turbina de un motor turbohélice es más grande que la de un turborreactor. Esto se debe a que la turbina de un turbohélice tiene que impulsar la hélice además del compresor y los sistemas auxiliares como generadores, mientras que la turbina de un turborreactor tiene que impulsar sólo el compresor y los sistemas auxiliares.
• La hélice consume entre el 80 y el 90% de la potencia neta de la turbina y el resto se deja para producir el empuje del jet. La hélice produce empuje cambiando el impulso del aire a su alrededor.
• La rotación de la hélice provoca una reducción de la presión delante de ella (aguas arriba). El aire en esta zona acelera hacia la hélice, pasa sobre ella y aumenta la presión.
• Así, el aire detrás de la hélice (aguas abajo) tiene una velocidad mayor y constituye el empuje. Este empuje se combina con la pequeña cantidad de empuje del jet que sale de la boquilla e impulsa el avión hacia adelante.

El empuje producido por un turbohélice a velocidades de vuelo más bajas es considerablemente mayor que el de los turborreactores. Por lo tanto, encuentran una amplia aplicación en aviones de tamaño pequeño y mediano, como transportes civiles y militares, que normalmente vuelan a velocidades de 400 a 600 km/h.


El Airbus A400M es uno de los aviones más grandes propulsados ​​por turbohélices.

USOS: El avión propulsado por turbohélice más famoso es el transportador C-130. El avión propulsado por turbohélice más rápido es el ruso Tu-95, que está propulsado por 4 turbohélices contrarrotativos que giran a velocidades supersónicas que permiten al avión volar cerca de 1000 km/h, lo que es casi inaudito para un avión propulsado por turbohélice.

Hoy en día, muchos transportes militares utilizan turbohélices debido al gran empuje que se produce a bajas velocidades. Los pequeños aviones civiles que son conscientes de la economía también utilizan aviones propulsados ​​por turbohélice. Curiosamente, los turbohélices también encuentran aplicación en aerodeslizadores.

  El Tu-95 es el avión propulsado por turbohélice más rápido. Cada motor tiene 2 juegos de hélices contrarrotativas.

 MOTOR TURBO-EJE

Las etapas de un motor turboeje. Imagen de Wikimedia.

Este motor se utiliza para propulsar todos los helicópteros del mundo. El principio de funcionamiento es el mismo que el de un motor turborreactor, pero los gases de escape no se utilizan para impulsar el helicóptero hacia adelante.

• El aire comprimido se quema en la cámara de combustión y se utiliza para impulsar una turbina. Los gases de escape salen por los lados y se difunden hacia la atmósfera y proporcionan un empuje insignificante.
• La turbina hace girar como de costumbre el eje central, que a su vez hace girar el compresor. Pero el eje también se extiende en la dirección opuesta y se llama eje de potencia.
• La rotación de las palas de la turbina también hace girar este eje. El eje de potencia está conectado al eje de las palas del rotor del helicóptero a través de una caja de cambios.
• Así giran los rotores de un helicóptero.

Los motores turboeje en un Chinook CH-47

MOTOR RAMJET

Las etapas de un motor ramjet. Imagen de Wikimedia.

Un motor ramjet se utiliza cuando es necesario alcanzar velocidades supersónicas en el rango de 2 a 4 veces la velocidad del sonido. Este es el motor de respiración de aire más simple que existe, ya que no tiene partes móviles como compresores o turbinas.

• Consiste en un difusor que comprime el aire según el principio de "compresión de ariete". La compresión Ram es un tipo de compresión en la que la energía cinética del aire de entrada se convierte en energía de presión con la ayuda de un difusor, comprimiéndolo así.
• El aire que entra a velocidades supersónicas se reduce a velocidades subsónicas antes de entrar en la cámara de combustión. Aquí, el combustible se pulveriza y quema de forma similar a los turborreactores.
• Pero el escape caliente no tiene turbina para hacer funcionar y todo el escape sale de la boquilla como empuje de chorro.
• Lo interesante es que este motor no se puede arrancar desde velocidad cero y necesita moverse a alta velocidad para comenzar a funcionar, por lo que a menudo se le conecta un turborreactor o un cohete propulsor para impulsarlo a las velocidades requeridas.
• Un propulsor de cohete de combustible sólido es el accesorio más común para los misiles propulsados ​​por estatorreactores. Un turborreactor acoplado a un estatorreactor se llama turborreactor y se utiliza en aviones militares.
  
  
  

Misil BrahMos. Tenga en cuenta los difusores cónicos en la nariz para comprimir el aire de entrada. 

USOS: Este motor está restringido sólo para aplicaciones militares y se utiliza casi exclusivamente en misiles. Los misiles modernos más populares que utilizan un motor ramjet son el BrahMos y el Meteor.

MOTOR SCRAMJET

Las etapas de un motor scramjet. Imagen de Wikimedia.

Un scramjet es un motor Ramjet de combustión supersónica, llamado así porque es básicamente un motor ramjet donde la combustión del aire ocurre a velocidades supersónicas en lugar de subsónicas. Su funcionamiento es similar al de un motor estatorreactor. Un misil o avión propulsado por scramjet debe acelerarse a 4 veces la velocidad del sonido mediante una fuente externa, como un motor de cohete, antes de que el scramjet pueda comenzar a funcionar. 

• Cuando un avión está cerca del suelo y la presión atmosférica es muy alta, los gases de escape que salen de la boquilla del motor están a una presión más baja que el aire circundante.
• El aire a alta presión presiona el gas por todos lados y lo comprime.
• Los diamantes son una serie de ondas de choque, expansiones y compresiones de los gases de escape que continúan hasta que la presión del escape se vuelve igual a la presión de la atmósfera circundante.
• Cuando se comprimen los gases de escape, los diamantes brillantes que se forman en las ondas de choque son el resultado del exceso de combustible que se enciende en el postquemador.
• El combustible queda atrapado en las ondas de choque de compresión y expansión y, por lo tanto, cuando se enciende, aparece como una serie de bolas brillantes.

Vectorización de empuje

La vectorización de empuje es un método para manipular el empuje del motor de una aeronave para lograr un control direccional o de altitud adicional.

Básicamente dirige el empuje en la dirección requerida para que el avión pueda moverse en la dirección opuesta. Un sistema de este tipo puede permitir que la aeronave gire en un radio muy corto e impartir una excelente maniobrabilidad. La razón por la que la familia de aviones Su-30 es muy popular en las exhibiciones aéreas es por sus boquillas de vectorización de empuje que les permiten realizar maniobras muy complicadas.

  El Harrier fue el primer caza operativo del mundo con vectorización de empuje.

La boquilla de vectorización de empuje en un Su-35S


El Su-35 muestra sus habilidades en TVC

CONCLUSIÓN

El funcionamiento de los motores a reacción parece bastante simple y existen desde hace 70 años, pero sólo un puñado de naciones tienen la capacidad de diseñar motores a reacción y producirlos con éxito. Los países que pueden fabricar aviones de combate de alta calidad también necesitan importar motores de países como Estados Unidos y Rusia. ¿Por que es esto entonces?

Esto se debe a que los motores a reacción son fáciles de entender, pero increíblemente complejos de diseñar y construir. Es el corazón de todo objeto volador creado por el hombre. Un avión puede volar sin sistemas de navegación ni radares, pero ni siquiera será un avión sin motor. Las palas de la turbina de un motor a reacción funcionan a temperaturas superiores a 1.000 °C durante cientos de horas a lo largo de su vida útil. Tiene que estar fabricado con la composición perfecta de metales para que no se induzca fatiga o fluencia con la temperatura y las tensiones físicas asociadas. Un solo fallo provocará que el avión se estrelle.

Actualmente, los motores a reacción americanos y europeos tienen el índice de fiabilidad más alto, seguidos de los motores rusos. China ha desarrollado sus propios motores, pero duda en utilizarlos a gran escala y sigue importando de Rusia porque no confían en su fiabilidad y rendimiento. India intentó desarrollar un motor a reacción, pero pronto abandonó el proyecto porque no cumplía con los parámetros de rendimiento requeridos, incluso después de años de pruebas.

En el futuro, veremos cómo los turbofan se vuelven más eficientes, los misiles impulsados por ramjet y scramjet se vuelven más populares y podrían surgir nuevos tipos de motores. Pero actualmente, el turbofan es el rey y el turbohélice es la reina para impulsar un avión hacia adelante y los turboejes gobiernan el mundo de los helicópteros.